EP0711442B1

EP0711442B1 - Aktiver infrarotmelder

Info

Publication number: EP0711442B1
Application number: EP95917879A
Authority: EP
Inventors: Peter Kunz
Original assignee: Siemens Building Technologies AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1994-05-30
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1999-09-22
Anticipated expiration: 2015-05-19
Also published as: CA2166389C; CA2166389A1; US5675150A; WO1995033248A1; CN1129042A; IL113653A; DE59506883D1; JPH09501253A; CN1088225C; EP0711442A1; IL113653A0

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Infrarotmelder, das sind Detektoren, die einen Raum auf unbefugtes Eindringen überwachen und zu diesem Zweck eine vom Detektor empfangene Infrarotstrahlung auswerten. Es gibt zwei Arten derartiger Infrarotmelder, die passiven und die aktiven.

Bei den passiven Infrarotmeldern wartet der Melder bis eine Strahlungsquelle, die eine von der Umgebung unterschiedliche Strahlung aussendet, also eine andere Temperatur als ihre Umgebung aufweist, in das Gesichtsfeld eindringt. Die passiven Infrarotmelder, die relativ preisgünstig und heute weit verbreitet sind, können vom Prinzip her nur strahlende Objekte detektieren und stossen an eine Grenze, sobald Objekte, beispielweise Wertgegenstände, überwacht werden sollen, die mit mechanischen, nicht detektierbaren Mitteln entfernbar sind. Ausserdem müssen bei den passiven Infrarotmeldern spezielle Massnahmen gegen das sogenannte Maskieren, das ist das unbemerkte Verändern oder Abdecken des Gesichtsfeldes des Melders, getroffen werden.

Im Unterschied zu den passiven verarbeiten die aktiven Infrarotmelder nicht die von im Gesichtsfeld befindlichen Objekten abgegebene Wärmestrahlung, sondern sie bestrahlen den zu überwachenden Raum aktiv und reagieren auf Veränderungen der reflektierten Infrarotstrahlung. Dadurch können sie auch Bewegungen von "toten", also nicht strahlenden Gegenständen detektieren. Ausserdem sind sie nur sehr schwer zu maskieren, weil sie jede Annäherung bemerken. Dafür haben die aktiven Infrarotmelder gewisse Schwierigkeiten bei der Empfindlichkeit und bei der Fehlalarmsicherheit, weil die reflektierte Infrarotstrahlung von so starken Störungen überlagert sein kann, dass eine sichere Detektion von Bewegungen nahezu unmöglich wird.

Die Erfindung betrifft einen aktiven Infrarotmelder zur Detektion von Bewegungen in einem Überwachungsraum, mit einem Sender zur Aussendung einer modulierten Infrarotstrahlung in den Überwachungsraum, mit einem Empfanger für die aus dem Überwachungsraum reflektierte Infrarotstrahlung, und mit einer an den Empfänger angeschlossenen und Mittel zur Gewinnung eines Nutzsignals enthaltenden Auswerteschaltung.

Bei einem in der GB-A-2 183 825 beschriebenen Melder dieser Art enthält die Auswerteschaltung einen als Synchronverstärker ausgebildeten Operationsverstärker, von dem nur diejenigen Empfangssignale verstärkt werden, die mit dem ausgesandten Signal in Phase sind. Diese Signale werden in zwei Integratoren mit verschiedenen Zeitkonstanten integriert, wobei im ungestörten Zustand beide Integratoren die gleiche Spannung erzeugen, und eine Differenz zwischen diesen Spannungen auf einen Eindringling hinweist. Dieser Infrarotmelder kann bezüglich Ansprechsicherheit nicht befriedigen, weil die Integration des Empfangssignals mit zwei verschiedenen Zeitkonstanten keine ausreichende Gewähr dafür bietet, dass jede Objektbewegung im Überwachungsraum auch tatsächlich erkannt wird. Der Melder ist auch nicht fehlalarmsicher, weil nicht ausgeschlossen werden kann, dass eine Differenz zwischen den Signalen der Integratoren durch andere Ursachen als durch eine Objektbewegung verursacht wird.

Durch die Erfindung soll nun dieser bekannte aktive Infrarotmelder hinsichtlich Empfindlichkeit, Zuverlässigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Fremdeinflüssen verbessert werden.

Der erfindungsgemässe aktive Infrarotmelder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist, zur Lösung der gestellten Aufgabe, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung einen einerseits mit dem Nutzsignal beaufschlagten und andererseits mit dem Ausgang des Empfängers verbundenen Regler zur Abgabe eines dem Empfängersignal überlagerten Kompensationssignals aufweist, und dass das Kompensationssignal so gewählt ist, dass eine Ausregelung des Nutzsignals auf den Wert null erfolgt.

