DE3490057T1 - Infrarotempfindlicher Detektor, bestehend aus einem Peltier-Element - Google Patents

Description

Anwaltsakte: P 1207

Lars Stenmark S-179 OO Stenharara

Infrarotempfindlicher Detektor, bestehend aus einem Peltier-Element

Die Erfindung betrifft einen Alarmdetektor zum Erfassen von beispielsweise unerlaubtem Zutritt durch Erfassen der Strahlung, die durch den Eindringling abgegeben vird.

K :··. .ist: bereit, ε üeit lang em bekannt, die Anwesenheit, ν; ines' menschlichen Wesens oder eines Tieres dadurch zu erfassen, daß man die Wärmestrahlung erfaßt, die diese abgeben. Die zu diesem Zweck allgemein angewandten Vorrichtungen enthalten einen infrarotempfindlichen Detektor beliebiger Art, im allgemeinen einen pyroelektrischen oder Thermopile-Detektor, gewisse Halbleiter-Detektoren wie Bleisulfid-Detektoren, oder dergleichen. Diese Detektoren sind entweder wenig empfindlich, teuer, erfordern Kühlung oder verbrauchen ständig Strom.

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Ein Alarmdetektor, der derart arbeitet, daß er sehr wenig oder keinen Strom beim Erfassen eines Signales verbraucht, der keine Kühlung erfordert, der nur ein geringes Geräusch verursacht und der außerdem billig ist, würde eine weite Anwendung finden. Ein Vorzug dieser Eigenschaften besteht darin, daß das Gerät nicht an das Netz angeschlossen werden muß, selbst wenn es über Jahre hinweg arbeitet. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erfassen unbefugten Zutrittes zu schaffen, und zwar durch Erfassen der vom Eindringling abgegebenen Wärmestrahlung; die Vorrichtung soll billig und einfach in der Herstellung sein, sehr wenig Strom verbrauchen, wenn sie kein Alarmsignal abgibt und eine hohe Empfindlichkeit haben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe in der in den nachstehenden Ansprüchen beschriebenen Weise. Es wird gefordert, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung, die sich bewegende Körper erfassen soll, welche wärmer oder kälter als die feste Umgebung sind, einen infrarotempfindlichen Detektor umfaßt, der an einen Verstärker angeschlossen ist, und daß eine Signalverar be i tu tii.· se 1 nhe : τ vor rceuencr. ist-, um elektrische Signale an einen Ausgang a Dzujrebe η. uemaß der Erfindung besteht der Detektor aus einem Peltier- Element mit einer warmen und einer kalten Seite und einem Stromzufuhr-Terminal. Die warme oder die kalte Seite des Peltier-Elementes wird in guten thermischen Kontakt mit einer Wärmeplatine hoher Wärmekapazität verbracht, die andere Seite derart angeordnet, daß sie als strahlenempfindliche Detektorfläche des Detektors dient, und der Stromzufuhr-Terminal des Peltier-Elementes wird mit dem Eingang an ein Band-Pass-Filter angeschlossen, dessen Ausgang an den Eingang des Vorverstärkers angeschlossen ist.

Außerdem ist es gemäß der Erfindung zweckmäßig, daß Vorverstärker und Signalprozesseinheit auf der C/MOS-Technik aufbauen, und daß die Signalprozesseinheit nicht nur dahingehend gestaltet ist, daß sie dem Ausgang Strom zuführt, sondern auch dazu, ein Alarmsignal an den Ausgang zu geben, wenn die Alarmsituation eintritt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß jene Seite des Peltier-Elementes, die als strahlenempfindliche Detektorfläche dient, mit einer wärmeabsorbierenden Schicht versehen ist .

Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 im folgenden näher beschrieben, wobei Fig. 1 den Gesamtaufbau eines an sich bekannten Peltier-Elementes zeigt, Fig. 2 den Aufbau der Detektoreinheit gemäß der Erfindung, und Fig. 3 die elektronische Schaltung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in Gestalt eines Blockschaltbildes.

Fig. 1 zeigt den typischen Aufbau eines Peltier-Elementes. Derartige Elemente werden normalerweise zum Wärmen oder Kühlen von Gegenständen verwendet, beispielsweise eine Komponente, die gekühlt werden muß. Detektoren werden auch oft mittels Peltier-Elementen gekühlt, häufig in Kaskaden-Schaltung. Das Peltier-Element ist somit nicht derart aufgebaut, daß es als Detektor verwendet wird. Es ist jedoch billig, hat eine geringe innere Impedanz, ist robust und hat im Vergleich zu den meisten Detektoren eine große Oberfläche. Außerdem braucht es keinerlei Strom, sondern erzeugt dann einen Strom, wenn zwischen der warmen Seite 6 und der kalten Seite 7 eine Temperaturdifferenz herrscht. Das Peltier-Element besteht aus einer Anzahl von p-n-Verbindungen, die zwischen den Stromzufuhr-Terminalen 10, 12 in Reihe geschaltet sind.

