DE2721880C3 - Vorrichtung zur Feststellung von durch Beschädigungsversuche an Bauwerken verursachten Vibrationen - Google Patents

Description

Die Frfindung betrifft eine Vorrichtung /ur Feststellung von durch BeschädigunKSversuche an Bauwerken verursachten Yibratiuncn, mn einem Wandierelement 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.

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 Frequenzbe-

Hi reich 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 Differenzier-

!■> netzwerk 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

J» Aufbohren mit der Bohrmaschine. Im ersteren Falle entstehen wiederholte kurzzeitige Schwingungen hoher in;ensitat, 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 Integrator-

i" Schaltung erzeugte Signal reicht dann nicht aus, um die Alarmeinnchiung auszulösen. Um dies zu vermeiden, ist der /weite Verstärkerzweig vorgesehen, der wesentlich unempfindlicher ist und daher nicht so (eicht übersteuert wird.

ι» 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

m gegeben ist. jedoch durch Stör^-äusche noch keine Fehlauslosung erfolgt, und andererseits zur Einstellung des Kanals für starke Signale derart, daß Obersteuerungen vermieden werden. Bei dieser Anordnung wird also nur insofern eine Unterscheidung zwischen verschie-

·'■> denartigen Vibrationssignalen getroffen, als nur relativ hochfrequente ->ignalanteile berücksichtigt werden. Die Einstellung der den ein/einen Verstärkerzweigen vorgeschalteten Dämpfungsglieder ist daher kritisch. Bei zu empfindlicher Einstellung besteht die Gefahr, daß

">'> Fehlalarm durch Umwcltstörgeräusche ausgelöst wird Bei /u 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

>-> 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 elektri

m> sehe Signale verwandelt und die Anzahl der Signale integriert b/w eine entsprechende Anzahl von Impulsen zählt, um einen Beschädigungsversuch rechtzeitig erkennen zu können. Die oben erwähnten inlerisiläts· differenzen der von verschiedenen Eirtbructisäften

^fti> 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 Fehlauslösung durch normale Umweltgeräusche optimal gesichert ist. ^r>

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 Schwendete!,tür enthält, der nur Signale zu dem to Integrator durchläßt, die einen ersten, niedrigen Pegel überschreiten, daß der Zweig zur Verstärkung der Signale mit hohem Pegel einen Schwellwertdetektor 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. >n

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptansppjch angegebenen Vorrichtung.;! 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, w 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 η 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 Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nächste- 4n hend anhi id 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 Fig. 1. -ts

F i g. 3 das Schaltbild eines praktischen Ausführuugsbeispiels.

Fig. 4A—4C Diagramme des Schwingungsverlauts zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach F1 g. 3 und ■>')

F 1 g 5 eine SchnittJjrstellung eines unter Verwendung der neuen Schallungsanordnung gebauten Überwachungsgeräts.

Gemäß F i g. 1 werden die in einer Wand 1 auftretenden mechanischen Schwingungen von einem μ mechanisch-elektrischen Wandler 2 erfaßt und in elektrische Signale verwandelt. Diese Signale werden einem Verstärker 5 zugeführt, dessen Ausgangssignale einerseits einem Detektor 3 für einen oberen Pegel und andererseits einem Detektor 4 für einen unteren Pegel ίο überschreitende Werte zugeführt werden. Der Detektor 3 für den oberen Pegel hat eine vorgegebene Empfindlichkeilsschwelie L\ und spricht nur auf Ausgahgssigfiale des Verstärkers 5 an, die von Hammerschlägen und dgl. herrühren; ein solches Signal ist bei A e>5 in Fig.2A dargestellt Der Detektor 3 gibt beim Auftreten eines solchen den Pegel L\ überschreitenden Signals einen Impu's ab, wie Fig.2B zeigt. Der Detektor 4 in Fig. 1 hat eine vorgegebene Ansprechschwelle Li, die niedriger als U liegt; er spricht also auf Signale B verhältnismäßig geringer Intensität an, die z. B. von einer Bohrmaschine ausgehen. Die Ausgangssignale 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 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 F i g. 1 entsprechenden Teile in Blöcke mit den entsprechenden Bezugszeichen eingeteilt. Der Block 10 ist die Alarmvorrichtung und Block 11 ist ein Netzgerät zur Stabilisierung einer an den Klemmen 12 und 13 angelegten Gleichspannung.

Im Verstärker 5 wird das * jsgangssignai des Wandlers 2 an das Gate eines Fe!de^vfekttransistors FET angelegt. Das Ausgangssignal desselben geht über einen Hochpaß R\, Ci, C₄ und G mit einer Gren/frequen/ von etwa 2 kHz zur Basis eines Verstärkungstransis.ors Γη. Der negative Teil des Ausgangssignals des Transistors Tr\ wird in einer Diode D\ abgeschnitten; der verbleibende Ausgan^simpuls gelangt an die invertierenden Eingangsklemmen der Operationsverstäkrer IC, und /Cj. welche die Detektoren 3 and 4 für den hohen und den niedrigen Pegel darstellen. An dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers /G liegt eine Gleichspannung, die am Punkt a des Spannungsteilers VR, R₂, Ri aus dem Gleichspannungspotential VDD abgegriffen wird. Am nichtinvertierenden Eingang des OperationsverstärKers /Cj liegt eine Gleichspannung, die zwischen den Widerständen /?j und Ri des erwähnten Spannungsteilers abgegriffen wird. So wird jeder einen hohen Pegel übersteigende Impuls vom Verstärker /G und jeder einen niedrigen Pegel übersteigende Impuls vom Verstärker /Cj erfaßt Versuche haben gezeigt, daß das Verhältnis der Pegel U und /.j vorzugsweise L, : L₂ = 1 :0.5 bis 0.6 betragen soll. Der Ausgang des Operationsverstärkers /G ist mit dem Eingang des Impulsformers 6 verbunden.

