EP0070364B1

EP0070364B1 - Bewegungsmelder zur Raumüberwachung

Info

Publication number: EP0070364B1
Application number: EP82104163A
Authority: EP
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. Zierhut
Original assignee: Richard Hirschmann Radiotechnisches Werk
Current assignee: Richard Hirschmann Radiotechnisches Werk
Priority date: 1981-07-17
Filing date: 1982-05-13
Publication date: 1985-10-09
Also published as: DE3128256A1; EP0070364A2; DE3128256C2; ATE16055T1; EP0070364A3; US4529874A; JPS5818794A

Description

Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder zur Raumüberwachung, bestehend aus einem wenigstens zwei im Gegentakt arbeitende Sensoren zur Aufnahme elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich über eine Optik zur Abbildung mindestens eines Gesichtsfeldes mit zwei nebeneinander liegenden Strahlungskeulen und einen nachgeschalteten Verstärker mit einer unteren Grenzfrequenz von gl 1 Hz aufweisenden Strahlungsempfänger, sowie einer Auswerteschaltung und einer Alarmeinheit, wobei die Auswerteschaltung jeweils einen Signalweg für positive und negative Signale mit je einem die Signalflußdauer bestimmenden, von den Ausgangsimpulsen eines Fensterdiskriminators getriggerten Zeitglied aufweist und bei Änderung der Strahlungsintensität dann einen alarmauslösenden Steuerimpuls abgibt, wenn innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer nacheinander sowohl ein positiver als auch ein negativer Spannungsimpuls am Ausgang des Strahlungsempfängers vorhanden sind.
Ein derartiger Bewegungsmelder ist bereits aus der US-PS 3,858,192 bekannt. Im Vergleich zu einem beispielsweise in der DE-PS 2537380 beschriebenen Bewegungsmelder, bei dem zwar die Aufeinanderfolge positiver und negativer Impulse in der Auswerteschaltung offenbart, die Immunität gegen Fehlalarme jedoch gering ist, da dieselbe Impulsfolge wegen der Verwendung von Gleichtaktsensoren auch durch unerwünschte Störeinflüsse erzeugt wird, ist er für eine höhere Störsicherheit geeignet, weil das gewählte Alarmkriterium durch Störfaktoren außerordentlich selten auftritt, während andererseits die Wahrscheinlichkeit der Erfassung einer als Alarm zu indizierenden Bewegung z. B. eines unerwünschten Eindringlings sehr groß ist.
Bei dem Bewegungsmelder gemäß der US-Patentschrift 3,858,192 ist die in der Auswerteschaltung benötigte Diodenwirkung durch Verwendung eines Fensterdiskriminators mit fester Referenzspannung realisiert. Eine derartige Schaltung weist jedoch den Nachteil auf, daß durch den Einschwingvorgang des Verstärkers eine extrem unsymmetrische Ansteuerung des Fensterdiskriminators und damit ein unerwünschter Alarm erfolgt, der entsprechend der Einschwingdauer der hier verwendeten Verstärker (etwa 3-5 Min., abhängig von der Stufenzahl) sehr lange andauert und beim Einschalten des Gerätes somit eine unerwünschte Verzögerung (z. B. der Arbeit des einschaltenden Service-Mannes) bewirkt. Gegebenenfalls ist zudem der Mehraufwand einer Schaltung zur Unterdrückung eines solchen Alarmes erforderlich. Vor allem aber entspricht bei einem solchen Fensterdiskriminator durch Streuungen der Bauelemente, Leckströme der Kondensatoren und ähnliche Effekte die Ausgangsspannung des Verstärkers auch nach der Einschwingzeit nicht immer dem Nominalwert, was wiederum zu einer unsymmetrischen Ansteuerung des Fensterdiskriminators und damit zur Auslösung von Fehlalarmen führt. Diese Nachteile sind besonders schwerwiegend, weil sie der angestrebten hohen Störsicherheit gerade zuwiderlaufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Bewegungsmelder der eingangs genannten Art die mit Hilfe des durch die Gegentaktsensoren in Verbindung mit den jeweils zugeordneten nebeneinander liegenden Strahlungskeulen erzeugten Alarmkriteriums grundsätzlich mögliche Störsicherheit gegen Fehlalarm mit geringstmöglichem Aufwand tatsächlich zu erreichen und dauerhaft sicher zu gewährleisten.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Ausgänge der Zeitglieder mit den Eingängen eines die Alarmgabe steuernden Und-Gliedes verbunden sind und daß der Fensterdiskriminator zwei komplementäre Transistoren aufweist, deren Emitter und Basen zusammengeschaltet und über einen ohm'schen Widerstand verbunden sind, der am basisseitigen Anschluß über einen Kondensator an Masse liegt, wobei dessen Kapazität und der Wert des Widerstandes so bemessen sind, daß die durch die langsamste noch zu erfassende Störbewegung bewirkte Spannungsänderung am Ausgang des Verstärkers größer ist als diejenige am Verbindungspunkt zwischen Kondensator und Widerstand. Bei dieser Schaltung ist die Referenzspannung nicht starr, sie gleicht sich vielmehr ständig der sich ändernden Ausgangsspannung des Verstärkers an, sodaß der Fensterdiskriminator immer quasisymmetrisch angesteuert wird und die beschriebenen Fehlalarme dadurch wirksam vermieden sind. Dabei ist die Angleichzeit durch entsprechende Bemessung der Bauteile so gewählt, daß ein optimaler Kompromiß zwischen dem Erreichen des Betriebszustandes einerseits und einer sicheren Alarmauslösung auch bei sich langsam bewegenden Objekten (Einbrecher) andererseits erreicht ist.
