DE3910715C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Infraschalldetektor der im Oberbegriff des Anspruchs 1
definierten Gattung. Ein solcher Infraschalldetektor ist durch
die DE-OS 35 34 277 bekannt.
Bei Infraschalldetektoren dieser Art wird der Effekt ausgenutzt, daß in einem Gebäude,
Raum od. dgl. niederfrequente Druckschwankungen auftreten, wenn seine geschlossene
Außenhaut durch Öffnen einer Tür, Einschlagen einer Fensterscheibe etc. durchbrochen
wird. Diese Druckschwankungen werden auf die Schwingungen der eingeschlossenen
Luftmassen zurückgeführt und sind beispielsweise vergleichbar mit den Schwingungen, die
bei der Anregung einer überdimensionalen Blockflöte durch Öffnen eines "Lochs" entstehen
würden. Die Frequenzen derartiger Schwingungen liegen im Infraschallbereich, d. h. weit
unter dem hörbaren Bereich, und betragen nur einige mHz. Infraschalldetektoren können
daher nicht durch Frequenzen im hörbaren Bereich und höherfrequente Schwingungen, wie
sie z. B. durch die Bewegungen eines Menschen oder Tiers entstehen, gestört werden,
weswegen sie sich vorzüglich zur Überwachung von Gebäuden, Räumen, Perso
nenkraftwagen etc. gegen Einbruch od. dgl. eignen.
Bekannte Infraschalldetektoren (DE-OS 35 34 277) bringen verschiedene Probleme mit
sich. Diese werden insbesondere dadurch verursacht, daß bei Anwendung der üblichen
Verstärkereinrichtungen wegen der geringen Frequenzen sehr hohe Kapazitäten (z. B.
1000 µF und mehr) benötigt werden, um die Wechselspannungskomponenten von den
unvermeidbaren Gleichspannungskomponenten abzukoppeln. Außerdem müssen die
Wechselspannungskomponenten einer Schwellwertschaltung zugeführt werden, um
Fehlersignale mit geringer Amplitude auszuschalten und ein Schaltsignal zu erzeugen,
das zur Steuerung einer nachfolgenden, z. B. in CMOS-Technik ausgeführten und ein
Alarmgerät auslösenden Logikschaltung brauchbar ist. Die Einstellung eines sinnvollen
Schwellwertes ist dabei aber nicht ohne weiteres möglich, weil übliche Mikrofone, z. B.
Kondensatormikrofone, bei unterschiedlichen Druckverhältnissen unterschiedlich reagieren.
Dies könnte z. B. zur Folge haben, daß ein während einer Tiefdruckperiode eingestellter
Schwellwert während einer nachfolgenden Hochdruckperiode bereits zu einem un
erwünschten Schaltsignal führt, selbst wenn die zu überwachende, geschlossene Außenhaut
nicht durchbrochen wird. Ähnliche Fehlersignale können sich aufgrund von anderen,
vergleichsweise langsamen Druckänderungen in den zu überwachenden Räumen ergeben.
Daher ist die Herstellung einer großen Empfindlichkeit, repräsentiert durch einen kleinen
Schwellwert, in der Regel mit der häufigen Abgabe von Fehlersignalen verbunden. Diese
Nachteile der bekannten Infraschalldetektoren lassen sich selbst dann nicht vermeiden,
wenn an Stelle üblicher Mikrofone spezielle Infraschallmikrofone verwendet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Infraschalldetektor der eingangs
bezeichneten Gattung dahingehend weiterzubilden, daß trotz Anwendung vergleichsweise
einfacher konstruktiver Mittel unförmige Kondensatoren mit übergroßen Kapazitäten nicht
erforderlich sind und der Infraschalldetektor insgesamt weitgehend unabhängig von den im
Einzelfall anzutreffenden äußeren Bedingungen ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung bringt den wesentlichen Vorteil mit sich, daß die Gleichspannungskom
ponente im Sensorsignal durch die ganze Verstärkereinrichtung mitgeführt und an deren
Ausgang zur Definition einer Schaltschwelle herangezogen wird. Daher wirken sich alle
langsamen Schwankungen in im wesentlichen gleicher Weise sowohl auf das eigentliche
Sensorsignal als auch auf das zur Schwellenwertdefinition herangezogene Signal aus mit der
Folge, daß sich das Schwellwertsignal automatisch zahlreichen äußeren Bedingungen anpaßt
und dadurch Fehlersignale weitgehend vermieden werden. Da außerdem nur gleichspan
nungsgekoppelte Verstärkerstufen vorgesehen sind, um auch die Gleichspannungskom
ponenten zu verstärken, entfällt die Notwendigkeit, Kondensatoren mit hohen Kapazitäten
vorzusehen, um die Wechselspannungskomponenten von den Gleichspannungskomponen
ten abzukoppeln.
Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Infraschalldetektors; und
Fig. 2 bis 7 in stark schematischer und vereinfachter Darstellung die Frequenz
gänge bzw. Signalformen an einigen Punkten des Infraschalldetektors nach
Fig. 1 bei einer beispielsweise angenommenen Dimensionierung der verschie
denen Schaltelemente.
Der erfindungsgemäße Infraschalldetektor enthält nach Fig. 1 einen Sensor Q 1
zur Umwandlung von Schwankungen des Luftdrucks in ein elektrisches Sensor
signal. Der Sensor Q 1 besteht vorzugsweise aus einem Elektret-Kondensator
mikrofon mit integriertem Feldeffekttransistor. Hierdurch ergibt sich zwar der
Nachteil, daß eine unter der Betriebsspannung üblicher Operationsverstärker
liegende Hilfsspannung für den Betrieb des Sensors Q 1 benötigt wird. Dem
steht aber der Vorteil gegenüber, daß derartige Sensoren sehr empfindlich sind.
Zwischen den Sensor Q 1 und eine nachfolgende Verstärkereinrichtung ist eine
Schaltungsanordnung geschaltet, um ein elektrisches Sensorsignal zu erzeugen,
das ein Gleichspannungssignal und ein diesem überlagertes Wechselspannungs
signal enthält. Diese Schaltungsanordnung weist einen Spannungsregler IC 1 auf,
dessen Ausgang über zwei in Serie geschaltete Widerstände R 1 und R 2 mit
dem Sensor Q 1 verbunden ist und aus der Betriebsspannung +Ub (üblicherweise
+12 V) die Hilfsspannung (Gleichspannung) ableitet. Die Hilfsspannung ist vor
zugsweise etwas weniger als halb so groß wie die Betriebsspannung und beträgt
im Ausführungsbeispiel 5 V. Ein zwischen dem Ausgang des Spannungsreglers
IC 1 und Masse liegender Kondensator C 1 dient als Stützkondensator. Über die
Widerstände R 1, R 2 wird einerseits der Feldeffekttransistor des Sensors Q 1
versorgt, andererseits fällt an ihnen das vom Sensor Q 1 erzeugte Signal ab,
wobei R 1 hier als Arbeitswiderstand dient. Die Widerstände R 1, R 2 sind derart
bemessen, daß an ihrem Verbindungspunkt A ein Potential von ca. 3 V liegt.
Die beiden Anschlüsse des Widerstands R 1 sind mit einem Tiefpaß verbunden,
der aus einem Widerstand R 3 und einem mit diesem in Serie geschalteten
Kondensator C 2 besteht und eine Grenzfrequenz von ca. 1,5 Hz besitzt. Dem
Kondensator C 2 ist ein Potentiometer R 4 parallel geschaltet, das z.B. als Wi
derstandsbahn mit Schleifer ausgebildet ist. Vorzugsweise wird jedoch eine Wi
derstandskette mit einem Stufenschalter vorgesehen, um eine genauere Ein
stellung und Reproduzierbarkeit zu ermöglichen. Mit dem Schleifer oder Stu
fenschalter wird jeweils ein vorgewählter Teil des am Potentiometer R 4 auf
tretenden Sensorsignals übernommen, das eine Gleichspannungskomponente
zwischen ca. 3 V und 5 V und eine dieser überlagerte, von den Druckschwan
kungen abhängige Wechselspannungskomponente besitzt.
Der Ausgang des Potentiometers R 4 ist mit dem Eingang eines aktiven Tief
paßfilters mit Einfachmitkopplung angeschlossen, der die erste Stufe einer Ver
stärkereinrichtung bildet. Der Tiefpaßfilter weist zwei in Serie geschaltete,
zwischen das Potentiometer R 4 und den nicht invertierenden Eingang eines
Operationsverstärkers OP 1 geschaltete Widerstände R 5 und R 6 auf. Die Mit
kopplung bewirkt ein Kondensator C 3, der den Ausgang C des Operationsver
stärkers OP 1 mit dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände R 5, R 6 ver
bindet. Der Ausgang C des Operationsverstärkers OP 1 ist außerdem über zwei
in Serie verbundene Widerstände R 7, R 8 an Masse gelegt, deren Verbindungs
punkt in üblicher Weise als Gegenkopplung mit dem invertierenden Eingang von
OP 1 verbunden ist. Ein weiterer Kondensator C 4 liegt zwischen dem nicht in
vertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP 1 und Masse.