Die Ausregelung des Nutzsignals auf den Wert null hat den Vorteil, dass immer die maximale Empfindlichkeit erhalten bleibt; der Empfänger wirkt also gleichsam wie eine sich selbst austarierende Waage. Daraus ergibt sich unmittelbar, dass auch ein unerwünschtes Störsignal, sofern dieses die gleiche Frequenz und Phase wie die ausgesandte Infrarotstrahlung hat, auf null kompensiert wird und nicht etwa zu einer Drosselung des Empfängers auf minimale Empfindlichkeit führt. Störsignale anderer Frequenzen sind nicht so kritisch, weil sie einfach ausgefiltert werden können.

Aus der FR-A-2 290 671 ist noch ein aktiver Infrarotmelder bekannt, wobei ein Nutzsignal auf den wert null ausgeregelt wird. Die Auswerteschaltung wertet jedoch empfangenes und ausgestrahltes Signal aus.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Infrarotmelders ist dadurch gekennzeichnet, dass für Sender und Empfänger eine gemeinsame Optik vorgesehen ist. Die Verwendung einer gemeinsamen Optik ermöglicht eine massive Reduktion der Herstellkosten und der Abmessungen, sowie die Erzielung einer maximalen Reichweite bei geringem Stromverbrauch.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Infrarotmelders ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung einen dem Regler nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler aufweist, an dessen einem Ausgang das digitalisierte Reglersignal erhältlich und dessen anderer Ausgang mit einem Digital/Analog-Wandler zur Erzeugung einer dem jeweiligen digitalen Signalwert entsprechenden Spannung verbunden ist, und dass diese Spannung zur Erzeugung des Kompensationssignals verwendet wird. Die Digitalisierung des Reglersignals hat den Vorteil, dass eine gegenüber bisher differenziertere und intelligentere Signalauswertung möglich wird.

Eine solche Signalauswertung ist besonders dann möglich, wenn so wie bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Infrarotmelders der eine Ausgang des Analog/Digital-Wandlers mit einem Mikroprozessor verbunden ist. Der Mikroprozessor ermöglicht einerseits eine Erhöhung der Auflösung und er schafft andererseits die Voraussetzung, den im Infrarotmelder vorhandenen Sensor mit einem zweiten, nach einem anderen Detektionsprinzip arbeitenden Sensor zu koppeln und die Signale beider Sensoren gemeinsam auszuwerten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigt:

Fig. 1: eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemässen Infrarotmelders,
Fig. 2: ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Auswerteschaltung des Infrarotmelders von Fig. 1,
Fig. 3: eine Detailvariante der Schaltung von Fig. 2; und
Fig. 4: ein Blockschaltbild eines zweiten Ausfürungsbeispiels der Auswerteschaltung des Infrarotmelders von Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte aktive Infrarotbewegungsmelder 1 besteht im wesentlichen aus einem Sender S, der den zu überwachenden Raum mit pulsierendem Infrarotlicht bestrahlt, aus einem Empfänger E für die aus dem Überwachungsraum reflektierte Infrarotstrahlung, aus einer Auswerte- und Steuerelektronik 2 und aus einer Stromversorgung 3. Gemäss den Fig. 2 und 4 ist der Sender S durch eine Infrarotleuchtdiode (IRED) 4 und der Empfänger E durch eine Fotodiode 5 gebildet. Sender S, Empfänger E, Elektronik 2 und Stromversorgung 3 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 6 angeordnet, das in dem zu überwachenden Raum an geeigneter Stelle, beispielsweise an einer Wand oder an der Decke montiert wird.

Die Stromversorgung 3 ist an eine externe Speisung angeschlossen und enthält einen Fixspannungsregler (nicht dargestellt). Das Gehäuse 6 enthält im Bereich des Senders S und des Empfängers E ein infrarot-durchlässiges Fenster 7. Ausserdem ist eine geeignete Optik 8 vorgesehen, die selbstverständlich nicht zwischen Fenster 7 einerseits und Sender und Empfänger S bzw. E andererseits angeordnet sein muss, sondern auch in das Fenster 7 integriert sein kann. Die Optik 8 kann eine Linsen- oder eine Spiegeloptik sein.

Wesentlich ist, dass für Sender S und Empfänger E eine gemeinsame Optik vorgesehen ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der Empfänger E genau in diejenigen Bereiche des Überwachungsraums "sieht", die der Sender S gerade mit Infrarotstrahlung beaufschlagt. Und das ermöglicht bei gleichem Stromverbrauch eine vervielfachte Reichweite oder bei gleicher Reichweite einen massiv reduzierten Stromverbrauch. Zwischen Sender S und Empfänger E ist eine Abschirmung 9 zur Verhinderung einer direkten Lichtverbindung zwischen diesen beiden Elementen angeordnet. Wie Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, weist die Elektronik 2 einen Alarmausgang 10 für die bei der Signalauswertung gewonnenen Alarmsignale auf. Diese können eine im jeweiligen Melder 1 eingebaute interne und/oder eine externe Alarmanzeige aktivieren.