In vorteilhafter Weise erfolgt dabei die Meldung eines unerwünschten Eindringlings bereits nach Erreichen einer geringfügigen Änderung des beim Einschalten des Gerätes sich einstellenden Pegels, da der Fensterdiskriminator bereits bei stark unsymmetrischer Ansteuerung arbeitet.
Durch das Einschalten des Kondensators zwischen Masse und basisseitigem anstatt emitterseitigem Anschluß des ohm'schen Widerstandes kann die Kapazität des Kondensators in wünschenswerter Weise bei gleicher Wirkung um den Stromverstärkungsfaktor der Transistoren geringer gewählt werden.
Insgesamt ist beim erfindungsgemäßen Bewegungsmelder durch die Verwendung eines Fensterdiskriminators mit « nachlaufendem Potential auf einfache und wirkungsvolle Weise, sowie praktisch ohne Mehraufwand gegenüber dem Stand der Technik eine sehe hohe Immunität gegen Fehlalarme erreicht, die in vielen Fällen erst seinen sinnvollen praktischen Einsatz ermöglicht und in Ausführungsbeispielen Werte erreicht hat, die um bis zu 40 dB über denjenigen bekannter vergleichbarer Bewegungsmelder liegen.
Ein besonders kostengünstiger Aufbau der Auswerteschaltung des erfindungsgemäßen Bewegungsmelders ist in Anspruch 2 angegeben, weil durch den Aufbau der Zeitglieder als komplementäre Timer eine Phasenumkehrstufe zur Erzeugung gegenläufiger Startimpulse einsparbar ist.
Für den Fall, daß in der Schaltung kein Massepotential vorhanden ist, bietet die in Anspruch 3 beschriebene Maßnahme eine einfache Möglichkeit zur Verkürzung der angeführten Angleichzeit.
Die in Anspruch 4 angegebene Bemessung des RC-Gliedes gibt einen vorteilhaften Kompromiß an, der gewährleistet, daß einerseits beim Einschalten des Gerätes nur der Verstärker V und nicht auch der Fensterdiskriminator die Zeit bis zur Scharfschaltung bestimmt (R3- C möglichst klein) und zum anderen die Impulsanstiegszeit des Signals am Verstärkerausgang größer ist als diejenige des Signals an den Basen der Transistoren T₁. T₂, sodaß der Fensterdiskriminator noch einen durch einen sich sehr langsam bewegenden Einbrecher hervorgerufenen Mindestimpulsanstieg der Verstärkerausgangsspannung als Alarm indizieren kann (R_3'C möglichst groß).
Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bewegungsmelders mit zwei Gegentaktsensoren und den beiden zugehörigen, im Überwachungsbereich nebeneinander verlaufenden Strahlungskeulen eines Gesichtsfeldes, wobei der Übersichtlichkeit halber weitere Gesichtsfelder weggelassen und ein vollständiges Schaltbild nur vom Fensterdiskriminator gezeigt ist, während die übrigen Einrichtungen lediglich symbolhaft dargestellt sind.
Der zur Überwachung geschlossener Räume auf Einbruch vorgesehene Bewegungsmelder besteht aus einem Strahlungsempfänger SE einer Auswerteschaltung AS und einer Alarmeinheit AE. Die Optik weist zwei im Gegentakt geschaltete infrarotempfindliche Sensoren S₁, S₂ auf, die derart außerhalb des Brennpunktes eines Spiegel-oder Linsensystems (symbolisiert durch die Linse L) angeordnet sind, daß die von ihnen ausgehenden beiden Strahlungskeulen K_i, K₂ je Gesichtsfeld im Überwachungsbereich möglichst nahe nebeneinander verlaufen. Die von den Sensoren S₁, S₂ empfangene Strahlung wird in einem Operationsverstärker V mit einer unteren Grenzfrequenz von _# 1 Hz verstärkt und in der Auswerteschaltung AS verarbeitet, die aus einem Fensterdiskriminator mit dynamischer Referenzspannung, zwei von dessen Ausgangssignalen getriggerten Timern Z_i, Z₂ und einem Und-Glied U aufgebaut ist, dessen Ausgangssignal die aus einem Relais R und einem Signalgeber SG (z. B. Sirene) bestehende Alarmeinheit steuert.