Der Tiefpaßfilter mit OP 1 ist als aktiver Tiefpaß zweiter Ordnung mit Bessel-
Charakteristik ausgebildet. Dazu sind die Widerstände R 7 mit 22 kOhm und R 8
mit 47 kOhm so gewählt, daß sich eine feste innere Verstärkung von ca. 1,47
ergibt. Die Bessel-Charakteristik stellt sicher, daß bei einer Sprungerregung
kein Überschwingen im Bereich der Grenzfrequenz auftritt. Hierdurch wird
vermieden, daß kurze, z.B. durch Klatschen verursachte und vom Sensor Q 1
übertragene Schallsignale zu Überschwingungen am Ausgang C des Tiefpaß
filters führen und diese nach Verstärkung in den weiteren Verstärkerstufen zu
Fehlersignalen Anlaß geben. Die Dimensionierung des Tiefpaßfilters ist so
gewählt, daß sich eine Grenzfrequenz von ca. 1,5 bis 1,6 Hz ergibt.
An den Ausgang des Operationsverstärkers OP 1 ist der Eingang eines gleich
spannungsgekoppelten Bandpasses angeschlossen. Dieser weist einen weiteren
Operationsverstärker OP 2 auf, dessen nicht invertierender Eingang über zwei in
Serie geschaltete Widerstände R 11, R 12 mit dem Ausgang C verbunden und
dessen Ausgang D einerseits über einen Widerstand R 13 und einen diesem
parallel geschalteten Kondensator C 6 auf den invertierenden Eingang zurück
gekoppelt und andererseits über zwei in Serie geschaltete Widerstände R 9 und
R 10 an den Ausgang C angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt zwischen den
Widerständen R 9 und R 10 ist über eine Serienschaltung aus einem Widerstand
R 14 und einem Kondensator C 5 an Masse gelegt. Die Dimensionierung ist
derart, daß der Bandpaß Eckfrequenzen von ca. 0,5 Hz und 5 Hz, eine Gleich
spannungsverstärkung von im wesentlichen gleich Eins und eine möglichst große
Wechselspannungsverstärkung besitzt. Die Gleichspannungsverstärkung mit dem
Faktor eins resultiert daraus, daß die Summen der Widerstände R 9, R 10 bzw.
R 11, R 12 jeweils gleich sind und daher beide Eingänge des Operationsverstär
kers OP 2 auf demselben Potential liegen.
Im Hinblick auf die Wechselspannung bilden R 14, C 5 und R 9 einen Tiefpaß,
der ab der unteren Eckfrequenz von ca. 0,5 Hz dazu führt, daß ein Teil des
dem invertierenden Eingang von OP 2 zugeführten Wechselspannungssignals zur
Masse abfließt und daher die Verstärkungswikung von OP 2 zunehmend größer
wird, bis sie bei ca. 1,5 Hz durch den Widerstand R 14 begrenzt wird. Die
Kapazität des Kondensators C 6 legt dagegen die obere Eckfrequenz von ca.
5 Hz fest, ab der der Widerstand R 13 immer mehr kurzgeschlossen wird. Das
aus dem Sensorsignal abgeleitete Signal am Ausgang D von OP 2 enthält daher
eine Gleichspannungskomponente, der ein Wechselspannungssignal mit überwie
gend Frequenzen zwischen 0,5 Hz und 5 Hz überlagert ist. Dem Operations
verstärker OP 2 schließt sich eine weitere, ebenfalls gleichspannungsgekoppelte
Verstärkerstufe mit einem Operationsverstärker OP 3 an, dessen nicht inver
tierender Eingang am Ausgang D liegt. Der Ausgang E von OP 3 ist in üblicher
Weise über zwei in Serie liegende Widerstände R 15 und R 14a an Masse gelegt,
wobei der Verbindungspunkt dieser Widerstände R 15, R 14a zum invertierenden
Eingang von OP 3 führt, so daß OP 3 wie OP 1 ein nicht invertierender Ver
stärker ist. Gleichzeitig ist OP 3 als Bandpaß mit Eckfrequenzen von ca. 0,016 Hz
und 1,6 Hz ausgebildet, indem dem Widerstand R 15 ein die obere Eckfrequenz
festlegender Kondensator C 8 parallelgeschaltet und der invertierende Eingang
von OP 3 über eine die untere Eckfrequenz bestimmende Serienschaltung aus
C 7, R 16 an Masse gelegt ist.
