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Verfahren zum Überwachen eines im wesentlichen geschlossenen
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Raumes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines
im wesentlichen geschlossenen Raumes zum Feststellen des Eindringens von Personen
oder GegenstAnden mit einem Sender für Infrarotstrahlung und mit einem Empfänger
zur Aufnahme der an ihm ankommenden Infrarotstrahlung und Erzeugen eines Signales
bei Abweichen der ankommenden Strahlung von einem Sollwert.
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Verfahren dieser Gattung zum Überwachen von Wohn- und Lagerräumen
sind bekannt. In einer einfachen Form werden hierzu in dem Raum Umlenkspiegel angeordnet
und der Infrarotstrahl auf seinem Weg vom Sender zum Empfänger über diese Spiegel
geleitet. Bei Unterbrechen des Strahlungsweges durch eine Person, zum Beispiel einen
Dieb, oder einen Gegenstand ändert sich die am Empfänger ankommende Strahlung. Dieser
gibt ein Signal, und ein Alarm wird ausgelöst. Dieses Verfahren hat den Vorteil,
daß man mit einer geringen Sendeleistung und wenig empfindlichen Empfängern auskommt.
Es hat den Nachteil, daß es nur bei Unterbrechen des Strahlungsweges anspricht.
Ein geschickter Dieb kann es daher umgehen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß
man nicht nur die Umlenkspiegel anbringen muß, sondern daß deren Anbringungsorte
dann auch dem Auf- und Verstellen von Möbeln und Gegenständen Grenzen setzen. Diese
dürfen nicht in die Verbindungslinie zwischen zwei Umlenkspiegeln eingestellt werden.
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Deshalb ist man von den Umlenkspiegeln abgekommen und hat die
Leistung
des Senders und die Empfindlichkeit des Empfängers er= höht. In einem geschlossenen
Raum wird durch Streuung und Reflexion immer ein Anteil der Strahlung des Sendess
am Empfänger ankommen. An diesem stellt sich ein Ruhe- oder Sollwert der Empfangsfeldstärke
ein. Bei Eintreten eines Menschen in den Raum ändert sich dieser Sollwert, und ein
Alarm kann ausgelöst werden. Über die Reflexion und Streuung gelangt nur ein ganz
geringe ger Anteil der Sendefeldstärke zum Empfänger. Dadurch wird das ganze System
störanfällig. Fehlalarme werden häufig ausgelöst.
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Insbesondere eignet sich dieses Verfahren nicht für Räume mit stark
absorbierenden Flächen. Solche Flächen finden sich zum Beispiel an Polstermöbeln,
Vorhängen oder mit Velours bezogenen Autositzen. Damit eignet sich das bekannte
Verfahren zum Beispiel nicht zum Diebstahlschutz von Kraftfahrzeugen. Wegen der
starken Absorption der Infrarotstrahlung durch die Sitzbezüge müßte der Empfänger
so empfindlich eingestellt werden, daß er dann auch auf geringe Fremdeinstrahlung
ansprechen und damit Fehlalarm auslösen würde.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß es auch in Räumen mit stark absorbierenden
Flächen einwandfrei arbeitet und auf Fremdeinstrahlung nicht anspricht. Die Lösung
für diese Aufgabe ergibt sich bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung
nach der Erfindung dadurch, daß der Sender die Infrarotstrahlung mit einer wesentlich
über der Stärke der natürlichen Infrarotstrahlung liegenden Stärke abstrahlt und
der Sender bei Abweichen der an ihm ankommenden Strahlung von einem Sollwert ein
einen Alarm auslösendes Signal erzeugt. Der Erfinder hat erkannt, daß man mit der
Sendeleistung wesentlich über die natürliche Infrarotstrahlung hinausgehen muß.
Entspre-l chend kann der Empfänger weniger empfindlich ausgebildet werden.
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Damit werden jegliche Fehlalarme ausgeschlossen, die sich aus Feldstärken
am Empfänger ergeben, die im Übergangsbereich zwischen Nutz- und Stör- bzw.natürlicher
Strahlung liegen. Ebenso werden die durch eine Absorption entstehenden Energieverluste
ausgeglichen.