Dieser Bewegungsmelder gibt nur dann einen Alarm ab, wenn innerhalb einer mittels der Timer Z₁, Z₂ einstellbaren Zeitspanne nacheinander sowohl ein positives, als auch ein negatives Signal von den Sensoren geliefert wird. Das Zeitfenster ist hier mit etwa 3 sec so gewählt, daß bei einer Brennweite der Optik von 40 ... 100 mm die beiden Keulen im Überwachungsbereich etwa 1 m breit sind und der langsamste, mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,3 m pro sec sich bewegende Einbrecher gerade einen positiven und einen negativen Impuls bewirkt.
Diese als Alarmkriterium gewählte Signalfolge wird mit großer Sicherheit von einem die Strahlungskeulen K_i, K₂ durchschreitenden unerwünschten Eindringling hervorgerufen, ist jedoch durch seine speziellen Bedingungen nur außerordentlich selten die Folge von Störeinflüssen, die keinen Alarm indizieren sollen.
Damit ist auf einfache und elegante Weise, sowie praktisch ohne Mehrkosten eine außerordentlich hohe Sicherheit gegen Fehlalarme gewährleistet.
Ergänzt und verstärkt ist diese Sicherheit noch durch den Einsatz und Aufbau eines dynamischen Fensterdiskriminators, der aus einem npn-Transistor T, und einem pnp-Transistor T₂ besteht, deren Kollektoren über Arbeitswiderstände R₁. R₂ an die beiden Pole der Betriebsgleichspannung ± U_B angeschlossen, mit ihren Emittern und ihren Basen direkt miteinander verbunden sind, zwischen den gemeinsamen Basen und Emittern einen ohm'schen Widerstand R₃ aufweisen und emitterseitig über einen ohm'schen Widerstand R₄ zur Einstellung der Triggeramplitude mit dem Verstärkerausgang, sowie basisseitig über einen Kondensator C mit Massepotential verbunden sind. Die Kapazität C und der Widerstand R₃ sind dabei so bemessen, daß die durch die langsamste noch zu erfassende Störbewegung bewirkte Spannungsänderung am Ausgang des Verstärkers größer ist als diejenige am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R₃ und dem Kondensator C. Der basisseitige Anschluß des Kondensators C bringt gegenüber einem emitterseitigen Anschluß den Vorteil, daß seine Kapazität um den Stromverstärkungsfaktor der Transistoren kleiner bemessen sein kann. Der beschriebene Fensterdiskriminator bewirkt nicht nur eine Vermeidung von Fehlalarmen durch den unvermeidlichen Rausch-Störpegel (wegen der Transistorschwellenspannung), sondern weist darüber hinaus den für den praktischen Einsatz besonders wichtigen Vorteil auf, daß auch durch die sich ändernde Ausgangsspannung des Verstärkers V und die dadurch bedingte unsymmetrische Ansteuerung des Fensterdiskriminators hervorgerufene Fehlalarme wirksam verhindert sind, weil dessen Referenzspannung nicht starr ist, sondern sich ständig der sich ändernden Ausgangsspannung des Verstärkers angleicht. Die Angleichzeit ist mit etwa 20 Sekunden so gewählt, daß auch bei sich langsam bewegenden Einbrechern ein optimaler Kompromiß zwischen schnellem Erreichen des Betriebszustandes und sicherer Alarmauslösung gegeben ist.
Solange im überwachten Raumbereich keine Änderungen der Strahlungsintensität erfolgen, wird der Fensterdiskriminator absolut symmetrisch angesteuert, der Spannungspegel an den Basen der beiden Transistoren T₁. T₂ ist wegen des Kondensators C (ca. 5 µF) gleich demjenigen der Emitter, sodaß beide Transistoren gesperrt sind und damit keine Triggerimpulse für die beiden Timer Z₁, Z₂ liefern, womit am Ausgang des Und-Gliedes U kein Steuersignal zur Auslösung eines Alarms erzeugt wird.
Bewegt sich indessen ein Einbrecher durch die Strahlungskeulen K₁, K₂ der beiden Sensoren S₁ und S₂, so werden die beiden Transistoren nacheinander leitend und erzeugen Triggerimpulse für die Timer Z₁ und Z₂, die wiederum, sofern sich der Einbrecher schnell genug durch das Gesichtsfeld bewegt, innerhalb der eingestellten Zeitspanne je ein positives und ein negatives Signal an das Und-Gatter U liefern, an dessen Ausgang dann ein alarmauslösendes Signal entsteht.
Die Werte des R₃ C-Gliedes sind dabei als Kompromiß so bemessen, daß einerseits beim Einschalten des Gerätes nur der Verstärker V und nicht auch der Fensterdiskriminator die Zeit bis zur Scharfschaltung bestimmt (R₃- C möglichst klein) und zum anderen die Impulsanstiegszeit des Signals am Verstärkerausgang größer ist als diejenige des Signals an den Basen der Transistoren T₁, T₂, sodaß der Fensterdiskriminator noch einen durch einen sich sehr langsam bewegenden Einbrecher hervorgerufenen Mindestimpulsanstieg der Verstärkerausgangsspannung als Alarm indizieren kann (R₃ . C möglichst groß).
Der beschriebene Bewegungsmelder weist trotz des einfachen und kostensparenden Aufbaus eine äußerst geringe Anfälligkeit gegen Fehlalarme und damit eine optimale Eignung für seinen bestimmungsgemäßen Einsatz auf.