Ein wesentlicher Unterschied der beiden die Operationsverstärker OP 2, OP 3
enthaltenden Verstärkerstufen besteht darin, daß sie unterschiedliche Verstär
kungsfaktoren für die Gleichspannungskomponente besitzen. Während OP 2 im
Ausführungsbeispiel eine Verstärkung von Eins bewirkt, ist der Verstärkungs
faktor von OP 3 durch das Verhältnis der Widerstandswerte von R 15 zu R 14a
auf einen Wert von ca. 1,05 eingestellt.
Das am Ausgang E des Operationsverstärkers OP 3 erscheinende und ebenfalls
aus dem Sensorsignal abgeleitete Signal besitzt daher eine um den Faktor 1,05
größere Gleichspannungskomponente als der am Ausgang D von OP 2 erschei
nende Signal. Außerdem ist der Gleichspannungskomponente am Ausgang E ein
im Vergleich zum Wechselspannungssignal am Ausgang D nochmals verstärktes
Wechselspannungssignal überlagert.
Um ohne Kondensatoren mit hohen Kapazitäten und ohne Gleichrichter die
Erzeugung eines Schaltsignals ausreichender Größe für eine an den Infraschall
detektor angeschlossene Logikschaltung zu ermöglichen, werden die beiden
Signale an den Ausgängen D und E zur Definition einer Schaltschwelle benutzt.
Hierzu sind die Pegel der beiden Signale so aufeinander abgestimmt, daß
jeweils das eine Signal eine Schaltschwelle für das andere Signal bildet und
ein Schaltsignal nur dann erzeugt wird, wenn das Wechselspannungssignal eines
der Signale an D bzw. E größer wird, als der Schaltschwelle bzw. dem jeweils
anderen Signal entspricht. Die Bildung dieses Schaltsignals erfolgt in einer
Ausgangsstufe mit dem Ausgang F durch Vergleich der beiden D und E erschein
enden Signale.
Im Ausführungsbeispiel enthält die Ausgangsstufe einen Subtrahierer mit einem
den Ausgang F aufweisenden Operationsverstärker OP 4. Der Ausgang F ist über
eine Serienschaltung aus Widerständen R 17, R 18 mit dem Ausgang E verbunden,
wobei der Verbindungspunkt beider Widerstände R 17, R 18 am invertierenden
Eingang von OP 4 liegt. Der nicht invertierende Eingang von OP 4 ist über einen
Widerstand R 19 mit dem Ausgang D verbunden und außerdem über einen Wi
derstand R 20 an Masse gelegt. Wie bei derartigen Subtrahierern üblich ist, sind
die Verhältnisse von R 18 zu R 17 bzw. von R 20 zu R 19 identisch und gleich
dem Verstärkungsfaktor des Subtrahierers für die Differenz der beiden Signale
an D bzw. E. Der Operationsverstärker OP 4 bildet demnach eine Differenz in
der Form a · (UD-UE), wobei a der vom Verhältnis der Widerstände R 18 zu
R 17 bzw. R 20 zu R 19 abhängige Verstärkungsfaktor ist. Das Ausgangssignal von
OP 4 wird über einen Widerstand R 21, der zum Schutz des Ausgangs F vor et
waigen Überlastungen durch nachfolgende Stufen dient, einer nicht dargestell
ten, z.B. aus CMOS-Gattern aufgebauten logischen Auswertestufe zugeführt. Im
Ausführungsbeispiel wird das Signal an D dem nicht invertierenden Eingang und
das Signal an E dem invertierenden Eingang von OP 4 zugeführt, so daß gleich
spannungsmäßig der invertierende Eingang stets auf einem größeren (positi
veren) Potential als der nicht invertierende Eingang liegt. Da der Operations
verstärker OP 4 wie OP 1 bis OP 3 unipolar betrieben, d.h. nur mit einer ein
zigen (positiven) Betriebsspannung versorgt ist, ist eine Verstärkung der Diffe
renz der Gleichspannungskomponenten beider Signale nicht möglich.