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Trotz dieser Erhöhung der Sendeleistung können Fehlalarme dadurch
auftreten, daß am Empfänger und den ihm nachgeschalteten Einrichtungen nicht genügend
genau zwischen einer Änderung der Empfangsfeldstärke unterschieden werden kann,
bei der ein Alarm ausgelöst werden soll oder nicht. Um die Möglichkeit solcher Fehlalarme
auszuschalten und das Verfahren damit noch sicherer zu machen, ist in einer zweckmäßigen
Ausgestaltung vorgesehen, daß nach dem ersten Einschalten des Senders die Feldstärke
der am Empfänger ankommenden Strahlung gemessen, ein Bezugswert nach Maßgabe dieser
Feldstärke gebildet, abgespeichert und das den Alarm auslösende Signal erzeugt wird,
wenn die Feldstärke während einer einstellbaren Zeit um einen einstellbaren ersten
Betrag vom Bezugswert abweicht.
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Der Sollwert hat damit nicht wie beim Stand der Technik eine konstante
Größe, die vom Hersteller oder Aufsteller einmal eingestellt wird. Der Sollwert
ist nun ein Bezugswert, der von Fall zu Fall bei jedem Einschalten des Systems selbsttätig
nach Maßgabe der jeweiligen Feldstärke am Empfänger gebildet wird. Der Empfänger
oder eine an diesen angeschlossene Auswerteeinrichtung wird dann so eingestellt,
daß das den Alarm auslösende Signal dann erzeugt wird, wenn die jeweilige Empfangsfeldstärke
um min destens einen ersten Betrag vom Bezugswert abweicht. Schwankungen der Empfangsfeldstärke,
die um weniger als den ersten Betrag vom Bezugswert abweichen, werden unterdrückt.
Damit bleibt jegliche Fremdeinstrahlung, die ihrem Betrag nach kleiner als der Bezugswert
zuzüglich des ersten Betrages ist, ohne Auswirkung.
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Die Anzahl der Fehlalarme wird damit wesentlich und praktisch bis
auf Null herabgesetzt.
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Bei einer Verwendung des Verfahrens zum Diebstahlschutz von Kraftfahrzeugen
kann es nun nach einem ersten Einschalten des Systems und der ersten Bildung eines
Bezugswertes vorkommen, da dieser nach einer bestimmten Zeit nicht mehr den tatsächlichen
Verhältnissen entspricht. Etwa beim Übergang von Tag zu Nacht oder bei Wegfall direkter
Sonneneinstrahlung bliebe ein zu hohe Bezugswert eingestellt. Dasselbe gilt auch
für den Fall der Erwärmung der elektronischen Bauteile entweder durch die im System
nach
dem Einschalten umgesetzte elektrische Verlustleistung oder durch Ansteigen der
Temperatur des zu überwachenden Raumes, mit dem sich die elektronischen Bauteile
in thermodynamischem Gleich gewicht befinden, durch Veränderungen in der Beheizung
oder durch eine veränderte äußere Wärmeeinstrahlung in diesen Raum.
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Ebenso ergäbe sich ein falscher Bezugswert, wenn das System bei Dunkelheit
eingeschaltet würde und nach Tagesanbruch Sonnenlicht einfiele.
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Um eine hierdurch bedingte zu geringe Empfindlichkeit und auch Fehlalarme
auszuschließen, ist in einer zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung vorgesehen,
daß unter gewissen Umständen ein neuer Bezugswert gebildet wird, wenn die am Empfänger
ankommende Strahlung während einer einstellbaren Zeit um einen einstellbaren zweiten
Betrag von dem zuerst gebildeten Bezugswert abweicht, wobei der zweite Betrag kleiner
als der erste Betrag ist.
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Das System überprüft sich damit immer wieder von selbst, ob ein einmal
eingestellter Bezugswert noch den tatsächlichen Verhältnissen entspricht. Entspricht
dieser Bezugswert, das heißt die Empfangs feldstärke im Ruhebetrieb, nicht mehr
den zu Beginn eines Betriebszyklus ermittelten Werten, wird ein neuer Bezugswert
gebildet.
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Zur Ermittlung dieser gewissen Umstände wird innerhalb einer vorgegebenen
Dauer der Gültigkeit eines Bezugswertes jeder Meßwert mit dem jeweils vorangehenden
Meßwert verglichen und die relative Abweichung dieser Werte voneinander festgestellt.
