Druckwelle beim Öffnen und Schließen von Fenstern und Türen löst Alarm aus Alarmdetektion einmal anders #####

In der professionellen Einbruchmeldetechnik bestimmen Melder und Detektoren maßgebend die Funktion und Fehlalarmsicherheit eines Systems. Für die Überwachung der Außenhaut – Türen, Fenster u.ä. – dienen Öffnungskontakte und Glasbruchmelder. Für die Raum-, Fallen- und Objektüberwachung werden Bewegungsmelder verwendet: passive Infrarot-Melder, Ultraschall- oder GHz-Doppler. Diese Sen-soren haben heute eine hohe Intelligenz, hohe Selektivität und eine geringe Täuschungsalarmrate [1]. Für einfache Warnmeldungen können aber auch andere physikalische Kenngrößen wie z.B. Infraschall verwendet werden.

Druckwelle beim Öffnen und Schließen von Fenstern und Türen löst Alarm aus

In der professionellen Einbruchmeldetechnik bestimmen Melder und Detektoren maßgebend die Funktion und Fehlalarmsicherheit eines Systems. Für die Überwachung der Außenhaut – Türen, Fenster u.ä. – dienen Öffnungskontakte und Glasbruchmelder. Für die Raum-, Fallen- und Objektüberwachung werden Bewegungsmelder verwendet: passive Infrarot-Melder, Ultraschall- oder GHz-Doppler. Diese Sen-soren haben heute eine hohe Intelligenz, hohe Selektivität und eine geringe Täuschungsalarmrate [1]. Für einfache Warnmeldungen können aber auch andere physikalische Kenngrößen wie z.B. Infraschall verwendet werden.

Jedem ist schon einmal aufgefallen, dass beim Öffnen oder Schließen einer Tür bzw. eines Fensters in einem anderen Raum die Tür ins Schloss fällt. Dieses Phänomen zeigt, dass in diesem Fall eine relativ hohe Druckwelle in den Räumen auftritt. Physikalisch gesehen handelt es sich hier um Infraschall (Frequenzbereich 0,1 Hz – 20 Hz), eine Größe die vom Menschen zwar nicht gehört, aber gefühlt werden kann. Damit kann der Infraschall durchaus als physikalische Kenngröße für die Detektion des Öffnens bzw. Schließens einer Tür oder eines Fensters herangezogen werden.

Infraschall hat eine große Reichweite, die Intensitätsabnahme ist gering und die Schwingungen werden kaum gedämpft. Experten rechnen, dass Infraschall noch in 5 km Entfernung auf den menschlichen Körper einwirken kann.

Der Vorteil dieser Infraschall-Detektion ist, dass kein direkter Sichtkontakt zwischen der Infraschallquelle und dem Detektor bestehen muss. So reicht zum Beispiel ein zentral im Haus angeordneter Infraschall-Sensor aus, um das Öffnen oder Schließen der Tür im Hauseingang, im Kinderzimmer oder im Keller zu erfassen.

Man muss jedoch auch klar sagen, dass ein Melder dieser Art für eine professionelle Einbruchmeldetechnik nur bedingt einsetzbar ist. Da nur dynamische Druckänderungen erfasst werden, müssen die Türen und Fenster „normal“ geöffnet werden, um eine auswertbare Druckänderung hervorzurufen. Ein bewusst langsames Öffnen oder Schließen reduziert die Druckänderung und lässt keine Auswertung der Signalamplitude zu. Moderne Türen unterstützen diese Infraschall-Messwerterfassung. Die gut schließenden Türen mit Gummidichtung (Hauseingangstür, Wohnungsabschlusstür u.ä.) haben dadurch eine leichte mechanische Vorspannung und führen bei normaler Betätigung – nahezu immer – zu einem Signalpegel in ausreichender Höhe für die Auswertung.

Messprinzip und Schaltungsrealisierung

Als geeignete Messwertumformer zur Wandlung der Druckänderung in eine proportionale Spannung können Dehnungsmessstreifen oder piezoresistive Drucksensoren [2] verwendet werden. Beide haben eine hohe Empfindlichkeit und Linearität sowie ein gutes Auflösungsvermögen und liefern eine hohe druckproportionale Spannung. Nachteilig sind deren Kosten und der relativ hohe Schaltungsaufwand. Da für den geschilderten Fall nicht eine Absolutmessung des Schalldruckes notwendig ist, sondern nur die Erfassung und Auswertung von langsamen Druckänderungen, eignet sich als Messwertumformer auch ein preiswertes, handelsübliches Elektretmikrofon (Elektret-Mikrofonkapsel). Die Mikrofon-Membrane ist extrem leicht aufgebaut und kann somit auch kleinsten Schallwellen folgen. Der auftretende Schalldruck verformt die Elektretmembrane, ändert damit die Kapazität und die auf der Membrane befindliche Ladung. Handelsübliche Elektretmikrofone sind in einem Metallgehäuse gekapselt und haben bereits einen selbstleitenden JFET als Ladungsvorverstärker integriert.

