DE2641017A1

DE2641017A1 - Ultraschall-alarmanlage fuer bewegte objekte

Info

Publication number: DE2641017A1
Application number: DE19762641017
Authority: DE
Inventors: Osaka Hirakata; Hiromitsu Inoue; Susumu Katayama; Hiroshi Ohashi
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1975-09-13
Filing date: 1976-09-11
Publication date: 1977-03-17
Also published as: FR2324073B1; NL177856B; FR2324073A1; DE2641017C3; GB1563018A; NL7610049A; DE2641017B2; NL177856C; US4114146A; CA1087724A

Description

Matsushita Electric Works, Ltd.

Dr* Hk/bgr 27/040

Ultraschall-Alarmanlage für bewegte Objekte

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Alarmanlage für bewegte Objekte, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Alarmanlagenfür bewegte Objekte beruhen grundsätzlich auf dem Doppler-Effekt. Eine in den Überwachungsraum emittierte Ultraschallwelle wird von einem bewegten Objekt reflektiert. Die reflektierte Welle wird von einem Empfänger aufgenommen und das Empfangssignal mit einem durch die emittierte Welle unmittelbar erzeugten Signal verglichen.Das Vergleichsergebnis läßt sich so auswerten, daß die Anwesenheit eines bewegten Objekts durch Auslösung einer Alarmvorrichtung angezeigt wird.

Derartige Alarmanlagen dienen insbesondere zur Sicherung aufbewahrter bzw. ausgestellter Wertgegenstände, z.B. in Museen, Künstgalerien, Ausstellungsräumen, Tresoren, Juwelierladen und so weiter.Jeder unbefugte Eindringling löst durch seine Bewegungen in kürzester Frist einen Alarm aus. Es ist aber nicht einfach, hohe Empfindlichkeit mit guter Betriebsstabilität zu vereinen. Die Betriebsstabilität derartiger Anlagen wird durch verschiedene äußere Bedingungen beeinflufit, insbesondere die

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Einbaubedingungen der Anlage, die Umgebung der Einbaustelle, Reflexionen an feststehenden Objekten, äußeres ültraschallrauschen usw.

Der im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einem Wellengemisch, das unter anderem eine an einem bewegten Objekt reflektierte Welle, an festen Gegenständen (z. B. Zimmerwänden, Ausstellungsgegenständen u.dgl.) reflektierte Wellen, ein unmittelbar von Sender zum Empfänger übertragenes Signal und von fremden Ultraschallquellen, wie Fernsprechwecker, Zähler, Schreibmaschinen, herrührendes Ultraschallrauschen enthält, nur die Komponente der an dem bewegten Objekt reflektierten Welle auszufiltern, ohne Rücksicht auf die Einstellung und Umgebung der Alarmanlage.

Es ist eine Alarmanlage bekannt, bei der man diese Aufgabe dadurch zu lösen versucht hat, daß die Dopplerverschiebung der durch ein bewegtes Objekt (z.B. einen menschlichen Körper) erzeugten Reflexion im voraus durch Experiment oder Rechnung bestimmt wird und daß das Empfangssignal auf ein Filter gegeben wird, das nur dasjenige Frequenzband durchläßt, in welchem die verschobenen Frequenzen auftreten können. So ist es möglich, eine reflektierte Welle von den Wellen zu unterscheiden, die von einem stationären Gegenstand oder unmittelbar vom Sender herrühren, da die Frequenz der letzteren Wellen keine Dopplerverschiebung aufweist. Ein Schutz gegen von außen einwirkendes Ultraschallrauschen oder auch gegen vom Wind erzeugte Frequenzkomponenten, die der Verschiebungsfrequenz überlagert sind und noch innerhalb des erwähnten vorbestimmten Frequenzbandes liegen, ist hiermit aber nicht gegeben, so daß immer noch leicht ein falscher Alarm ausgelöst werden kann.

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Gemäß einem anderen Vorschlag zur Lösung der oben erwähnten Aufgaben wird das Empfangssignal in zwei Frequenzkomponenten geteilt, von denen die eine höher und die andere niedriger als die Frequenz f des Sendesignals ist. Die beiden Frequenzgruppen werden getrennt verstärkt und gleichgerichtet und nur dann, wenn eines der beiden Signale, die den höheren und den niedrigeren Frequenzen entsprechen, allein festgestellt wird oder wenn eine Signalkomponente deutlich die andere überwiegt, löst die Anlage einen Alarm aus. Dieser Effekt wird durch Ausnützung der Tatsache erreicht, daß die von einem bewegten Objekt erzeugte DoppelverSchiebung je nach dessen Bewegungsrichtung hinsichtlich der Ultraschallwelle nur auf der oberen oder der unteren Seite der ausgesandten Ultraschallwellen auftritt; ferner wird die Annahme gemacht, daß die Frequenzverteilung des Rauschens im allgemeinen etwa gleichmäßig auf der oberen und unteren Seite der Sendefrequenz f ausgewogen ist.

Bei Anwendung dieses Verfahrens ist es möglich, mehr Einflüsse äusserer Störungen auszuschalten, als im Falle der zuerst beschriebenen Anlage. Es kann jedoch kein Einfluß auf Rauscharten erwartet werden, deren Spektrum asymmetrisch oberhalb und unterhalb der Sendefrequenz verteilt ist. Ferner hat diese Anlage noch den Fehler, daß bei einem Teil der äußeren Rauscharten ein falscher Alarm ausgelöst werden kann.

Die Erfindung zeigt einen neuen und besseren Weg zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe unter Umgehung der soeben geschilderten Nachteile der beiden anderen Lösungen. Erfindungsgemäß werden Anwesenheit und Bewegungsrichtung eines bewegten Objekts im Überwachungsraum dadurch festgestellt, daß die zeitliche Änderung der von einer Doppelverschiebung zwischen

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dem im Oszillator'erzeugten Ultraschallsignal und dem an einem bewegten Objekt reflektierten Ultraschallsignal bestimmt werden. Wenn die phasendifferenz in der einen oder anderen Richtung monoton zunimmt,wird der Alarm ausgelöst. Im einzelnen beruht die Erfindung auf der Tatsache, daß der Phasenwinkel einer an einem bewegten Objekt reflektierten Welle in bezug auf die unreflektierte Welle in der Dopplerverschiebung des Empfangssignals ständig in einer Richtung zunimmt bzw. abnimmt; die Phasendrehung hat also je nach der Bewegungsrichtung des Objekts in bezug auf die Sendestelle eine bestimmte Richtung. Diese Phasendrehung bestimmter Richtung wird nun erfindungsgemäß bestimmt. So kann die an dem bewegten Objekt reflektierte Welle eindeutig von äußeren Störgrößen unterschieden werden, denn von fremden Ultraschallquellen herrührendes Rauschen oder Windrauschen treten rein zufällig ohne Rücksicht auf die Phase des Sendesignals auf und zeigen keine Phasendrehung fester Richtung. Diese Einflüsse können deshalb keinen Alarm mehr auslösen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird versucht, den Betrieb der Anlage unempfindlich gegen Schwankungen der Phase und Größe des Empfangssignals zu machen, die von den Installationszustand der Anlage herrühren. Zu diesem Zweck ist ein Korrekturkreis vorgesehen, der die gegenseitigen Phasen-und Großenbeziehungen zwischen dem Bezugssignal und dem Empfangssignal in passender Weise einzustellen erlaubt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Hierin sind:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

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Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Vektordiagramm der reflektierten Wellen für ein stationäres und ein bewegtes Objekt,

Fig. 4 ein Diagramm der Beziehungen zwischen den Phasendifferenzen der an einem bewegten Objekt reflektierten Wellen und den entsprechenden gleichgerichteten Ausgang sspannungen,

Fig. 5A - 5E Diagramme des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannungen in Abhängigkeit von den Phasendifferenzen, wobei Fig. 5A - 5C für verschiedene Bewegungsarten eines bewegten Objekts und

Fig. 5D und 5E für Windrauschen und Fremdrauschen gelten.

