DE4401584A1 - Verfahren für einen kapazitiven Feldänderungsmelder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für einen kapazitiven Feldänderungsmelder mit einem, aus einem zu schützenden Objekt und einer Hilfselektrode gebildeten und einen Teil eines selbstschwingenden Oszillators bildenden Kondensator, wobei das Ausgangssignal des Oszillators überwacht und die Veränderung der Frequenz des Oszillators in Folge der Kapazitätsänderung durch einen Eindringling zur Erzeugung einer Alarmmeldung ausgewertet wird.

Ein derartiges Verfahren ist bereits bekannt. So wird in DE-OS 31 00 936 eine Eindringling-Warnanlage betrieben, bei welcher eine von der Erde isolierte Antennenleitung vorgesehen ist, wobei der durch die Erde und die Antenne gebildeten Kondensator mit einem Hochfrequenz-Oszillator verbunden ist. Durch einen Signalverarbeitungsteil wird ein Alarm erzeugt, wenn durch die Annäherung eines Eindringlings eine über einem vorbestimmten Wert liegende Änderung der Spannung der Antenne festgestellt wird.

Die durch die Annäherung an ein Schutzobjekt auftretenden Kapazitätsänderungen sind relativ klein, sie liegen im Bereich weniger pF, die entsprechende Frequenzänderung liegt damit bei wenigen Hz. Bei üblicherweise verwendeten Grundfrequenzen von 20 kHz bis 60 kHz treten somit die relativen Änderungen in wenigen Promille auf. Empfindlichkeitsgrenzen für eine Auswertung sind durch das Eigenrauschen der elektrischen Bauelemente, insbesondere des Schwingkreises des Oszillators und durch äußere Einflüsse auf den durch das Objekt gebildeten Kondensator gegeben. Eine Auswertung wird durch das Überschreiten der frequenzproportionalen Spannung über einen vorgegebenen Schwellenwert durchgeführt. Diese Schwelle muß so gelegt werden, daß die Werte durch die o. g. Einflüsse im alltäglichen Betrieb die Schwelle nicht erreichen und eine falsche Meldung erzeugen können. Die das System beeinflussenden Rauschkenngrößen genügen normalerweise den Bedingungen einer Gauß′schen Verteilung. Aus dieser Beziehung kann für jede willkürlich gesetzte Schwelle die Wahrscheinlichkeit errechnet werden, in welchem Zeitraum mit einer Falschmeldung aufgrund der Rauschkenngrößen zu rechnen ist. Üblicherweise wird die Schwelle auf das 10- bis 30fache des Rauscheffektivwertes gelegt. Damit ist eine für viele Anwendungsfälle ausreichende Falschmeldungswahrscheinlichkeit gegeben. Es ist jedoch offensichtlich, daß mit einem derartigen Auswerteverfahren eine bestimmte Grenzempfindlichkeit nicht unterschritten werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, für einen eingangs genannten kapazitiven Feldänderungsmelder ein Verfahren anzugeben, mit welchem die o. g. Empfindlichkeitsgrenzen ohne Verlust an Falschmeldungswahrscheinlichkeit überschritten werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Ausgangssignal des Oszillators mit einer festen Referenzfrequenz gemischt wird, daß die Periodendauer des Frequenzgemischs nach einer Filterung gemessen wird, daß von jeweils auf mehreren aufeinanderfolgenden Meßwerten ein gleitender Mittelwert gebildet wird, daß die Abweichung der einzelnen Mittelwerte und die Streuung der einzelnen Mittelwerte berechnet wird, und daß ein Mittelwert und dessen Streuung jeweils mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten beider Schwellwerte ein Alarmsignal erzeugt wird.

Dabei werden die beiden statistisch unabhängigen und verwertbaren Informationen aus ein und demselben Meßsignal gewonnen. Durch die Auswertung zweier Werte wird die Wahrscheinlichkeit von Fehlermeldungen stark verringert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, welches in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm für die Bildung der Zeitfenster,

Fig. 3 eine Gauß′sche Verteilungskurve, in welcher die Häufigkeit bezogen auf die Streuung der Amplitude dargestellt ist, und

