15. Januar 1980, Japan, Nr. Sho 55-3330
31. März 1980, Japan, Nr. Sho 55-42324 28. November 1980, Japan, Nr. Sho 55-
Die Erfindung betrifft eine Eindringlingwarnanlage, bei der eine Antenne verwendet wird, der eine Wechselspannung aufgeprägt
wird.
Figur 1(a) zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels einer
herkömmlichen Eindringlingwarnanlage, bei der ein elektrisches Feld gezeigt wird, wie sie in der US-PS 4 064 499 gezeigt ist.
Bei der in Figur 1(a) gezeigten Anlage wird eine Spannung einer hohen Frequenz, beispielsweise etwa 9750 Hz, die durch
Figur 2(E) dargestellt und von einer Signalgeneratorschaltung E erzeugt wird, zwischen einem Felddraht S und dem Boden angelegt.
Eine Spannungsänderung, die in einer Antenne A induziert wird, die in einem im wesentlichen gleichmäßigen Abstand g
vom Felddraht S angeordnet ist, wird festgestellt und zur Erzeugung eines einen Eindringling feststellenden Signals verarbeitet.
Die Spannungsänderung aufgrund des Eindringlings wird folgendermaßen festgestellt:
POSTSCHECKKONTO: MÖNCHEN 50175-809
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Vorausgesetzt, daß ein Widerstand zwischen der Antenne und dem Boden, d.h., eine Eingangsimpedanζ eines Verstärkers
ausreichend groß ist, ist gemäß des Ersatzschaltbildes der Figur 1(b) die induzierte Spannung V für den Fall, daß kein
Eindringling vorhanden ist, gegeben durch
V = . e (D
Dabei bedeuten:
C1,: eine Kapazität zwischen dem Felddraht S und der Antenne A
C_ : eine Kapazität zwischen der Antenne und dem Boden oder
Grund
e : eine Spannung des an den Felddraht S angelegten Hochfrequenzsignals
.
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NACHQEREICHTI
Betrachtet man nun den Körper des Eindringlings als einen elektrischen Leiter und ist die Kapazität zwischen dem Körper
des Eindringlings und der Antenne A gleich CM, ergibt sich
eine induzierte Spannung V , wie sie durch die folgende
Gleichung (2) gezeigt ist:
a ~ ρ + η + r * e ^
1 ' ο Μ
Die induzierte Spannung wird mittels eines Verstärkers 7 verstärkt,
dann von einer Detektorschaltung 10 detektiert und nach dem Passieren eines Bandpaßfilters 9 auf eine Schwellenwertschaltung
10 geführt, wo ihr Eingangswert V1 mit einem
vorbestimmten Schwellenwert V , verglichen wird.
Wenn beispielsweise ein Mann durch das elektrische Feld der Antenne A hindurchgelangt, wie es in Fig. 1(c) gezeigt ist,
ändert sich infolge der Änderung der Kapazität C die induzierte Spannung V gemäß Fig. 2(V ) . Und daher ändert sich
die Eingangsspannung V an der Schwellenwertschaltung 10, wie
es durch die Fig. 2(V ) und durch die Fig. 1(d) dargestellt
ei
ist. Wenn die Eingangsspannung V niedriger wird als der vor-
bestimmte Schwellenwert V , ,
sendet die Schwellenwertschaltung 10 zu der in Fig. 2(V ) ge-
zeigten Zeit t.. ein Ausgangssignal an eine Warnschaltung 6,
die, wie es in Fig. 2(V ) gezeigt ist, zur Zeit t1 ein Warnsignal
abgibt, um eine Lampe aufleuchten oder einen Summer oder eine Klingel ertönen zu lassen.
Bei einer solchen herkömmlichen Eindringlingdetektoranlage werden zwei Drähte S und A verwendet. Wenn ein starker Wind
bläst, besteht eine Wahrscheinlichkeit, daß sich der Abstand zwischen den beiden Drähten beträchtlich ändert. Dadurch wird
eine unerwünschte Änderung der Kapazität C1 zwischen den beiden
Drähten erzeugt. Und daher besteht die Wahrscheinlichkeit, daß falscher Alarm gegeben wird. Wenn der zu schützende Bereich
groß ist, ist es außerdem teuer, zwei Drähte mit gleichförmigem Abstand zu installieren. Und manchmal ist dies auch
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·?■
aufgrund der Besonderheiten der Landschaft schwierig.
Ferner wird die Empfindlichkeit der Detektion stark durch Änderungen der Kapazität C zwischen dem Antennendraht S
und dem Grund beeinflußt, die von der Länge des Antennendrahtes S und der Höhe des Antennendrahtes S über dem Grund
abhängt. Daher besteht bei der herkömmlichen Anlage das Problem, daß die Einrichtung nicht unbedingt eine Empfindlichkeit
aufweist, wie sie konzipiert worden ist, da die Konzipierung für einen mittleren Antennendraht mittlerer Höhe und
Länge gemacht worden ist, oder in anderen Worten, die Einrichtung ist lediglich für einen begrenzten Höhen- und Längenbereich
der Antenne verwendbar. Ein Paar Drähte vorzusehen kann außerdem im Einzelfall aufgrund von Umgebungsbedingungen
schwierig sein.
