DE2721880B2

DE2721880B2 - Vorrichtung zur Feststellung von durch Beschädigungsversuche an Bauwerken verursachten Vibrationen

Info

Publication number: DE2721880B2
Application number: DE19772721880
Authority: DE
Inventors: Toshio Daito Abiko; Tohru Hanahara; Kazuhiro Shijonawate Matsuoka; Kenzaburo Tanemura; Tadashi Tsu Yoshimura
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1976-05-17
Filing date: 1977-05-14
Publication date: 1980-11-13
Also published as: AU499496B2; FR2352351A1; DE2721880C3; AU2525777A; DE2721880A1; IT1078259B; FR2352351B1; SE7705727L; GB1581479A; SE432028B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung von durch Beschädigungsversuche an Bauwerken verursachten Vibrationen, mit einem Wandlerelement zur Umwandlung der Vibrationen in elektrische Signale und einer Verstärkeranordnung mit zwei getrennten Zweigen, von denen der eine Signale mit niedrigem Pege! verstärkt und diese über einen Integrator an eine Alarmvorrichtung zu deren Auslösung weiterleitet und der andere Signale mit hohem Pegel verstärkt.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der US-PS

31 47 467 bekannt Diese bekannte Vorrichtung hat im Eingangskreis des Zweiges für schwache Signale ein Einstellelement, mit dem die Empfindlichkeit der Verstärkeranordnung eingestellt werden kann. Nach diesem Einstellglied werden die Signale einem Hochpaß zugeführt, der nur Signale oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz durchläßt Diese Frequenz ist so gewählt, daß ein möglichst hoher Störsignalabstand erreicht wird. Dies ist der Fall, wenn im Frequenzbereich oberhalb von 3 kHz gearbeitet wird. Bei der bekannten Anordnung werden also nur relativ hochfrequente Signale in dem Verstärkerzweig für schwache Signale verarbeitet Nach Gleichrichtung und Integration gelangen dann diese Signale über ein Differenziernetzwerk zur Alarmstufe.

Für den Einbruch in ein Gebäude durch eine Wand, den Boden oder die Decke stehen hauptsächlich zwei Methoden zur Verfügung, nämlich entweder das Aufstemmen mit Hammer und Meißel oder das Aufbohren mit der Bohrmaschine. Im ersteren Falle entstehen wiederholte kurzzeitige Schwingungen hoher Intensität die sehr rasch verschwinden; im letzteren Falle werden in dem Bauwerk stetig andauernde mechanische Schwingungen verhältnismäßig geringer

Intensität erzeugt

Bei der bekannten Anordnung kann der für schwache Signale ausgelegte Verstärkerzweig leicht durch extrem hohe Signale, wie sie beispielsweise durch Explosionen entstehen, übersteuert werden. Das von der Integratorschaltung erzeugte Signal reicht dann nicht aus, um die Alarmeinrichtung auszulösen. Um dies zu vermeiden, ist der zweite Verstärkerzweig vorgesehen, der wesentlich unempfindlicher ist und daher nicht so leicht übersteuert wird.

Die Einstellelemente der bekannten Anordnung, mit denen jeweils die Empfindlichkeit des zugehörigen Kanals eingestellt werden kann, dienen einerseits dazu, die Empfindlichkeit des Zweiges für schwache Signale so einzustellen, daß zwar eine hohe Empfindlichkeit gegeben ist, jedoch durch Störgeräusche noch keine Fehlauslösung erfolgt, und andererseits zur Einstellung des Kanals für starke Signale derart, daß Übersteuerungen vermieden werden. Bei dieser Anordnung wird also nur insofern eine Unterscheidung zwischen verschie-

« denartigen Vibrationssignalen getroffen, als nur relativ hochfrequente Signalanteile berücksichtigt werden. Die Einstellung der den einzelnen Verstärkerzweigen vorgeschalteten Dämpfungsglieder ist daher kritisch. Bei zu empfindlicher Einstellung besteht die Gefahr, daß Fehlalarm durch Umweltstörgeräusche ausgelöst wird. Bei zu niedriger Einstellung der Empfindlichkeit besteht die Gefahr, daß die Alarmvorrichtung nicht anspricht. Andererseits wird bei der bekannten Anordnung bereits dann ein Alarm ausgelöst, wenn bei eingeschalteter

5'J Alarmanlage unbeabsichtigt, jedoch ohne Beschädigungsversuch einer oder wenige Stöße auf das Bauwerk übertragen werden.