Fig. 4 eine dreidimensionale Gauß′sche Verteilungskurve, in welcher die Häufigkeit bezogen auf die Streuung der Amplitude und den Erfahrungswert der Amplitude dargestellt ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist das zu schützende Objekt OB, beispielsweise ein Tresor elektrisch isoliert auf dem Erdboden E aufgestellt. Er bildet, wie symbolisch durch die gestrichelte Linie gezeigt, einen Kondensator C, welcher die Frequenz des Oszillators OZ bestimmt. Der Oszillator schwingt beispielsweise mit einer Frequenz von 20 bis 60 kHz. Sobald sich ein Eindringling dem zu schützenden Objekt OB auf dem Erdboden E nähert, so wird die Kapazität C verändert, dies hat eine Änderung der Frequenz des Oszillators OZ zur Folge. Ein weiterer Oszillator RF liefert eine stabile Grundfrequenz, die zusammen mit der vom Oszillator OZ erzeugten Frequenz durch einen Mischer M gemischt und anschließend durch ein Tiefpaßfilter F gefiltert wird. Die gefilterten Ausgangssignale des Filters F werden einem Abtaster AT zugeführt. Hier werden die Signale abgetastet, wobei bei einer Grundfrequenz von beispielsweise 100 Hz 100 Meßwerte pro Sekunde erzeugt werden. Die Meßgenauigkeit einer Periodendauer ist mit einfachen Mitteln für diese Anwendung hinreichend genau durchzuführen. Der Meßwert der Periodendauer ist umgekehrt proportional zur Frequenz und somit direkt von der Frequenz abhängig. Die vom Abtaster AT ermittelten Meßwerte werden einer Einrichtung zur Bildung des Mittelwertes MW zugeführt und mit Hilfe von Zeitfenstern jeweils eine bestimmte Anzahl von Meßwerten erfaßt und von diesen der jeweilige Mittelwert gebildet.

Anhand von Fig. 2 wird die Behandlung der Meßwerte erläutert. Die Meßwerte MT, die jeweils zu bearbeiten sind, werden derart jeweils durch ein Zeitfenster ZF bestimmt, in dem bei jeweils gleicher Zeitdauer eine bestimmte Anzahl von Meßwerten, welche innerhalb dieser Zeitdauer auftreten, erfaßt werden, wobei anschließend aus sämtlichen Meßwerten MT innerhalb des Zeitfensters ZF1 beispielsweise der Mittelwert der Amplituden ermittelt wird. Die notwendigen Rechenvorgänge müssen jedoch innerhalb des Zeitraums des Auftretens zweier aufeinanderfolgender Meßwerte MT durchgeführt werden, da die nächste Mittelwertbildung bereits mit einem neuen Zeitfenster ZF2 durchgeführt wird, und zwar derart, daß das Zeitfenster um einen Meßwert in Richtung der Zeit verschoben ist. Die Erzeugung der Zeitfenster ZF kann beispielsweise dadurch geschehen, daß mit Hilfe eines Zählers eine bestimmte Anzahl von Meßwerten MT abgezählt wird und die innerhalb einer vorgegebenen Anzahl von Meßwerten MT durch das Zeitfenster ZF erfaßt werden. Die Meßwerte selbst können beispielsweise einem Analog/Digital-Wandler zugeführt werden, wobei anschließend die digitalisierten Amplitudenwerte in einem Speicher abgelegt werden, welcher ebensoviele Speicherplätze aufweist, wie Meßwerte innerhalb eines Zeitfensters ZF auftreten. Liegen die Meßwerte bereits in Form von digitalen Werten als Ergebnis der Meßwerte innerhalb eines Zeitfensters ZF auftreten. Liegen die Meßwerte bereits in Form von digitalen Werten als Ergebnis der Periodendauermessung vor, so ist eine Analog/Digital-Wandlung nicht mehr notwendig. Da die Mittelwertbildung sämtlicher Amplitudenwerte innerhalb eines Zeitfensters zwischen dem Auftreten zweier Meßwerte abgeschlossen sein muß, kann kurz vor Auftreten des nächsten Meßwertes m+1 der genannte Zähler erneut gestartet werden, um das folgende Zeitfenster ZF2 festzulegen.

Die zeitlich aufeinanderfolgende Meßwerte innerhalb eines Zeitfensters ZF werden einem statistischen Rechenverfahren unterzogen, wobei durch eine gleitende Mittelwertbildung über eine bestimmte Anzahl von Meßwerten der Erwartungswert oder Mittelwert der Meßwerte

bestimmt werden kann. Dieser Erwartungswert entspricht dem tiefpaßgefilterten Kehrwert der Frequenz und damit dem aktuellen Meßwert. Nach jeder neuen Periodendauermessung über ein Zeitfenster ZF, beispielsweise nach einer Hundertstel Sekunde wird ein neuer Mittelwert über die letzten Meßwerte MT innerhalb eines Zeitfensters berechnet. Durch Vergleich dieser errechneten Mittelwerte durch einen Vergleicher VG (Fig. 1) läßt sich nun feststellen, ob der Erwartungswert außerhalb eines Schwellenwertes xw (s. Fig. 3) liegt. Der Vergleicher VG (Fig. 1) ist mit einer Auswerteeinrichtung AW verbunden, welche bei Überschreiten der Schwelle, beispielsweise xw (Fig. 3) ein Alarmsignal A erzeugt.