Überdies weist die herkömmliche Anlage ein weiteres Problem
auf, das darin besteht, daß das Auftreten eines falschen Alarms möglich ist, und zwar aufgrund der Erzeugung einer Schwebung
zwischen dem der Antenne zugeführten Hochfrequenzsignal und einer hohen Harmonischen der Frequenz der in dem geschützten
Bereich vorhandenen Wechselstromenergie (Netzspannung). Eine solche Schwebung erzeugt ein Signal sehr niedriger Frequenz,
wie 0,1 bis 2 Hz, und ein Signal mit derart niedriger Frequenz gelangt durch das Bandpaßfilter 9 und läßt die Alarmschaltuag
6 einen falschen Alarm geben. Zur Vermeidung einer solchen fälschen Alarmgabe ist es aus der US-PS 4 664 499
bekannt, die der Antenne zuzuführende Hochfrequenz-Schwingungsenergie mittels einer komplizierten Frequenzverriegelungsschaltung
zu verriegeln oder die Alarmabgabe mit Hilfe des Ausgangssignals einer Schwebungsfrequenzdetektorschaltung
(BFD = beat frequency detector) zu sperren, wenn die Wechselstromenergiequellenfrequenz
auf einen solchen Wert gelangt, daß die unerwünschte Schwebung erzeugt wird. Die erste Maßnahme,
d.h., die Verwendung der Frequenzverriegelungsschaltung (FLC = frequency lock circuit) ist sehr kompliziert, was
zu einer Erhöhung der Kosten der Anlage führt, und die zweite
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Maßnahme, d.h., die Sperrung des Alarms, weist die Gefahr auf, daß die Eindringlingdetektion zu unterbrochen wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Probleme der herkömmlichen Exndringlingwarnanlage zu überwinden
.
Eine Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben und kann dexii weiteren Ansprüchen gemäß vorteilhaft weitergebildet
werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Exndringlingwarnanlage zum Anzeigen, daß sich ein Eindringling in einem bestimmten Bereich
aufhält, ist eine einzige Antennenleitung vorgesehen, die den Bereich einkreisend umgibt und vom Grund isoliert ist.
Ein Hochfrequenzoszillator (mit einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz bis 10 kHz) führt der Antenne das Hochfrequenzsignal
zu. Zwischen den Ausgangsanschluß des Oszillators und die Antenne ist eine Kopplungsimpedanz geschaltet, beispielsweise
ein Kondensator. Ein Signalverarbeitungsteil erzeugt ein Alarmsignal, wenn eine durch die Annäherung eines Eindringlings
verursachte Änderung der Antennenspannung festgestellt
wird, die über einem vorbestimmten Wert liegt.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage kann man die Zahl der rund um den geschützten Bereich anzuordnenden Drähte auf einen
einzigen Draht verringern, wodurch die Kosten der Anlage reduziert werden,, und kann man außerdem falsche Alarmgaben verringern.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage kann man zudem den Eindringlingalarm mit hoher Empfindlichkeit unabhängig von
einer Änderung der Länge oder der Höhe des Antennendrahtes erreichen. Und ferner kann man einen zuverlässigen Schutz
ohne Sperrzeit der Anlage unbesehen von Änderungen der Frequenz der Energiequelle erreichen, und dies ohne komplizierte
Schaltung.