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 7A - 7J sind Diagramme des zeitlichen Verlaufs der Ausgangssignale für die betreffenden Stufen der Anordnung nach Fig. 6, für den Fall, daß ein bewegtes Objekt sich der Alarmeinrichtung nähert;

Fig. 8A - 8J sind Diagramme des zeitlichen Verlaufs entsprechend Fig. 7A - 7J für den Fall, daß das Objekt sich von der Alarmeinrichtung entfernt,

Fig. 9A und 9B sind Diagramme zur Erklärung eines Sprungphäno** mens im Ausgangssignal des Phasendifferenzdetektors; dieses Sprungphänomen wird durch geringe Schwankungen

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der an einem stationären Objekt reflektierten und aufgenommenen Welle verursacht,

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 11 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines in der Ausführungsform nach Fig. 10 verwendeten Phasenschiebers,

Fig. 12A bis 12C sind ein Vektordiagramm der an stationären und bewegten Objekten reflektierten Wellen, für verhältnismäßig weit entfernte Objekte und Diagramme des zeitlichen Verlaufs der Ausgangssignale des Phasendifferenzgliedes für ein sich näherndes und ein sich entfernendes Objekt;

Fig. 13 ist ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit verbessertem Feststellvermögen für schwache Reflexionen,

Fig. 14 ist ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 13,

Fig. 15 ist ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls für schwache Reflexionen,

Fig. 16 A - 16 E sind Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 15,

Fig. 17 und 18 A - 18 D sind eine Erläuterungsskizze und Phasendiagramme für stärkere Schwankungen im äußeren Zustand

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der Anordnung,

Fig. 19 ist ein Blockschaltbild einer Phasendifferenz-Detektorstufe wie Anordnung nach Fig. 15,

Fig. 2OA - 2OC sind Diagramme des zeitlichen Verlaufs zur Erläuterung der Anordnung nach Fig. 19,

Fig. 21 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Niveaudetektoren in der Ausführungsform nach Fig. 19,

Fig. 22A - 22D sind Phasendiagramme zur weiteren Erläuterung der Ausführungsform nach Fig. 19

Fig. 23 ist das Blockschaltbild eines Phasenverriegelungskreises für die Anordnung nach Fig. 15,

Fig. 24 ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, insbesondere zur Feststellung bewegter Objekte an nahen und weit entfernten Orten,

Fig. 25A - 25D sind Signalverlaufdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 24,

Fig. 26A und 26E, sowie Fig. 27A - 27E sind weitere Diagramme dieser Art, für den Fall, daß das bewegte Objekt sich der Alarmanlage nähert bzw. von ihr entfernt wird und

Fig. 28A - 28C sind Blockschaltbilder ausgeführter Anlagen der Alarmvorrichtung, der Vorzeichenunterscheidungsstufe und des Phasenverschiebungsdetektors gemäß der Erfindung.

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Es sei nun zuerst das Prinzip der neuen Alarmanlage anhand der Fig. 1 beschrieben.

Das Ausgangssignal eines Oszillators 1 wird von einem Ultraschallgeber 2 als Ultraschallwelle in den überwachten Raum ausgestrahlt. Die an einem oder mehreren stationären Objekten und einem bewegten Objekt in diesem Überwachungsraum reflektierten Wellen werden von einem Empfänger 3 aufgenommen. Das empfangene Signal wird in einem Phasendifferenzglied 4 hinsichtlich der Phasendifferenz mit dem Signal des Oszillators 1 verglichen. Die oben erwähnte Phasendrehung fester Richtung, die im Falle eines bewegten Objekts auftritt/ wird in einem Phasendrehungsunterscheidungsglied 5 festgestellt und ein Ausgangssignal dieses Gliedes kann eine Alarmstufe 5¹ betätigen.

Das Phasendifferenzglied 4 bestimmt die Phase des Ausgangssignals des Empfängers 3 hinsichtlich des Ausgangssignals des Oszillators 1. Nur wenn diese Phase stets in einer Richtung zunimmt oder abnimmt, d.h. wenn eine Phasendrehung auftritt, erzeugt das Phasendifferenzunterscheidungsglied 5 ein Ausgangssignal, das die Alarmstufe 35' betätigt.

Das Meßprinzip wird anhand der Fig. 2 im einzelnen erläutert. Sie zeigt dieselbe Schaltung wie Fig. 1 unter Einschaltung zusätzlicher Verstärker 6 und 7. Ein stationäres Objekt, wie z.B. eine Saalwand oder ein ausgestellter Artikel,ist mit F bezeichnet. Ferner erkennt man ein bewegtes Objekt M, z.B. eine unbefugte Person, die in den Überwachungsraum eindringt. Die am stationären Objekt F und am bewegten Objekt M reflektierten Ultraschallwellen sind durch die Pfeile A bzw. B angedeutet.

Wenn kein bewegtes Objekt M vorhanden ist, tritt nur die reflek-

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tierte Welle A auf. Auch wenn zahlreiche stationäre Objekte im Überwachungsraum vorliegen, haben die an diesen Objekten reflektierten Wellen sämtlich dieselbe Frequenz wie die Sendefrequenz und können schließlich als Vektorsumme dargestellt werden. Da ferner die Frequenz konstant ist, lassen sich sämtliche reflektierten Wellen von allen stationären Objekten durch eine einzige reflektierte Welle A darstellen, zu der auch gegebenenfalls die unmittelbar übertragene Welle vom Geber 2 zum Empfänger 3 beiträgt. Wenn andererseits ein bewegtes Objekt M vorhanden ist, überlagert sich die an diesem Objekt reflektierte Ultraschallwelle B der Ultraschallwelle A und die Resultierende von A und B wird vom Empfänger 3 aufgenommen .

Die stationäre Reflexionswelle A hat, wie gesagt, die gleiche Frequenz wie das Ausgangssignal des Oszillators 1, weicht jedoch von diesem in Phase und Amplitude ab. Die Phasendifferenz hat aber stets einen festen Wert.

Dagegen unterliegt die vom bewegten Objekt M reflektierte Welle B einer DopplerverSchiebung und unterscheidet sich deshalb auch in der Frequenz vom Ausgangssignal des Oszillators. Wenn also das bewegte Objekt M sich dem Geber 2 und dem Empfänger nähert, ist die Frequenz der an ihm reflektierten Welle B höher als die Oszillatorfrequenz f ? wenn das bewegte Objekt sich vom Geber und Empfänger entfernt, erniedrigt sich die Frequenz. Beim Auftreten eines bewegten Objektes ergibt sich also eine Resultante aus der reflektierten Welle A, die mit dem Oszillatorsignal in der Frequenz übereinstimmt, aber einen festen Phasenunterschied ihr gegenüber hat, und der reflektierten Welle B, deren Frequenz nach oben oder unten gegenüber der Oszillatorfrequenz verschoben ist.