Die Zahl der Messungen, bei denen der aktuelle Meßwert über dem vorherigen lag,
wird auf summiert zur Summe S1. Ebenso wird die Zahl derjenigen Messungen, die einen
Meßwert ergaben, der unterhalb des jeweils vorangegangenen Meßwerts lag, auf summiert
zur Summe Ein Ein neuer Bezugswert soll grundsätzlich nur dann gebildet werden,
wenn der aktuelle Meßwert um den oben genannten zweiten Betrag vom abgespeicherten
Bezugswert abweicht, und wenn gleichzeitig der Betrag der Differenz der beiden Summen
S0 und S1, alX so so - s1 eine vorgebbare Zahl überschreitet. J
Alle
vorangehend erwähnten Effekte, die zu einer nicht gewollte Abweichung des Meßwertes
vom abgespeicherten Bezugswert führen und damit möglicherweise Fehlalarme verursachen
könnten, zeichnen sich durch ein Wegdriften des Meßwertes aus. Das heißt, die jeweiligen
Meßwerte unterliegen in ihrer Folge einer zunehmende Abweichung vom Bezugswert (langsame
Temperaturänderung in einer Richtung, langsame Helligkeitsänderung ebenfalls in
einer Richtung, usw.).
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Tritt dieser Fall ein, so werden die fortlaufend gemessenen Werte
überwiegend in einer einzigen Richtung von den vorangehend gemessenen abweichen.
Dies führt zu einem schnellen Anwachsen der Differenz So S, t die dann nach Überschreiten
des festgesetzten Grenzwertes die Bildung eines neuen Bezugswertes freigibt.
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Im einzelnen ist somit in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, daß die Feldstärke am Empfänger in sehr kurzen Zeitabständen gemessen
und die gemessene Feldstärke abgespeichert wird, jeder gespeicherte Betrag mit dem
zuvor gespeicherten unter Feststellung der Richtung einer Abweichung vergli chen
und die Vorzeichen der festgestellten Abweichungen getrennt nach positiven und negativen
Werten aufsummiert werden, die aufsummierten positiven und negativen Werte miteinander
verglichen, die Differenz gebildet und ein neuer Bezugswert nur dann gebildet und
abgespeichert wird, wenn diese Differenz einen Mindestwert übersteigt. Im einzelnen
hat sich als zweckmäßig herausgestellt, daß in Zeitabständen in der Größenordnung
von Hundertstel-Sekunden gemessen wird. Die sogenannten aktuellen Meßwerte werden
damit in Zeitabständen in der Größenordnung von Hundertstel-Sekunden gemessen. Ein
zweckmäßiger Zeitabstand liegt bei 0,065 Sekunden. Der tatsächlich in eine Auswertung
und in einen Vergleich eingehende Meßwert ist in einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
der Mittelwert aus mehreren Messungen, zum Beispiel vier bis acht Messungen.
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Wichtig ist, daß die Bildung eines neuen Bezugswertes dann unterbleibt,
wenn ein Gegenstand langsam in den zu überwachenden
Raum eindringt.
Genau dies wird durch das vorangehend diskutierte erfindungsgemäße Verfahren erreicht.
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Die Zeiten bzw. die Differenzwerte So - S1 sind so gewählt, daß jede
in der Praxis mögliche stetige Bewegung eines Gegenstandes in den zu überwachenden
Raum hinein eine Abweichung des Meßwertes um mehr als den erlaubten ersten Betrag
zur Folge hätte, längst bevor ein neuer Bezugswert gebildet werden würde. Damit
wird ein Alarm ausgelöst und das Sicherheitsbedürfnis ist erfüllt.
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Die einzige Möglichkeit der Überlistung des Systems wäre durch Erzwingung
der Bildung eines neuen Bezugswertes dadurch gegeben, daß ein Gegenstand langsam
und in keinen Schritten in den zu überwachenden Raum eingeführt würde, wobei dieser
nach jedem Bewegungsschritt lange in der jeweils erreichten Lage verharren würde.
In diesem Fall würde der aktuelle Meßwert nach einem Bewegungsschritt des eindringenden
Gegenstandes möglicherweise um mehr als den zweiten Betrag vom abgespeicherten Bezugswert
abweichen. Das heißt, daß eine Voraussetzung für die Bildung eines neuen Bezugswertes
erfüllt wäre. In dem geschilderten Fall der Hineinbewegung des Gegenstandes in den
Raum ergeben sich aber aktuelle Meßwerte, die in ihrer Folge statistisch gleichgewichtig
nach unten und nach oben voneinander abweichen würden. Die beiden Summen S0 und
S1 würden in gleichem Maße anwachsen, das heißt, ihre Differenz 5o - S1 würde mit
zunehmender Zahl der Meßwerte gegen Null streben. Die Bildung eines neuen Bezugswertes
wird verhindert.