Im folgenden werden die Erfindung und vorteilhafte Weiter-
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bildungen dieser Erfindung anhand von Ausführungsforraen näher
erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1(a) ein Blockschaltbild eines Beispiels einer herkömmlichen
Eindringlingwarnanlage;
Fig. 1(b) ein Ersatzschaltbild der in Fig. 1(a) gezeigten
Anlage;
Fig. 1(c) eine schematische Darstellung/ die zeigt, wie sich
eine Person unter einer Antenne der Anlage hindurchbewegt;
Fig. 1(d) eine graphische Darstellung der Änderung des Eingangssignals des in Fig. 1(a) gezeigten Verstärkers 7 in
Abhängigkeit von den Positionen in Fig. 1 (c) ;
Fig. 2 Signalformen elektrischer Signale an verschiedenen Stellen der Anlage nach Fig. 1 (a) ;
Fig. 3(a) ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführung
s form;
Fig. 3(b) , (c) und (d)
Schaltungsdarstellungen von Beispielen für die Kopplungsimpedanz 2 in Fig. 3(a);
Fig. 3 ν2) , (f) und (g)
Schaltungsdarstellungen von Beispielen für die Eingangsimpedanz 3 in Fig. 3(a);
Fig. 4(a) Signalformen elektrischer Signale an verschiedenen Stellen der Anlage nach Fig. 3(a);
Fig. 4(b) eine schematische Darstellung, die zeigt, wie sich
eine Person unter einer Antenne der erfindungsgemäßen Anlage hindurchbewegt;
Fig. 4(d) eine graphische Darstellung der Änderung des Eingangssignals
am Verstärker 7 der Fig. 3(a) in Abhängigkeit von der Position in Fig. 4(b) ;
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Fig. 5 in detaillierter Darstellung den Aufbau eines Ausführungsbeispiels
des Oszillators 1 in Fig. 3(a), wobei relevante Teile in gestrichelten Linien dargestellt
sind;
Fig. 6 ein noch weiter ins Einzelne gehendes Schaltbild des Schaltungsbeispiels nach Fig. 3(a) mit dem in
Fig. 5 gezeigten Oszillator 1;
Fig. 7 Signalformen elektrischer Signale an verschiedenen Stellen der Anlage nach Fig. 6, zur Erläuterung der
Wirkung der Schwebungsausschaltung;
Fig. 8 eine Frequenzspektrumdarstellung zur Erläuterung
der Schwebung;
Fig. 9 ein Blockschaltbild eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zur Ausschaltung
einer Falschwarnung durch Schwebung;
Fig. 10 eine Frequenzspektrumdarstellung zur Erläuterung der
Schwebungsausschaltung in Fig. 9;
Fig.11(a) eine Darstellung der Beziehung zwischen der Detektionsspannung
AV und der Kapazität C eines Kopplungskondensators als erfindungsgemäße Kopplungsimpedanz
2;
Fig.11(b) eine Darstellung der Beziehung zwischen der Detektionsspannung
Δν" und dem Widerstandswert R1n eines
Kopplungswiderstandes als erfindungsgemäße Kopplungsimpedanz 2;
Fig.11(c) ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kopplungsimpedanz 2;
Fig.11(d) ein ausführliches Schaltbild eines Beispiels eines erfindungsgemäßen KopplungswiderStandes; und
Fig.11(e) ein ausführliches Schaltbild eines Beispiels einer
erfindungsgemäßen Kopplungskapazität.
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Die Erfindung wird nachfolgend ausführlich anhand der Fig. 3(a)
erläutert und danach werden erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele vorgestellt. In Fig. 3 (a) , die ein Blockschaltbild
einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt, ist eine Antenne 4 über eine Kopplungsimpedanz 2 mit einem Hochfrequenzoszillator
1 verbunden, so daß der Hochfrequenzstrom vom Oszillator 1 über die Kopplungsimpedanz 2 auf die Antenne
geführt wird. Eine Eingangsimpedanz 3 ist zwischen die Antenne 4 und die Erde geschaltet. Die Hochfrequenzspannung über der
Eingangsimpedanz 3 wird einem Signalverarbeitungsteil 5 eingegeben, der einen Verstärker 7, einen Detektor 8, ein
Bandpaßfilter 9 mit sehr niedriger Paßbandfrequenz, wie
0,08 bis 0,3 Hz, eine Schwellenwertdetektorschaltung 10 und eine Alarmschaltung 6 umfaßt.
Die Kopplungsimpedanz 2 ist beispielsweise ein Kondensator, eine Induktivität oder ein Widerstand. Eine ausführliche Erläuterung
in Hinblick auf deren Wert wird später gegeben. Als Eingangsimpedanζ 3 kann ein großer Widerstand dienen oder
eine hochohmige Impedanzschaltung, wie eine Resonanzschaltung mit paralleler LC-Schaltung, die eine Resonanzfrequenz aufweist,
die im wesentlichen gleich der Frequenz des Oszillators 1 ist und die daher für diese Frequenz eine sehr hohe
Impedanz zeigt.
Unter aer Voraussetzung, daß die Impedanz zwischen der Antenne
4 und der Erde bzw. dem Grund ausreichend groß ist, ist die induzierte Spannung V für den Fall, daß kein Eindringling
vorhanden ist, gegeben durch
Dabei bedeuten:
Cj: die Kapazität der Kopplungsimpedanz 2
C0: die Kapazität zwischen der Antenne 4 und der Erde
e : die Spannung des vom Oszillator 1 gelieferten Hochfrequenzsignals.
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Betrachtet man den Körper des Eindringlings als einen elektrischen
Leiter und ist die Kapazität zwischen dem Körper des Eindringlings und der Antenne 4 gleich CL., ergibt sich eine
induzierte Spannung V gemäß folgender Gleichung (4):
Cl
V' = · . e (4)
Die induzierte Spannung V' wird mittels des Verstärkers 7 verstärkt,
dann mit der Detektorschaltung 8 detektiert und nach dem Passieren des Bandpaßfilters 9 auf die Schwellenwertschaltung
geführt, wo deren Eingangswert V mit einem vorbestimmten
et
Schwellenwert V,, _ verglichen wird.
