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Glasbruchsensoranordnung
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Die Erfindung betrifft eine Glasbruchsensoranordnung, insbesondere
für Alarmanlagen zur Sicherung gegen Einbruch, bei welcher ein piezoelektrischer
Fühler in einem Gehäuse angeordnet ist, welches auf eine Glasscheibe aufzukleben
ist und bei welchem eine zur Anzeige eines Alarms dienende lichtemittierende Diode
vorhanden ist, die über einen piezoelektrischen Fühler und eine elektrische Auswerteschaltung
ansteuerbar ist, welche einen Schwlngkreis und einen Schwellenwertverstärker mit
Alarmsignalspeicher aufweist.
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Es ist grundsätzlich bekannt, daß eine in einem Rahmen gefaßte Glasscheibe
beispielsweise über die Luft zu Schwingungen erregt werden kann, so daß die Glasscheibe
ahnlich wie eine Membran gedämpfte Schwingungen ausführt ohne dabei zu zerbrechen.
Die Eigenschwingfrequenz einer Glasscheibe hängt insbesondere von der Scheibengröße,
von der Glasdicke und von der Einrahmung ab.
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Wenn eine Glasscheibe infolge allzu großer Schwingungsamplituden oder
durch brutale Gewaltanwendung zum Zerbrechen gebracht wird, so werden Glasbereiche
an verschiedenen Stellen der Glasscheibe lokal stark gebogen und/oder gestaucht.
Diese partiellen Schwingungen erzeugen Körperschall in dem Scheibenmaterial, und
es hat sich gezeigt, daß das Frequenzspektrum solcher Schallwellen hauptsächlich
im Kilohertz-Bereich liegt.
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Es treten natürlich auch Schallwellen im Hörfrequenzbereich auf.
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Der Schall breitet sich in festen Körpern auf Grund deren Elastizität
als longitudinale Schwingung der Teilchen aus, wenn die geometrischen Abmessungen
in allen drei Dimensionen groß gegenüber der Schallwellenlänge sind. Diese Voraussetzungen
sind
jedoch bei Glasscheiben nicht erfüllt Wegen der geringen Dicke von Glasscheiben
entstehen hauptsächlich Transversalwellen und Biegewellen in Richtung der Plächenausdehnung.
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Durch die Verwendung von Detektoren, die hauptsächlich auf Signale
im Kilohertz-Bereich ansprechen, kann ein Glasscheibe benbruch unter weitgehender
Ausschaltung natürlicher Umweg störungen sicher und zuverlässig gemeldet werden
Es hat sich in der Praxis als zweckmäßig erwiesen, die Schallenergie von der Scheibenfläche
durch llnmittelbar auf die Glasscheibe aufgeklebte Detektoren abzunehmen Zur Umwandlung
von mechanischer Energie in elektrische Energie läßt sich ein piezoelektrischer
Fühler verwenden, der auf eine zu überwachende Glasscheibe aufgeklebt werden kann0
Es ist auch grundsätzlich bekannte einen voll elektronischen Glasbruchsensor zu
verwenden, bei welchem ein piezoelektrischer Fühler in einem Parallelschwingkreis
untergebracht ist.
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Über eine Auswerteschaltung wird ein Alarmsignal unter anderem auch
dazu verwendet, eine lichtemittierende Diode zu betreiben, um einen Alarmzustand
nicht nur zum Anlaß für den Einzelfall angepaßte Maßnahmen zu verwenden, sondern
auch unmittelbar optisch anzuzeigen.
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In der Praxis sind bei den bekannten E-nrichtungen dadurch Schwierigkeiten
aufgetreten, daß durch eine Sonneneinstrahlung oder durch entsprechend intensive
Bestrahlung mit künstlichem Licht ein Glasbruchsensor aktiviert wurde und dadurch
ein Fehlalarm ausgelöst wurde.
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Es ist auch bereits versucht worden, die Auslösung eines Fehlalarms
durch geeignete Maßnahmen zu verhindern; die entsprechenden
Versuche
haben jedoch zu einem geräte technischen Aufwand geführt, der mit der für Glasbruchsensoren
wesentlichen Forderung nicht in Einklang zu bringen ist, daß nämlich so geringe
Abmessungen wie möglich einzuhalten sind.