In der US-PS 39 47 835 ist eine Alarmvorrichtung beschrieben, die mechanische Schwingungen in elektrisehe Signale verwandelt und die Anzahl der Signale integriert bzw. eine entsprechende Anzahl von Impulsen zählt, um einen Beschädigungsversuch rechtzeitig erkennen zu können. Die oben erwähnten Intensitätsdifferenzen der von verschiedenen Einbruchsarten herrührenden Erschütterungen werden hierbei aber nicht berücksichtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des neuen Hauptanspruchs zu

schaffen, die einerseits auf typische Geräusche anspricht, wie sie z. B. durch Bohren oder Hammerschläge verursacht werden, die jedoch andererseits gegen FehlausJösung durch normale Umweltgeräusche optimal gesichert ist

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zweig zur Verstärkung der Signale mit niedrigem Pegel einen Schwelldetektor enthält, der nur Signale zu dem Integrator durchläßt, die einen ersten, niedrigen Pegel überschreiten, daß der Zweig zur Verstärkung der Signale mit hohem Pegel einen Schwelldetektor enthält, der nur Signale durchläßt, die einen zweiten, den ersten Pegel überschreitenden Signalpegel überschreiten, und daß zwischen dem Schwellwertdetektor und der Alarmeinrichtung ein Zähler angeordnet ist der die den zweiten Pegel überschreitenden Signale zählt und bei Erreichen einer vorbestimmten Zählrate ein Auslösesignal an die Alarmeinrichtung abgibt

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtungen möglich. Insbesondere muß Sorge dafür getragen werden, daß die von Einbrechern verursachten Geräusche und Erschütterungen das Überwachungsgerät tatsächlich erreichen. Die bekannten Geräte dieser Art sind im allgemeinen an einer Wand des betreffenden Bauwerks befestigt Wenn die Wand aber einen oder mehrere Sprünge hat, oder mit einem weichen Belag wie Tuch, Leder oder dergL versehen ist, werden die von einer anderen Stelle des Bauwerks ausgehenden Erschütterungen und Geräusche nicht ausreichend zu dem Überwachungsgerät weitergeleitet Um dies zu vermeiden, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung eine Halterung für die Vorrichtung vorgesehen, die in das Innere der betreffenden Mauer eingreift Dadurch werden auch Schwingungen verhältnismäßig geringen Pegels erfaßt, die sich nur im Wandinneren fortpflanzen.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Hierin ist

F i g. 1 eine Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig.2A—2D Diagramme von Schwingungsformen zur Erläuterung der Anordnung nach F i g. 1,

F i g. 3 das Schaltbild eines praktischen Ausführungsbeispiels,

Fig.4A—4C Diagramme des Schwingungsverlaufs zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 3 und

Fig.5 eine Schnittdarstellung eines unter Verwendung der neuen Schaltungsanordnung gebauten Überwachungsgeräts.

Gemäß F i g. 1 werden die in einer Wand 1 auftretenden mechanischen Schwingungen von einem mechanisch-elektrischen Wandler 2 erfaßt und in elektrische Signale verwandelt. Diese Signale werden einem Verstärker 5 zugeführt, dessen Auegangssignale einerseits einem Detektor 3 für einen oberen Pegel und andererseits einem Detektor 4 für einen unteren Pegel überschreitende Werte zugeführt werden. Der Detektor 3 für den oberen Pegel hat eine vorgegebene Empfindlichkeitsschwelle L\ und spricht nur auf Ausgangssignale des Verstärkers 5 an, die von Hammerschlägen und dgl. herrühren; ein solches Signal ist bei A in Fig.2A dargestellt. Der Detektor 3 gibt beim Auftreten eines solchen den Pegel L\ überschreitenden Signals einen Impuls ab, wie Fig.2B zeigt. Der Detektor 4 in Fig. ί hat eine vorgegebene Ansprechschwelle L₂, die niedriger als L\ liegt; er spricht also auf Signale B verhältnismäßig geringer Intensität an, die z. B. von einer Bohrmaschine ausgehen. Die Ausgangss signale des Detektors 4 werden in einem Integrator 9 integriert; das Integrationsergebnis ist in Fig.2C dargestellt Wenn dieses Ergebnis einen Pegel Li überschreitet erzeugt der Integrator 9 ein Ausgangssignal gemäß F i g. 2D, durch das eine Alarmvorrichtung 8