Wenn eine Person durch das elektrische Feld der Antenne 4 gelangt,
wie es in Fig. 4(b) dargestellt ist, ändert sich die induzierte Spannung gemäß Fig. 4(V1 ) aufgrund der Änderung
3.
der Kapazität C,., und daher ändert sich die Eingangsspannung V=
an der Schwellenwertschaltung 10 gemäß Fig. 4 (V ) und 4(c).
CL
Wenn die Eingangsspannung V kleiner wird als der in Fig. 4(Va)
gezeigte vorbestimmte Schwellenwert V.,_, und zwar zu der in
Fig. 4(V ) gezeigten Zeit t1, gibt die Schwellenwertschala
ι
tung 10 ein Ausgangssignal an die Warnschaltung 6, die zur
Zeit t, ein Warnsignal abgibt, wie es in Fig. 4(V ) gezeigt
ι s
ist, um eine Lampe zum Leuchten oder eine Klingel zum Tönen zu bringen.
Die Gleichungen (3) und (4) sind im wesentlichen den Gleichungen (1) und (2) gleich, wie leicht verständlich ist. Daher
ist es offensichtlich, daß es auf die gleiche Weise wie
bei der herkömmlichen Anlage nach Fig. 1(a) möglich ist, den Eindringling durch eine Spannungsänderung an der Antenne 4
festzustellen, wie im Fall der Erfindung ein einziger Felddraht. Da lediglich ein einziger Antennendraht verwendet
wird, besteht kein Problem, daß ein starker Wind eine unerwünschte Änderung eines Draht-zu-Draht-Abstandes zwischen
parallelen Drähten bewirkt, und die Kosten des Aufhaus der
Anlage sind verringert. Für den Aufbau des Drahtes ist es
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• Al-
lediglich erforderlich, die Höhe des Drahtes gleichmäßig über der Erde zu halten. Und das Eindraht-Antennensystern ist weniger
empfindlich gegenüber durch Wind erzeugte unerwünschte Schwingungen als die herkömmliche Zweidraht-Anlage. Und daher
besteht eine geringere Möglichkeit für Falschalarm.
Für die Kopplungsimpedanζ 2 können andere Impedanzen, wie die
in Fig. 3(c) gezeigte Induktivität, der in Fig. 3(d) gezeigte Widerstand und eine zusammengesetzte Impedanz, die durch Verbinden
des Kondensators, der Induktivität und des Widerstandes gebildet wird, verwendet werden.
Für die Eingangsimpedanζ 3 wird gewöhnlich ein hoher Widerstand
verwendet, wie er in Fig.3(e) gezeigt ist. Es können jedoch andere Eingangsimpedanzen verwendet werden, beispielsweise
eine Parallelresonanzschaltung, wie sie in Fig. 3(f) gezeigt ist, oder eine Induktivität, wie sie in Fig. 3(g) gezeigt
ist. Verwendet man die in Fig. 3(f) gezeigte Eingangsimpedanz, wählt man die Frequenz von deren Resonanzschaltung
vorzugsweise so, daß sie in der Nähe der Schwingfrequenz des Hochfrequenzoszillators 1 liegt oder dieser im wesentlichen
gleich ist, so daß die Änderung des EingangsSignaIs
des Verstärkers bei Feststellung eines Eindringlings sehr scharf ist, und zwar aufgrund des scharfen Gradienten der
Resonanzkurve, wodurch eine hohe Empfindlichkeit erzeugt wird.
Es ist auch möglich, einen oder mehrere zusätzliche Antennendrähte
4" vorzusehen, der bzw. die in Reihe mit einer bzw. mehreren zusätzlichen Kopplungsimpedanzen geschaltet sind,
die mit einem einzigen gemeinsamen Hochfrequenzoszillator verbunden ist bzw. sind, und mit einem zusätzlichen Signalverarbeitungsteil
verbunden ist bzw. sind.
Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für den Oszillator 1, mit dem die Eindringlingalarmanlage eine hohe Stabilität
gegenüber Harmonischen des elektrischen Feldes einer kommerziellen Wechselstromenergiequelle (Netzspannungsquelle)
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erhalten kann, so daß die Anlage keinen falschen Alarm aufgrund einer zwischen den höheren Harmonischen und dem Oszillatorsignal
erzeugten Schwebung abgibt. Das Merkmal des Aufbaus des Oszillators nach Fig. 5 besteht darin, daß er eine
Oszillatorschaltung 15 umfaßt, die bei zwei verschiedenen
Frequenzen schwingen kann und die mittels einer ihr zugeführten Frequenzumschaltungssteuerschaltung umgeschaltet wird,
und daß er einen Schwebungsdetektorblock 19 umfaßt, der das
Auftreten einer Schwebung niedriger Frequenz feststellt und ein der Oszillatorschaltung 15 zuzuführendes Steuersignal abgibt.