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Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, eine Glasbruchsensoranordnung
der eingangs näher genannten Art zu schaffen, deren Störanfälligkeit gegen äußere
Einflüsse wie elektromagnetische Einstrahlungen bei besonders geringen Abmessungen
außerordentlich gering sind. Es kommt dabei vor allem darauf an, daß die Betriebssicherheit
nicht durch eine Vergrößerung der geometrischen Abmessungen erkauft werden muß,
daß vielmehr zugleich eine möglichst geringe Größe der Gesamtanordnung erreicht
wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren
niedergelegten Merkmale.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
ist vorgesehen, daß die lichtemittierende Diode in Reihe zu einem Entkopplungsstransistor
angeordnet ist, der an den Ausgang des Schwellenwertverstärkers mit Alarmsignalspeicher
angeschlossen ist, so daß eine Rückwirkung eines in der pn-Schicht der lichtemittierenden
Diode auftretenden inneren Photoeffektes auf die in einem Metallgehäuse im wesentlichen
in einer einzigen Ebene angeordnete elektrische Auswerteschaltung unterbunden ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor,
daß die lichtemittierende Diode an den Kollektor des als pnp-Transistors ausgebildeten
Entkopplungstransistors angeschlossen ist, dessen Emitter über einen Lastwiderstand
an
den einen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und dessen Basis über
einen Widerstand an den Ausgang des Schwellenwertverstärkers mit Alarmsignal speicher
angeschlossen ist.
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Besonders geringe Abmessungen ergeben sich gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dadurch, daß die elektrische Auswerteschaltung
als Hybridschaltung ausgebildet ist, die auf einem Substrat untergebracht ist, welches
in einer Ebene angeordnet ist, die unmittelbar über der Ebene des direkt benachbart
zu der an eine Glasscheibe anklebbaren Gehäusewand angeordneten piezoelektrischen
Fühlers liegt. Dabei kann weiterhin vorzugsweise vorgesehen sein, daß der piezoelektrische
Fühler den größten Teil der an eine Glasscheibe anzuklebenden Gehäusewand einnimmt.
Auf diese Weise läßt sich die Ansprechempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Glasbruchsensors
im Verhältnis zu der Gesamtgröße auf einen günstigen Wert bringen Weiterhin kann
vorzugsweise vorgesehen sein, daß das Gehäuse ein quaderförmiges Aluminiumgehäuse
mit den Kantenlängen 17 x 17 x 9 mm ist Eine derartige Ausführungsform erweist sich
dadurch als besonders vorteilhaft, daß sie mit geringen Abmessungen und geringem
Gewicht zugleich eine gute Abschirmung gegen Störeinflüsse verknüpft unq außerdem
über längere Zeiten gegen Umwelteinflüsse außerordentlich gut geschützt ist.
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Nach dem Grundgedanken der Erfindung werden ein Entkopplungskreis
spezieller Ausführung und eine Auswerteschaltung in einer Ebene angeordnet, die
unmittelbar oberhalb des piezoelektrischen Fühlers in bezug auf die Glasscheibe
angeordnet
ist. Da sowohl der piezoelektrische Fühler als auch die
Auswerteschaltung gemäß der Erfindung außerordentlich flach ausgebildet werden können,
ergibt sich selbst bei der Zwei-Schicht-Anordnung insgesamt eine besonders flache
Glasbruchsensoranordnung, die bei gutem optisch-ästhetischem Erscheinungsbild auf
der Glasscheibe nicht störend ins Gewicht fällt.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Glasbruchsensors,
in welchem die wesentlichsten Funktionsbaugruppen rein schematisch dargestellt sind,
Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltschema der erfindungsgemäßen Anordnung und Fig. 3
einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Glasbruchsensoranordnung.
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Gemaß der Darstellung in der Figur 1 ist ein Parallelschwingkreis
11 vorhanden, der aus einer Induktionsspule 19 einerseits und einer aus einem Kondensator
15 und einem piezoelektrischen Fühler 16 gebildeten Reihenschaltung andererseits
aufgebaut ist.
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Durch eine geeignete Auswahl der Werte für die Kapazität des Kondensators
15 und die Induktivität der Induktionsspule 19 wird die für die Auswertung optimale
Resonanzfrequenz und das Vbertragungsverhalten des Schwingkreises festgelegt.