Gemäss Fig. 2 ist der Infrarotleuchtdiode 4 ein erster Modulator 11 vorgeschaltet, durch den eine geeignete Modulation der von der Infrarotleuchtdiode 4 ausgesandten Strahlung erfolgt. Vorzugsweise besteht diese Strahlung aus einer fortlaufenden Folge von Pulsen und Pulspausen, so dass der zu überwachende Raum mit pulsierendem Infrarotlicht bestrahlt wird. Es kann auch sinnvoll sein, nach einer Folge von einer bestimmten Anzahl von Pulsen und Pulspausen eine längere, vorbestimmte Sendepause einzufügen. In diesem Fall erfolgt die Bestrahlung des Überwachungsraums durch intermittierend ausgesandte und von Sendepausen unterbrochene Impulszüge oder Impulspakete. Dabei können die Sendepausen zu den Impulszügen in einem festen oder in einem variablen zeitlichen Verhältnis stehen. Die Steuerung des ersten Modulators 11 erfolgt durch eine Steuerstufe 12, die ihren Takt von einem Taktgeber 13 erhält. Die Steuerstufe 12 bestimmt insbesondere die zeitliche Folge und die Länge der an die Infrarotleuchtdiode 4 abgegebenen Signale.

Die von der Infrarotleuchtdiode 4 ausgesandte Infrarotstrahlung wird durch die Optik 8 (Fig. 1) gebündelt und in einen definierten Bereich des Überwachungsraums gerichtet. Die aus diesem Bereich reflektierte Infrarotstrahlung wird von der Optik 8 gesammelt und auf die lichtempfindliche Diode 5 geworfen. Von der Diode 5 wird die empfangene Infrarotstrahlung in einen proportionalen Strom (Empfängersignal) I_e ungewandelt, der einem der Diode 5 nachgeschalteten Strom/Spannungswandler 14 zugeführt und von diesem in eine Spannung (Empfangssignal) U_e umgewandelt wird. Der Wandler 14 wirkt zusätzlich als eine Art von Filter für gleichförmiges Licht, indem er von der Sonne und von der Raumbeleuchtung herrührendes Licht unterdrückt. In einem dem Strom/Spannungswandler 14 nachgeschalteten Frequenzfilter 15 werden aus dem Empfangssignal U_e unerwünschte Frequenzen herausgefiltert, wodurch insbesondere durch Glüh-, Fluoreszenz- und Entladungslampen verursachte Störungen unterdrückt werden. Der Ausgang des Frequenzfilters 15 ist mit einer von der Steuerstufe 12 im Takt der Modulation der Infrarotleuchtdiode 4 gesteuerten Weiche 16 verbunden.

Das von Störungen weitgehend befreite Ausgangssignal des Frequenzfilters 15 wird über die Weiche 16 abwechselnd einem von zwei Integratoren 17, 17' zugeführt. Dabei ist die Weiche 16 von der Steuerstufe 12 so gesteuert, das das Empfangssignal U_e während der Sendedauer der Impulse an den einen Integrator, beispielsweise an den Integrator 17, und während der Dauer der Pulspausen an den anderen Integrator, beispielsweise an den Integrator 17', geleitet wird. Während allfälliger Sendepausen zwischen den Impulszügen oder Impulspaketen verharrt die Weiche 16 in einer neutralen Stellung, in der keiner der beiden Integratoren 17 oder 17' mit dem Empfangssignal beaufschlagt ist. Die Weiche 16 ist vorzugsweise durch einen gesteuerten Schalter gebildet.

Aufgrund der Steuerung der Weiche 16 im Takt der Modulation erhält der Integrator 17 ausschliesslich das reflektierte Infrarotsendesignal einschliesslich eventueller Reste des gefilterten Störsignals aus der Zeit der Sendepulse, und der Integrator 17' erhält nur eventuelle Reste des gefilterten Störsignals aus der Zeit der Pulspausen, so dass durch eine einfache Differenzbildung der Ausgangssignale der beiden Integratoren 17 und 17' das reflektierte Infrarotsendesignal gewonnen werden kann. Die genannte Differenzbildung erfolgt in einer den beiden Integratoren 17, 17' nachgeschalteten Stufe 18. Deren Ausgangssignal ist das von Störungen weitgehend gereinigte, aus dem Überwachungsraum reflektierte Infrarotsendesignal U_n, welches das Nutzsignal für die Signalauswertung bildet.

Solange sich die Bedingungen im Überwachungsraum nicht ändern, wird auch das reflektierte Infrarotsendesignal konstant bleiben. Erfolgt jedoch im Überwachungsraum eine Bewegung eines Objekts, gleichgültig ob es sich dabei um ein Lebewesen, eine Maschine oder um irgendeinen Gegenstand handelt, dann kommt es zu einer entsprechenden Änderung des reflektierten Infrarotsendesignals. Gasförmige Stoffe beeinflussen das reflektierte Signal nur dann, wenn sich das Reflexionsverhalten des den betreffenden Stoff enthaltenden Raums oder Raumabschnitts ändert. Letzteres bedeutet, dass blosse Luftbewegungen, wie beispielsweise von einem Heizkörper aufsteigende warme Luft, vom Melder nicht detektiert werden und daher auch keinen Fehlalarm auslösen können, wogegen das plötzliche Auftreten von Dämpfen oder von Rauch und dergleichen das Reflexionsverhalten verändert und daher vom Melder detektiert wird.

