DE3142705C2 - Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes eines zur Fortleitung von Schallwellen geeigneten Körpers - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes eines zur Fortleitung von Schallwellen geeigneten Körpers, insbesondere zum Erfassen des Bruches einer Glasscheibe und zum Erzeugen eines Alarmsignals. Sie weist ein piezoelektrisches Element (10) auf, welches an zwei Signalpfade angeschlossen ist, von welchen der erste Signalpfad (1, 2, 3, 4, 5) auf Signale anspricht, deren Dauer lang und deren Amplitude klein ist im Vergleich mit den Signalen auf welche der zweite Signalpfad (1, 8) anspricht. Ein Sperrungselement (9) dient zur Unterdrückung von Fehlmeldungen. Die Betriebsbereitschaft der Vorrichtung ist mittels eines auf dem Körper angeordneten Schallgebers prüfbar.

Description

50

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes eines zur Fortleitung von Schallwellen geeigneten Körpers, insbesondere zum Erfassen des Bruches einer Glasscheibe, und zum Erzeugen eines Alarmsignals, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Vorrichtungen sind bereits bekannt. Die deutsche Auslegeschrift 27 21 880 hat zum Gegenstand eine Vorrichtung zur Feststellung von durch Beschädigungsversuche an Bauwerken verursachte Vibrationen. Diese Vorrichtung weist ein Wandlerelement zur Umwandlung der Vibrationen in elektrische Signale, eine Verstärkeranordnung mit zwei getrennten Zweigen, von denen der eine Signale mit niedrigem Pegel verstärkt und diese über einen Integrator an eine Alarmvorrichtung zu deren Auslösung weiterleitet und der andere Signale mit hohem Pegel verstärkt Der Zweig der Verstärkung der Signale mit niedrigem Pegel enthält einen Schwellenwertdetektor, der nur Signale zu dem Integrator durchläßt, die einen ersten niedrigen Pegel überschreiten. Der Zweig zur Verstärkung der Signale mit hohem Pegel enthält einen Schwellenwertdetektor, der nur Signale durchläßt, die einen zweiten, den ers'en Pegel überschreitenden Signalpegel überschreiten, einen Impulsformer, einen Zähler, der die den zweiten Pegel überschreitenden Signale zählt und bei Erreichen einer vorbestimmten Zählrate ein Auslösesignal an die Alarmvorrichtung abgibt Die Vorrichtung gemäß dieser Auslegeschrift ist lediglich gegen Fehlauslösung durch normale Umweltgeräusche gesichert. Ferner benötigt sie einen großen Aufwand.

Aus der britischen Patentschrift 15 77 941, welche einen Glasbruchmelder zum Gegenstand hat, ist es bekannt einen Wandler zu verwenden, welcher ein piezoelektrischer Sensor ist

Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes eines zur Fortleitung von Schallwellen geeigneten Körpers, die auf typische Geräusche anspricht, wie sie z. B. durch Bohren, Schleifen, Erhitzen verursacht werden, bei der Explosion einer Sprengladung zur gewaltsamen Zerstörung einer Glasscheibe oder beim Beschüß dieser einen Alarm auslöst, gegen Fehlauslösung gesichert ist, wenn Sand, kleine Steine, kleine Metallkörper oder dergleichen auf die Glasscheibe aufprallen, oder diese längere Zeit angegriffen wird, ohne daß sie bricht und die einen kleinen Aufwand benötigt.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch die Kombination der Merkmale des Oberbegriffs und des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 2 ein Schaltschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 3 sin Diagramm, das den Zusammenhang zwischen den Spannungsgrößen an den Eingängen einer Schaltstufe der Vorrichtung zeigt.'

Gemäß F i g. 1 wird das vom piezoelektrischen Element 10 erzeugte Signal einem Verstärker 1 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 1 ist an einen Verstärker 2 eines ersten Signalpfades A und an einen Impulsformer 8 eines zweiten Signalpfades B angeschlossen. Auf den Verstärker 2 folgt ein Schwingkreis 3 dessen Resonanzfrequenz 180 kHz beträgt. Wenn die Schwingungsamplitude genügend groß ist, verursacht der nachgeschaltete Demodulator 4 ein Ansteigen der Ausgangsspannung des an seinen Ausgang angeschlossenen Integriergliedes 4 bis diese Ausgangsspannung einen Wert erreicht hat, bei welchem die mit dem Integrierglied verbundene Schaltstufe 6 wirksam wird und dadurch das Relais 7 abfällt.

