Druckwelle als Alarmsignal Alarmdetektion einmal anders

In der professionellen Einbruchmeldetechnik übernehmen Öffnungskontakte und Glasbruchmelder den Schutz von Fenstern und Türen. Für einfache Warnmeldungen können aber auch andere physikalische Kenngrößen wie z.B. Infraschall verwendet werden.

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 genng 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 Einbmchmeldetechnik 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. Modeme Türen unterstützen diese Infraschall-Messwerterfassung. Die gut schließenden Türen mit Gummidichtung (Hauseingangstür, Wohnungsabschlusstür u.a.) 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 Dmcksensoren [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 aufgbaut 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.