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Das System überprüft damit immer wieder von selbst, ob ein einmal
eingestellter Bezugswert noch den tatsächlichen Verhältnissen entspricht. Entspricht
dieser Bezugswert, das heißt die Empfangsfeldstärke im Ruhebetrieb, nicht mehr den
zu Beginn eines Betriebszyklus ermittelten Werten, wird ein neuer Bezugswert gebildet,
wenn diese Abweichung nicht durch das Eindringen eines Gegenstandes oder einer Person
in den zu überwachenden Raum verursacht wurde.
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Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß Fremdeinstrahlung zu Störungen
und Fehlalarmen führen kann. Um solche Störungen noch stärker als mit den bereits
genannten Merkmalen ausschalten zu können,ist in einer weiteren Ausgestaltung gemäß
der Erfindung vorgesehen, daß der Sender intermittierend betrieben und der Empfänger
zeitgleich zum Sender ein- und ausgeschaltet wird.
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Mit diesem impulsmäßigen Betrieb des Senders läßt sich dessen wirksame
Sendeleistung erhöhen, ohne daß die Dauerleistungansteigt. Weiter bleiben Fremdeinstrahlungen,
die während der Sendepausen auftreten, ohne Auswirkung.
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Zum weiteren Ausschalten der Auswirkungen einer Fremdeinstrahlung
ist in einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen, daß die Infrarotstrahlung
am Sender impulsmäßig moduliert und die am Empfänger ankommende Strahlung phasenempfindlich
gleichgerichtet wird. Damit werden der Empfänger bzw. eine an diesen angeschlossene
Auswerteeinrichtung auf die Modulationsfrequenz des Senders abgestimmt. Nur mit
dieser Modulation ankommende Strahlung wird berücksichtigt. Unter phasenempfindlicher
Gleichrichtung wird dabei verstanden, daß die Halbwellen nicht während der gesamten
Zeit, sondern nur innerhalb bestimmter Zeitpunkte gleichgerichtet werden.
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Zum Erhöhen der Empfindlichkeit ist in einer weiteren Ausgestaltung
vorgesehen, daß die am Empfänger ankommende Strahlung vor der phasenempfindlichen
Gleichrichtung linear verstärkt und nach der Gleichrichtung einer kaskadenartig
geschalteten Kondensator kette zugeführt und vom letzten Kondensator das den Alarm
auslösende Signal abgegriffen wird. Bei dieser kaskadenartigen Kondensatorkette
gibt ein kleinerer Kondensator seine Ladung an ei nen größeren ab. Dieser Kondensator
wird nur hochohmig belastet.
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In der englischen Terminologie wird dieses Verfahren load pump genannt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird zweckmäßig mit digital arbeitenden
logischen Schaltungselementen ausgeführt. Hierbei bietet sich an, daß das den Alarm
auslösende Signal einer digitalen Auswerteeinrichtung zugeführt und in dieser abgespeichert
wird.
Ebenso empfiehlt sich, daß nach dem ersten Einschalten die ankommende Strahlung
während einer einstellbaren Zeit digital abgespeichert wird und das abgespeicherte
Signal den Bezugswert bildet, die nach der Bildung des Bezugswertes ankommende Strahlung
digitalisiert und unter Erzeugen des den Alarm auslösenden Signales mit dem abgespeicherten
Bezugswert verglichen wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist schließlich noch vorgesehen, daß
nach einer vorgegebenen größeren Zeit ein neuer Bezugswert nach Maßgabe der vorhergehenden
Messungen der Feldstärke am Empfänger gebildet und abgespeichert wird.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens auftretende Spannungsabläufe sind in den Figuren
der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellt.
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Der Sender wird in bestimmten Zeitabständen für kurze Perioden eingeschaltet
und baut im zu überwachenden Raum ein Infrarot-Strahlungsfeld auf, das sich in seiner
Stärke an einem bestimmten Ort aus der Überlagerung eines direkten, mit endlicher
Halbwertsbreite vom Sender ausgesandten Infrarot-Strahles mit mehrfach an der Außenhaut
des zu überwachenden Raumes reflektierten Anteilen ergibt.