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Wenn der piezoelektrische Fühler 16 durch Schallwellen beaufschlagt
wird, erzeugt dieser piezoelektrische Fühler 16 ein analoges Spannungssignal, dessen
Frequenz zur Frequenz
der Schallwellen proportional ist und dessen
Amplitude der Größe der mechanischen Verstimmung proportional ist0 Die Signalamplitude
wird nun entsprechend der Übertragungsfunktion des Schwingkreises gedämpft. Wenn
das erzeugte Frequenzspektrum im Bereich des Optimums der Übertragungskennlinie
des Schwingkreises 11 liegt, so ist die Dämpfung der Amplitude am geringsten, und
die Amplitude wird so groß, daß ein nachgeschalteter Schwellenwertverstärker 12
aktiviert wird Das Ausgangs signal des Schwellenwertverstärkers 12 wird in einem
Plip-Flop digital gespeichert und über eine Entkopplungsstufe 14 durch eine lichtemittierende
Diode 17 zur Anzeige gebracht und/oder über ein Schaltrelais oder eine andere geeignete
Schaltungseinrichtung zur Weiterverarbeitung aktiviert.
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Die Figur 2 veranschaulicht in etwas vereinfachter Darstellung eine
besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Der piezoelektrische
Fühler PZ wird über die Anschlußklemmen A und B und eine durch die Dioden Dl, D2,
D3 und D4 gebildete Gleichrichterbrücke mit Energie versorgt. Eine zusätzliche Speisespannung
für den piezoelektrischen Fühler ist nicht erforderlich Über die beiden Anschlußklemmen
A und B wird die Schaltung in Zwei-Leiter-Technik in eine entsprechende Linie einer
Alarmanlage eingeschleift. Die aus den Dioden D1 bis D4 gebildete Gleichrichterbrücke
ermöglicht den Anschluß fahne Beachtung der anstehenden Polarität.
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Wenn der Glasbruchsensor nicht aktiviert ist, wird durch entsprechende
Dimensionierung des Lastwiderstandes R1 erreicht, daß die Schleife der Alarmzentrale
nur durch einen außerordentlich geringen Reststrom in der Größenordnung V°n/uAmpères
belastet wird. Daher kann eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Glasbruchsensoren an
eine Alarmanlage angeschlossen werden.
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Wenn der Glasbruchsensor anspricht, erfolgt in der Zuleitung eine
Stromerhöhang, die als Marmkriterium ausgewertet werden kann. Die Strombegrenzung
erfolgt in erster Näherung durch den Lastwiderstand R1. Dieser Widerstand R1 bildet
mit einem Kondensator Cl ein Tiefpaßfilter zur Erhöhung der dynamischen Störsicherheit
gegen Störspannungsspitzen auf den Stromversorgungsleitungen.
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Der Schwellenwertverstärker 12 und der Alarmsignalspeicher 13 können
vorteilhafterweise zu einer einzigen Funktionsbaugruppe integriert werden, welche
einen npn-Transistor T1 und einen pnp-Transistor T2 aufweist. Im Hinblick aif den
Aufbau der Auswerteschaltung, welche außer den Transistoren TI und T2 und dem Schwingkreis
mit dem piezoelektrischen Fühler die Widerstände R2 bis R5 aufweist, wird ausdrücklich
auf die Figur 2 hingewiesen, in welcher auch mit Hilfe von Pfeilen und entsprechenden
Symbolen die zum Verständnis der Funktion der Schaltung erforderlichen Spannungen
und Ströme veranschaulicht sind.
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Der in der Figur 1 mit 11 bezeichnete Schwingkreis weist gemäß der
Darstellung in der Figur 2 die Induktionsspule L im einen Zweig und den Kondensator
C2 sowie den piezoelektrischen Fühler PZ in dem Parallelzweig auf. Der Parallelschwingkreis
ist einerseits mit dem Kollektor des Transistors T2 und andererseits über einen
Widerstand R4 mit der Basis des Transistors T1 verbunden. Ein Widerstand R2 ist
zwischen dem Emitter des Transistors T2 und dem Lastwiderstand R1 angeordnet. Der
Verbindungspunkt zwischen dem Lastwiderstand R1 und dem Widerstand R2 entspricht
der einen Spannung versorgungsleitung. Der Kondensator C1 ist zwischen dieser
einen
und der anderen Spannungsversorgungsleitung angeordnet. Weiterhin ist zwischen dem
Kollektor des Transistors T2 und der anderen Spannungsversorgungsleitung ein Widerstand
R3 angeordnet. Der Transistor T1 ist mit seinem Kollektor über einen Widerstand
R5 mit der einen und mit seinem Emitter direkt mit der anderen Spannungsversorgungsleitung
verbunden.
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Die Basis des Transistors T2 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen
dem Kollektor des Transistors T1 und dem Widerstand R5 verbunden.