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Dieser Sachverhalt ist im Vektordiagramm der Fig. 3 dargestellt. Hierin bedeutet OF" das Bezugssignal, OA die stationäre reflektierte Welle, die aus allen stationären Wellen am Empfangsort zusammengesetzt ist, und AB die reflektierte Welle von einem bewegten Objekt. OB ist das in einem bestimmten Zeitpunkt empfangene Signal und es gilt OB = OK + AB. θ bedeutet die Phase des empfangenen Signals im Vergleich zur Phase des Bezugssignals. Das Phasendifferenzglied 4 in Fig. 2 erzeugt aus dieser Phase Q₁ ein Ausgangssignal.

Wenn das bewegte Objekt M sich dem Geber 2 und dem Empfänger nähert,bleibt der Vektor OA in Fig.3 konstant, aber der Vektor AB dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn entsprechend der Geschwindigkeit des bewegten Objektes in der durch die Annäherung verursachten DopplerverSchiebung. Diese Drehung in gleicher Richtung setzt sich fort, solange das Objekt M sich weiter nähert. Wenn das Objekt M sich dagegen entfernt, dreht sich der Vektor AB im Uhrzeigersinne.

Wenn der Vektor AB sich dreht, dreht sich auch der resultierende Vektor OB in gleicher Richtung wie AB; demzufolge erzeugt das Phasendifferenzglied 4 ein Ausgangssignal, das der Phasenverschiebung des Vektors Ö~B entspricht.

Wenn nun gemäß Fig. 4 das Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes 4 eine Spannung V proportional zur Phasendifferenz 0 aufweist und die Ausgangsspannung so eingestellt ist, daβ sie jedesmal auf Null zurückfällt, wenn θ 360° überschreitet (gleiches Ausgangssignal für 360 + Δ0 + ΔΘ), dann ergeben sich bei Phasenrotation gemäß Fig. 3 Ausgangsspannungen entsprechend den Fig. 5A - 5C.

In Wirklichkeit verlaufen die Ausgangsspannungen nicht immer geradlinig, sondern sind je nach den Größenverhältnissen der Vek-

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toren OA und OB, sowie dem Geschwindigkeitsverlauf des bewegten Objekts mehr oder weniger verzerrt, aber für den Zweck der Erläuterung genügt die schematische Darstellung.

Fig. 5A gilt für ein sich näherndes Objekt M und Fig. 5B für ein sich entfernendes Objekt. Eine Periode der betreffenden Sägezahnschwingungen entspricht einem Umlauf des Vektors OB. Da die Drehrichtung des Vektors OB in den beiden Fällen verschieden ist, ändert sich auch die Richtung der Phasenänderung. Wenn ferner das bewegte Objekt M sich hin- und herbewegt, kehrt sich die Richtung der Phasenrotation an der Stelle um, in der die Bewegungsrichtung wechselt (Fig. 5C).

Die durch Wind erzeugten Phasenschwankungen sind in Fig. 5D dargestellt. Diese Phasenschwankungen sind normalerweise so gering, daß keinerlei Regelmäßigkeit darin zu erkennen ist. Dieser Fall entspricht weitgehend demjenigen, bei dem nur die stationäre reflektierte Welle A vorhanden ist, d.h. nur der Vektor Ö"Ä gemäß Fig. 3 vorliegt, der Vektor AB also nicht auftritt.

Wenn Fremdrauschen vorhanden ist, entspricht der Vektor AB in Fig. 3 dem Fremdrauschen. Da aber die von außen einfallende Ultraschallwelle unabhängig von der emittierten Ultraschallwellenkomponente schwankt, ergibt sich keine stetige Phasenänderung am Ausgang des Phasendifferenzgliedes 4. Dieser Fall ist in Fig. 5E dargestellt.

Von den anhand der Fig. 3-5 besprochenen Zusammenhängen wird in der Anordnung nach Fig. 1 Gebrauch gemacht. Die Ausgangssignale des Empfängers 3 und des Oszillators 1 werden dem Phasendifferenzglied 4 zugeführt und nur wenn eine stetige Phasenrotation in einer Richtung auftritt, wird das Phasenrota-

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tionsunterscheidungsglied 5 betätigt und löst die Alarmstufe 5' aus.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel des Phasendifferenzqliedes 4 und des Phasenrotationsunterscheidungsqliedes 5 ist in Fig. 6 dargestellt.

Ein Teil des Ausgangssignales des Oszillators 1 wird in einem. Begrenzer 29 -rechteckig gemacht, während das Ausgangssignal des Empfängers 3 in einem Begrenzer 30 ebenfalls in ein Rechtecksignal umgewandelt wird. Die Ausgangssignale der Begrenzer 29 und 30 werden in Differenzierstufen 31 und 32 differenziert Ein bistabiles Flip-Flop 32 wird durch die ansteigenden Flanken dieser differenzierten Ausgangssignale gekippt und das Ausgangssignal des Flip-Flops 33 wird in einer Integrierstufe 34 integriert.

Das Phasendifferenzglied 4 besteht aus den erwähnten Stufen 29 bis 34. So erhält man beim Auftreten einer Phasenrotation im Eingangssignal eine Sägezahnschwingung gemäß Fig. 5A, 5B oder 5C. Um die Drehrichtung des Vektors, d.h. die Bewegungsrichtung des Objektes M zu erkennen, wird das Ausgangssignal der Integrierstufe 34 in den Differenzierstufen 35 und 36 differenziert, ein Puls entsprechend dem ansteigenden Teil der Sägezahnschwingung wird aus dem einen differenzierten Signal entnommen und ein Puls entsprechend dem fallenden Teil des Sägezahns wird aus dem anderen differenzierten Signal entnommen. Die Integrierstufe 37 wird von den Ausgangssignalen, die diesen positiven und negativen Pulsen entsprechen, betätigt. Wenn eine in der einen Richtung rotierende Phase vorliegt, werden laufend Ausgangsimpulse in einerder beiden Differenzierstufen 35 und 36 erzeugt und in der Integrierstufe 37 integriert, so daß das

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integrierte Signal in Kürze einen vorbestimmten oberen Grenzwert überschreitet oder einen vorbestimmten unteren Grenzwert unterschreitet. Dadurch läßt sich die Drehrichtung der Phasenrotation mittels eines Schwellenwertdetektors 38 unterscheiden. Die erwähnten Bauteile 35 bis 38 bilden das Phasenrotationsunterscheidungsglied 5.

Wenn nur Wind oder Rauschen auftritt, wird nicht einmal eine Sägezahnschwingung erzeugt, weshalb die Integrierstufe 37 nicht arbeitet.

Der Schwellenwertdetektor 38 spricht an, wenn die Ausgangsspannung der Integrierstufe 37 einen bestimmten Schwellenwert den Betrag nach überschreitet; in diesem Falle wird in der Alarmstufe 5' ein Alarm ausgelöst.

Diagramme der in den verschiedenen Stufen der Anordnung nach Fig. 6 erzeugten Signale sind in Fig. 7A - 7J für ein sich näherndes Objekt und in Fig 8A-8J für ein sich entfernendes Objekt gezeigt. Fig. 7A und 8A zeigen ein Bezugssignal, das am Ausgang des Begrenzers 29 in Fig. 6 auftritt. Fig. 7B und 8B zeigen ein Empfangssignal am Ausgang des Begrenzers 30. Fig. 7C und 8C zeigen das Ausgangssignal der Differenziejrstufe 31, Fig 7D und 8D zeigen das Ausgangssignal der Differenzierstufe 32, Fig. 7E und 8E zeigen das Ausgangssignal des bistabilen Flip-Flops 33, Fig. 7F und 8F zeigen das Ausgangssignal der Integrierstufe 34, Fig. 7G und 8G zeigen das Ausgangssignal der Differenzierstufe 35 für den ansteigenden Teil des Sägezahns, Fig. 7H und 8H zeigen das Ausgangssignal der Differenzierstufe 36 für den fallenden Teil des Sägezahns,Fig 71 und zeigen das Ausgangssignal der Integrierstufe 37 und Fig. 7J und 8J zeigen schließlich das Ausgangssignal des Schwellenwert-

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detektors 38. '

Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet, wie erwähnt, stabil auch bei Fremdrauschen und Wind. Sie läßt sich jedoch den jeweiligen praktischen Verhältnissen besser anpassen, wenn ein Korrekturglied vorgesehen wird, das die Einstellung der gegenseitigen Phasen- und Größenbeziehungen zwischen dem Bezugssignal und dem Empfangssignal ermöglicht.

