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uberwachungsanlage Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Überwachung
von Räumen auf unbefugte Personen und Fremdkörper. Derartige Anlagen werden insbesondere
als Diebstahl- und Einbruchwarnanlagen eingesetzt.
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Sie arbeiten üblicherweise mit Erschütterungsaufnehmern, Lichtschranken
oder dergleichen. Allerdings haben diese Anlagen den Nachteil, daß sie von geübten
Verbrechern außer Betrieb gesetzt oder umgangen werden können. Um in dieser Hinsicht
eine Verbesserung zu schaffen, sind in letzter Zeit Überwachungsanlagen nach dem
Ultraschall-Echoprinzip geschaffen worden. Hier werden von einem Ultraschallsender
Ultraschallwellen in den zu über wachenden Raum abgestrahlt und die vom Raum reflektierten
Ultraschallwellen von einem Ultraschallempfänger aufgenommen. Alle Veränderungen
im Raum z.B. durch eindringende, unbefugte Personen oder durch Fremdkörper führen
zu einer Änderung der reflektierten Ultraschallwellen. Diese Änderungen werden von
der Anlage erkannt und führen zur Betätigung einer Warneinrichtung.
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Überwachungsanlagen nach dem Ultraschall-Echoprinzip sind praktisch
nicht unbefugt außer Betrieb zu setzen oder zu umgehen. Sie haben aber noch den
Nachteil, daß sie sehr störempfindlich sind, d.h. häufig auch dann ansprechen, wenn
tatsächlich keinerlei Veränderungen im überwachten Raum vorgekommen sind. Falsches
Ansprechen beruht häufig auf Drift- und Instabilitätserscheinungen der Ultraschallsender
und-empfänger sowie auf über die Speisespannungsversorgung vom Netz her eingeschleusten
Störungen. Sämtliche derartige Erscheinungen wirken sich angesichts der hohen Empfindlichkeit
der Ultraschallüberwachungsanlagen besonders stark aus.
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Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Uberwachungsanlage
nach dem Ultraschall-Echoprinzip zu schaffen, die trotz eines relativ einfachen
Aufbaus eine hohe Störunempfindlichkeit in obigem Sinne besitzt.
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Ausgehend von einer Anlage zur Überwachung eines Raumes auf unbefugte
Personen und Fremdkörper mit einem in den Raum abstrahlenden Ultraschallsender und
einem in den Raum gerichteten Ultraschallempfänger, der eine Auswertschaltung mit
einem Frequenz-und Amplitudendetektor für die empfangenen Ultraschallwellen zur
Betätigung einer Warneinrichtung aufweist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger jeweils einen piezoelektrischen
Schwinger aufweisen, und daß die beiden Schwinger bezüglich ihrer elektromechanischen
Eigenschaften paarweise ausgesucht sind.
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Da die erfindungsgemäße Anlage nicht nur auf Intensitätsänderungen,
sondern auch auf Frequenzverschiebungen der reflektierten Ulkaschallwellen reagiert,
wie sie gemäß dem Doppler-Effekt durch sich bewegende Objekte hervorgerufen werden,
ist zur Vermeidung von Fehlansprechen sowohl eine hohe Amplituden- als auch
eine
hohe Frequenzkonstanz erforderlich. Durch die Verwendung von je einem piezoelektrischen
Schwinger im Ultraschall sender und im Ultraschallempfänger wird diese Konstanz
mit einfachen Mitteln erreicht. Die beiden Schwinger gewährleisten gerade auch gegenüber
kurzfristigen Störeinflüssen eine hochstabile Arbeitsweise. Eine besonders gute
Langzeit-Stabilität ist dadurch sichergestellt, daß die beiden Schwinger paarweise
ausgesucht sind und sich deshalb Änderungen der Umgebungsbedingungen und Alterung
der Schwinger bei beiden Schwingern gleichsinnig auswirken.
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Bei der bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung stellen die Schwinger
unmittelbar das Sendelement bzw. das Empfangselement für die Ultraschallwellen dar.
Da gesonderte Sende-und Empfangselemente, z.B. elektromagnetische Wandler, hierbei
entfallen, ist der Aufbau der Anlage besonders einfach und betriebssicher.
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Nach einem weiteren, wichtigen Merkmal der Erfindung ist der Schwinger
des Ultraschallsenders das frequenzbestimtnende Element eines Oszillators und weist
außer den beiden Speiseelektroden eine aktive Zusatzelektrode auf, an der eine dem
Oszillator zugeführte Rückkopplungsspannung entsteht. Durch diese Einbeziehung des
Schwingers des Ultraschallsenders in die Rückkopplung des Oszillators wird eine
ganz besonders hohe, mit so einfachen Mitteln bisher nicht erreichte Frequenzkonstanz
des Ultraschallsenders erzielt.