ίο erregt wird. Andererseits wird das Ausgangssignal des Detektors 3 auf einen Impulsformer 6 gegeben und danach einem Zähler 7 zugeführt der die Endstufe 8 der Alarmvorrichtung erregt wenn eine vorgegebene Anzahl von Impulsen im Zähler 7 registriert wurde.

Im Schaltbild der F i g. 3 sind die den einzelnen Stufen der Fig. 1 entsprechenden Teile in Blöcke mit den entsprechenden Bezugszeichen eingeteilt Der Block 10 ist die Aiarmvorrichtung und Block 11 ist ein Netzgerät zur Stabilisierung einer an den Klemmen 12 und 13 angelegten Gleichspannung.

Im Verstärker 5 wird das Ausgangssignal des Wandlers 2 an das Gate eines Feldeffekttransistors FET angelegt Das Ausgangssignal desselben geht über einen Hochpaß Ru C₂, Ct, und Ci mit einer Grenzfrequenz von etwa 2 kHz zur Basis eines Verstärkungstransistors Tr\. Der negative Teil des Ausgangssignals des Transistors 7>i wird in einer Diode D\ abgeschnitten; der verbleibende Ausgangsimpuls gelangt an die invertierenden Eingangsklemmen der Operationsverstäkrer /Ci und /C₂, welche die Detektoren 3 und 4 für den hohen und den niedrigen Pegel darstellen. An dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC\ liegt eine Gleichspannung, die am Punkt a des Spannungsteilers VR, Ri, Ri aus dem Gleichspannungspotential VDD abgegriffen wird. Am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers ICi Hegt eine Gleichspannung, die zwischen den Widerständen Ri und A₃ des erwähnten Spannungsteilers abgegriffen wird. So wird jeder einen hohen Pegel übersteigende Impuls vom Verstärker /C\ und jeder einen niedrigen Pegel übersteigende Impuls vom Verstärker /C₂ erfaßt Versuche haben gezeigt daß das Verhältnis der Pegel L\ und La vorzugsweise L\ : Li = 1 :0,5 bis 0,6 betragen soll. Der Ausgang des Operationsverstärkers /Ci ist mit dem Eingang des Impulsformers 6 verbunden.

Im Impulsformer 6 befindet sich eine erste Stufe aus den Widerständen R* und Rs und dem Kondensator Q_n wobei der Widerstand Ra niedrig (etwa 100 Ohm) und der Widerstand Äs hoch (etwa 470 Ohm) gewählt ist

Man erhält so einen langsam ansteigenden Impuls. In

einer zweiten Stufe wird dieser Impuls mittels des

Operationsverstärkers /C₃ vollends rechteckig gemacht,

um jede Falschzählung zu verhindern.

Der Spannungsverlauf am Punkt »a« des Detektors 3

ist in Fig.4A dargestellt Wenn das Signal I auftritt, erhält man am Ausgang des Verstärkers IQ bei »6« das Signal I in Fig.4B. Wenn dagegen ein Signal II mit großer Amplitude ankommt übersteigt es den Pegel »a« mehr als einmal beim Abklingen, so daß zwei oder mehr Impulse auftreten (Fig.4B). Das Signal würde also doppelt gezählt obwohl in Wirklichkeit nur ein Hammerschlag geführt wurde. Aus diesem Grunde sind die Zeitkonstanten der Widerstände A₄ und Äs und des Kondensators Q so eingestellt daß sich die Signale I und II in F i g. 4C ergeben, d. h. das Signal II ergibt einen einzigen Zählimpuls.