Zum Verständnis des folgenden soll der Fall betrachtet werden, daß die stationäre Reflexionskomponente OA in. Fig. 3 in der Phase nahezu mit derjenigen des Bezugssignals OF übereinstimmt. Die Alarmvorrichtung wird zwar verhältnismäßig wenig durch Fremdrauschen und Wind beeinflußt, aber es muß berücksichtigt werden, daß die stationäre Komponente Ö"Ä auch in der hier beschriebenen Schaltungsanordnung im allgemeinen von leichten Schwankungen begleitet ist, wie Fig. 5D und 5E zeigen. Wenn nun die Komponente OA nahezu in der Phase mit dem Bezugssignal OF übereinstimmt, der Phasenwinkel also nahezu bei 0 oder 360° liegt, ergibt sich ein Sprungphänomen im Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes 4 selbst dann, wenn die geringste Schwankung in der stationären Reflexionskomponente auftritt. Diese unangenehme Erscheinung kommt davon her, daß das Phasendifferenzglied 4 den Phasenunterschied zwischen Null und 36O°der Spannungsänderung von 0 zu V zuordnet, wie Fig. zeigt. Dieses ist in Fig. 9 A und 9 B dargestellt. Gemäß Fig, 9B schwankt der Vektor ÖÄ oder OA¹ ein wenig um 0 oder 360 in der auf den Vektor OF bezogenen Phase und Fig. 9A zeigt den entsprechenden Sprung im Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes, wobei die Ordinate die Phasendifferenz und die Abszisse die Zeit darstellen. Wenn dieses Sprungphänomen häufig auftritt, obwohl die Phasenschwankungen praktisch gering sind, erscheint eine rasche Fluktuation und das ist unerwünscht.

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In der Ausführungsform nach Fig. 10 ist zur Vermeidung des erwähnten Sprungphänomens ein Korrekturglied zur Einstellung der gegenseitigen Phasenbeziehung zwischen dem Bezugssignal und dem Empfangssignal vorgesehen. Hierzu ist ein Phasenschieber 41 zwischen den Oszillator 1 und das Phasendifferenzglied 4 ι das in gleicher Weise wie in Fig. 6 ausgebildet ist, eingefügt. Der Phasenschieber 41 wird vom Ausgang des Phasendifferenzgliedes 4 über ein Verzögerungsglied (Integrator 42) mit bestimmter Zeitkonstante gesteuert. Die übrigen Teile der dargestellten Schaltungsanordnung entsprechen der Fig. 6.

Der Phasenschieber ermöglicht die Verschiebung des Ausgangssignals des Oszillators 1 um eine feste Phase und ist z.B. wie in Fig. 11 ausgebildet. Das Eingangssignal vom Oszillator 1 wird über einen Widerstand EL·, auf dem umkehrenden Eingang und über einen Kondensator C auf den nicht umkehrenden Eingang eines Operationsverstärkers OP gegeben. Der nicht umkehrende Eingang ist ferner mit einem veränderbaren Widerstandselement Q verbunden, z.B. der Drainelektrode eines Feldeffekttransistors, Zwischen deft Ausgang des Phasendifferenzgliedes 4 und den Phasenschieber 4L ist ein Integrator 42 eingeschaltet, dessen Ausgangssignal auf die Gateelektrode des Transistors 42 gegeben wird. Ein Widerstand B— verbindet die umkehrende Eingangsklemme und die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers OP und das Ausgangssignal dieses Verstärkers geht zum Begrenzer 30. Der Feldeffekttransistor Q ermöglicht die Änderung des äquivalenten Widerstandes zwischen seinen Klemmen (Soureeelektrode und Drainelektrode) in Abhängigkeit von dem steuernden Eingangssignal und dadurch die Phasenänderung zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Wenn die Phasenverschiebung in dieser Schaltung noch zu schwach ist, können mehrere Phasenschieber 41 in Kettenschaltung vorgesehen werden.

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Mittels des Phasenschiebers 41 kann nun die Phasendifferenz der beiden stationären Vektoren auf einen günstigen Wert,z.B. 180 festgesetzt werden und läßt sich durch das Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes 4 steuern. Das Sprungphänomen läßt sich vollständig eliminieren, wenn für eine Kompensation geringer Schwankungen des EingangsSignaIs im Phasenschieber gesorgt wird. Der

beschriebene Phasenschieber funktioniert also als Korrekturstufe, die zur Einstellung der gegenseitigen Phasenbeziehung zwischen dem Bezugssignal und dem empfangenen Signal dient.

Die Grundsatzanordnung nach Fig. 1 hat nur ein begrenztes Unterscheidungsvermögen, wie sich aus der nachstehenden Betrachtung ergibt. Wenn in Fig. 3 der Vektor AB größer als OA ist, ergibt sich ein Verlauf des Ausgangssignals des Phasendifferenzgliedes gemäß Fig. 5A, 5B oder 5C. Wenn aber für die Vektoren gilt AB < ÖÄ",ergibt sich ein Vektordiagramm entsprechend Fig. 12A.

Wenn also die stationäre reflektierte Welle ÖÄ größere Amplitude als die vom bewegten Objekt reflektierte Welle AB aufweist, ändert sich die Amplitude des Phasendifferenzgliedes 4 zwar weiterhin periodisch, durchläuft aber nicht so charakteristische Schwankungen, die eine Unterscheidung von Annäherung und Entfernung des beweoten Objekts ohne weiteres ermöglichen,wie Fig. 12B und 12C zeigen. Fig.. 12B gilt für den Fall eines sich nähernden bewegten Objekts, wobei AB eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig. 12A ausführt. Fig. 12C gilt für ein sich entfernendes Objekt, wobei AB sich im Uhrzeigersinne in Fig. 12A dreht. Wie man Rieht, erscheint keine ausgeprägte Differenz, die ohne weiteres als Unterschied der Rotationsrichtung ausgewertet werden könnte.

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Im einzelnen erscheinen die den Phasenwinkeln θ und θ . entsprechende!

max min

Ausgangswerte des laufenden Vektors in Fig. 12B bzw. Fig. 12C nur als größte und kleinste Spannung. Es läßt sich also keine ' ■ eindeutige Bewegungsrichtung feststellen und die Entfernung des bewegten Objekts, ist ebenfalls schwer festzustellen.

Wenn also der Vektor AB klein ist, d.h. wenn das bewegte Objekt sich in größerer Entfernung befindet oder ein geringes

Reflexionsvermögen hat, verringert sich die Anzeigeempfindlichkeit erheblich.

Um diesen Fehler auszugleichen und das Empfangsvermögen zu verbessern, ist gemäß Fig. 13 die Korrekturstufe so eingerichtet, daß au er der Phasenbeziehung auch die gegenseitige Amplitudenbeziehung zwischen dem Bezugssignal und dem Empfangssignal eingestellt werden kann.