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Diese wiederum ist von besonderer Bedeutung für die Störunempfindlichkeit
der gesamten Anlage, da durch den Ultraschallsender hervorgerufene Frequenzverschiebungen
vom Ultraschallempfänger nicht von Frequenzverschiebungen unterschieden werden können,
die gemäß dem Doppler-Effekt auf
Bewegung von Objekten.im Überwachungsbereich
beruhen.
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Durch Vermeidung senderseitiger Frequenzverschiebungen wird also die
Störunempfindlichkeit der Anlage bedeutend verbessert. Zweckmäßigerweise ist die
Zusatzelektrode des Schwingers des Ultraschallsenders als kapazitive Elektrode ausgebildet.
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Die durch Bewegung im Überwachungsbereich hervorgerufenen Frequenzverschiebungen
der reflektierten Ultraschallwellen überdecken nur einen schmalen Frequenzbereich
beiderseits der Sendefrequenz. Alle Signale mit einer außerhalb dieses schmalen
Frequenzbereiches liegenden Frequenz sind mit Sicherheit Störsignale. Um solche
Störsignale auszuschalten, arbeitet der das Empfangselement bildende Schwinger des
Ultraschall empfängers am besten über einen Schmalband-Verstärker auf den Prequenz-
und Amplitudendetektor des Ultraschallempfängers, sodaß die genannten Störsignale
gar nicht erst zum Detektor gelangen können.
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Einfim Hinblick auf die Störunempfindlichkeit besonders günstiges
Ansprecbverhalten der Anlage wird erreicht, wenn der Frequenz- und Amplitudendetektor
durch einen Flanken-Demodultaor gebildet ist, der auf einen Schwellwertverstärker
arbeitet. Dann spricht die Anlage im Nahbereich in erster Linie auf Amplitudenänderungen
und im Fernbereich in erster Linie auf Frequenzänderungen gemäß dem Doppler-Effekt
an, was die Tatsache berücksichtigt, daß bei größeren Entfernungen nur noch geringe
Echoenergie am Ultraschallempfänger eintrifft. Durch den Schwellwertverstärker wird
vermieden, daß die Anlage irrtümlicher-weise auf kleine und damit geringe Reflexion
erzeugende, bewegte Teile anspricht.
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Um alle von der Speisung her eingeschleuste Störungen zu vermeiden,
werden der Ultraschallsender und der Ultraschallempfängezweckmäßigerweise aus einer
hochkonstanten Gleichspannungsquelle gespeist, die beispielsweise durch ein stabilisiertes
Netzteil in Verbindung mit einer Pufferbatterie gebildet ist.
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Im folgenden wird die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 die Vorderansicht eines Tresors mit einer darin eingebauten
Ultraschall-Überwachungsanlage, Fig. 2 das Schaltbild des Ultraschallsenders der
Anlage nach Figur 1, Fig. 3 das Blockschaltbild des Ultraschallempfängers der Anlage
nach Figur 1.
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in Der in Figur 1 dargestellte Tresor 10 umfaßt/üblicher Weise ein
Gehäuse 11 und eine Türe 12. Oberhalb der Türe 12 ist eine Anlage 13 zur Überwachung
des Raumes vor dem Tresor auf unbefugte Personen und Fremdkörper in das Gehäuse
11 eingebaut. Die Anlage umfaßt hinter einem Gitter 14 einen Ultraschallsender 20,
vgl. Fig. 2, und einen Ultraschallempfänger 30, vgl. Fig. 3. Hinter einem weiteren
Gitter 15 ist eine durch den Ultraschallempfänger betätigbare akkustische Warneinrichtung
vorgesehen. Zur Anlage gehören ferner ein Voltmeter 16 zur Überwachung der Betriebsspannung
und ein Sicherheitsschlüsselschalter 17 zum Ein- und Ausschalten der Anlage. Eine
Warnlampe 18 zeigt eventuelle Störungen an.
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Die Anlage 13 arbeitet nach dem Ultraschall-Echoprinzip.