Der Schwebungsdetektorblock 19 umfaßt einen Mischer 11, eine
Detektorschaltung 12 mit einem Bandpaßfilter, eine Schwellenwertschaltung
13 und eine Frequenzumschaltungssteuerschaltung 14 in der angegebenen Reihenfolge, und er gibt das Fr equenzumschaltungssteuersignal
auf die Oszillatorschaltung 15. Die Mischerschaltung 11 mischt den Netzspannungsstrom und
das hochfrequente Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 15
und gibt das Mischsignal ab, d.h., ein Bezugsschwebungssignal zwischen den Harmonischen des Netzspannungsstroms
und des hochfrequenten Ausgangssignals. Die das Bandpaßfilter umfassende Detektorschaltung 12 richtet das gemischte Signal
gleich, d.h., das Bezugsschwebungssignal von der Mischerschaltung 11. Die Schwebungsschwellenwertschaltung 13 gibt
ein Ausgangssignal ab, wenn die Schwebungsfrequenz niedrig und daher das Ausgangssignal der Detektorschaltung 12 größer
als eine vorbestimmte Schwelle wird. Die Frequenzumschaltungssteuerschaltung
14 ist eine Schaltung, die ein Ausgangssignal mit hohem (H) oder niedrigem (L) Wert abgibt und ist beispielsweise
aus einer T-Flipflop-Schaltung, die durch das Ausgangssignal
der Schwebungsschwellenwertschaltung 13 angesteuert wird, und einem Komparator, der das Frequenzumschaltungssteuersignal
an die Oszillatorschaltung 15 abgibt, zusammengesetzt.
Die Schaltung in Fig. 5 arbeitet folgendermaßen: Wenn die Frequenz der kommerziellen Wechselspannungsenergiequelle
(Netzspannungsquelle) driftet und die Schwebungs-
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• /S·
frequenz zunehmend niedriger wird, erhöht sich die Amplitude des Schwebungsausgangssignals zunehmend, wie es durch den
linken halben Teil der Fig. 7(G) gezeigt ist. Dann wird das Ausgangssignal des Schwebungsdetektors 12, das eine Integration
des in Fig. 7(H) gezeigten Halbwellen-gleichgerichteten Signals ist, zunehmend größer, wie in Fig. 7(1) gezeigt ist. Wenn dann
das Schwebungsdetektorausgangssignal (I) einen vorbestimmten Schwellenwert Vßth überschreitet, gibt die Schwellenwertschaltung
13 ein in Fig. 7(J) gezeigtes Impulssignal ab, das die Flipflop-Schaltung in der Frequenzumschaltsteuerschaltung
14 kippt und zu einer Änderung der Ausgangsspannung der letzteren Schaltung 14 führt. Deshalb gibt die Frequenzumschaltsteuerschaltung
14 danach ein Signal an die Oszillatorschaltung 15 ab. Ein ins Einzelne gehender Schaltungsaufbau der
Schaltung nach Fig. 5 ist in Fig. 6 gezeigt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird das Ausgangssignal L des Komparators der
FrequenzumschaltSteuerschaltung 14 mit der in Fig. 7(K) gezeigten
Signalform dem Gate eines FET 2 der Oszillatorschaltung 15 aufgeprägt, bei der es sich um einen RC-Oszillator
handelt und die ihr auf die Antenne zu gebendes Ausgangsfrequenzsignal bei einer Änderung der dem Gate aufgeprägten
Spannung ändert. Durch die Frequenzumschaltung wird die Frequenz des von der Oszillatorschaltung 15 abgegebenen Hochfrequenzsignals
von der bisherigen Frequenz fQ1 auf eine andere
Frequenz fQ2 umgeschaltet, wie es in Fig. 7(A) gezeigt
ist una ^urch eine Frequenzspektrumdarstellung in Fig. 8,
in der Harmonische der Netzspannungsfrequenz, die in der Frequenzspektrumdarstellung der Reihe nach auftreten, durch
n, nr η ... dargestellt sind. Die Frequenzen f . und t ^
sind so gewählt, daß sie in einer Beziehung stehen, die durch die folgende Gleichung definiert und durch Fig. 8 dargestellt
ist.
j fO2 "* 01 I = nfAC +
Dabei bedeuten:
η : eine beliebige positive ganze Zahl ^AC: ^e Frequenz der Netzenergie
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• Ab-
: eine Frequenz, die kleiner ist als fÄr,,
beispielsweise eine Frequenz, die 0,4-bis 0,6-mal so groß ist wie f.