Im Impulsformer 6 befindet sich eire erste Stufe aus den Widerständen R_t und R--, und dem Kondensator C-,. wobei der Widerstand Rt niedrig (etwa 100 Ohm) und der Widerstand R-, hoch (etwa 470 Ohm) gewählt ist. Man erhält so einen langsam ansteigenden Impuls. In einer /weiten Stufe wird dieser Impuls mittels des Operationsverstärkers /Ci 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 /G bei >fi«das Signal I in Fig. 4B. Wenn dagegen ein Signal Il mit großer Amplitude ankommt, übersteigt es den Pegel »a« mehr als einmal beim Abklingen, so daß zwei oder mehr Impulse auftre*"n (Fig. 4B). Das Signal würde also doppelt gezählt, obwohl in Wirklichkeit nur ein Hammerschlag geführt wurde. Aus diesem Grunde sind die Zeitkonstanten der Widerstände Ri₁ und #5 und des Kondensators Cs so eingestellt, daß sich die Signale I und II in Fig.4C ergeben,d. h.das Signal Il ergibt einen einzigen Zähliitipi >!.<:.

Der Zähler 7 ist im allgemeinen gesperrt, da seine Rückslellklemme R an einem hohen Potential liegt;

wenn aber das Rücksteilpoteniial R niedrig gemacht wird und ein Impuls an der Klemme C auftritt, wird gezählt. Wenn ein Impuls am Ausgang des Operationsverstärkers ICi 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 Di und D* auf ein Verzögerungsglied mit dem Kondensator Cj und dem Widerstand Rf₁, wodurch er eine gewisse Verzögerung erhält und dann auf den Operationsverstärker /G gelangt, so daß dessen Ausgang einen niedrigen Zustand annimmt und die Rückslellklemme R des· Zählers 7 vom Rückstellpotential entlastet. Wenn nun ein zweiter Impuls zum Operationsverstärker /C] durchkommt, wird dieser Impuls gezählt und lädt gleichzeitig den Kondensator Cj wieder über den Widerstand /?e 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 Ds einen Kondensator G auflädt. Mit der Ladung dieses Kondensators G wird der Alarm ausgelöst, wie weiter unten beschrieben wird.

Das Signal niedrigen Pegels wird vom Operationsverstärker /G nach Formung mittels der Widerstände Ri und Rn und des Kondensators Ce einem Operationsverstärker /Ci im Integrator 9 zugeführt. Es lädt dann den Kondensator 7 über einen Widerstand /?q und eine Diode D_b auf. Wenn die Ladespannung des Kondensators G einen vorgegebenen Wert erreicht, erscheint am Ausgang eines Operationsverstärkers IC. der die Endstufe 8 darstellt, eine Ausgangsspannung. Der Operationsverstärker i'C dient also zur Anzeige des Ladezustandes des Kondensators Ci. Letzterer entlädt sich ständig allmählich über den Widerstand Rm: die Zeitkonstanle des damit gebildeten /?C-Gliedes soll etwa 10 Sekunden betragen. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers /G, wird an die Basis eines Transistors 77> gelegt; wenn diese Ausgangsspannung absinkt, steuert sie den Transistor Th in den Sperrzustand, wodurch ein Relais Ry in der Alarmvorrichtung iö abfaiit unii uauurcrt ein Aiainibigiiui uumCim. Cine Leuchtdiode LED zeigt ebenfalls den Alarm an.

Im Überwachungszustand ist das Ausgangspotcnlial des Operationsverstärkers /Ce hoch und am Ausgang eines Operationsverstärkers ICi tritt ein hohes Potential auf. Bei einem Alarm ist das Ausgangspotential von IC "> niedrig und der Ausgang des Operationsverstärkers ICi wird kurzgeschlossen. In diesem Falle wird der Kondensator Cj rasch entladen und am Ausgang des Operationsverstärkers /G tritt ein hohes Potential auf, so daß die Rückstellklemme R des Zählers 7 mit einem 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 Zählerinhali erst drei Impulse gezählt

i'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

■?■> 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

in 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.

i'< 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

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der Wand unmittelbar zu dem Überwachungsgerät.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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 Schwellwertdetekior (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 Schw^Ilwertdeiektor (3) enthält, der nur Signale durchläßt, die einen zweiten, den ersten Pegel überschreitenden Signalpegel überschreiten, und daß zwischen dem Schwellwertdetektor (3) und der Alarmeinnchtung (8, 10) ein Zähler (7) angeordnet ist, der die den zweiten Pegel überschreitenden Signale zählt und bei Erreichen einer vorbestimmten Zählrate ein Auslösesign«·! 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 (R,, R^. G). das sich rasch auflädt und langsam entlädt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. gekennzeichnet durch einen Kondensate (Ct). der durch ein Ausgangssignal des Impulsformers (6) aufgeladen wird und den Rückstcllzur-jnd 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 (ICt) gegeben wird, der einem Kondensator ff",) parallel hegt, während der Ausgang des Operationsverstärkers mit der Rückstellklemmef/?^des Zählers verbunden ist, sowie daß der Impulsformer ferner mit dem Zähleingang (C) des Zählers (7) verbunden ist

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