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Der Ultraschallsender 20 strahlt durch das Gitter 14 hindurch Ultraschallwellen
in den Raum vor dem Tresor ab. Der neben dem Ultraschallsender hinter dem Gitter
14 angeordnete, in den Raum gerichtete Ultraschallempfänger 30 empfängt einen Teil
der im Raum reflektierten Ultraschallwellen. Dieser Teil ist für den jeweiligen
Raum typisch und normalerweise konstant. Wird jedoch das Schallfeld durch fremde
Objekte im Raum verändert, ergibt sich eine Intensitäts- und bei sich bewegenden
Objekten insbesondere auch eine Prequenzänderung der empfangenen Ultraschallwellen,
welche vom Ultraschallempfänger erkannt und zum Auslösen der Warneinrichtung benutzt
wird.
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Der Ultraschallsender 20, vgl. Fig. 2, umfaßt einen piezoelektrischen
Schwinger 21, der sowohl das frequenzbestimmende Element des Ultraschall senders
als auch das eigentliche Sendeelement, also den zur Erzeugung der Ultraschallwellen
benötigten elektroakustischen Wandler darstellt. Der Schwinger 21 ist auf 40 kz
abgestimmt. Er ist mit seinen beiden Speiseelektroden 22 und 23 über eine Spule
24 an einen Parallelschwingkreis 25 eines Oszillators angekoppelt.
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Der Oszillator umfaßt als aktives Element einen Transistor 26, dessen
Kollektorkreis über die angezapfte Spule des Parallelschwingkreises 25 verläuft.
Die Bais des Transistors 26 erhält eine Gleichvorspannung über einen Widerstand
27 und die zur Arbeitsweise als Oszillator notwendige Rückkoppelungsspannung von
einer kapazitiven Zusatzelektrode 28 des Schwingers 21. Dadurch, daß durch Abnahme
der Rückkoppelungsspannung an einer dritten, zusätzlich zu den Speiseelektroden
vorgesehenen aktiven Elektrode des piezoelektrischen Schwingers dieser in die Rückkoppelung
des Oszillators mit einbezogen ist, wird eine besonders hohe Frequenzkonstanz
der
vom Schwinger abgegebenen Ultraschallwellen erreicht. Der Ultraschallsender erhält
an den entsprechend bezeichneten Anschlüssen eine hochkonstante Gleichspannung aus
einer nicht näher gezeigten Gleichspannungsquelle.
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Auch der Ultraschallempfänger 30, vgl. Fig. 3, umfaßt einen piezoelektrischen
Schwinger 31, welcher das Empfangselement des Ultraschallempfängers bildet. Der
Schwinger 31 ist bezüglich seiner elektromechanischen Eigenschaften paarweise zu
dem Schwinger 21 des Ultraschallsenders 20 ausgesucht. Der Schwinger 31 arbeitet
über einen Schmalband-Verstärk;2/mit einer Mittenfrequenz von 40 kllz auf einen
Frequenz- und Amplitudendetektor in Form eines Flanken-Demodulators 33. Die Bandbreite
des Schmalband-Verstärkers ist in Anpassung an die gemäß dem Doppler-Effekt zu erwartenden
Frequenzverschiebungen der empfangenen Ultraschallwellen gewählt. Der Planken-Demodultator
33 spricht sowohl auf Frequenz- als auch auf Amplitudenänderungen des vom Schmalband-Verstärker
empfangenen Signales durch Erhöhung seines Ausgangssignales an.
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Dem Flanken-Demodulator ist ein Schwellwertverstärker 34 nachgeschalte+
der dann, wenn das Ausgangssignal vom Planken-Demodulator an seinem Eingang einen
bestimmten Schwellwert tiberschreitet, ein Relais 35 einschaltet. Der Schwellwert
des Schwellwertverstärkers 34 wird in Abhängigkeit von den jeweiligen Raumbedingungen
so eingestellt, daß kleine bewegte Objekte nicht zu einem Ansprechen des Relais
35 führen.
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Das Relais 35 besitzt eine zeitlich begrenzte Selbsthaltung, durch
die es nach Erregung vom Schwellwertverstärker 34 für eine tortestimmte Zeit, der
Alarmzeit, eingeschaltet
bleibt. Bei eingeschaltetem Relais 35 wird
in nicht näher dargestellter Weise gegebenenfalls über ein Zeitverzögerungsglied
die Warneinrichtung hinter dem Gitter 15 betätigt. Außerdem ist eine Rückführung
36 vom Relais 35 zum Schmalband-Verstärker 32 vorgesehen, durch die dessen Verstärkungsfaktor
bei eingeschaltetem Relais auf praktisch 0 herabgesetzt wird. Dadurch werden während
der Alarmzeit keine weiteren Signale mehr an den Flanken-Demodulator weitergegeben,
und es wird dadurch eine erneute Selbstauslösung durch die nachklingende Warneinrichtung
verhindert. Die Verstärkung wird erst wieder nach Ablauf einer bestimmten Erholzeit
langsam und gleichmäßig auf den vollen Wert gebracht. Die Dauer der Alarmzeit ist
variabel und kann von einer Sekunde bis auf drei Minuten eingestellt werden. Ebenfalls
ist die Erholzeit von 0,2 sec.