Der Zähler 7 ist im allgemeinen gesperrt da seine Rückstellklemme Ä an einem hohen Potential liegt;

wenn aber das Rückstellpotential R niedrig gemacht wird und ein Impuls an der Klemme C auftritt, wird gezählt Wenn ein Impuls am Ausgang des Operationsverstärkers IC₃ auftritt wird dieser über eine Diode D₂ auf die Eingangsklemme Cdes Zählers 7 gegeben, wird aber nicht gezählt weil die Spannung an der Rückstellklemme R noch hoch ist Dieser Impuls geht weiter über Dioden D₃ und ß» auf ein Verzögerungsglied mit dem Kondensator C₃ und dem Widerstand R₆, wodurch er eine gewisse Verzögerung erhält und dann auf den Operationsverstärker IQ gelangt, so daß dessen Ausgang einen niedrigen Zustand annimmt und die Rückstellklemme R des Zählers 7 vom Rückstellpotential entlastet Wenn nun ein zweiter Impuls zum Operationsverstärker IC₃ durchkommt wird dieser impuls gezählt und lädt gleichzeitig den Kondensator C₃ wieder über den Widerstand Rt auf, so daß die Rückstellklemme R des Zählers 7 weiterhin auf niedrigem Potential bleibt Wenn ein dritter Impuls ankommt wird dieser ebenfalls vom Zähler 7 gezählt und ergibt ein Ausgangssignal an der Ausgangsklemme Q, das über eine Diode A einen Kondensator C₇ auflädt Mit der Ladung dieses Kondensators C₇ wird der Alarm ausgelöst wie weiter unten beschrieben wird.

Das Signal niedrigen Pegels wird vom Operationsverstärker IC₂ nach Formung mittels der Widerstände R₁ und R₈ und des Kondensators Ce einem Operationsverstärker /C₅ im Integrator 9 zugeführt Es lädt dann den Kondensator 7 über einen Widerstand Rs und eine Diode D₆ auf. Wenn die Ladespannung des Kondensators C] einen vorgegebenen Wert erreicht erscheint am Ausgang eines Operationsverstärkers IQ_n der die Endstufe 8 darstellt eine Ausgangsspannung. Der Operationsverstärker IQ, dient also zur Anzeige des Ladezustandes des Kondensators C₇. Letzterer entlädt sich ständig allmählich über den Widerstand Rw, die Zeitkonstante des damit gebildeten ÄC-Gliedes soll etwa 10 Sekunden betragen. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers IQ wird an die Basis eines Transistors Tr₂ gelegt; wenn diese Ausgangsspannung absinkt steuert sie den Trans« tor Tr₂ in den Sperrzusiand, wodurch ein Relais Ry i η der Alarmvorrichtung 10 abfallt und dadurch ein Alarmsignal auslöst Eine Leuchtdiode LED zeigt ebenfalls den Alarm an.

Im Überwachungszustand ist das Ausgangspotential des Operationsverstärkers IQ hoch und am Ausgang eines Operationsverstärkers /C₇ tritt ein hohes Potential auf. Bei einem Alarm ist das Ausgangspotential von IQ niedrig und der Ausgang des Operationsverstärkers /C₇ wird kurzgeschlossen. In diesem Falle wird der Kondensator C₃ rasch entladen und am Ausgang des Operationsverstärkers IC* tritt ein hohes Potential auf, so daß die Rückstellklemme R des Zählers 7 mit einem