Gemäß der erwähnten Wahl von L. und f 2 ergibt sich:
Wenn eine der beiden Schwingfrequenzen f oder f _ eine unerwünschte
Schwebung niedriger Frequenz mit einer Harmonischen der Netzenergie bildet, erzeugt die andere der beiden Schwingfrequenzen
keine Schwebung niedriger Frequenz mit bemerkbarer Stärke. Aufgrund der Umschaltung von der Frequenz fn1 auf
die Frequenz f wird die Amplitude der Schwebung klein und die Schwebungsfrequenz sehr hoch, so daß die Möglichkeit einer
Falschwarnung verschwindet. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Schwebungsdetektors 12 klein, und folglich wird
das Ausgangssignal der Schwellenwertschaltung 13 klein. Das Flip flop bleibt jedoch im selben Zustand, bis von der Schwellenwertschaltung
13 ein anderes Ausgangssignal abgegeben wird. Das heißt, das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 umgeht
eine unerwünschte Falschwarnung aufgrund einer Schwebung, die durch eine Störung zwischen den Netzspannungsharmonischen
und der Schwingfrequenz erzeugt wird, mit Hilfe einer Umschaltung der Schwingfrequenz von derjenigen Frequenz, welche zu
der Schwebung führt, zu derjenigen Frequenz, die nicht zur Schwebung führt. Wenn es dann bei der Frequenz f zu einer
anderen Schwebung mit den Harmonischen der Netzfrequenz kommt, wird ein weiterer Impuls an die Frequenzumschaltsteuerschaltung
14 gegeben und wird die Oszillatorschaltung 15 folglich so gesteuert, daß sie ihre Frequenz auf die andere Frequenz fQ.
umschaltet.
Wie bereits erläutert worden ist, wird die Spannung am Eingangsanschluß des Verstärkers 7 auf den Detektor 8 der Signalverarbeitung
sschaltung 5 gegeben. Die Amplituden am Ausgang des Detektors 8 und folglich am Ausgang des Bandpaßfilters 9 nehmen
zu, wie es in den Fig. 7(C) und 7(D) gezeigt ist, wenn der
Wert der Schwebung hoch wird. Eine solche Wertänderung aufgrund der Schwebung führt jedoch nicht dazu, daß die Schwellen-
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wertschaltung 10 das Ausgangssignal erzeugt, da die Schwellenwerte
VthH und VthL der Schwellenwertschaltung 10 so gewählt
sind, daß sie nicht auf ein solches Ausgangssignal vom Bandpaßfilter
für die Schwebung reagieren. Das bevorzugte Durchlaßband des Bandpaßfilters ist empirisch zu 0,08 Hz bis 0,3 Hz
gefunden worden, wodurch ein Eindringling festgestellt werden kann, der etwa 1,5m von der Antenne entfernt ist.
Wenn auch die Ausführungsform der Fig. 5 und 6 die Maßnahme der Frequenzumschaltung vorsieht, ist die Funktion der Eindringlingfeststellung
dieselbe wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3(a), deren Funktion anhand der Fig. 4 erläutert worden
ist. Das heißt, der Eindringling verursacht eine Änderung der Spannung der Antenne 4, und diese Änderung wird von der
Signalverarbeitungsschaltung 5 verarbeitet. Dabei löst die Schwellenwertschaltung 10 die Alarmschaltung 6 aus, wenn das
Ausgangssignal des Bandpaßfilters 9 (nach unten hin) den vorbestimmten
Schwellenwert V.,T überschreitet.
thL
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels, das sich dadurch auszeichnet, daß zur Vermeidung einer unerwünschten Falschwarnung aufgrund der
niederfrequenten Schwebung ein Paar unterschiedlicher Frequenzen fQ1 und fQ2 stets parallel von zwei Oszillatorschaltunger
15' und 15" im Oszillator 1 erzeugt werden.
Der Oszillator 1 in Fig. 9 weist die beiden Oszillatorschaltungen 15' und 15" mit den Schwingfrequenzen fQ1 und fQ2 auf
sowie einen Mischer 152, der die beiden Signale mit den Frequenzen fQ1 und f £ zusammenfügt und über die Kopplungsimpedanz
2 an die Antenne 4 liefert. Die Signalverarbeitungsschaltung 5 dieses Ausführungsbeispiels weist ein Paar auf
die Frequenzen fQi und fQ2 abgestimmte Verstärker 7 und 7'
auf, denen je ein Detektor 8 bzw. 8', ein Bandpaßfilter 9
bzw. 9' und eine Schwellenwertschaltung 10 bzw. 10' folgt.
Die Ausgangsanschlüsse der Schwellenwertschaltungen 10 und 10' sind mit je einem Eingangsanschluß einer UND-Schaltung 28
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•/if«
verbunden, der eine Alarmschaltung 6 folgt. Die Fre .uenzen £
und fQ2 sind so gewählt, daß deren Beziehung der folgenden
Gleichung entspricht, wie sie auch in Fig. U gezeigt ist:
,fO2 - fOi| =nfAC+ Af (6)
Dabei bedeuten:
η : eine beliebige positive ganze Zahl f,-,: die Frequenz einer kommerziellen Wechselstromenergie
(Netzenergie)
Af : eine Frequenz, die kleiner ist als fAC, beispielsweise
eine Frequenz, die 0,4-bis 0,6-mal so groß ist wie fAC.