Claims

1. Bewegungsmelder zur Raumüberwachung, bestehend aus einem wenigstens zwei im Gegentakt arbeitende Sensoren (S_i, S₂ zur Aufnahme elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich über eine Optik (L) zur Abbildung mindestens eines Gesichtsfeldes mit zwei nebeneinander liegenden Strahlungskeulen und einen nachgeschalteten Verstärker (V) mit einer unteren Grenzfrequenz von

1 Hz aufweisenden Strahlungsempfänger (SE), sowie einer Auswerteschaltung (AS) und einer Alarmeinheit (AE), wobei die Auswerteschaltung (AS) jeweils einen Signalweg für positive und negative Signale mit je einem die Signalflußdauer bestimmenden, von den Ausgangsimpulsen eines Fensterdiskriminators getriggerten Zeitglied (Z₁, Z₂) aufweist und bei Änderung der Strahlungsintensität dann einen alarmauslösenden Steuerimpuls abgibt, wenn innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer nacheinander sowohl ein positiver als auch ein negativer Spannungsimpuls am Ausgang des Strahlungsempfängers (SE) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Zeitglieder (Z₁, ZJ mit den Eingängen eines die Alarmgabe steuernden Und-Gliedes (U) verbunden sind und daß der Fensterdiskriminator zwei komplementäre Transistoren (T₁, T₂) aufweist, deren Emitter und Basen zusammengeschaltet und über einen ohm'schen Widerstand (R₃) verbunden sind, der am basisseitigen Anschluß über einen Kondensator (C) an Masse liegt, wobei dessen Kapazität und der Wert des Widerstandes (R₃) so bemessen sind, daß die durch die langsamste noch zu erfassende Störbewegung bewirkte Spannungsänderung am Ausgang des Verstärkers (V) größer ist als diejenige am Verbindungspunkt zwischen Kondensator (C) und Widerstand (R₃).

2. Bewegungsmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zeitglieder (Z₁, Z₂) komplementär aufgebaute Timer sind.

3. Bewegungsmelder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) aus zwei Teilkondensatoren besteht, deren gemeinsamer Anschluß mit den zusammengeschalteten Basen der Transistoren (T₁, T₂) und deren anderer Anschluß mit dem positiven bzw. dem negativen Pol der Betriebsgleichspannungsquelle (± UB) verbunden ist.

4. Bewegungsmelder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des am basisseitigen Anschluß des RC-Gliedes (R₃, C) wirksamen Produktes R3. C so klein ist, daß beim Einschalten des Gerätes nur der Verstärker (V) die Zeit bis zur Scharfschaltung bestimmt.