Das Nutzsignal U_n wird einerseits einem Regler 19 und andererseits zwei Komparatoren 20 und 20' zugeführt. Der Ausgang des Reglers 19 ist mit dem einen Eingang eines zweiten Modulators 21 verbunden, dessen zweiter Eingang mit der Steuerstufe 12 und dessen Ausgang mit dem Eingang des Strom/Spannungswandlers 14 verbunden ist. Der zweite Modulator 21 überlagert dem Signal der Photodiode 5 im Gegentakt einen Kompensationsstrom I_k, wobei die zeitlichen Bedingungen für die Überlagerung dieses Kompensationsstroms durch die Steuerstufe 12 bestimmt werden. Der Regler 19 ändert den Kompensationsstrom I_k so lange, bis das Ausgangssignal der Stufe 18, also das Nutzsignal U_n null wird. Damit bleibt immer die maximale Empfindlichkeit erhalten.

Der Regelkreis kann mit einer selbst abgleichenden Waage oder mit einer Brückenschaltung verglichen werden, wobei der Wert null des Nutzsignals die Ruhelage darstellt. Jedes empfangene Infrarotsignal, auch das unerwünschte Grundsignal, wird auf null kompensiert. Erst dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, für Sender und Empfänger S bzw. E (Fig. 1) eine gemeinsame Optik 8 zu verwenden. Denn senderseitig verursachte Reflexionen von Linsen, Spiegeln und/oder Infrarotfenster, die das Reflexionssignal eines möglichen Objekts im Überwachungsraum in der Regel um Potenzen übertreffen, werden durch den Regelkreis unterdrückt. Ein stark reflektierendes Objekt im Blickfeld des Melders führt nicht zu einer Empfindlichkeitseinbusse, sondern wird wegkompensiert, und die maximale Empfindlichkeit bleibt erhalten.

Die Komparatoren 20 und 20' dienen zur Signalauswertung. Sie vergleichen das Nutzsignal U_n mit einem oberen Grenzwert (Komparator 20) und einem unteren Grenzwert (Komparator 20') und liefern bei dessen Über- bzw. Unterschreitung an den Alarmausgang 10 ein Alarmsignal. Diese Signalauswertung kann trotz der beschriebenen Kompensation des Nutzsignals erfolgen, weil nämlich der ganze Regelvorgang so langsam ist, dass auch bei sehr vorsichtigem und langsamem Eindringen in den Überwachungsraum das von der Fotodiode 5 empfangene Infrarotsignal nicht sofort auf null ausgeregelt wird, so dass den beiden Komparatoren 20, 20' ausreichend Zeit für eine Detektion verbleibt.

Wegen der beachtlichen Grösse der durch nicht perfekte Optik 8 oder Fenster 9 (Fig. 1) verursachten Störreflexionen muss der Regler 19 einen sehr grossen Betrag von in der Regel über 90% der gesamten Reflexionen kompensieren, wobei die Störreflexionen einen durch Geometrie und Material von Optik und Fenster bedingten fixen Wert haben. Es wäre wünschenswert, diesen fixen Wert durch einen zusätzlichen, fixen Kompensationsstrom I_k' auszugleichen, wodurch der Betrag der vom Regler 19 zu kompensierenden Gesamtreflexionen stark sinken und die Auflösung beträchtlich steigen würde. Der Regler 19 hätte in diesem Fall neben den Reflexionen aus dem Überwachungsraum allenfalls noch durch Fabrikationstoleranzen und/oder Exemplarstreuungen der Infrarotleuchtdiode 4 bedingte Abweichungen zu übernehmen.

Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, ist zur Erzeugung des Kompensationsstroms I_k' ein ebenfalls von der Steuerstufe 12 gesteuerter dritter Modulator 22 vorgesehen. Dieser ist entweder auf einen fixen Wert des Kompensationsstroms I_k' eingestellt, oder er ist, so wie in der Figur dargestellt, einstellbar ausgebildet. Im letzteren Fall kann der Kompensationsstrom I_k' so justiert werden, dass nicht nur die genannten Störreflexionen, sondern auch die durch die Infrarotleuchtdiode 4 bedingten Abweichungen kompensiert werden.

Der Regler 19 hat ein annähernd logarithmisches Verhalten. Wenn er zur Ausregelung einer kleinen Änderung des Nutzsignals eine bestimmte Zeit t benötigt, dann erfordert die Ausregelung einer zehnmal so grossen Änderung nur die doppelte Zeit 2t. Dieses Verhalten ist besonders beim Einschalten des Melders vorteilhaft, wo die Änderung des Nutzsignals 100% beträgt und für die Ausregelung trotzdem nicht unnötig viel Zeit verstreicht.