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Das bei dieser Betriebsweise vom Sender periodisch und impulsweise
abgegebene Infrarot-Strahlungsfeld ist in Fig. 1 der Zeichnung schematisch dargestellt.
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Durch das Einschalten für kurze Zeitabschnitte (Perioden) ist durch
Wahl eines entsprechenden Tastverhältnisses für die Senderansteuerung die von den
Infrarot-Sendedioden abgegebene momentane Strahlungsleistung ein Vielfaches der
im stationären Betrieb erzielbaren Strahlungsleistung.
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Hierbei wird die Stärke des Infrarot-Feldes so gewählt, daß
sie
weit oberhalb der natürlichen, durch äußere Einstrahlungen in den zu überwachenden
Raum auftretenden Feldstärken liegt.
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Das Signal des Senders ist moduliert und wird auf der Empfängerseite
phasenempfindlich gleichgerichtet. Damit wird der Einfluß des Rauschens sehr klein
gehalten. Sender und Empfänger sind über die Auswerteeinrichtung, die in diesem
Fall zusätzlich die Rolle einer Steuereinrichtung übernimmt, zeitlich synchronisiert.
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Der Empfänger, der in den Sendepausen ausgeschaltet ist, wird von
der Auswerteeinrichtung jeweils vor Beginn der Abstrahlung eines Impulspakets durch
den Sender eingeschaltet. Über eine Infrarot-Fotodiode nimmt der Empfänger ein elektrisches
Signal auf, das abhängig ist von der Stärke des Infrarot-Strahlungsfeldes am Ort
des Empfängers. Dieses aufgenommene Signal ist mit der Sendefrequenz moduliert und
wird im Empfänger zunächst linear verstärkt und dann phasenempfindlich gleichgerichtet.
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Die in einzelnen Halbperioden des Sendesignals empfangenen und phasenempfindlich
gleichgerichteten Infrarot-Signalanteile werden über die Dauer des Sendesignals
einem modifizierten Summationsprozeß in der Art einer kaskadischen Aufladung einer
Kondensatorkette unterzogen. Durch diese Summation ergibt sich einerseits eine Mittelung
der statistischen Fehler der Signalanteile und andererseits eine höhere Signalamplitude
des für die nachfolgende Auswerteeinrichtung zur Verfügung stehenden Eingangssignals.
Hierbei wird die Belastung des Ausgangskondensators der Kaskade durch spezielle
Auslegung der Schaltung sehr klein gehalten.
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Die Gleichspannung über dem Ausgangskondensator der Kaskade nach jedem
Infrarot-Sendepaket ist eine Funktion der Stärke des Infrarot-Strahlungsfeldes am
Ort der Empfängerdiode. Diese Spannung wird unmittelbar in einen Digitalwert umgesetzt
und von der Auswerteeinrichtung als Meßwert abgespeichert.
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Aus den ersten der nach Einschalten anfallenden Meßwerten wird ein
Referenzwert gebildet. Dieser wird ebenfalls abgespeichert.
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Alle folgenden Meßwerte werden mit ihm verglichen. Liegen nun mehrere,
in der Anzahl festlegbare, aufeinanderfolgende Meßwerte oberhalb oder unterhalb
bzw. in einem zweiten Betriebsmodus außerhalb eines auf den Referenzwert bezogenen
vorgebbaren Toleranzfensters, so legt dies die Auswerteeinrichtung als Alarmfall
aus und gibt ein elektrisches Ausgangssignal ab, mit dem eine Alarmeinrichtung angestoßen
wird. Innerhalb des für die Alarmauslösung maßgebenden Toleranz fensters liegt ein
sogenanntes Driftfenster.
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Die Lage des Driftfensters innerhalb des Toleranzfensters und deren
Lage zum Referenzwert ist in Fig. 2 der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellt.
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Fällt der Meßwert in einer vorgebbaren Anzahl von aufeinanderfolgenden
Messungen in den Bereich oberhalb oder unterhalb des Driftfensters (schraffierter
Bereich), so wird von der Auswerteeinrichtung ein neuer Referenzwert gebildet. Um
ein unbeabsichtigtes Neusetzen des Referenzwertes etwa beim Eindringen mit Gegenständen
kleiner reflektierender Flächen in den zu sichernden Raum auszuschließen, muß die
oben genannte Anzahl der aufeinanderfolgenden Messungen, die im schraffierten Bereich
liegen und dann zur Bildung eines neuen Referenzwertes führen, sehr hoch sein.
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