Die komplette Schaltung des Messwertumformers zeigt Bild 1. Die Verstärkung erfolgt mit einem einstufigen Wechselstromverstärker. Der Arbeitspunkt des Verstärkers wird gleichstrommäßig mit R1 = R2 = 2,2 MΩ auf UB/2 eingestellt. Die Gegenkopplung ist nur bei Wechselspannung wirksam – Drift, Änderungen am Sensor machen sich am Ausgang nicht bemerkbar. Vernachlässigt man Offsetspannung und Offsetstrom, so ist die Ausgangsspannung am Operationsverstärker in Ruhe ebenfalls UB/2. Das Übertragungsverhalten des Verstärkers entspricht einem Bandpass mit einem Übertragungsmaximum bei ca. 2 Hz (v = 32), so dass tiefer- und höherfrequente Schallwellen gedämpft werden. Das Elektretmikrofon wird über einen Lastwiderstand RL an die Betriebsspannung gelegt. Damit eine symmetrische Signalaussteuerung möglich ist wählt man den Arbeitspunkt bei ca. UB/2. Je nach Kapseltyp ist der Lastwiderstand entsprechend zu wählen (typische Werte liegen bei UB = 10 V zwischen 10 kΩ und 15 kΩ). Die Ankopplung an das Elektretmikrofon erfolgt mit dem Kondensator C1 = 100 nF.

Analyse und Interpretation der Messergebnisse

Mit diesem Messumformer aufgezeichnete typische Signalverläufe in einem Gebäude zeigen die Bilder 2a bis 2d. Selbst mit der relativ einfachen Signalaufbereitung erhält man ein Nutzsignal mit hohem Informationsgehalt – Signalverlauf, Amplitude, Impulsbreite, Periodendauer. Mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik kann man daraus eine einfache Warnanlage realisieren.

Um sich mit dem Messwertumformer vertraut zu machen, empfiehlt es sich, einmal selbst Versuche durchzuführen, eigene Signalamplituden aufzunehmen und diese zu bewerten. Wichtig scheinen auch die Signalverläufe bei Gewitter, vorbeifahren-den LKWs, offenen Kaminen u.ä. zu sein.

Eine mögliche Signalauswertung mit nur zwei ICs (TL064, MC14093) zeigt Bild 3. Für die Signalbewertung gelten als Kriterien:

  • Größe der Signalamplitude URef– > Um > URef+
  • Digitalisierte Impulsbreite eines ±-Signalverlaufes (tI > 200 ms)
  • Messintervall (tD ~ 450 ms) – entspricht der Betrachtungszeit für einen aussagefähigen Signalverlauf

Die Auswertung der Signalamplitude erfolgt mit den beiden Spannungskomparatoren OP2 und OP3. Übersteigt bzw. unterschreitet die Ausgangspannung des OP1 die Referenzspannung URef+ bzw. URef–, wird der Ausgang der OPs „low“. Die negative Flanke triggert die monostabile Kippstufe mit den Gattern G3 und G4 und startet damit das Messintervall (tD ~ 450 ms). Gleichzeitig wird der Kondensator C4 für die Aufladung über R9 freigegeben. Solange der Ausgang  von OP2 bzw. OP3 „low“ ist, erfolgt die Aufladung von C4. Positive Spannungsspitzen, die während der Polaritätsänderung des Signalverlaufes auftreten, werden ignoriert.

Wird die Spannung am Kondersator C4 innerhalb eines Messintervalls tD kleiner als URefs, schaltet OP4 auf „low“ und triggert mit seiner negativen Flanke die monostabile Kippstufe (G1 – G2) für die Alarmmeldung. Die Alarmdauer ta kann mit P1 kontinuierlich von 1 s bis 10 s einstellt werden. Nach Ablauf der Messzeit wird die Spannung an C4 wieder auf Null gesetzt und erst dann wieder zur Aufladung freigegeben, wenn die Signalamplitude URef– > Um > URef+ wird. Solange der Alarmausgang gesetzt ist, sperrt die Diode D5 den Start einer neuen Auswertung.

Intelligentere Lösungen lassen sich nur sinnvoll mit Mikroprozessoren realisieren. Bild 4 zeigt eine mit möglichst wenig Bauteilen realisierte Schaltung unter Verwendung des programmierbaren Prozessors Micro C-Control1 von Conrad Electronic [3]. Dieser Mikroprozessor hat vier A/D-Umsetzer integriert, einen unabhängigen Timer mit einer Taktzeit von 20 ms, wird in BASIC programmiert und ermöglicht deshalb ohne großen Aufwand die Realisierung einer brauchbaren intelligenten Auswertung. Nach dem Einschalten (S1) läuft eine fest eingestellte Verzögerungszeit ab, die durch eine blinkende LED angezeigt wird. Nach Ablauf der Einschaltverzögerung leuchtet die LED permanent und der Mikroprozessor ist bereit zur Signalauswertung. Mit dem Schalter S2 ist eine Vorwahl der Ansprechempfindlichkeit in zwei Stufen möglich – Detektionsentfernung kleiner oder größer 10 m. Mit P1 wird die Alarmdauer zwischen 10 s und 60 s eingestellt.