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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Zustandes
von Räumen, insbesondere Innenräumen von Kraftfahrzeugen, bei dem eine Schwingung
konstanter Frequenz und konstanter Amplitude in den raumbegrenzenden Körper eingekoppelt
wird, die Amplitude der daraufhin im Körper auftretenden Schwingung gemessen wird
und ein Alarm bei Abweichen der Amplitude von einem Sollwert ausgelöst wird.
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Ein solches Verfahren ist durch die DE-AS 26 03 593 bekannt.
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Im Sinne der Erfindung wird unter dem Überwachen des Zustandes von
Räumen das Erkennen eines Einbruchs oder Diebstahls verstanden, denen das Öffnen
oder Aufbrechen einer Tür oder eines Fensters oder eine Beschädigung der Raumbegrenzung
zeitlich vorangehen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bei sämtlichen Räumen
anwenden, deren Begrenzung eine Eigenschwingung im Tonfrequenz- oder Ultraschallbereich
aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher insbesondere für Kraftfahrzeuge,
deren Innenraum von der Karosserie begrenzt wird. Eine Kraftfahrzeugkarosserie ist
im wesentlichen metallisch. Die Eigenschwingung einer Kraftfahrzeugkarosserie liegt
im genannten Tonfrequenz- oder Ultraschallbereich.
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Zum Vereinfachen der Beschreibung wird die Erfindung im folgenden
in ihrer Anwendung auf den Innenraum eines Kraftfahrzeuges beschrieben.
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Verfahren zum Überwachen des Innenraums eines Kraftfahrzeuges sind
bekannt. Bei einer bekannten Verfahrensart wird im Innenraum des Kraftfahrzeuges
ein Ultraschallfeld erzeugt. Dieses wird an einer Stelle mit konstanter Sendelistung
abgestrahlt An einer oder mehreren anderen Stellen wird die Stärke des Ultraschallfeldes
gemessen. Im Ruhezustand ergibt sich ein bestimmter Betrag, der Sollwert genannt
wird. Bei Einschlagen eines Fensters, Öffnen einer Tür oder dergleichen ändert sich
die im Raum gemessene Schallstärke und weicht vom Sollwert ab. Dies führt zum Auslösen
eines Alarms. Bei einer anderen bekannten Verfahrensart wird ebenfalls ein Ultraschallfeld
mit konstanter Stärke und konstanter Frequenz ausgestrahlt. Die Stärke und dieses
Mal auch die Frequenz des Schallfeldes werden an einer oder mehreren Stellen im
Innenraum des Fahrzeuges gemessen. Bei einem Einbruch in das Fahrzeug bewegen sich
der Dieb oder von diesem gehaltene Gegenstände im Innenraum des Kraftfahrzeuges.
Diese Bewegungen verändern die Frequenz des Schallfeldes. Es entstehen die sogenannten
Dopplerfrequenzen. Diese werden erkannt und führen zum Auslösen des Alarms.
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Beide Verfahrensarten sind sehr anfällig gegenüber Störungen. Äußere
Geräusche, wie Verkehrslärm, Glokkenläuten, Schlagen auf das Wagendach, heftiges
Zuschlagen von Türen und dergleichen führen zu Änderungen der Stärke und der Frequenz
des überwachten Schallfeldes im Innenraum des Kraftfahrzeuges. Störungen treten
insbesondere in Tiefgaragen auf. Durch den Widerhall werden die Geräusche in diesem
verstärkt.
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Störungen haben sich auch bei plötzlichen Temperaturänderungen in
dem zu überwachenden Innenraum, etwa durch plötzliche Sonneneinstrahlung oder sprunghafte
Änderung der Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeuges, ergeben. Alles dies hat bei
den beiden bekannten Verfahrensarten zu häufigen Fehlalarmen geführt Dadurch wird
ihre Brauchbarkeit stark eingeschränkt.