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bis einige Sekunden variierbar.
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Dem Relais 35 ist ferner ein Zeitglied 37 nachgeschaltet, das bei
Überschreiten einer bestimmten Einschaltdauer des Relais 35 ein Schütz 58 betätigt,
mit welchem in nicht näher dargestellter Weise eine intensiver wirkende Warneinrichtung
oder die vorhandene Warneinrichtung auf eine intensivere Warnung eingeschaltet wird.
Das Zeitglied 37 ist selbstrückstellend, sodaß bei jeder erneuten Betätigung die
volle Verzögerungszeit zur Verfügung steht.
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Die Spannungsversorgung der einzelnen Bauglieder erfolgt aus einer
hochkonstanten Gleichspannungsquelle 39, an die auch der Ultraschallsender 20 angeschlossen
sein kann.
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In einer Reihe von Fällen langt ein Ultraschallsender-Empfänger-Paar
zur Uberwachung eines Raumes nicht aus oder es sind mehrere Räume eines Gebäudes
zu überwachen. In solchen Fällen werden mehrere einander paarweise zugeordnete Ultraschallsender
20 und Ultraschallempfänger 30 installiert und an eine gemeinsame Zentrale angeschlossen,
über welche die einzige, gemeinsame Warneinrichtung betätigbar ist. Erfahrungsgemäß
nimmt aber dabei wegen der räumlichen Trennung der verschiedenen Anlagenteile die
Störempfindlichkeit der gesamten Anlage mit zunehmender Zahl von Ultraschallsender-Empfänger
Paaren und der entsprechendgrößer werdenden Kabellänge rapide zu. Um auch diese,
durch größere räumliche Ausdehnung bedingte Störempfindlichkeit zu beseitigen, weist
die nicht näher dargestellte Zentrale einen Speicher für die Ausgangssignale aller
Ultraschallempfänger auf, der nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit nach Einspeicherung
eines ersten Ausgangssignales selbstätig löschbar ist und bei zwei eingespeicherten
Ausgangssignalen ein Betätigungssignal für die Warneinrichtung abgibt.
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Die vorbestimmte Zeit wird auf ca. 4 - 10 sec. festgelegt.
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Dadurch wird erreicht, daß ein erstes, möglicherweise fehlerhaft erzeugtes
Ausgangssignal eines Ultrascha7lempfängers, das an sich eine unbefugte Person oder
einen Fremdkörper anzeigt, nicht sofort zur Betätigung der arneinrichtung führt.
Erst wenn innerhalb der vorbestimmten Zeit ein weiteres Ausgangssignal beim Speicher
eingeht, was mit sehr großer Wahrscheinlichkeit nur dann der Fall sein wird, wenn
tatschlich eine unbefugte Person oder ein Fremdkörper erfaßt wurde, wird durch den
Speicher sofort die Warneinrichtung betätigt. Bleibt es jedoch innerhalb der vorbestimmten
Zeit bei einem einmaligen Ausgangssignal eines Ultraschallempfängers, geschieht
weiter nicht, es wird lediglich nach Ablauf der vorbestimmten Zeit der Speicher
wieder ganz gelöscht, um die normale Betriebsbereitschaft wiederherzustellen. Nach
Empfang eines ersten Ausgangssignales
von einem Ultraschallempfänger
gibt der Speicher im übrigen ein Signal an diesen Ultraschallempfänger ab, wodurch
dessen Relais 35 sofort wieder abgeschaltet und dadurch die zuvor erläuterte, zeitweise
Unempfindlichkeit dieses Ultraschall empfängers sofort wieder rückgängig gemacht
wird.
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Dadurch bleibt auch der Ultraschallempfängerrder gerade angesprochen
hat, an der Überwachung beteiligt, bis die Warneinrichtung tatsächlich einmal betätigt
und dadurch ein Alarm ausgelöst wird. Alle Kabelverbindungen der gesamten Anlage
können in der an sich bekannten Weise durch eine zusätzliche Ruhestromüberwachung
gegen Durchtrennung gesichert sein.