In Fig. 13 wird das Ausgangssignal des Oszillators 1 über den Phasenschieber 41 und den Verstärker 6 auf den Ultraschallgeber 2 gegeben. Das Eingangssignal vom Empfänger 3 gelangt auf einen Verstärker 52 und eine Amplitudenmeßstufe 53, deren Ausgangssignal auf einen regelbaren Verstärker 54 gegeben wird. Ein vom Oszillator 1 abgegebenes Signal wird ebenfalls dem regelbaren Verstärker 54 zugeführt; der Ausgang des letzteren ist mit einem Addierglied 51 verbunden, dessen Ausgang zu dem Begrenzer 30 führt. Der Begrenzer 29 ist an den Oszillator 1 angeschlossen und sein Ausgang ist ebenso wie derjenige des Begrenzers 30 mit einem Eingang des Phasendifferenzgliedes verbunden. Der Integrator 42 ist wieder wie in Fig. 10 zwischen das Phasendifferenzglied 4 und den Phasenschieber 41 eingeschaltet .

Die Arbeitsweise dieser Schaltungsanordnung wird anhand der Fig. 14 erläutert, worin der Vektor ÖÄ" wieder die von einem stationären Objekt reflektierte Ultraschallkomponente dar-

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stellt. Der Phasenschieber 41 und der Integrator 42 wirken so zusammen, daß der Vektor OA eine Phasendifferenz von 180 gegen das Bezugssignal OF beibehält. Der Vektor AB ist die von einem bewegten Objekt reflektierte Komponente und dreht sich um den Punkt A mit einer Mindestgeschwindigkeit γ, die proportional zur Geschwindigkeit des bewegten Objekts ist. Der Vektor OB ist die Summe der Vektoren OA und AB. Der Vektor OB stellt das empfangene Signal dar, wenn ein bewegtes Objekt vorhanden ist.

Das Phasendifferenzglied 4 stellt die Phasendifferenz von OB gegen OF auf der Basis des Vektors OF fest. Wenn nun im Falle j AB I < IOAI AB mit AB als Zentrum rotiert,, schwankt die Phase nur zwischen θ und θ . , wie Fig. 15 in überein-

max mm

Stimmung mit Fig. 12 zeigt. Die Phasendifferenz durchläuft also keine 360 , die Bewegungsrichtung und die Entfernung des bewegten Objekts lassen sich schwer feststellen und sind nicht eindeutig und die Anzeigeempfindlichkeit verringert sich.

Um diesen Nachteil zu eliminieren, sind Maßnahmen zu treffen, um die von dem stationären Objekt herrührende Welle in der Amplitude zu verringern.

Es sei ein Vektor OA¹ betrachtet, dessen Phase 180 gegen diejenige des stationären reflektierten Vektors ÖÄ verschoben ist und dessen Amplitude annähernd gleich derjenigen von ÖÄ ist. Aus der Addition der Vektoren OA¹ und ÖÄ entsteht ein. neuer Vektor OA"^wodurch der stationär reflektierte Vektor ÖÄ auf OA" zusammenschrumpft. Hier muß aber darauf geachtet werden, daß |0A| - IOA¹j = IOA"I und |0A| » JOA¹I, denn für ]oa] < |0A'l hat das Ausgangssignal des Addiergliedes die gleiche Phase wie der Vektor OF des Korrektursignals, das Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes 4 hat eine Phasendifferenz 0 und demgemäß läßt sich OA¹ nicht mehr in der Schaltung verwenden.

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Selbst wenn das bewegte Objekt im überwachten Raum hin und hergeht, unterscheidet sich die vom bewegten Objekt herrührende Komponente AB von der Sendewelle durch die Frequenz und läßt sich nicht von außen beeinflussen; wenn OA ■»· OA", AB-*- A¹¹B¹ und OA" reduziert werden kann, bis OA" < A¹¹B¹, dreht der Vektor OB¹ die Bezugswelle OF mit einer Amplitude von 360°.

Da die Amplitude der stationären reflektierten Welle von den örtlichen Einbaubedingungen der. Überwachungsanlage abhängt, muß in der Praxis der Vektor OA¹ entsprechend der Größe ÖÄ der reflektierten Welle eingestellt werden. Andererseits nimmt die Stärke der reflektierten Welle AB des bewegten Objekts im allgemeinen mit zunehmenden Abstand dieses Objekts vom Geber und Empfänger ab. Deshalb muß die Größe OA' so eingestellt werden, daß der Wert]OA'j kleiner als der Wert ]ab] ist, der dem Pegel der am bewegten Objekt reflektierten Welle am Empfangsort entspricht.

Die Erzeugung des dem Vektor OA¹ entsprechenden Signals wird nachstehend anhand der Fig. 13 erläutert. Der Oszillator. 1 beaufschlagt den Ultraschallgeber 2 über den Verstärker 6. Die reflektierte Welle wird vom Empfänger 3 aufgenommen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das in zwei parallelen Zweigen weiterbehandelt wird.

Das eine Signal wird im Verstärker 52 verstärkt und in der Amplitudenmeßstufe 53 in ein zur Signalamplitude proportionales Gleichstromsignal verwandelt, das auf den regelbaren Verstärker 54 gegeben wird. Die Zeitkonstante der Amplitudenmeßstufe ist so gewählt, daß durch das bewegte Objekt hervorgerufene rasche Amplitudenschwankungen nicht angezeigt werden.

Ein Teil des Ausgangssignals des Oszillators 1 wird getrennt

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dem Phasenschieber 41 zugeführt. Das Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes 4 dient über den Integrator 42 als Steuersignal für den Phasenschieber 41. Dadurch wird erreicht, daß die Phase des verwen<
Signal abweicht.

Phase des verwendeten Bezugssignals um 180° von dem empfangenen

Dieses Bezugssignal wird im regelbaren Verstärker 54 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Amplitudenmeßstufe 53 gesteuert, so daß man ein Bezugssignal erhält, das im wesentlichen die gleiche Amplitude wie das empfangene Signal besitzt, jedoch gegen dieses in der Phase umgekehrt ist. Das ist das oben beschriebene Signal OA¹. Dieses Signal und das Empfangssignal werden im Addierglied 51 algebraisch addiert, d.h. das Empfangssignal OB und das Signal OA¹ ergeben zusammen das Signal OB¹ . Dieses Signal kann wieder gemäß der Gleichung OA" + A¹¹B¹ = OB¹ in die stationäre und die rotierende Komponente zerlegt werden.

Da nur die stationäre Komponente der reflektierten Welle weitgehend unterdrückt wird, ist der durch das bewegte Objekt hervorgerufene Anteil der reflektierten Welle verhältnismäßig groß. So wird die Phasenänderung mit der Bewegung des Objekts größer und leichter festzustellen, selbst wenn das Objekt noch in größerer Entfernung vom Empfangsort ist.

Der Phasenschieber 41, die Amplitudenmeßstufe 53, der regelbare Verstärker 54 und das Addierglied 51 bilden das Korrekturglied, das nach dem Vorhergehenden imstande ist, die gegenseitigen Phasen- und Größenbeziehungen zwischen dem Bezugssignal und dem empfangenen Signal in vorteilhafter Weise zu regeln.