Wird nun neben der Mittelwertbildung auch noch die statistische Streuung

der Abtastwerte innerhalb des gleichen Zeitfensters ZF ermittelt, so läßt sich die Empfindlichkeit eines derartigen kapazitiven Feldänderungsmelders bei gleicher Zeitfensters ZF sowohl der Mittelwert der Abtastwerte als auch die statistische Streuung derselben ermittelt und jeder der beiden Werte mit einer Schwelle verglichen wird, wobei nur bei Überschreiten beider Schwellen ein Alarmsignal erzeugt wird.

Weiterhin ist es möglich, ein Wertepaar zu bilden und dieses Wertepaar wiederum mit einer Schwelle zu vergleichen, die jedoch nicht durch einen bestimmten Wert sondern durch eine Vielzahl von Werten bestimmt wird, die außerhalb der in Fig. 4 gezeigten dreidimensionalen Gauß′schen Verteilung in Form einer Glocke liegen. Die Gauß′sche Glocke wird aus der Häufigkeit H bezogen auf die Streuung S und den Erwartungs- oder Mittelwert EW gebildet. Wird nun eine Schwelle xw gemäß Fig. 3 an die Gauß′sche Glocke gemäß Fig. 4 angelegt, so liegt die Schwelle SW sowohl im oberen Bereich der Streuung S als auch im oberen Bereich der Erfahrungs- oder Mittelwerte EW. Treten nun Abtastwerte auf, welche die Streuung S und/oder den Erfahrungs- oder Mittelwert EW derart überschreiten, daß diese außerhalb der Schwelle SW liegen, so kann mit Sicherheit davon ausgegangen werden, daß kein Falschalarm vorliegt. Eine Alarmmeldung kann also bei wesentlich kleineren Signalamplituden in Verbindung mit der Information der Streuung erzeugt werden.

Die kombinierte Auswertung beider Signalkenngrößen kann dazu benutzt werden, um die Empfindlichkeit des kapazitiven Feldänderungsmelders bei gleicher Falschmeldungswahrscheinlichkeit steigern. Sie kann jedoch auch bei gleicher Empfindlichkeit zu einer deutlichen Verbesserung der Falschmeldungsrate genutzt werden. Der in diesem Fall erzielbare Gewinn entspricht etwa der Verdoppelung des Signal/Rauschverhältnisses üblicher Anordnungen. Die Einbeziehung der Streuung sowie die Auswertung erlaubt darüber hinaus Fehlfunktionen der Anordnung zu erkennen. Bei Abkopplung des zu schützenden Objekts oder einer anderen Fehlfunktion würde die Streuung deutlich geringer, dies kann von der Auswerteschaltung ebenfalls erkannt werden.

Die Abtastung, die Mittelwertbildung, der Vergleich und die Auswertung, die anhand von Fig. 1 erläutert wurde, kann beispielsweise durch einen entsprechend programmierten Mikroprozessor durchgeführt werden.

Claims (4)

1. Verfahren für einen kapazitiven Feldänderungsmelder mit einem, aus einem zu schützenden Objekt und einer Hilfselektrode gebildeten und einen Teil eines selbstschwingenden Oszillators bildenden Kondensator, wobei das Ausgangssignal des Oszillators überwacht und die Veränderung der Frequenz des Oszillators infolge der Kapazitätsänderung durch einen Eindringling zur Erzeugung einer Alarmmeldung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Oszillators (OZ) mit einer festen Referenzfrequenz (RF) gemischt wird, daß die Periodendauer des Frequenzgemischs nach einer Filterung (F) gemessen wird, daß jeweils mehreren aufeinanderfolgenden Meßwerten ein gleitender Mittelwert (MW) gebildet wird, daß die Abweichung der einzelnen Mittelwerte und die Streuung der einzelnen Mittelwerte berechnet wird, und daß ein Mittelwert und dessen Streuung jeweils mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten beider Schwellwerte ein Alarmsignal erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Streuungswert zusammen mit dem jeweiligen Mittelwert als Wertepaar verarbeitet wird, in dem überprüft wird, ob sich das jeweilige Wertepaar in einem vorgegebenen Bereich außerhalb der Verbundwahrscheinlichkeitsdichte von Streuungs- und Erwartungswert befindet und daß in diesem Fall ein Alarmsignal erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem neuen Abtastwert eine neue Mittelwert- bzw. Streuungswertbildung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert und/oder Abweichung vom Mittelwert jeweils aus einer gleichen Anzahl von Abtastwerten berechnet wird.