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Durch die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrun-
de
liegende DE-AS 26 03 593 ist ein Verfahren zum Überwachen von Räumen, insbesondere
von von Fensterscheiben eingeschlossenen Räumen, wie Schaukästen in Museen oder
die Auslagen in Geschäften bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird eine Schwingung
konstanter Frequenz und konstanter Amplitude auf die Fensterscheibe gegeben bzw.
in den raumbegrenzenden Körper eingekoppelt, die Amplitude der daraufhin im Körper
auftretenden Schwingung wird gemessen und ein Alarm wird bei Abweichen dieser Amplitude
von einem Sollwert ausgelöst. Man kann davon ausgehen, daß schon bei einem Berühren
oder Druck äuf die Oberfläche der Fensterscheibe und erst recht bei deren Durchschneiden
oder einem Bruch ein Alarm sicher ausgelöst wird. Es läßt sich aber nicht ausschließen,
daß sich die gemessene Amplitude auch aus anderen Gründen, wie zum Beispiel den
vorstehend genannten plötzlichen Temperaturänderungen, ändert und damit ein Fehlalarm
ausgelöst wird.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß Einbrüche und Diebstähle
einwandfrei erkannt und Fehlalarme ausgeschlossen werden. Die Lösung für diese Aufgabe
ergibt sich bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung
in überraschend einfacher Weise dadurch, daß die Amplitude mindestens einer Oberwelle
der eingekoppelten Schwingung im Raum gemessen und bei Abweichen der Amplitude von
einem Mittelwert der Alarm ausgelöst wird.
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Ein zu überwachender Innenraum hat immer eine feste Begrenzung. Bei
einem Kraftfahrzeug ist dies die Karosserie. Eine Karosserie ist ein in sich mechanisch
sehr steif gekoppeltes Gebilde. Bei einem Anstoßen der Karosserie oder beim Ankoppeln
einer Schwingung an die Karosserie schwingt diese auf der Frequenz dieser Schwingung
als Zwangsfrequenz, und wegen der Nichtlinearitäten bilden sich zahlreiche Oberwellen
aus. Die Lage und Stärke der Oberwellen hängt von den Einspannbedingungen an den
Rändern der die Karosserie bildenden einzelnen Teile, von deren Verbindung untereinander,
von der Eigenspannung der metallischen Teile und von anderen Bedingungen ab. Bei
einem Anstoßen der Karosserie mit der Frequenz f0 entstehen mehrere Oberwellen mit
den Frequenzen n f0 (mit n = 2, 3, 4,...). Der Innenraum jedes Kraftfahrzeuges hat
eine für ihn charakteristische Verteilung der Oberwellen.
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Auch die Form des Innenraumes, der wie ein Resonanzraum wirkt, beeinflußt
die Verteilung der Oberwellen.
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Ebenso beeinflußt die Lage des Innenraumes, horizontal oder unter
einem Winkel gegenüber der Horizontalen, die Verteilung der Oberwellen. Für jeden
Innenraum werden sich eine oder mehrere ganz besonders ausgeprägte Oberwellen mit
großer Amplitude ergeben. Tritt nun an der Karosserie oder im Innenraum irgendeine
mechanische Veränderung ein (zum Beispiel Einschlagen einer Scheibe, Öffnen einer
Tür), so sind damit im ersten Fall Änderungen des Resonanzverhaltens des Innenraumes,
im zweiten Fall Änderungen der Nichtlinearitäten im mechanischen Verhalten der Karosserie
verbunden. Bei einem Diebstahl und Abmontieren eines Rades wird die Karosserie an
dessen Achse zuert angehoben und dann abgesenkt. Dadurch ändert sich die Neigung
der Karosserie. Damit ändern sich die sogenannten Einspannbedingungen der Karosserie,
und dies führt zu einer Änderung der Kräfte- und Spannungsverteilung in den tragenden
Elementen der Karosserie. In sämtlichen Fällen führt dies zu Änderungen in der Stärkeverteilung
im Oberwellenspektrum der erzeugten Schwingungen. Hierauf beruht das erfindungsgemäße
Verfahren.