Im Hinblick auf die Wechselspannungssignale beider Signale gilt normalerweise
dasselbe, weil sie den jeweiligen Gleichspannungskomponenten überlagert und
daher durch sie beabstandet sind. Die Auslösung eines Schaltsignals ist aber
immer dann möglich, wenn das Potential am invertierenden Eingang von OP 4
negativ im Vergleich zum Potential am nicht invertierenden Eingang von OP 4
wird. Dieser Fall tritt hier z.B. ein, wenn die Amplitude des mehr verstärkten
Signals am Ausgang E momentan kleiner als die Amplitude des Signals am
Ausgang D wird.
Die Einzelheiten des Aufbaus der die Operationsverstärker OP 1 bis OP 4 enthal
tenen Schaltungen sind dem Fachmann allgemein bekannt und brauchen daher
nicht näher erläutert werden (vgl. z.B. U. Tietze und Ch. Schenk in "Halb
leiter-Schaltungstechnik", 6. Aufl. 1983, S. 122 ff. und insbesondere S. 132, 301
und 406).
Die Arbeitsweise des beschriebenen Infraschalldetektors ist wie folgt:
Nach Anlegen der Betriebsspannung an die aus Fig. 1 ersichtlichen Schaltungs punkte erscheint am Verbindungspunkt A der Widerstände R 1, R 2 ein Wech selspannungssignal mit dem angenähert aus Fig. 2 ersichtlichen Frequenzgang. Das Signal hat im Bereich zwischen ca. 20 Hz und 10 kHz eine vergleichsweise große Amplitude, weil übliche Mikrofone oder andere geeignete Sensoren Q 1 eine für den hörbaren Bereich des Schalls bestimmte Frequenzcharakteristik besitzen. Unterhalb von ca. 20 Hz fällt der Pegel des Wechselspannungssignals an A daher steil ab.
Nach Anlegen der Betriebsspannung an die aus Fig. 1 ersichtlichen Schaltungs punkte erscheint am Verbindungspunkt A der Widerstände R 1, R 2 ein Wech selspannungssignal mit dem angenähert aus Fig. 2 ersichtlichen Frequenzgang. Das Signal hat im Bereich zwischen ca. 20 Hz und 10 kHz eine vergleichsweise große Amplitude, weil übliche Mikrofone oder andere geeignete Sensoren Q 1 eine für den hörbaren Bereich des Schalls bestimmte Frequenzcharakteristik besitzen. Unterhalb von ca. 20 Hz fällt der Pegel des Wechselspannungssignals an A daher steil ab.
Am Knotenpunkt B zwischen R 3, R 4 und C 2 wirkt sich entsprechend Fig. 3 der
Tiefpaß R 3, C 2 dahingehend aus, daß vorwiegend Frequenzen von ca. 1,5 Hz bis
20 Hz durchgelassen werden. Die Amplituden höherer Frequenzen werden zu
nehmend abgeschwächt.
Mit dem Abgriff des Potentiometers R 4 wird ein Teil des an ihm liegenden
Sensorsignals abgegriffen, um die Empfindlichkeit der Verstärkereinrichtung
einzustellen. Ist eine geringe Empfindlichkeit erwünscht, wird der Schleifer oder
Stufenschalter in Richtung des mit dem Spannungsregler IC 1 verbundenen An
schlußes von R 4 verstellt. Dadurch ist einerseits der abgegriffene Teil des
Gleichspannungssignals vergleichsweise groß, was eine hohe Schaltschwelle am
Eingang der Ausgangsstufe (OP 4) zur Folge hat, und andererseits der abge
griffene Teil des Wechselspannungssignals vergleichsweise klein, so daß nur
hohe Spannungsspitzen einen Alarm auslösen können. Umgekehrt ergibt sich
eine große Empfindlichkeit, wenn der Abgriff in Richtung des mit R 3 ver
bundenen Anschlußes von R 4 verstellt wird. In diesem Fall ist der abgegriffene
Teil des Gleichspannungssignals vergleichsweise klein, was eine kleine Schalt
schwelle zur Folge hat, während gleichzeitig der Wechselspannungsanteil ver
gleichsweise groß ist, da er praktisch alle an R 1 auftretenden Wechselspan
nungssignale erfaßt.