Wie bereits anhand der Fig. 10 erklärt wurde, tritt das stören-

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de Sprungphänomen auf, wenn die Phasendifferenz nahe bei O oder 360° liegt. Auch wird für die Unterdrückung der stationären reflektierten Welle die Komponente des Bezugssignals mit umgekehrter Phase benötigt. Eine Schaltungsanordnung, die zur Stabilisierung dieser umgekehrten Phasenbeziehung vorteilhafter ist, wird in Fig. 15 gezeigt. Die Teile 1 bis 7 und 29 stimmen hierbei mit den früheren Ausfuhrungsformen überein.

Zwischen dem Oszillator 1 und dem Verstärker 7 sind in Kette geschaltete Phasenschieber 411 und 412 eingefügt, die je eine Phasenverschiebung bis zu 360 durchführen können und mittels einer äußeren Steuerspannung auf Phasenverschiebung^., und Φ eingestellt werden können. Dies ist in Fig. 16A und 16B gezeigt .

Ein Phasendetektor 282 ist so ausgebildet, daß normalerweise die Phasenverschiebung Φ des Phasenschiebers 411 festgestellt wird; wenn aber festgestellt wird, daß die Phasenverschiebung einen vorbestimmten Bereich überschritten hat, steuert der Phasendetektor den Phasenschieber 412 so, daß er die gesamte Phasenverschiebung übernimmt; gleichzeitig wird ein Steuersignal für das Phasendifferenzglied 4 erzeugt, so daß dieses stets eine Spannung abgibt, die von der stationären Empfangsphase um 180 abweicht.

An das Phasendifferenzglied 4 sind zwei Integratoren 421 und angeschlossen, deren Kennlinie aus Fig. 16E hervorgeht; dort stellt die Abzisse die Ausgangsspannung des Phasendifferenzgliedes 4 ,die Ordinate die Ausgangsspannungai ν und v~ der Integratoren421 und 422 dar. Zeitkonstante und Kennlinie dieserIntegratoren . sind so gewählt, daß die Ausgangssignale des Phasen-

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differenzgliedes 4 in einem festen Verhältnis auf die Phasenschieber 411 und 412 rückgeführt werden, um die Phasenverschiebungen Φ und Φ_ dieser beiden Phasenschieber zu steuern. Wenn kein bewegtes Objekt vorhanden ist, bleibt das Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes 4 auf einem Wert, der einer um 180 gegenüber dem Empfangssignal verschobenen Spannung entspricht.

Wenn die äußeren Einflüsse in geringem Maße schwanken, so daß das Empfangssignal eine schwach voreilende Phase aufweist, sucht das Ausgangssignal des Phasendifferenzkreises 4 gegenüber der ursprünglich eingestellten Phasenverschiebung von 180° zuzunehmen. Der Arbeitspunkt in Fig. 16C verschiebe sich infolgedessen von C nach P . Das Empfangssignal wird über die Indikatoren 421 und 422 so auf die Phasenschieber 411 und 412 gegeben, daß deren Phasenverschiebungen abnehmen, wie Fig. 16A und 16B zeigen. Infolgedessen nimmt das Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes 4 wieder den vorherigen Zustand an. Wenn dagegen eine Phasenverzögerung des Empfangssignals auftritt, verschiebt sich der Arbeitspunkt von C nach Q , wie in Fig. 16C, die Phasenverschiebungen der Phasenschieber 411 und 412 nehmen zu(Punkte Q₁ und Q_ in Fig. 16A und 16B), und die Phase des Ausgangssignals wird wieder vorgeschoben, so daß die Phasendifferenz zwischen einem stationären Empfangssignal und dem Bezugssignal stets konstant bleibt.

Größere Änderungen des äußeren Zustandes werden anhand der Fig. 17 und 18A bis 18D erläutert, wobei angenommen wird, daß die ganze Anlage mit dem Geber 2 und dem Empfänger 3 örtlich verschoben wird.

Anfänglich sollen Geber und Empfänger in einem Abstand 1 von

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einem stationären Objekt F stehen und die Phasenverschiebungen sollen Φ^ und #₂ * 18O° , Φ₁ + #₂ = 360° und Θ = 180° (Punkte C₁, C₀, C_ und C in Fig. 18B_f 18C, 18D bzw. 18A) betragen.

Geber 2 und Empfänger 3 sollen nun etwas in Richtung auf das stationäre Objekt F verschoben werden, so daß die Weglänge der emittierten und reflektierten Ultraschallwelle abnimmt und die Phase der auf dön Empfänger einfallenden Welle voreilt. Wenn in diesem Falle der Anstieg des Empfangssignals als Bezugspunkt genommen wird, nimmt die Phasendifferenz θ am Ausgang des Phasendifferenzgliedes 4 zu und die Phasenverschiebung^ ₁ und <&₂ bewirken eine Verzögerung der Phase des Empfangssignals, d.h. die Phasendifferenz wird wieder verringert, um die durch die örtlichen Bedingungen hervorgerufene Phasenvoreilung zu kompensieren.

Dies wird näher anhand der Fig. 18A bis 18B erläutert. Die gestrichelte Linie in Fig. 18A stellt die tatsächliche Änderung des empfangenen Signals dar. Wenn θ = 180 im Punkt 0, sind die Phasenverschiebungen Φ.. und Φ~ = 180 , so daß eine Gesamtphasenverschiebung von 360 eintritt und der Ausgang des Phasendifferenzgliedes 4 ebenfalls eine Phasendifferenz θ = 180° erzeugt .

Wenn Geber 2 und Empfänger 3 nach links in Fig. 17 verschoben werden, so daß die Entfernung zum stationären Objekt F verkürzt wird, wandern die entsprechenden Arbeitspunkte in Fig. 18A bis 18B nach rechts, d.h. die Phase des Empfangssignals hat zunehmende Tendenz. Die Phasenschieber 411 und 412 wirken aber dieser Tendenz entgegen, so daß die Phasendifferenz am Ausgang des Phasendifferenzgliedes 4 im wesentlichen konstant bleibt. Dies wird durch die horizontale Linie in Fig. 18A ausgedrückt.

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Wenn jedoch Geber 2 und Empfänger 3 soweit verschoben werden, daß der Punkt P in Fig. 18A überschritten wird, werden die Phasenschieber 411 und 412 gesättigt und die Punkte P₁ und P_ in Fig. 18B und 18C werden ebenfalls überschritten, so daß die Phase nicht weiter verschoben werden kann. Infolgedessen kann die Phasendifferenz am Ausgang des Phasendifferenzgliedes 4 nicht me]
steigen.

nicht mehr auf 180° gehalten werden, sondern beginnt anzu-

Um dieses Dilemma zu lösen, stellt der Phasendetektor 282 die Phasenverschiebung Φ₁ des Phasenschiebers 411 fest und erzeugt bei Überschreitung eines bestimmten Bereichs der Phasenverschiebung ein Umschaltsignal, das auf den Phasenschieber gegeben wird; so wird die Phasendifferenz θ auf 180 zurückgeführt und kann weiter geregelt werden.

Die Arbeitsweise des Phasendetektors 282 wird anhand des Ausführungsbeispiels der Fig. 19 erläutert. Der Phasendetektor 282 wandelt das in Fig. 2OA dargestellte Eingangssignal des Phasenschiebers 411 in einem Begrenzer 2ä in ein Rechtecksignal um, ebenso wandelt er das in Fig. 20B dargestellte Ausgangssignal des Phasenschiebers 411 in einem Begrenzer 2b in ein Rechtecksignal um. Beide Rechtecksignale werden einem bistabilen Flip-Flop 2c zugeführt, um ein Rechtecksignal zu erhalten, das proportional zur Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen ist. Dieses Rechtecksignal wird in dem Integrator 2b integriert.