Gemäß der genannten Auswahl für f .. und f - gilt:
Wenn eine der beiden Schwingfrequenzen f oder fQ2 eine
unerwünschte Schwingung niedriger Frequenz mit einer Harmonischen der Netzenergie bildet, führt die andere der beiden
Schwingfrequenzen nicht zu einer Schwebung niedriger Frequenz mit bemerkbarer Stärke. Selbst im Fall einer Frequenzdrift,
die zu einer Schwebung niedriger Frequenz mit einer der beiden Frequenzen führen kann, erzeugt daher nur eine der beiden
Schwellenwertschaltungen 10 oder 1O1 das Ausgangssignal, und
daher wird die Alarmschaltung nicht von der UND-Schaltung aktiviert. Wenn andererseits ein Eindringling kommt, geben
beide Bandpaßfilter 9 und 9' Ausgangssignale zur Aktivierung
beider Schwellenwertschaltungen 10 und 10' ab, und daher liefert
die UND-Schaltung 28 ein Ausgangssignal an die Alarmschaltung 6, wodurch diese zur Abgabe eines Eindringalarms
aktiviert wird.
Die Erfinder prüften die Beziehung zwischen den Werten der Kopplungsimpedanz 2 und der Impedanz der Antenne 4. Fig. 11(a)
zeigt eine Beziehung zwischen der Kapazität C einer Kapazität als Kopplungsimpedanz 2 und dem Betrag der Spannungsänderung AV
an der Antenne 4 für eine Änderung der Kapazität C (zwischen der Antenne 4 und dem Grund) von 1 pF. Die Parameter sind Werte
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Kapazität C . Diese graphische Darstellung zeigt, daß die Spannungsänderung Δν, d.h., das Detektionsausgangssignal,
einen Maximalwert hinsichtlich der Änderung des Kapazitätswertes C des Kopplungskondensators aufweist und daß die optimalen
Bedingungen in den Fällen auftreten, in welchen die Kopplungskapazität C der Kapazität C nahezu gleich ist. Aus dieser
Tatsache läßt sich ableiten, daß die Kopplungskapazität C^
vorzugsweise auf einen Wert eingestellt bzw. gesteuert werden sollte, der im wesentlichen gleich der Kapazität C ist. Die
Erfinder prüften weiterhin die Beziehung zwischen den Werten eines Kopplungswiderstandes R als Kopplungsimpedanz 2 und
dem Wert einer Spannungsänderung Δν der Antenne 4 für eine
Änderung der Kapazität C zwischen der Antenne 4 und dem Grund von 1 pF, gezeigt in Fig. 11(b). Die Parameter sind Werte der
Kapazität C . Die Frequenz des Oszillators ist etwa 10 kHz. Diese graphische Darstellung zeigt, daß die Spannungsänderung
AV, d.h., das Detektionsausgangssignal, einen Maximalwert hinsichtlich
der Änderung des Widerstandswertes R des Kopplungswiderstandes
aufweist und daß die optimalen Bedingungen in den Fällen auftreten, in welchen die Impedanz Zm nahezu gleich der
Impedanz des Kondensators C ist.
Um ein maximales Detektionsausgangssignal zu erhalten, ist es aus der vorausgehenden Betrachtung heraus ideal, daß die Kopplung
s impedanz derart auf einen geeigneten Wert eingestellt
bzw. gesteuert wird, daß der Wert der Kopplungsimpedanz 2 im
wesentlich gleich dem Wert der Impedanz zwischen der Antenne 4 und der Erde wird, mit anderen Worten, daß die Spannung zwischen
der Antenne 4 und der Erde im wesentlichen halb so groß ist wie diejenige Spannung, welche der Eingangsseite der
Kopplungsimpedanz 2 zugeführt wird. Ferner ergibt sich aus einem Vergleich der Fig. 11(a) und 11 (b) , für den Fall eines
Eingangswiderstandes R. = 1 MJ?, daß bei einer Bedingung von
CQ> 50 pF die Verwendung eines Widerstandes als Kopplungsimpedanz 2 eine höhere Ausgangsspannung und für CQ
< 50 pF die Verwendung eines Kondensators als Kopplungsimpedanz 2
ein höheres Ausgangssignal ergibt.
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Fig. 11 (c) zeigt ein Beispiel einer Schaltung, welche die oben erwähnte ideale Steuerung der Kopplungsimpedanζ ermöglicht.