Das Alarmsignal am Alarmausgang 10 kann weiter ausgewertet, beispielsweise auf Plausibilität überprüft werden, was im Melder oder in einer Zentrale erfolgen kann, oder es wird ohne Weiterverarbeitung an eine Zentrale geleitet, wo dann Alarm ausgelöst wird. Das Alarmsignal kann zusätzlich oder alternativ eine im Melder angeordnete Leuchtdiode 23 aktivieren. Darstellungsgemäss ist ausserdem ein Relais 24 vorgesehen, dessen Kontakte eine potentialfreie Auswertung des Alarmsignals ermöglichen. Durch separate Untersuchung der Ausgangssignale der beiden Komparatoren 20 und 20' auf ihr Vorzeichen, also durch Auswertung der positiven oder negativen Änderungen der Reflexionen, kann die Bewegungsrichtung eines Objekts im Überwachungsraum, auf den Melder zu oder von diesem weg, festgestellt werden.

In Fig. 3 ist eine weitere Möglichkeit zur Unterdrückung oder Kompensation von unerwünschten Reflexionen dargestellt. Bei dieser Variante, bei der kein dritter Modulator 22 (Fig. 2) erforderlich ist, wird der den eigentlichen Bewegungsdetektor bildenden Fotodiode 5 eine zweite Fotodiode 5' mit vorzugsweise identischen Daten mit umgekehrter Polarität parallelgeschaltet. Dabei ist die Geometrie der Anordnung so gewählt, dass die eine Fotodiode 5 im Brennpunkt der Optik 8 (Fig. 1) und die zweite Fotodiode 5' ausserhalb von diesem angeordnet ist. Dadurch empfängt die eine Fotodiode 5 die aus dem Überwachungsraum reflektierte Strahlung plus die allfälligen Störreflexionen, wogegen die zweite Fotodiode 5' nur die Störreflexionen empfängt. Somit entspricht die Differenz der Fotoströme der beiden Fotodioden 5 und 5' dem gesuchten Signal aus dem Überwachungsraum, welches allenfalls noch von Störsignalen wie Sonneneinstrahlung oder Raumbeleuchtung überlagert sein kann.

Bei Verwendung von zwei gleichen Fotodioden 5, 5' werden hinsichtlich der gemeinsamen Empfangssignale die Temperaturbeiwerte der Fotoempfindlichkeit gegenseitig kompensiert. Ausserdem bleiben alle diejenigen Einflüsse und potentiellen Störquellen ohne Wirkung, die sich auf beide Fotodioden auswirken. Einflüsse oder Störungen dieser Art sind insbesondere Exemplarstreuungen und Temperaturdriften der Infrarotleuchtdiode 4 sowie Exemplarstreuungen und zeitliche Änderungen der Reflexionskonstanten der relevanten mechanischen Bauteile, wie variierende Einfärbungen und Oberflächenstrukturen. Somit verbleibt dem Regler 19 und dem zweiten Modulator 21 nur noch die Kompensation der aus dem Überwachungsraum reflektierten Infrarotsignale, wogegen rund 95% der Gesamtreflexionen und Fotoströme durch die zweite Fotodiode 5' kompensiert werden. Dadurch kann die Einflussnahme des Reglers 19 auf rund ±5% reduziert werden, wodurch die.Auflösung des Nutzsignals U_n auf das etwa Zehnfache ansteigt, was für konstante Grenzen der Komparatoren 20, 20' einer rund zehnfachen Ansprechempfindlichkeit entspricht.

Die erwähnte Überprüfung des Alarmsignals auf Plausibilität, die eine möglichst vollständige Unterdrückung von Fehlalarmen ermöglichen soll, ist besonders bei sogenannten dualen Meldern, das sind Melder mit zwei nach verschiedenen Prinzipien arbeitenden Sensoren, sinnvoll. Bekannte derartige duale passive Infrarotbewegungsmelder kombinieren die passive Infrarotstrahlung mit Ultraschall oder mit Mikrowellen. Beim vorliegenden aktiven Infrarotbewegungsmelder ist eine Kombination aktiv/passiv Infrarot denkbar. Eine derartige Kombination wäre den bekannten Kombinationen Infrarot/Ultraschall und Infrarot/Mikrowellen nicht zuletzt deswegen vorzuziehen, weil sich die Infrarotstrahlung exakt gleich wie das sichtbare Licht verhält und daher mit den vom sichtbaren Licht her bekannten optischen Mitteln beherrschbar ist. Die letztgenannte vorteilhafte Eigenschaft der Infrarotstrahlung ist insbesondere beim Schutz von leicht durchdringbaren Flächen mit einem Infrarotvorhang, beispielsweise beim Schutz von Bildern oder Skulpturen in Galerien oder Museen, oder beim Schutz ganzer Fensterflächen, besonders wichtig.