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In der erfindumæsgemaßen Entkopplungsstufe sind in Reihe zueinander
ein Entkopplungstransistor T3 und eine lichtemittierende Diode 17 zwischen den beiden
Spannungsversorgungsleitungen angeordnet. Dabei ist der Emitter eines als pnp-Transistor
ausgebildeten Entkopplungstransistors T3 mit der einen Spannungsversorgungsleitung
und der Kollektor dieses Entkopplungstransistors T3 mit der lichtemittierenden Diode
17 verbunden. Die Basis des Entkopplungstransistors T3 ist über einen Widerstand
R6 mit der Basis des Transistors T2 und damit zugleich mit dem Kollektor des Transistors
T1 verbunden0 Bei einer relativ kleinen Signalamplitude infolge einer sehr geringen
mechanischen Verspannung des piezoelektrischen Fühlers oder auch dann, wenn der
Frequenzbereich des Signals nicht innerhalb der Bandbreite des Schwingkreises liegt,
sind die Transistoren T1 und T2 gesperrt, und es wird dann die lichtemittierende
Diode 17 nicht angesteuertç Der Sperrstrom über den Widerstand R5 ist sehr klein,
so daß der an dem Widerstand R5 auftretende Spannungsabfall vernachlässigt werden
kann. Am Kollektor des Transistors T1
liegt die Spannung UCE1 =
UB. Diese Spannung bewirkt, daß der pnp-Transistor T2 gesperrt ist, da sein Emitter
mindestens um die Spannung UBE stärker negativ ist als seine Basis.
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Für den Strom durch den Widerstand R5 gelten gemäß der Darstellung
in der Figur 2 folgende Beziehungen: 1R5 = 101 + IB2 oder da: IC1 = B1 . IB1 = B1
. IC2 ist IR5 = B1 . IC2 + IB2 Der Widerstand R3 wird als sehr hochohmig angesehen.
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IB2 setzt sich aus den Emitter/Basis- und Kollektor/3asis-Restströmen
folgendermaßen zusammen: IB2 = IEBO + ICBO Die Werte der Restströme unterscheiden
sich nicht stark voneinander, so daß als Abschätzung IEBO » ICBO und damit IB2 #
2 ICBo gesetzt werden kann. Für den gesperrten Zustand erhält man daher für den
Strom IR5 folgende Beziehung IR5 # (B1 + 2) . IC2 und da B1 » 2 gilt: IR5 # B1 .
IC2 Der Strom durch die Last im ausgeschalteten Zustand ist also eine Funktion der
Stromverstärkung des Transistors T1 und des Kollektor-Basis-Reststromes (IC2# ICBO2)/T2
gesperrt des Transistors 2. Während B1
im ausgeschalteten Zustand
in erster Näherung als eine Konstante vorgegebener Größe angesehen werden kann,
ist der Reststrom eine Funktion der vorgegebenen Temperatur und der Sperrspannung.
Der Reststrom steigt expotentiell mit der Temperatur an. Die Temperaturabhängigkeit
läßt sich berechnen.
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Je nach Betriebsbedingungen kann also ICBO2 und damit auch 1R5 unterschiedliche
Werte annehmen Erhöht man das Potential an der Basis des Transistors T1s beispielsweise
durch eine Spannung am Schwingkreis, so beginnt ein Strom 131 zu fließen. Mit zunehmenden
Strom IB1 und damit IR5 sinkt die Spannung an der Basis des Transistors 22. Sobald
nun dieser Wert -UBE kleiner als die Betriebsspannung ist, wird der Transistor T2
geöffnet, und die Richtung des Stroms IB2 wird umgekehrt Der ansteigende Basisstrom
erhöht 102 und damit IB1. Entsprechend der Stromverstärkung wächst auch IC1= B1
IB1 anDadurch wird auch IB2 vergrößert. Dieser Rückkopplungseffekt führt dazu, daß
beide Transistoren in einer sehr kurzen Zeit, die nur wenige Mikrosekunden beträgt,
in den Sättigungsbereich gesteuert werden. ICE1 ist dann unter 0,6 V abgesunken,
und der Strom durch den Widerstand R5 hat seinen Maximalwert erreicht: UB - UCE1
UB IR5 max = # Mit dem Einsetzen des Rückkopplungsvorganges hat der Spannungsanstieg
an der Basis des Transistors T2, welcher den Umschaltvorgang auslöst, seinen Zweck
erfüllt Die Schaltung
bleibt im eingeschalteten Zustand, in welchem
das Alarmsignal gespeichert wird. Es ist eine Selbsthaltung gewährleistet, die zu
einer Speicherung des Alarmsignals führt, bis die Betriebsspannung an den Klemmen
A und B entweder abgeschaltet oder kurzgeschlossen wird.