Dabei umfaßt die Kopplungsimpedanz 2 eine variable Impedanz 18, deren Impedanzwert durch ein Signal von einer
Impedanzsteuerschaltung 16 gesteuert wird. Beispielsweise
kann die variable Impedanz 18 eine Diode mit variabler Kapazität sein, die ihre Kapazität in Abhängigkeit von einer ihr
zugeführten Gleichstromsteuerspannung ändert. Die Schaltung
umfaßt außerdem eine Integrationsschaltung 17 oder ein Tiefpaßfilter sehr niedriger Grenzfrequenz, welche die Ausgangsspannung
der Detektorschaltung 8 integriert, d.h., die Spannung an einem Ausgangsanschluß 81 der Detektorschaltung 8,
und ihr integriertes oder durch das Tiefpaßfilter gelangtes Ausgangssignal auf die Impedanzsteuerschaltung 16 gibt. Die
genannten Schaltungen bilden zusammen mit der Eingangsimpedanz 3, dem Eingangsverstärker 7 und dem Detektor 8 eine
Rückkopplungsschleife. Die Rückkopplungsschleife funktioniert folgendermaßen: Wenn das Ausgangssignal am Ausgangsanschluß
von einem vorbestimmten Wert absinkt und daher das Ausgangssignal der. Integrationsschaltung 17 niedrig wird, wird die
verringerte Spannung der Gateelektrode eines FET aufgeprägt, der eine variable Impedanz 18 bildet. Der effektive Source-Drain-Widerstand
des FET in der variablen Impedanzschaltung wird daher verringert. Durch eine solche Änderung des Source-Drain-Widerstandswertes
wird die Kopplungsimpedanz 2 so gesteuert, daß das Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 81 auf
den vorbestimmten Wert ansteigt. Mittels eines solchen Rückkopplung svorgangs wird die Spannung der Antenne 4 auf die
Spannung auf der Eingangsseite der Kopplungsimpedanz 2 eingestellt.
In dieser Schaltung ist die Integrationsschaltung oder
die Tiefpaßfilterschaltung 17 vorgesehen, damit die Steuerung,
d.h., die Änderung der Kopplungsimpedanz 2 nicht ausgeführt wird, wenn an der Antenne 4 aufgrund der Feststellung eines
Eindringlings eine relativ schnelle Änderung der Spannung erzeugt wird. Daher ist die Integrationsschaltung oder die
Tiefpaßfilterschaltung so ausgelegt, daß ein Ausgangssignal
nicht abgegeben wird, wenn die Spannungsänderung so schnell vor sich geht, daß sie durch die Bewegung eines menschlichen
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I NAOHGEREICHT
• ξίΑ -
Körpers verursacht wird bzw. verursacht werden kann. Das heißt, die Schleife spricht nur sehr langsam an, so daß Eindringungsfeststellsignale
von der Rückkopplungsbewegung nicht ausgelöscht werden.
Fig. 11 (d) ist ein Schaltbild eines konkreteren Schaltungsaufhaus
des in Fig. 11(c) gezeigten Kopplungsimpedanzteils. Die Schaltung der Fig. 11(d) entspricht der Kopplungsimpedanz 2
in Fig. 8, die in Fig. 8 zwischen den Oszillator 1 und die Antenne 4 geschaltet ist. Die Integrationsschaltung 17 umfaßt
einen bekannten Operationsverstärker, und das variable Impedanzelement 18 umfaßt einen Feldeffekttransistor (FET 1).
Die Impedanzsteuerschaltung 16 weist einen variablen Widerstand VR18 zur manuellen Einstellung des optimalen Punktes
der Impedanzsteuerung auf.
Fig. 11(e) ist ein weiteres Beispiel der Kopplungsimpedanz 2
mit einer automatischen Einstellfunktion. Diese Ausführungsform weist mehrere Kondensatoren C , C, , C , C,, C , Cf, C
und C, auf, die einen Endes gemeinschaftlich verbunden und anderen Endes an einen Analogschalter (Multiplexer) 181
angeschlossen ist, der mit dem Oszillator 1 verbunden ist. Der Analogschalter 181 ist an einen 8-Bit-A/D-Wandler 180
angeschlossen. Die Schaltung umfaßt außerdem eine Integrations schaltung 17, eine Impedanzsteuerschaltung 16 und einen
Verstärkt" 182, dessen Ausgangssignal auf den 8-Bit-A/D-Wandler
180 geführt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel schaltet
der Analogschalter 181 die Kondensatoren in 2 = 256 Kapazitätsschritten,
und zwar mittels einer Kombination der Kondensatoren, und stellt die Kopplungskapazität auf einen solchen
geeigneten Wert ein, daß sie zu einer Antennenspannung führt, die etwa halb so groß ist wie die vom Oszillator 1 gelieferte
Spannung.
Mit Hilfe der erwähnten Rückkopplungsschaltungsschleife, in der sich die variable Impedanz 2 befindet, wird die vom Oszillator
1 an die Antenne 4 gelieferte Hochfrequenzspannung auf
einen höchsten Wert eingestellt, und zwar unabhängig von
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einer Änderung der Kapazität C zwischen der Antenne und der
Erde, d.h., unabhängig von Änderungen der Länge, Höhe und Zahl der an die Kopplungsimpedanz anzuschließenden Antenne
bzw. Antennen. Daher ist die Anlage sehr leicht zu installieren.
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