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Bei der Installation des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die
charakteristischen und besonders ausgeprägten Oberwellen ermittelt. Die im Ruhezustand
auftretenden mittleren Amplituden dieser Oberwellen werden nach dem sogenannten
Scharfschalten ermittelt und als Mittelwerte festgelegt. Bei einem Abweichen der
Amplituden von diesen Mittelwerten liegt eine Störung vor. Ein Alarm wird ausgelöst.
Dieser Alarm wird nur bei einer Änderung der Stärke dieser Oberwellen ausgelöst.
Die Praxis hat gezeigt, daß Fremd- oder Störschwingungen auf der Frequenz dieser
Oberwellen praktisch nie auftreten. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren unanfällig
gegenüber Störungen durch Fremdgeräusche. Fehlalarme werden vermieden.
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Der eben genannte Mittelwert bzw. die Mittelwerte sind nicht konstant.
Sie können sich mit der Beladung des Kraftfahrzeugs, mit der Außentemperatur usw.
ändern. Ebenso werden sie sich bei einer Karosseriereparatur, zum Beispiel dem Auswechseln
einer Tür, ändern.
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Ein konstant bleibender Mittelwert würde daher zu Fehlalarmen führen.
Zum Vermeiden solcher Fehlalarme ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Amplituden
der Oberwellen der Schwingung im Raum während in Abständen aufeinanderfolgender
Zeitabschnitte gemessen und gemittelt und die Mittelwerte als Bezugswerte abgespeichert
werden, die dann einlaufenden Meßwerte während eines vorgegebenen Zeitraumes mit
diesen abgespeicherten Bezugswerten verglichen werden und bei Abweichen um mehr
als einen vorgegebenen Toleranzwert ein Alarm ausgelöst wird. Das erfindungsgemäße
Verfahren arbeitet somit nicht mit konstanten Mittel- oder Bezugswerten. Diese werden
ständig überwacht und gegebenenfalls neu eingestellt.
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Um den oder die Bezugswerte wird gedanklich je ein Toleranzfenster
gebildet. Falls die nach der Bezugswertbildung einlaufenden Meßwerte im Toleranzfenster
liegen, wird ein Alarm unterdrückt. Falls sie außerhalb des Toleranzfensters liegen,
wird der Alarm ausgelöst.
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Sofern bei der besonderen Anwendung mehr als eine Oberwelle zum Beispiel
für die Karosserie des Kraftfahrzeuges charakteristisch und besonders ausgeprägt
ist, werden natürlich die Amplituden dieser ausgeprägten Oberwellen gemessen und
ausgewertet. Entsprechend gibt es auch mehrere Bezugswerte und Toleranzfenster.
Bei zum Beispiel drei ausgeprägten Oberwellen werden drei Bezugswerte und drei Toleranzfenster
gebildet. Ein Alarm wird ausgelöst, wenn die einlaufenden Meßwerte von einer oder
mehr Oberwellen außerhalb des oder der Toleranzfenster liegen.
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Erfindungsgemäß sollte die an die Raumbegrenzung eingekoppelte Schwingung
im Tonfrequenz- oder im Ultraschallbereich (0 . . . 20 kHz oder mehr) liegen.
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Im Raum wird die Oberwelle bzw. werden die Oberwellen erfindungsgemäß
mit mindestens einem im Raum befindlichen und auf die Frequenz der Oberwelle(n)
abgestimmten Mikrofon aufgenommen. Ebenso kann die Oberwelle bzw. können die Oberwellen
als Körperschall auch mit mindestens einem auf den raumbegrenzenden Körper aufgelegten-
und auf die Frequenz der Oberwelle(n) abgestimmten Mikrofon aufgenommen werden.
Für diesen Zweck sind trennscharfe Mikrofone bekannt. Sie sind in Form von Quarzen
im Handel.
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Es kann vorkommen, daß der Bezugswert bzw. die
Bezugswerte
zum Beispiel infolge einer allmählichen Änderung der Umgebungstemperatur von seinem
bzw.
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ihrem eingegebenen Wert abwandern. Dieses Abwandern kann man als Driften
bezeichnen. Ein solches Driften tritt bei vielen Meßverfahren auf. Sobald das Driften
einen bestimmten Betrag erreicht hat, muß der Bezugswert bzw. müssen die Bezugswerte
neu gebildet werden.