Die in Fig. 4 dargestellte Auswerteschaltung 2' unterscheidet sich von der Auswerteschaltung 2 von Fig. 2 im wesentlichen dadurch, dass ein anderer Regler verwendet, und dass das Reglersignal analog/digital gewandelt wird und somit für die Auswertung in digitalisierter Form zur Verfügung steht. Darstellungsgemäss erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel die Steuerung des ersten Modulators 11 durch eine Programmsteuerstufe 26, die unter anderem einen Zähler 27 aufweist. Die Programmsteuerstufe 26 erhält ihren Takt von einem Taktgeber 13 und bestimmt die zeitliche Folge und die Länge der an die Infrarotleuchtdiode 4 abgegebenen Signale. Mit dem Bezugszeichen 28 ist ein dem ersten Modulator 11 zugeordneter Temperaturfühler zur Kompensation des Temperaturgangs des die Infrarotleuchtdiode 4 und die Fotodiode 5 enthaltenden Regelkreises bezeichnet.

Bis zu der den beiden Integratoren 17 und 17' nachgeschalteten Stufe 18, verläuft die Signalverarbeitung analog wie in der in Fig. 2 dargestellten Auswerteschaltung. Das Ausgangssignal U_n der Stufe 18, welches das Nutzsignal für die Signalauswertung bildet, wird einem Regler 29 zugeführt, der vorzugsweise ein sogenannter PID-Regler, also ein Regler mit Proportional-, Integral- und Differentialanteil ist, und gelangt von diesem in einen Spannungs/Pulsbreiten-Wandler 30. Dieser erzeugt aus dem analogen Ausgangssignal des Reglers 29 ein impulsförmiges Signal, bei dem die Summe Puls plus Pulspause konstant und die Breite (Dauer) der Pulse proportional zum Signal des Reglers 29 ist. Das impulsförmige Signal des Wandlers 30 gelangt in die Programmsteuerstufe 26, deren Zähler 27 jeweils die Clocktakte pro Breite jedes der Impulse dieses Signals zählt. Wegen der Proportionalität zwischen Pulsbreite und Ausgangssignal des Reglers 29 stellt die Anzahl der vom Zähler 27 ermittelten Clocktakte pro Pulsbreite ein digitales Abbild des analogen Ausgangssignals des PID-Reglers 29 dar.

Die am Ausgang des Spannungs/Pulsbrei-ten-Wandlers 30 erhältliche Pulsbreite wird nur in seltenen Fällen genau mit einem Vielfachen des Clocktakts übereinstimmen und kann bis zu ±1d (d = kleinste Informationseinheit) daneben liegen. Die konstante Länge Puls + Pulspause ist durch die Programmsteuerstufe 26 festgelegt und beträgt bei einer Clockfrequenz von 4 MHz und bei Verwendung eines 12 Bit-Zählers ca. 1 ms. Damit stehen pro Sekunde 1'000 Resultate von maximal 12 bit, das sind 4'096 Informationen, mit einer Genauigkeit von ±1d plus dem eventuellen Fehler des Wandlers 30 zur Verfügung.

Da der Differentialanteil des dem PID-Regler 29 zugeführten Signals zu einer gewissen Unstabilität des digitalen Signals führen kann, ist es vorteilhaft, diesen Signalanteil einem Differential-Regler 31 zuzuführen. Man kann dabei eine Aufteilung des Differentialanteils auf die beiden Regler 29 und 31 vornehmen, oder den gesamten Differentialanteil auf den Differential-Regler 31 führen, oder man kann auch den Differential-Regler weglassen und nur den PID-Regler 29 verwenden. Massgebend dafür, welche dieser Lösungen man wählt, wird nicht zuletzt das Verhältnis zwischen Aufwand einerseits und Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit andererseits sein. Es sei aber betont, dass alle drei Lösungen voll funktionsfähig sind und zufriedenstellende Resultate liefern.

Die Werte der vom Zähler 27 ermittelten Clocktakte gelangen von der Programmsteuerstufe 26 in einen Pulsbreiten/Spannungs-Wandler 32, in dem mit Bezug auf eine von der Referenzspannungsquelle 25 bezogene Referenzspannung eine dem jeweiligen Zählerwert entsprechende Spannung gebildet wird, die den Kompensationsstrom I_k bestimmt. Hier ist ohne weiteres eine Genauigkeit von ±0.001% erreichbar, so dass also der Kompensationsstrom genau dem Stand des Zählers 27 entspricht. Der Ausgang des Differential-Reglers 31 ist ebenfalls an den Pulsbreiten-/Spannungswandler 32 angeschlossen und führt diesem die höherfrequenten Anteile des Nutzsignals U_n zu. Der Ausgang des Wandlers 32 ist mit dem einen Eingang des zweiten Modulators 21 (Fig. 2) verbunden, dessen zweiter Eingang mit der Programmsteuerstufe 26 und dessen Ausgang mit dem Eingang des Strom/Spannungswandlers 14 verbunden ist.