Am Ausgang C des Tiefpaßfilters mit Bessel-Charakteristik steht ein Signal,
dessen Frequenzgang angenähert in Fig. 4 gezeigt ist. Frequenzen ab ca. 1,5 Hz
werden mit 40 dB pro Dekade gedämpft, so daß sich in Verbindung mit dem
Tiefpaß R 3, C 2 eine Dämpfung um 60 dB pro Dekade ergibt. Am Ausgang C
sind daher die im Vergleich zum hier interessierenden Infraschallsignal viel
stärkeren Signale ab ca. 15 Hz schon so stark abgeschwächt, daß der Fre
quenzbereich von ca. 15 Hz und 10 kHz, in dem der Sensor Q 1 eigentlich ar
beiten soll, weitgehend ausgeblendet und stattdessen das Infraschallsignal ver
gleichsweise stark angehoben ist. Gleichzeitig wird der Gleichspannungsanteil
mit einem Verstärkungsfaktor von ca. 1,468 verstärkt.
Das am Ausgang D der nachfolgenden Verstärkerstufe erscheinende Signal
besitzt etwa den aus Fig. 5 ersichtlichen Frequenzgang, der die Verstärkung
von Signalen von Frequenzen von ca. 0,5 Hz bis 15 Hz bevorzugt. Das Gleich
spannungssignal am Ausgang D entspricht dagegen im Ausführungsbeispiel dem
Gleichspannungssignal am Ausgang C und besitzt daher beim Abgreifen von z.B.
5 V an R 4 einen Wert von 7,35 V bzw. beim Abgreifen von 3 V an R 4 einen
Wert von 4,4 V. Die Wechselspannungssignale liegen bereits im Bereich von
einigen hundert mV bis ca. 1 V.
Nach dieser zweiten Verstärkungsstufe verzweigt der Signalweg in der oben
beschriebenen Weise, indem das Signal von D einerseits direkt dem nicht
invertierenden Eingang von OP 4 und andererseits einer dritten, den Operations
verstärker OP 3 enthaltenden Verstärkerstufe zugeführt wird. Dabei wirkt sich
die dritte Verstärkerstufe entsprechend Fig. 6 dahingehend aus, daß vorwiegend
Signale mit Frequenzen zwischen ca. 0,7 Hz und 1,6 Hz voll verstärkt werden.
Gleichzeitig wird das Gleichspannungssignal mit dem Faktor 1,05 verstärkt.
Die Signalformen der an den Ausgängen D und E erscheinenden Signale sind
schematisch in Fig. 7 dargestellt, wobei angenommen ist, daß die Gleichspan
nungskomponente am Ausgang D bei 7 V und daher die Gleichspannungskompo
nente am Ausgang E bei 7,35 V liegt. Beim Fehlen von Wechselspannungssig
nalen (linker Teil der Fig. 7) liegt der Ausgang F auf 0 V. Treten schwache
Wechselspannungssignale auf, wie im mittleren Bereich der Fig. 7 gezeigt ist,
so bleibt dieser Zustand erhalten, weil das Signal am invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers OP 4 stets positiver als an seinem nicht invertie
renden Eingang und daher kleiner bleibt, als der von den Signalen an D und E
definierten Schaltschwelle entspricht. Wird dagegen entsprechend dem rechten
Teil in Fig. 7 ein vergleichsweise starkes Wechselspannungssignal erzeugt, wie
es in den hier interessierenden Fällen von Luftdruckschwankungen im Bereich
von ca. 1 Hz der Fall ist, dann kann die Amplitude des Signals am Ausgang E
momentan kleiner (negativer) als die Amplitude am Ausgang D und daher
größer werden, als der Schaltschwelle entspricht (vgl. schraffierter Bereich in
Fig. 7). Den Eingängen des Operationsverstärkers OP 4 wird daher jetzt eine
Spannungsdifferenz mit der benötigten Polarität angeboten, so daß diese Diffe
renz verstärkt wird. Am Ausgang F erscheint daher ein für die nachfolgende
Auswertung ausreichend großes Schaltsignal, wobei die Aussteuerung bis zu ca.
10,5 V betragen kann.