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Dieser Betrag bestimmt die Größe eines sogenannten Driftfensters,
das um den Bezugswert herumgelegt wird. Solange die einlaufenden Signale im Driftfenster
liegen, geschieht nichts. Sobald sie außerhalb des Driftfensters liegen und sich
während einer vorgegebenen Zeitspanne eine bestimmte Anzahl von Malen wiederholen,
wird der Bezugswert bzw. werden die Bezugswerte neu gebildet. Zum Vermeiden von
Fehlalarmen, die ohne Berücksichtigung eines solchen Driftfensters ausgelöst werden
könnten, ist nach der Erfindung im einzelnen vorgesehen, daß jeder Meßwert abgespeichert
wird, jeder gespeicherte Meßwert mit dem zuvor gespeicherten unter Feststellung
der Richtung einer Abweichung verglichen und die Anzahl der Vorzeichen der festgestellten
Abweichungen getrennt nach positiven und negativen Vorzeichen aufsummiert werden,
die Summe der positiven und negativen Vorzeichen miteinander vergleichen, die Differenz
gebildet und ein neuer Bezugswert bzw. neue Bezugswerte nur dann gebildet und abgespeichert
wird bzw. werden, wenn diese Differenz einen Mindestwert übersteigt.
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Das eben genannte Driftfenster läßt sich auch wie folgt beschreiben:
Die Anzahl der Messungen, bei denen der aktuelle Meßwert über dem vorherigen lag,
wird aufsummiert zur Summe S1. Ebenso wird die Anzahl derjenigen Messungen, die
einen Meßwert ergaben, der unterhalb des jeweils vorangegangenen Meßwertes lag,
aufsummiert zur Summe So. Ein neuer Bezugswert soll grundsätzlich nur dann gebildet
werden, wenn der aktuelle Meßwert um den oben genannten Betrag vom abgespeicherten
Bezugswert abweicht und wenn gleichzeitig der Betrag der Differenz der beiden Summen
50 und S1, also sb-S1, eine vorgebbare Zahl, den Mindestwert, überschreitet.
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Bei Auswerten von mehr als einer Oberwelle werden selbstverständlich
mehr als ein Driftfenster gebildet.
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Alle möglichen Störeffekte, die zu einer nicht gewollten Abweichung
des Meßwertes vom abgespeicherten Bezugswert führen und damit möglicherweise Fehlalarme
verursachen könnten, zeichnen sich durch ein solches Wegdriften des Meßwertes aus.
Das heißt, die jeweiligen Meßwerte unterliegen in ihrer Folge einer zunehmenden
Abweichung vom Bezugswert. Tritt dieser Fall ein, so werden die fortlaufend gemessenen
Werte überwiegend in einer einzigen Richtung von den vorangehend gemessenen Werten
abweichen. Dies führt zu einem schnellen Anwachsen der Differenz des S0-S1, die
dann nach Überschreiten des festgesetzten Mindestwertes die Bildung eines neuen
Bezugswertes freigibt.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß
jeder Bezugswert nach jedem Auslösen eines Alarms neu gebildet wird. Ebenso empfiehlt
sich, daß jeder Bezugswert nach konstanten Zeitabständen, zum Beispiel ca. 40 min,
neu gebildet wird.
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Wie ausgeführt, ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber Störungen
praktisch nicht anfällig. Fehlalarme sind so gut wie ausgeschlossen. Zusammengefaßt
lassen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt beschreiben:
1. Die Messung der Stärke einer Oberwelle ist im Gegensatz zu den bisher verwendeten
Verfahren sehr schmalbandig möglich (Bandbreite nur einige Hz). Hierdurch werden
Störungen bereits weitgehend ausgefiltert.
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2. Es ist eine getaktete Messung möglich. In Meßpausen läßt sich
ein möglicherweise vorhandenes Störsignal erfassen und auswerten. Die Störanfälligkeit
läßt sich hierdurch noch weiter vermindern.