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Für den stabilen Speicherzustand läßt sich mittels der Beziehungen
IC1 = B1 . IB1 IB1 # IC2 102 B, 132 IB2 = 7 die einfache Gleichung M . B1 . B2 =
1 ableiten. Die Stromverstärkungswerte B1 und B2 sind im Bereich des Sättigungsbetriebes
stark von der Spannung UCE abhängig. M gibt den Anteil von IC1 an, der als IB2 in
den Rückkopplungszweig zurückfließt.
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Wenn durch einen positiven Impuls an der Basis des Transistors T1
der Rückkopplungsvorgang eingeleitet worden ist, arbeiten die Transistoren T1 und
T2 zunächst mit relativ hohen Stromverstärkungen. Es gilt dann die folgende Ungleichung:
M . B1 2 >t 1 Aus dieser Ungleichung ist ersichtlich, daß alle Ströme eine steigende
Tendenz haben. Ein Ansteigen der Ströme 101 und IC2 bedeutet jedoch ein Absinken
der Spannungen UCE1 und UcE2.
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Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors T1 um 0,6 V gegenüber
der Betriebsspannung U3 absinkt 9 wird auch der pnp-Transistor T3 durchlässig und
steuert die lichtemittierende Diode 17 an. Die Strombegrenzung für die lichtemittierende
Diode 17 erfolgt über den Lastwiderstand R10 Zugleich wird diese Stromerhöhung von
der Zentrale der Alarmanlage als Alarmkriterium ausgewertet In der Figur 3 ist in
einem schematischen Schnitt ein aus den beiden Gehäuseteilen 20a und 20b bestehendes
Netallgehäuse dargestellt, in welchem entlang des Bodens ein piezoelektrischer Fühler
16 angeordnet ist, der sich im wesentlichen über die gesamte Bodenfläche erstreckt
Oberhalb des piezoelektrischen Fühlers ist ein Substrat 18 angeordnet auf welchem
die gesamte elektrische Schaltung angeordnet ist. Unterhalb des Substrats 18 ist
eine Isolierfolie 21 dargestellt, welche die elektrische Schaltung auf dem Substrat
18 gegenüber den darunter angeordneten Bauteilen und auch gegenüber den Zuleitungen
zu dem piezoelektrischen Fühler 16 isoliert. Die Zuleitungen und das Anschlußkabel
sind in der Figur 3 rein schematisch angedeutet. Das obere Gehäuseteil 20a weist
eine Öffnung auf, durch welche eine lichtemittierende Diode 17 sichtbar ist Zweckmäßigerweise
ist die lichtemittierende Diode 17 unter leichter Vorspannung in die entsprechende
Öffnung im oberen Gehäuseteil 20 hineingedrückt. Dadurch wird die lichtemitierende
Diode 17 ohne weitere Befestigungseinrichtung fixiert Bei dem in der Figur 3 dargestellten
Schnitt greift der untere Gehäuse teil 20b von innen in den oberen Gehäuseteil 20a
hinein. Vorzugsweise ist die Anordnung derart getroffen, daß die Seitenwände des
Gehäuses, d.h. der beiden Gehäuseteile
20a und 20b jeweils geschlitzt
und in der Weise versetzt angeordnet sind, daß die Seitenwändewechselweise sich
in der einen Hälfte der Seitenwand übergreifen und in der anderen Hälfte untergreifen.
Mit anderen Worten, auf der einen Seite des Schlitzes ist die eine Hälfte einer
Seitenwand des einen Gehäuseteils außerhalb der entsprechenden Hälfte der Seitenwand
des anderen Gehäuseteils angeordnet, und auf der anderen Seite des Schlitzes liegen
die Verhältnisse umgekehrt. Auf diese Weise ist es möglich, daß die beiden Gehäuseteile
20a und 20b identisch sind und nach einfacher Montage zu einem kompakten und stabilen
Gehäuse zusammengeschoben werden können. Es ist folglich nur ein bestimmtes Werkzeug
zur Herstellung einer einzigen Type eines Gehäuseteils erforderlich.
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In der Zeichnung ist die Höhe des Gehäuses durch die schematische
Darstellung der Zuleitungen übertrieben groß dargestellt. Bei der praktischen gerätetechnischen
Ausführung des Erfindungsgegenstandes ergibt sich bei optimaler Ausnutzung der durch
die Erfindung gebotenen Vorteile eine vergleichsweise überraschend flache Ausbildung
der gesamten Glasbruchsensoranordnung.
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L e e r s e i t e