Der zweite Modulator 21 überlagert dem Signal der Fotodiode 5 in Gegenphase den Kompensationsstrom I_k, wobei die zeitlichen Bedingungen für diese Überlagerung durch die Programmsteuerstufe 26 bestimmt sind. Der PID-Regler 29 verändert sein Ausgangssignal und damit das Puls-/Pausen-Verhältnis derart, dass das Ausgangssignal der Stufe 18, also das Nutzsignal U_n, gleich null wird. Somit entspricht der Stand des Zählers 27 bis auf die schon erwähnte mögliche Abweichung von ±1d dem Infrarotbild des überwachten Raumes.

Obwohl diese Abweichung in der Praxis ohne Bedeutung sein wird, kann man die Genauigkeit durch Mittelwertbildung aus einer Vielzahl von Einzelwerten weiter erhöhen. Eine derartige Mittelwertbildung kann beispielsweise durch den Zähler 27 oder durch einen der Programmsteuerstufe 26 nachgeschalteten Mikroprozessor 33 erfolgen. Mit diesem kann das in der Programmsteuerstufe 26 in digitaler Form vorhandene Infrarotsignal differenzierter und intelligenter ausgewertet werden, was zu einer höheren Auflösung und damit zu einer verbesserten Detektionssicherheit und zu einer verbesserten Sicherheit vor Falschmeldungen führt. Ausserdem erleichtert der Mikroprozessor eine sinnvolle Kopplung des beschriebenen Messprinzips mit einem zweiten in einem sogenannten dualen Melder. Der Mikroprozessor 33, der das als Ergebnis der Auswertung vorliegende Alarmsignal an den Alarmausgang 10 abgibt, kann das Alarmsignal auf Plausibilität überprüfen und dadurch die Zentrale entlasten.

Die beschriebene Auswerteelektronik mit ihrem mit einer Brückenschaltung vergleichbaren Regelkreis, bei dem der Wert null des Nutzsignals die Ruhelage darstellt, bietet eine Reihe von Vorteilen:

Durch die kompensierende Elektronik wird der Einfluss stark reflektierender Objekte nahe beim Melder so weit zurückgedrängt, dass die Hintergrundstrahlung nach wie vor erkennbar ist. Stark reflektierende Objekte werden wegkompensiert und die maximale Empfindlichkeit bleibt erhalten.
Durch die kompensierende Elektronik wird die Verwendung einer gemeinsamen Sende/Empfangsoptik ermöglicht. Denn sendeseitig verursachte Reflexionen von Linsen, Spiegeln und/oder vom Infrarotfenster, die das Reflexionssignal eines möglichen Objekts im Überwachungsraum in der Regel um Potenzen übertreffen, werden durch den Regelkreis unterdrückt.
Die Digitalisierung des Signals bietet die Möglichkeit, Absolutwerte der Infrarotstrahlung zu erfassen und dadurch eine echte Präsenzdetektion zu ermöglichen, und sie ermöglicht den Einsatz eines Mikroprozessors mit all seinen Vorteilen.
Die Erfassung der Anbsolutwerte der Infrarotstrahlung ermöglicht die Bestimmung von deren Vorzeichen, also die Feststellung, ob eine positive oder negative Änderung der Reflexion und damit eine Objektbewegung auf den Melder zu oder von diesem weg stattfindet.
Der vorgeschlagene Analog/Digital-Wandler ist wesentlich preisgünstiger als jeder käufliche A/D-Wandler gleicher Auflösung.