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3. Mücken oder Falter, die möglicherweise im Innenraum eines Fahrzeuges
zurückgeblieben sind, wirken sich nicht auf die Schwingungseigenschaften der Karosserie
aus. Sie stölen die Messung nicht 4. Im Fahrzeuginneren zurückgelassene Hunde und
andere kleinere Tiere sind durch die Polsterung der Sitze von den Schwingungen in
den Blech- und Eisenteilen der Karosserie weitgehend abgekoppelt.
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Bewegen sie sich im Innenraum, wirkt sich dies kaum auf das zu messende
Frequenzspektrum aus.
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Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet digital und mit logischen
Elementen. Am folgenden Ausführungsbeispiel werden einige Einzelheiten des Verfahrens
weiter erläutert.
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Bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeuges wird das Verfahren in Gang
gesetzt. Der Schallsender wird gestartet. Die dann gemessene Stärke der besonderen
Oberwelle oder der besonderen Oberwellen wird oder werden als Bezugswert(e) in digitalisierter
Form abgespeichert. Alle folgenden gemessenen Werte werden mit diesem Bezugswert
bzw. diesen Bezugswerten verglichen. Liegen sie innerhalb eines vorgebbaren Toleranzfensters
um den Bezugswert, erfolgt jeweils in bestimmten Zeitabständen eine neue Messung.
Erst wenn mehrere, in ihrer Anzahl festlegbare, aufeinanderfolgend gemessene Werte
nach oben oder nach unten aus dem Toleranzfenster herausfallen, wird dies als Abweichung
angesehen und ein Alarm ausgelöst (vgl. die Figur).
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Infolge von Temperaturänderungen oder anderen Umständen kann der
einmal abgespeicherte Bezugswert von seinem Anfangswert abweichen. Zum Vermeiden
von hieraus möglicherweise entstehenden Störungen wird ein Driftfenster gebildet.
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Jeder Meßwert wird unabhängig vom gesetztenToleranzfenster mit dem
vorangegangenen verglichen. Eine Auswerteeinrichtung stellt fest, ob er größer oder
kleiner als dieser war. Dies bedingt eine Speicherung jedes Meßwertes, nicht des
Bezugswertes, mindestens für einen Zeitabschnitt, bis zu dessen Ende der nächstfolgende
Meßwert vorliegt und dieser Vergleich durchgeführt werden konnte. Liegt der neue
Meßwert oberhalb des alten, wird der Zählerstand eines nDriftzählers oben" um Eins
erhöht, der eines "Driftzählers unten" um Eins erniedrigt. Liegt der neue Meßwert
unterhalb des alten, wird der Zählerstand des "Driftzählers unten" um Eins erhöht,
der des "Driftzählers oben" um Eins erniedrigt.
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Durch die Auswertevorrichtung wird dafür gesorgt, daß die Zählerstände
nicht unter Null absinken und nicht über einen Höchststand, der aber sehr hoch sein
kann, hinausgehen können.
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Innerhalb des bereits erwähnten Toleranzfensters wird dadurch das
Driftfenster (siehe die Figur), das in seiner Breite ebenfalls vorgebbar ist, gebildet.
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Liegt nun die gemessene Stärke in mindestens einer vorgebbaren Anzahl
von zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen zum Beispiel oberhalb des Driftfensters,
prüft die Auswerteeinrichtung den Zählerstand des "Driftzählers oben". Übersteigt
dieser Zählerstand einen vorgebbaren Wert, bedeutet dies, daß in der zurücklie-
genden
Zeitspanne sehr oft der Fall eingetreten war, daß Meßwerte über den vorangegangenen
lagen und somit der Meßwert einer langsamen Aufwärtsdrift unterlag. Dann wird der
letzte Meßwert als neuer Bezugswert übernommen und Toleranz- und Driftfenster nun
auf diesen neuen Meßwert bezogen. Der vorgegebene Mindestwert für den Zählerstand
des Driftzählers bei Durchführung des Vergleichs muß so hoch gewählt werden, daß
bei einer langsamen Änderung in der Stärke der Oberwelle dieser Zählerstand nicht
erreicht werden kann und eine Alarmauslösung sicher erfolgt.
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