ίο hohen Potential beaufschlagt wird und der Zähler sich selbsttätig zurückstellt Dieser Zustand wird beibehalten, während die Alarmgabe fortdauert, und verschwindet erst mit der Beendigung des Alarms. Es müssen dann gemäß dem Zählerinhalt erst drei Impulse gezählt

i'*> werden, bevor der nächste Impuls auftreten kann, der einen Alarm auslöst

Eine Ausführungsform des Überwachungsgerätes ist in Fig.5 dargestellt In die Wand 21 des zu überwachenden Bauwerks ist ein Loch 22 gebohrt in das ein Spreizdübel 23 eingesetzt ist Der Dübel hält eine konische Mutter 24, in die ein Gewindebolzen 25 eingeschraubt ist Mit dem Kopf dieses Gewindebolzens ist eine Grundplatte 26 befestigt, die ein piezoelektrisches Element 27 trägt Über die Grundplatte 26 ist ein

2» Deckel 28 gestülpt worin sich die Überwachungseinrichtung 29 befindet. Zur Installation wird ein Loch 22 gebohrt dessen lichte Weite etwas größer als der Außendurchmesser des Dübels 23 ist. Die Mutter 24 wird in den Dübel 23 eingesteckt der Bolzen 25 in die Mutter 24 eingeschraubt und dann das ganze in die Bohrung 22 gesteckt Nun wird der Bolzen 25 angezogen, wodurch die Mutter 24 in den Dübel 23 gezogen wird und diesen spreizt bis der Dübel fest an der Innenwand der Bohrung 22 anliegt

Dank diesem Aufbau können alle mechanischen Schwingungen innerhalb der Wand 21 über den Dübel 23 gut von dem piezoelektrischen Element 27 wahrgenommen werden. Während die bekannten Alarmgeräte dieser Art mittels eines Klebstoffs oder dgl. außen an der Wand befestigt werden müssen, so daß die inneren Schwingungen durch einen Wandbelag oder Sprünge und dgl gedämpft werden, gelangen dank der geschilderten Befestigung alle Schwingungen innerhalb der Wand unmittelbar zu dem Überwachungsgerät

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Feststellung von durch Beschädigungsversuche an Bauwerken verursachten Vibrationen, mit einem Wandlerelement zur Umwandlung der Vibrationen in elektrische Signale und einer Verstärkeranordnung mit zwei getrennten Zweigen, von denen der eine Signale mit niedrigem Pegel verstärkt und diese über einen Integrator an eine Alarmvorrichtung zu deren Auslösung weiterleitet und der andere Signale mit hohem Pegel verstärkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweig zur Verstärkung der Signale mit niedrigem Pegel einen Schwellwertdetektor (4) enthält, der nur Signale zu dem Integrator (9) durchläßt, die einen ersten, niedrigen Pegel überschreiten, daß der Zweig zur Verstärkung der Signale mit hohem Pegel einen Schwelldetektor (3) enthält, der nur Signale durchläßt, die einen zweiten, den ersten Pegel überschreitenden Signaipegel überschreiten, und daß zwischen dem Schwellwertdetektor (3) und der Alarmeinrichtung (8, 10) ein Zähler (7) angeordnet ist, der die den zweiten Pegel überschreitenden Signale zählt und bei Erreichen einer vorbestimmten Zählrate ein Auslösesignal an die Alarmeinrichtung (8,10) abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen den Verstärker (3) und den Zähler (7) eingefügten Impulsformer (6) mit einem Zeitglied (R₄, R₅, C₅), das sich rasch auflädt und langsam entlädt

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Kondensator (C₃), der durch ein Ausgangssignal des Impulsformers (6) aufgeladen wird und den Rückstellzustand des Zählers (7) während eines festen Zeitintervalls aufhebt, sowie kurzgeschlossen wird, wenn die Alarmvorrichtung (8, 10) ein Eingangssignal erhält und ein dazu gehöriges Relais (RY) betätigt wird, so daß der Zähler absichtlich zurückgestellt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Impulsformers (6) auf die invertierende Eingangsklemme eines Operationsverstärkers (IG) gegeben wird, der einem Kondensator (Q) parallel liegt, während der Ausgang des Operationsverstärkers mit der Rückstellklemme (R) des Zählers verbunden ist, sowie daß der Impulsformer ferner mit dem Zähleingang (C) des Zählers (7) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (27) unmittelbar mit einem Fuß (25) verbunden ist, der fest im Inneren einer Wand (21) des zu überwachenden Bauwerks verankert ist