Das Integrationsergebnis wird auf zwei Schwellenwertdetektoren 2e und 2f gegeben, die so eingestellt sind, daß sie Phasenverschiebungen nahe 0 bzw. 360° anzeigen. Wenn das integrierte Ausgangssignal einer Phasenverschiebung in der Nähe von 0 oder 360 entspricht, gibt einer der Schwellenwertdetektoren ein Signal ab,das auf einen Impulsgeneratorg bzw. 2h gelangt, wo-

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durch dieser ein Sperrsignal erzeugt. Das Sperrsignal vom Impulsgenerator 2h bringt die gesamte Phasenverschiebung Φ(=§ +φ ) der Phasenschieber von Punkt P_ zum Punkt C_ in

- ο

Fig. 22D. Diese Phasenverschiebung beträgt 360 , so daß die Äusgangsphase des Phasendifferenzgliedes 4 sich nicht ändert. Selbst wenn also der Schallgeber 2 und der Empfänger 3 um eine größere Strecke verschoben werden, bleibt die Regelung der Phasenverschiebung erhalten.

Wie weiter aus Fig. 22D hervorgeht, verschiebt das Signal vom Impulsgenerator 2g die gesamte Phasenverschiebung Φ vom Punkt Q₃ zum Punkt C₃. Bei einer weiteren Verschiebung des Gebers und des Empfängers kann also ebenfalls das Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes 4 auf der Phasendifferenz 180 gehalten werden. Im übrigen zeigen Fig. 22A die Ausgangsphase θ des Phasendifferenzgliedes 4, Fig. 22B die Phasenverschiebung Φ,. des Phasenschiebers 411, Fig. 22C die Phasenverschiebung Φ₂ des Phasenschiebers 412 und Fig. 22D die Gesamtphasenverschiebung Φ= Φ₁+ Φ«. Die Abszisse stellt jeweils die Weglängenänderung dar.

Ein Ausführungsbeispiel der geschilderten Phasensperreinrichtung ist in Fig. 23 im einzelnen dargestellt. Wie erwähnt, haben die Phasenschieber 411 und 412 jeweils die Fähigkeit, die Phase maximal um 360° zu verschieben. An den Punkten A₁ und A₂ wird die Spannung für die Phasenverschiebung angelegt. Diese Steuerspannung gelangt auf Feldeffekttransistoren FET₁ bis FET₄ und ändert deren äquivalenten Widerstand derart, daß die maximale Phasenverschiebung jedes Phasenschiebers 360° beträgt. Bei Kettenschaltung beider Phasenschieber ergibt sich

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somit eine maximale Phasenverschiebung von 72o°.

12A und 12B sind Phasensperrkreise, die von den Impulsgeneratoren 2g und 2h beaufschlagt werden. Wenn die Gesamtphasenverschiebung sich 720° nähert, d.h. die Phasenverschiebung Φ« des Phasenschiebers 411 sich 360° nähert, wird der Sperrkreis 12A vom Impulsgenerator 2b betätigt und gibt eine Sperrspannung auf den Punkt A , durch welche die Phasenverschiebung <ϊ> des Phasenschiebers 412 auf Null zurückgestellt wird. Die Gesamtphasenverschiebung Φ sinkt deshalb von 720 auf 360° und die Phasendifferenz θ bleibt auf 180°.

Wenn andererseits die Phasenverschiebung 5> sich O nähert, wird der Sperrkreis 12B vom Pulsgenerator 2h betätigt und legt den Punkt A₂ auf 0 Volt fest, so daß die Phasenverschiebung #₂ des Phasenschiebers 412 von 0 auf 360° ansteigt und die Phasendifferenz θ abermals bei 180° verbleibt.

Fig. 24 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Alarmanlage mit einem Phasenrotationsunterscheidungsglied, das für bewegte Objekte in großer und kleiner Entfernung brauchbar ist.

Die Bauteile 1 bis 6 stimmen mit den früheren Ausführungsformen überein. Das Ausgangssignal des Oszillators 1 wird über den Verstärker 6 dem Ultraschallgeber 2 zugeführt. Das Phasendifferenzglied 4 enthält zwei Begrenzer 29 und 30. Die vom Ultraschallempfänger 3 aufgenommene reflektierte Welle wird dem Phasendifferenzglied 4 über den zweiten Begrenzer 30 zugeführt, während das Ausgangssignal des Oszillators 1 über den ersten Begrenzer ■ 29 in das Phasendifferenzglied 4 gelangt. Das Äusgangssignal des Phasendifferenzgliedes 4 geht über eine Differenzierstufe 97 und einen dritten Begrenzer 98 zu einem Integrator 99, der die Alarmstufe 5" beaufschlagt. In dem Pha-

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sendifferenzglied 4 werden die Ausgangssignale der Begrenzer 29 und 30 wie im Falle der Fig. 6 auf ein Flip-Flop 33 gegeben, das über den Integrator 34 die Differenzierstufe 97 ansteuert. Die letztere bildet zusammen mit dem dritten Begrenzer 98 und dem Integrator 99 im vorliegenden Falle das Phasenrotationsunterscheidungsglied 5.

Wenn ein Objekt sich mit fester Geschwindigkeit bewegt.,, rotiert gemäß dem Vektordiagramm in Fig. 12A der Vektor AB, der die an dem bewegten Objekt reflektierte Wellenkomponente darstellt, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um den Punkt A. Demgemäß dreht sich auch der das Empfangssignal darstellende Vektor OB um den Ursprung O, so daß die Phasendifferenz zwischen dem Bezugssignal OF und dem Empfangssignal OB im Punkt P ein Minimum und im Punkt Q ein Maximum annimmt. Da ferner Bogen PRQ > Bogen QSP, ist die Zeit, in welcher die Phasendifferenz ständig anwächst, verschieden von dem Zeitintervall, in welchem die Phasendifferenz beständig abnimmt, und zwar hängt das. Vorzeichen dieser Differenz von der Drehrichtung des Vektors AB ab. Wenn nämlich das bewegte Objekt sich nähert, dreht sich der Vektor AB entgegen dem Uhrzeigersinne und die Zeit t , in der die Phasendifferenz beständig zunimmt, ist länger als die Zeit t_o, in der sie ständig abnimmt, wie Fig. 12B zeigt. Wenn

andererseits das bewegte Objekt sich entfernt, dreht sich der Vektor AB im Uhrzeigersinne und das Zeitintervall t¹ fin dem die Phasendifferenz beständig zunimmt, ist kurzer als das Intervall t'„ , worin die Phasendifferenz beständig abnimmt

(siehe Fig. 12C)»Von diesem Sachverhalt wird in der Schaltungsanordnung nach Fig. 24 Gebrauch gemacht.

Wenn das in Fig. 25A dargestellte Phasendifferenzsignal in der Differenzierstufe 97 differenziert wird, erhält man einen Signalverlauf gemäß Fig. 25B. Wenn dieses Signal im Begrenzer

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98kraftig verstärkt wird und die Begrenzeramplitude dem Punkt als Zentrum hat, erhält man ein Ausgangssignal gemäß Fig. 25C, dessen positive und negative Scheitelwerte gleich sind, jedoch verschiedene zeitliche Breiten aufweisen (t ^t). Wenn dieses Ausgangssignal im Integrator 99 integriert wird, erhält man für ein in einer Richtung bewegtes Objekt (bei Annäherung im Falle der Fig. 25) ein in bestimmter Richtung (positiv oder negativ) ansteigendes Signal. Wenn die Anordnung so getroffen ist, daß die Alarmstufe 5¹ jedesmal betätigt wird, wenn die Ausgangsspannung des Integrators 99 einen festgelegten Wert überschreitet, läßt sich auch ein in weitem Abstand vom Geber und Empfänger vorhandenes bewegtes Objekt mit der Zeit gut erkennen.