Fig. 2 zeigt den Aufbau von Detektoreinheit 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Peltier-Element 5 ist mit seiner warmen Seite 6 in der Nähe der Wärmeplatine 8 angeordnet, die vorzugsweise eine Metallblock mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Die kalte Seite 7 des Peltier-Elementes wird als Detektorfläche verwendet und kann mit einer wärmeabsorbierenden Schicht 9 versehen sein. Bei Bedingungen voll kommenen Wärmegleichgewichtes fließt kein Strom und besteht keine Spannung zwischen den Stromzufuhr-Terminaler. H), Nimmt die auf die als Detektorflache einfallende Strahlung zu oder ab, so tritt eine Spannung/ein Strom einer bestimmten Polarität auf, je nach dem, ob die einfallende Strahlung zugenommen oder abgenommen hat. Was als warme Seite 6 bezeichnet wurde, wird dann zur kalten Seite, wenn sich die Polarität des Stromes umkehrt; demgemäß kann man ebenso gut die kalte Seite 7 gegen die Wärmeplatine 8 austauschen. Es ist wichtig, daß der thermische Kontakt mit der Wärmeplatine 8 sehr gut ist, da die Empfindlichkeit der Detektoreinheit; 1 hiervon stark abhängt. Der Aufbau der Detektoreinheit ist ganz ähnlich jenem eines Thermo-Pile-Detektors : die Peltier--Elemente sind jedoch wesentlich billiger, haben gröbere DeteKior-Flächen und geringere innere Impedanz und damit: eine geringere, ihnen eigene Geräuschentwickiung.

Fig. 3 veranschaulicht, wie der Detektor einer Vorrichtung gemäß der Erfindung an eine nachfolgende elektronische Schaltung angeschlossen ist. Die Detektoreinheit 1 ist direkt an ein Low-Pass-Filter oder an ein Band-Pass-Filter 11 angeschlossen, dessen Ausgang an einen Vorverstärker 2 mit sehr geringem Geräusch angeschlossen ist. Dieses Low-Pass-Filter kann eine Abschaltfrequenz haben, die ein oder möglicherweise zwei Htz beträgt, die noch genauer auf den Frequenzbereich abgestimmt ist, der durch eine normale, sich bewegende Person erzeugt wird.

Dies hängt von der Konfiguration des Raumes, dem Abstand, der Winkelgeschwindigkeit der Person in Bezug auf die Anordnung des Detektors und der thermischen Leitfähigkeit des Detektors ab. Es kann zweckmäßig sein, nach dem Vorverstärker eine Reihe von zusätzlichen Gleichstrom-Vorverstärkern vorzusehen. Die Signalprozesseinheit 3 besteht in ihrer einfachsten Form aus einem Schwellendetektor, einem Spannungskomparator. Dieser ist an einen Regelkreis angeschlossen, der den Strom zu einer Alarm-Punktions-Abgabeeinrichtung aktiviert. Alternativ kann die Signalprozesseinheit von etwas komplizierterem Aufbau sein, beispielsweise derart, daß sie in der Lage ist, zwischen zwei Arten von Signalen mittels der Magnitude und der Größe der derivativen zu unterscheiden.

Außerdem ist es empfehlenswert, diese Vorverstärker-Stufen ständig beaufschlagt zu haben und stets im Hinblick auf verschiedene Betriebsgrößen mittels Feedback-Int egratoren zu kompensieren. Da der Detektor einen Null-Strom-Verbrauch hat, ist es möglich, die C/MOS-Technik anzuwenden uric, mittels einer geeigneten Batterie axt; Vorrichtung bis zu zeini Jahren bezüglich des Stromes seIbstversorgend zu machen. Der Alarm kann durch eine drahlose übertragung mit einem Empfänger gegeben werden, der an das Netz angeschlossen ist. Die drahtlose Übertragung kann durch Radioimpulse, Ultraschall oder IR-Strahlung vorgenommen werden.

Da die Vorrichtung gemäß der Erfindung klein und elektrisch vollständig selbstversorgend gestaltet werden kann, läßt sich ein Raum mit einer Mehrzahl von Einheiten ausrüsten, die mit einer Muttereinheit kommunizieren.

Neben der Verwendung als Alarmanlage, beispielsweise
in Schlafzimmern und anderen Orten, läßt sich die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch zum Zählen von vorbeilaufenden Gegenständen einsetzen. Sind die Gegenstände , selbst wärmer oder kälter als die Umgebung, so ist der Betrieb ein direkter. Andernfalls kann man den Alarmdetektor durch einen Strahl beleuchten, der in an sich bekannter Weise durch die Gegenstände beim Vorbeilaufen unterbrochen wird.

12.09.1984

DrW/MJ

Claims (3)

Anwaltsakte: P 1207 - §- Lars Stenraark S-179 OO Stenhamra PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Erfassen bewegter Körper, die wärmer oder kühler als die Umgebung sind, umfassend einen Infrarot-empfindlichen Detektor (1), der an einen Vorverstärker (2) angeschlossen ist sowie eine Signalprozesseinheit (3), die elektrische Signale an einen Ausgang (4) abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (I) aus einem Peltier-Element (5) mit einer warmen Seite (6) und einer kalten Seite (7) sowie einem Stromzufuhr-Terminal (10) besteht, daß die eine Seite (6 oder 7) des Peltier-Elementes (5) in guten thermischen Kontakt mit einer Wärmeplatine hoher Wärmekapazität, und die andere Seite (7 oder 6) derart gestaltet, und angeordnet ist, daß sie als strahlenempfindliche Detektorfläche des Detektors (1) dient, und daß der St: r omzui uhr-Terminal (10) des Peltier-E !ententes ( 5'; an den Eingang eines Band-Pass-Filters (11) angeschlossen ist, dessen Ausgang an den Signaleingang des Vorverstärkers (2) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dor Vorverstärker (2) und die Signalprozesseinheit Ci) auf C/MOS-Technik beruhen, und daß die Signalprozesseinheit (3) sowohl für eine Stromzufuhr zum Ausgang (4) sorgt als auch diesem ein Alarmsignal dann einspeist, wenn eine Alarmsituation eintritt.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als strahlungsempfindliche Detektorflache (6 oder 7) mit einer wärmeabsorbierenden Schicht (9) versehen ist.