Bei der Explosion einer Sprengladung zur gewaltsamen Zerstörung einer Glasscheibe, oder beim Beschüß dieser wird das Ausgangssignal des Verstärkers 1 dem Impulsformer 8 zugeführt, welcher an die Schaltstufe 6 angeschlossen ist und diese aktiviert, wobei das Relais 7 abfällt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung spricht somit auf Signale an, deren Dauer lang und Amplitude klein, sowie auf Signale, deren Dauer kurz und Amplitude groß ist, im Vergleich mit den zuerstgenannten Signalen. Die Schaltung nach F i g. 1 enthält im wei-

teren ein Sperrelement 9, welches an den Impulsformer 8 und das Integrierglied 5 angeschlossen ist

Dieses Sperrelement bewirkt die Unterdrückung einer Fehlmeldung, z. B. wenn die Glasscheibe längere Zeit mechanisch bearbeitet wird, ohne daß das Glas bricht

Die F i g. 2 zeigt ein Beispiel für das Schaltschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In F i g. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 10 das piezoelektrische Element aus beispielsweise einem piezoelektrischen Keramikstoff, das auf einer Glasscheibe befestigt ist Die Spule 11 bildet zusammen mit den Kondensatoren 14 und 15 ein .T-Filter zur Verminderung der Störungen durch die Speisespannung. Die Stabilisierung der Speisespannung erfolgt durch den Transistor 17, die Zenerdiode 16, den Widerstand 13 und den Kondensator 18. Die Diode 12 schützt gegen eine verkehrte Polung.

Das piezoelektrische Element 10 ist an den Minus-Pol der Speisespannung und an die Basis eines Transistors angeschlossen, welcher mittels einer Diode 31 gegen Überspannung geschützt ist Ein Widerstand 25 erzeugt die Basisvorspannung des Transistors 26. Der Kollektor des Transistors 26 ist mit der Basis eines Transistors 28 verbunden. Ein Widerstand 29 und ein Potentiometer 30 sind in Reihe zwischen dem Emitter des Transistors 26 und dem Minus-Pol geschaltet. Der Emitter des Transistors 28 ist über einen Widerstand 34 an den Minus-Pol angeschlossen und sein Kollektor ist mit einem LC-Parallelschwingkreis 19, 20, 21 über einen Widerstand 22 verbunden, wobei 20 ein Dämpfungswiderstand ist Die Transistoren 26 und 28 bilden eine Verstärkerstufe.

Der Kollektor des Transistors 28 ist ferner an die Basis eines Schalttransistors 35 angeschlossen, dessen Emitter mit dem Plus-Pol und dessen Kollektor über zwei in Reihe geschaltete Widerstände 40, 41 mit dem Minus-Pol verbunden ist. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände 40,41 ist über einen Widerstand 38 mit dem Plus-Pol und ferner mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 46 verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 46 ist über einen Kondensator 39 und einen mit diesem in Reihe geschalteten Widerstand 36 an den Kollektor eines Tansistors 27 angeschlossen, dessen Basis mit dem Emitter des Transistors 26 verbunden ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 46 ist ferner an einen Spannungsteiler 43, 44, 45 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 27 ist mit dem Minus-Poi verbunden. Ein Kondensator 42 ist in Reihe mit dem Kondensator 39 und dem Widerstand 36 geschaltet und an den Plus-Pol angeschlossen. Diese Glieder bestimmen die Kollektorspannung des Transistors 27. Der Ausgang des Operationsverstärkers 46 ist über einen Kondensator 54 an den Verbindungspunkt der Widerstände 40,41 und an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 angeschlossen. Ferner ist dieser Ausgang über einen V-Mos-Transistor 55 mit dem Relais 56 verbunden, welches mit einer in Sperrichtung geschalteten Diode 57 überbrückt ist.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 46 ist ferner über einen Widerstand 48 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 47 und über einen Reed-Kontakt 50 mit dem Minus-Pol verbunden. Ferner ist der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 47 über einen Verzögerungskondensator 49, zur Verzögerung der Zündung einer Leuchtdiode 53, an b5 den Minus-Pol angeschlossen. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 47 ist an den Spannungsteiler 43,44,45, nämlich an den Verbindungspunkt der Widerstände 43, 44, angeschlossen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 47 ist über einen Widerstand 52 und die Leuchtdiode 53 mit dem Minus-Pol verbunden. Eine Diode 51, welche zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 47 und seinem Ausgang geschaltet ist, dient zur Haltung der Leuchtdiode im angezündeten Zustand.