Wird die angegebene Schaltschwelle als zu hoch angesehen, können die Gleich
spannungskomponenten mittels R 4 beispielsweise auf 5 V an D und damit auf
5,2 V an E herabgesetzt werden. Da hierdurch gleichzeitig die abgegriffenen
Wechselspannungsanteile vergrößert werden, ergibt sich eine niedrigere Schalt
schwelle bei höherem Wechselspannungssignal. Aufgrund dieser zweifachen
Wirkung des Potentiometers R 4 und der ständigen Mitführung der Gleichspan
nungskomponente von R 4 bis zum Operationsverstärker OP 4 ist daher eine op
timale Anpassung des Infraschalldetektors an unterschiedliche Betriebsbedin
gungen möglich. Abgesehen davon kann die Größe der Schaltschwelle auch z.B.
durch eine Änderung des Widerstands R 14a verändert werden, da dieser zu
sammen mit R 15 den Verstärkungsfaktor von OP 3 und damit den Abstand der
beiden Gleichspannungskomponenten an den Ausgängen D und E bestimmt.
Zur Detektierung von Luftschwankungen mit Frequenzen um 1 Hz hat sich
folgende Dimensionierung des beschriebenen Infraschalldetektors als am besten
erwiesen:
IC1 7805
5 V Spannungsregler
OP1-OP4 LM 324
5 V Spannungsregler
OP1-OP4 LM 324
R1|3,3 k | |
R2 | 4,7 k |
R3 | 10 k |
R4 | 22 k |
R5 | 47 k |
R6 | 47 k |
R7 | 22 k |
R8 | 47 k |
R9 | 10 k |
R10 | 10 k |
R11 | 20 k |
R12 | 10 k |
R13 | 1 M |
R14 | 3,3 k |
R14a | 2,2 M |
R15 | 100 k |
R16 | 1 k |
R17 | 100 k |
R18 | 220 k |
R19 | 100 k |
R20 | 220 k |
R21 | 2,2 k |
C1 | 1 F |
C2 | 10 F |
C3 | 2,2 F |
C4 | 2,2 F |
C5 | 33 F |
C6 | 0,033 F |
C7 | 100 F |
C8 | 2,2 F |
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt,
das sich auf vielfache Weise abwandeln läßt. Hinsichtlich der Dimensionierung
sind zahlreiche Abwandlungen insbesondere im Hinblick auf den gewünschten
Anwendungszweck möglich. Dabei ist vor allem zu beachten, daß die zu detek
tierenden Frequenzen zunehmen (abnehmen), wenn die zu überwachenden Räume
kleiner (größer) werden, und bei einem PKW beispielsweise bis ca. 2,5 Hz
betragen können. Weiterhin könnten die verschiedenen Verstärkerstufen anders
aufgebaut und dimensioniert werden, wobei die beschriebenen Verstärkerstufen
allerdings den Vorteil mit sich bringen, daß keine Übersteuerungen auftreten,
selbst wenn die verstärkten Wechselspannungssignale vergleichsweise groß
werden, und daß die Lage der Eckpunkte der Bandpässe mit OP 2 und OP 3 und
die Lage der Grenzfrequenzen des Tiefpasses R 3, C 2 und des Tiefpaßfilters mit
OP 1 eine vergleichsweise kurze Einschwingzeit bei der Inbetriebnahme des In
fraschalldetektors gewährleisten. Schließlich ist die Erfindung nicht auf die
beschriebene Art der Bildung der Schaltschwelle beschränkt. Es wäre bei
spielsweise möglich, am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP 4
mittels eines ggf. veränderbaren Widerstandes eine Schaltschwelle mit Hilfe
einer separat erzeugten, z. B. von der Betriebsspannung abgeleiteten Gleich
spannung zu definieren und das Ausgangssignals des Operationsverstärkers OP 3
dem nicht invertierenden Eingang von OP 4 zuzuführen. Demgegenüber bringt
die Schaltschwellenbildung nach dem beschriebenen Ausführungsbeispiel aller
dings den Vorteil mit sich, daß eine Veränderung des Abgriffs an R 4 die
Schaltschwelle in zweifacher Hinsicht beeinflußt und daher eine flexiblere An
passung an die Umstände des Einzelfalls ermöglicht. Abgesehen davon könnten
die beschriebenen Schaltungen natürlich auch entsprechend mit einer negativen
Betriebsspannung betrieben werden. Daher ist die Ausgangsstufe je nach Ein
zelfall so auszubilden, daß das Schaltsignal nur erscheint, wenn die Amplitude
des einen Wechselspannungssignals größer wird, als dem zweiten Signal ent
spricht, d. h. wenn die Amplitude des Wechselspannungssignals des jeweils einen
Signals nach Vorzeichen und Richtung so groß wird, daß die zugehörige Ampli
tude des jeweils anderen Signals entsprechend dem in Fig. 7 schraffierten
Bereich über- bzw. unterschritten wird.