Falls die Phase um 360° rotiert, wird t =0 oder t = 0, so

α ρ

daß hierbei keine Schwierigkeiten auftreten.

Der zeitliche Verlauf der Ausgangssignale verschiedener Stufen der Schaltungsanordnung nach Fig. 24 ist in Fig. 26A bis 26B für ein sich entfernendes Objekt und in Fig. 27A bis 27B für ein sich näherndes Objekt dargestellt.Fig.26A und 27A zeigen das Ausgangssignal des Flip-Flops 33, Fig. 26B und 27B dasjenige des Integrators 34, Fig. 26C und 27C dasjenige der Differenzierstufe 97,Fig26 D und Fig. 27D dasjenige des Begrenzers 98 und Fig. 26E und 27E zeigen schließlich das Ausgangssignal des Integrators 99.

Fig. 28A zeigt eine Alarmanlage, in der die beschriebenen Ausgestaltungen sämtlich kombiniert sind. Das Ausgangssignal des Oszillators 1 gelangt über die Phasenschieber 412 und 411 und

den Verstärker 7 auf den Ultraschallgeber 2. Der Ultraschallempfänger 3 ist über den Verstärker 6, das Addierglied 51, den Begrenzer 30, die Differenzierstufe 31, das bistabile Flip-Flop 33 und den Integrator 34 mit dem Phasenrotationsunterscheidungsglied 5 verbunden. Ein vom Ausgang des Verstärkers

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6 abgezweigter Signalanteil wird im Verstärker 52 verstärkt und im Amplitudenmeßglied 53 in eine Steuerspannung für den geregelten Verstärker 54 verwandelt, der ebenfalls das Addierglied 51 beaufschlagt. Ferner gelangt ein Teil des Ausgangssignals des Integrators 34 über die Integratoren 421 und 422 "auf die Phasenschieber 411 und 412.

Der Aufbau des Phasenrotationsunterscheidungsgliedes 5 ist in Fig. 5 dargestellt. Es enthält die Differenzierstufen35 und 36, den Integrator 37 und den Schwellenwertdetektor 38. Der Phasenschieberdetektor 282 im Phasendifferenzglied 4 ist im einzelnen nochmals in Fig. 28C dargestellt, er umfaßt die Begrenzer 2a und 2b, das bistabile Flip-Flop 2c, den Integrator 2d, die Schwellenwertdetektoren 2e und 2f und die Impulsgeneratoren 2g und 2h. Zum Verständnis ihrer Arbeitsweise wird auf die früheren Ausführungen verwiesen.

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Claims

Patentansprüche

.j Ultraschall-Alarmanlage für bewegte Objekte mit einem Ultraschallwellengeber, einem Hochfrequenzoszillator, der ein Bezugssignal mit der Geberfrequenz erzeugt, einem Ultraschallempfänger zur Aufnahme der an einem Objekt reflektierten Ultraschallwellen, einem Phasendifferenzglied zum Feststellung der Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Signal und dem Bezugssignal, sowie einer von dem Phasendifferenzglied betätigten Alarmstufe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Phasendifferenzglied (4) und die Alarmstufe (5¹) ein Phasenrotationsunterscheidungsglied (5) eingeschaltet ist, das eine Phasenrotation bestimmter Richtung der vom Phasendifferenzglied (4) festgestellten Phasendifferenz, welche die Anwesenheit eines bewegten Objekts bedeutet, unterscheiden kann und die Alarmstufe (5¹) betätigt, wenn eine solche Phasenrotation in der einen oder anderen Richtung festgestellt wird.
2. Alarmanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Korrekturglied (41,42), das mit dem Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes (4) beaufschlagt wird und zur Regelung der Phasen- und/oder Größenbeziehungen zwischen dem Empfangssignal und dem Bezugssignal dient.
3. Alarmanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturglied einen Phasenschieber (41) enthält, der die Phasendifferenz zwischen dem Bezugssignal und dem Empfangssignal in Abwesenheit eines bewegten - Objekts stets auf eines festen Wert hält.

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4. Alarmanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Wert der Phasendifferenz 180° beträgt.
5. Alarmanlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Phasendetektor (282) zur Überwachung der von dem Phasenschieber (411) erzeugten Phasenverschiebung und zur Rückführung der Phasenverschiebung in einen vorgeschriebenen Bereich, wenn dieselbe diesen Bereich überschreitet.
6. Alarmanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturglied das Empfangssignal ohne bewegtes Objekt in ein Signal verwandelt, das ungefähr amplitudengleichr jedoch phasenverkehrt gegenüber dem Bezugssignal ist.
7. Alarmanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturglied einen vom Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes (4) abhängigen Phasenschieber (41) zur Regelung der Phasendifferenz des Empfangssignals und des Bezugssignals auf 180 , eine Amplitudenmeßstufe (53) zur Bestimmung der Amplitude der reflektierten Komponente des Empfangssignals, einen von dem Ausgang der Amplitudenmeßstufe gesteuerten regelbaren Verstärker (5.4) zur Einstellung der Amplitude des Phasen-verschobenen Bezugssignals auf den Wert des Empfangssignals und ein Addierglied (51) zur Addition des Ausgangssignals des regelbaren Verstärkers (54) zum Empfangssignal enthält, so daß das Bezugssignal und das am Ausgang des Addiergliedes (51) auftretende korrigierte Empfangssignal miteinander im wesentlichen amplitudengleich, aber phasenverkehrt sind.
8. Alarmanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasendifferenzglied einen begrenzenden Verstärker (30) zur Erzeugung eines Rechtecksignals aus dem Empfangssignal, einen Flip-Flop (33), das durch den Anstieg oder den Abstieg des

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Ausgangssignals des Begrenzers (30) bzw. des Bezugssignals hin- und hergekippt wird, und einen Integrator (34) für das Ausgangssignal des Flip-Flop enthält.
9.Alarmanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenrotationsunterscheidungsglied (5) zwei Differenzierstufen zur Erzeugung von AusgangsSignalen entsprechend einem Anstieg bzw. einem Abstieg des Ausgangssignals des Phasendiff erenzgliedes (4), eine durch die positiven oder negativen Teile der differenzierten Ausgangssignale beaufschlagte Integrationsstufe (3.7) und einen Schwellenwertdetektor (38) enthält, wobei der letztere die Alarmstufe (5¹) betätigt, wenn das Ausgangssignal der Integrierstufe (37) einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.
10.Alarmanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenrotationsunterscheidungsglied (5) eine Differenzierstufe (97) für das Ausgangssignal des Phasendifferenzgliedes (4), einen Begrenzer (98) zur Erzeugung einer Rechteckschwingung fester Amplitude aus dem Ausgangssignal der Differenzierstufe (97) , einen von dem Begrenzer (9.8) beaufschlagten Integrator (99) und einen Schwellenwertdetektor enthält, der die Alarmstufe (5¹) betätigt, wenn das Ausgangssignal des Integrators (99) einen festgelegten Schwellenwert überschreitet.
11.Alarmanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (42) zwischen dem Empfänger (3) und dem Phasendifferenzglied (4) angeordnet ist.
12.Alarmanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (41) zwischen dem Oszillator (1) und dem Phasendifferenzglied (4) angeordnet ist.
13.Alarmanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (41) zwischen dem Oszillator (1.) und dem Empfänger (3) angeordnet ist.

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