Ein V-Mos-Transistor 33 ist an den Verbindungspunkt des Widerstandes 29 mit dem Emitter des Transistors 26 und an den Minus-Poi angeschlossen und dient zum Überbrücken des Emitterwiderstandes 29, 30 des Transistors 26. Ein Kondensator 32 ist mit dem Minus-Pol und der Abflußelektrode des Transistors 33 verbunden und dient als Gegenkopplungskondensator.

Die Funktionsweise der beschriebenen Schaltung gemäß F i g. 2 ist wie folgt. Beim Schneiden, Bohren, Schleifen, Erhitzen oder Zerschlagen, welche zum Glasbruch führen (Fall 1), werden die vom piezoelektrischen Element 10 gelieferten Signale durch die Transistoren 26,28 verstärkt und dem Z-C-Parallelschwingkreis zugeführt Übersteigt die Schwingungsamplitude einen bestimmten Wert, dann wird der Transistor 35 leitend und der Kondensator 54 wird über den Widerstand 40 aufgeladen. Wenn die Kondensatorspannung größer als die Vergleichsspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 wird, dann wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 46 positiv und das Relais 56, welches durch den V-Mos-Transistor 55 angesteuert wird, fällt ab und bleibt während einer bestimmten Zeit (z. B. 100 ms) in diesem Zustand.

Gleichzeitig wird über den Widerstand 48 und den Operationsverstärker 47 die Leuchtdiode 53 zur Anzeige des Alarmzustandes angesteuert und sie bleibt angezündet bis mittels eines Magneten der Reed-Kontakt 50 geschlossen wird.

Bei der Explosion einer Sprengladung zur gewaltsamen Zerstörung einer Glasscheibe, oder bei Beschüß dieser (Fall 2), wird das vom piezoelektrischen Element 10 gelieferte Signal durch den Transistor 26 verstärkt und der Basis des Transistors 27 zugeführt. Der Transistor 27 wird leitend, wenn die Amplitude des Signals bei vorgegebener Einstellung des Potentiometers 30 genügend groß ist Der negative Impuls am Kollektor des leitenden Transistors 27 wird über den Widerstand 36 und den Kondensator 39 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 zugeführt. Ist die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 kleiner als die Vergleichsspannung am nichtinvertierenden Eingang, dann wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 46 positiv und das Relais 56, welches durch den V-Mos-Transistor 55 angesteuert wird, fällt ab.

Wird die Glasscheibe während längerer Zeit bearbeitet, ohne daß sie bricht (Fall 3), dann wird der Kondensator 54 wie im Fall 1 aufgeladen, so daß die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 langsam steigt und einen bestimmten Wert erreicht. Gleichzeitig sind wie im Fall 2 negative Impulse am Kollektor des Transistors 27 vorhanden, welche dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 zugeführt werden, so daß eine Fehlmeldung erfolgen könnte.

Dies wird mittels des V-Mos-Transistors 33 verhindert. Vv'enn die positive Spannung des Kondensators 54 die Schwellenspannung des Transistors 33 erreicht, wird dieser leitend und überbrückt den Widerstand 29 und das Potentiometer 30, wodurch der Transistor 27 gesperrtwird.

Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt die Spannungen in Funktion der Zeit an den beiden Hingängen des Operationsverstärkers 46. Im Ruhezustand sind am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 (Gerade

A) 6 Volt und am nichtinvertierenden Eingang (Gerade

B) 1,5VoIt vorhanden. Die Kurve C zeigt den Verlauf der Spannung in Funktion der Zeit am nichtinvertierenden Eingang im Falle 1. Sobald die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 größer als diejenige am invertierenden Eingang wird, in wird ein Alarm ausgelöst. Die Kurve D zeigt den Verlauf der Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 im Falle 2. Sobald die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers kleiner als diejenige am nichtinvertierenden Eingang is wird, findet die Auslösung eines Alarmes statt. Im Falle 3 ist die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 durch die Kurve ß'dargestellt. Ohne V-Mos-Transistor 33 in der Schaltung wäre die Spannung am invertierenden Eingang durch die Kurve E dargestellt. Dieser Transistor verursacht jedoch, daß diese Spannung gleich der Ruhespannung bleibt, welche wie dargestellt größer als die Spannung am nichtinvertierenden Eingang ist, so daß kein Alarm ausgelöst wird.

Um die Sicherheit vor Sabotage der Vorrichtung durch magnetische Beeinflussung zu vergrößern, ist das Relais 56 durch ein zusätzliches Metallgehäuse abgeschirmt. Ebenso ist das Kunststoffgehäuse der Vorrichtung mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen. Dies ist eine wirkungsvolle Maßnahme gegen HF-Einstrahlungen.

Wie oben bereits angedeutet, sind die hier aufgezeigten Gedanken nicht auf Alarmsysteme für Glasscheiben beschränkt und lassen sich auch für Körper aus anderen. schallfortleitenden Materialien anstelle von Glas verwenden, etwa zur Überwachung von Körpern aus Kunststoff. Metall. Beton oder anderen Materialien.

Die Betriebsbereitschaft der beschriebenen Vorrichtung kann mittels eines nicht gezeigten Schallgebers geprüft werden, welcher eine Reichweite von ca. 2.5 m hat und auf dem zu überwachenden Körper angeordnet werden muß. Dieser Schallgeber weist einen Oszillator, einen Verstärker und ein piezoelektrisches Element auf, welche in einem ähnlichen Gehäuse wie dasjenige der Vorrichtung untergebracht sind. Die Ausgangsschall-Leistung kann stufenlos mitteis eines Potentiometers eingestellt werden. Die Prüfung der Betriebsbereitschaft der Vorrichtung findet periodisch statt.

50

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

55

60

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung eines zur Fortleitung von Schallwellen geeigneten Körpers, insbesondere zur Abgabe eines Alarmsignals, mit einem am Körper befestigten, piezoelektrischen Element (10), das die im Körper auftretenden Schallschwingungen in elektrische Signale umwandelt, einem ersten Signalpfad (A), der einen ersten Verstärker (1), einen zweiten Verstärker (2), einen Schwingkreis (3), einen Demodulator (4), ein Integrierglied (5) und eine Ausgangsstufe (6, 7) zum Erzeugen des Alarmsignales aufweist, einem zweiten Signalpfad (B), welcher vom ersten Verstärker (1) ausgeht und einen Impulsformer (8) aufweist, der mit der genannten Ausgangsstufe (6,7) verbunden ist, wobei das Ganze derart ausgebildet ist, daß der zweite Signalpfad (B) auf vom piezoelektrischen Element erzeugte Signale anspricht, deren Dauer kurz und Amplitude groß ist im Vergleich mit der Dauer und der Amptlidue der Signale auf welche der erste Signalpfad (A) anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Operationsverstärkers (46) in der Schaltstufe (6) als einen gemeinsamen Schwellenwertdetektor für beide Signalpfade (A, B), das Ausgangssignal des Integriergliedes (5) ein an den Impulsformer (8) angeschlossenes Sperrungselement (9) derart steuert, daß dieses bei einer vorgegebenen, unter der Ansprechschwelle der Ausgangsstufe (6,7) liegenden Ausgangsspannung des Integriergliedes (5) den Impulsformer (8) sperrt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrungselement (9) ein Transistor (33) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit des zweiten Signalpfades (B) mittels eines Potentiometers (30) für jeden überwachten Körper einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alarmrelais (7) der Ausgangsstufe durch ein zusätzliches Metallgehäuse gegen magnetische Beeinflussung abgeschirmt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunststoffgehäuse, in welchem die Vorrichtung angeordnet ist, mit einer elektrisch leitenden Schicht gegen HF-Einstrahlungen versehen ist.