Claims (6)
1. Infraschalldetektor zur Überwachung eines Raums mit einem Sensor zur Umwandlung
von im Raum auftretenden Druckschwankungen in ein elektrisches Sensorsignal,
mit einer Verstärkereinrichtung zur
frequenzselektiven Verstärkung des Sensorsignals und mit einer Ausgangsstufe zur Abgabe
eines Schaltsignals, wenn das verstärkte Sensorsignal eine vorgewählte Schaltschwelle
überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsignal aus einem
Gleichspannungssignal und einem diesem überlagerten, von den Druckschwan
kungen abhängigen Wechselspannungssignal besteht, daß die Verstärkereinrichtung ausschließlich
gleichspannungsgekoppelten Verstärkerstufen (OP1-OP3) und zwei Ausgänge (D, E)
aufweist, an denen aus dem Sensorsignal abgeleitete Signale erscheinen, die aus unter
schiedlich großen Gleichspannungskomponenten und diesen überlagerten Wechsel
spannungssignalen bestehen, und daß die Schaltschwelle durch eines dieser beiden Signale
in der Weise definiert ist, daß das Schaltsignal nur erscheint, wenn die Amplitude des
Signals mit der kleineren Gleichspannungskomponente größer als die Amplitude des Signals
mit der größeren Gleichspannungskomponente wird.
2. Infraschalldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Aus
gänge (D, E) mit den beiden Eingängen einer als Subtrahierer ausgebildeten Ausgangsstufe
verbunden sind, deren Ausgang (F) das Schaltsignal liefert.
3. Infraschalldetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Subtrahierer aus
einem Operationsverstärker (OP4) besteht, dessen invertierender Eingang (-) mit dem das
eine Signal liefernden Ausgang (E) und dessen nicht invertierender Eingang (+) mit dem
das andere Signal liefernden Ausgang (D) der Verstärkereinrichtung verbunden ist.
4. Infraschalldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verstärkereinrichtung ein Tiefpaßfilter dritter Ordnung mit Bessel-Charakteristik aufweist.
5. Infraschalldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden Verstärkerstufen als Bandpaßfilter mit Eckfrequenzen bis ca. 10 Hz ausgebildet sind.
6. Infraschalldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Sensor (Q1) und die Verstärkereinrichtung eine Schaltungsanordnung
geschaltet ist, die einen Arbeitswiderstand (R1) aufweist, an dem das von den Druck
schwankungen abhängige Wechselspannungssignal des Sensorsignals auftritt und an den
eine unterhalb der Betriebsspannung der Verstärkereinrichtung liegende, das Gleich
spannungssignal des Sensorsignals liefernde Hilfsspannung angeschlossen ist, und daß dem
Arbeitswiderstand (R1) ein Potentiometer (R4) zur Abgabe eines vorwählbaren Teils des
Sensorsignals parallel geschaltet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893910715 DE3910715A1 (de) | 1989-04-03 | 1989-04-03 | Infraschalldetektor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893910715 DE3910715A1 (de) | 1989-04-03 | 1989-04-03 | Infraschalldetektor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3910715A1 DE3910715A1 (de) | 1990-10-04 |
DE3910715C2 true DE3910715C2 (de) | 1992-06-17 |
Family
ID=6377718
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893910715 Granted DE3910715A1 (de) | 1989-04-03 | 1989-04-03 | Infraschalldetektor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3910715A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10014497C1 (de) * | 2000-03-23 | 2001-08-09 | Daimler Chrysler Ag | System zur Steigerung der Kondition |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10359218B4 (de) * | 2003-12-17 | 2017-09-14 | Robert Bosch Gmbh | Rückhaltesystem für den Schutz von Fahrzeuginsassen |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3534277A1 (de) * | 1985-02-11 | 1987-04-02 | Fritz Wurm | Apparat und verfahren zum zwecke der raum- und gebaeudeueberwachung mit hilfe von infra-schall |
-
1989
- 1989-04-03 DE DE19893910715 patent/DE3910715A1/de active Granted
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10014497C1 (de) * | 2000-03-23 | 2001-08-09 | Daimler Chrysler Ag | System zur Steigerung der Kondition |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3910715A1 (de) | 1990-10-04 |
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: WEILAND, HEINZ-PETER, 5600 WUPPERTAL, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
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