Claims

Aktiver Infrarotmelder zur Detektion von Bewegungen in einem Überwachungsraum, mit einem Sender zur Aussendung einer modulierten Infrarotstrahlung in den Überwachungsraum, mit einem Empfänger für die aus dem Überwachungsraum reflektierte Infrarotstrahlung, und mit einer an den Empfänger angeschlossenen und Mittel zur Gewinnung eines Nutzsignals enthaltenden, nur empfangene Signale auswertenden Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung einen einerseits mit dem Nutzsignal (U_n) beaufschlagten und andererseits mit dem Ausgang des Empfängers (5) verbundenen Regler (19, 29) zur Abgabe eines dem Empfängersignal (I_e) überlagerten Kompensationssignals (I_k) aufweist, und dass das Kompensationssignal so gewählt ist, dass eine Ausregelung des Nutzsignals auf den Wert null erfolgt.
Infrarotmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Sender (S, 4) und Empfänger (E, 5) eine gemeinsame Optik (8) vorgesehen ist.
Infrarotmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung einen an eine Steuerstufe (12, 26) angeschlossenen ersten Modulator (11) zur impulsförmigen Modulation des vom Sender (S, 4) ausgesandten Signals, eine an die Steuerstufe angeschlossene gesteuerte Weiche (16), zwei der Weiche nachgeschaltete Integratoren (17, 17') und ein Mittel (18) zur Bildung der Differenz der Ausgangssignale der Integratoren aufweist.
Infrarotmelder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssignal (U_e) den Integratoren (17, 17') über die Weiche (16) im Takt der Modulation des Sendesignals zugeführt ist, so dass in dem einen Integrator (17) eine Integration des Empfangssignals über die Impulsdauer und in dem anderen (17') über die Impulslücken erfolgt.
Infrarotmelder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mittel (18) zur Differenzbildung mindestens ein Komparator (20, 20') nachgeschaltet ist, in dem ein Vergleich des Nutzsignals (U_n) mit mindestens einem Grenzwert erfolgt.
Infrarotmelder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Komparatoren (20, 20') vorgesehen sind, in denen ein Vergleich des Nutzsignals (U_n) mit einem oberen beziehungsweise einem unteren Grenzwert erfolgt.
Infrarotmelder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feststellung der Bewegungsrichtung eines im Überwachungsraum detektierten Objekts eine Untersuchung des Ausgangssignals der beiden Komparatoren (20, 20') auf ihr Vorzeichen erfolgt.
Infrarotmelder nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Regler (19) ein zweiter, von der Steuerstufe (12) gesteuerter Modulator (21) nachgeschaltet ist, welcher dem Empfängersignal (I_e) das Kompensationssignal (I_k) im Gegentakt überlagert.
Infrarotmelder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (19) ein annähernd logarithmisches Regelverhalten aufweist.
Infrarotmelder nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen dritten, vorzugsweise justierbar ausgebildeten, Modulator (22) zur Erzeugung eines zusätzlichen Kompensationssignals (I_k,) zur Kompensation von durch die Optik (8) oder durch ein infrarotdurchlässiges Fenster (7) des Melders (1) verursachten Reflexionen.
Infrarotmelder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu der den Empfänger (E) bildenden ersten Diode (5) mit umgekehrter Polarität parallelgeschaltete zweite Diode (5') mit vorzugsweise identischen Daten vorgesehen ist, und dass die Differenz der Fotoströme der beiden Dioden das Empfängersignal (I_e) bildet.
Infrarotmelder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Diode (5) von der aus dem Überwachungsraum reflektierten Infrarotstrahlung und mit der gegebenenfalls von der Optik (8) oder von einem infrarotdurchlässigen Fenster (7) des Melders (1) reflektierten Störstrahlung, und dass die zweite Diode (5') nur von der genannten Störstrahlung beaufschlagt ist.
Infrarotmelder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Diode (5) im Brennpunkt der gemeinsamen Optik (8) und die zweite Diode (5') ausserhalb von diesem angeordnet ist.
Infrarotmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung einen dem Regler (29) nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler (26, 30) aufweist, an dessen einem Ausgang das digitalisierte Reglersignal erhältlich und dessen anderer Ausgang mit einem Digital/Analog-Wandler (25, 32) zur Erzeugung einer dem jeweiligen digitalen Signalwert entsprechenden Spannung verbunden ist, und dass diese Spannung zur Erzeugung des Kompensationssignals (I_k) verwendet wird.
Infrarotmelder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (26, 30) mit einem Mikroprozessor (33) verbunden ist.
Infrarotmelder nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Nutzsignal (U_n) beaufschlagte Regler (29) durch einen PID-Regler gebildet ist.
Infrarotmelder nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog/Digital-Wandler durch einen Signalwandler (30) zur Umwandlung der Reglersignals in ein impulsförmiges Signal und durch eine dem Signalwandler nachgeschaltete Stufe (26) zur Gewinnung von der Grösse der einzelnen Impulse entsprechenden Zahlenwerten gebildet ist.
Infrarotwandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalwandler (30) durch einen Spannungs/Pulsbreiten-Wandler gebildet ist, welcher aus dem analogen Ausgangssignal des Reglers ein impulsförmiges Signal erzeugt, bei dem die Dauer Puls plus Pulspause konstant und die Breite der Pules proportional zum Signal des Reglers ist.
Infrarotmelder nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Signalwandler (30) nachgeschaltete Stufe (26) einen Zähler (27) und einen Taktgeber (13) aufweist, wobei durch den Zähler eine Zählung der der Breite der einzelnen Signalimpulse entsprechenden Taktimpulse erfolgt.
Infrarotmelder nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Digital/Analog-Wandler durch einen mit einer Referenzspannungsquelle (25) verbundenen Pulsbreiten/Spannungs-Wandler (32) gebildet ist, in welchem eine Umwandlung des jeweiligen Wertes des Zählers (27) in eine Spannung erfolgt.
Infrarotmelder nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzsignal (U_n) parallel zum PID-Regler (29) einem Differential-Regler (31) für den Differentialanteil des Signals zugefühurt, und dass der Ausgang des Differential-Reglers mit dem Pulsbreiten/Spannungs-Wandler (32) verbunden ist.