PROCESS AND DEVICE FOR MEASURING THE CAPACITANCES OF A CAPACITIVE FENCE

Abstract: 1. A method of measuring the capacitances of a capacitive protective fence, wherein the individual subsidiary capacitances between the electrodes or the individual subsidiary self-capacitances between one electrode and earth are measured from a central control, the time curves of the individual capacitance changes are analysed, and an alarm criterion formed to drive an alarm device which responds to capacitance changes, characterised in that both the individual subsidiary capacitances (CSE1 ...) between the electrodes (E1, E2, ...) and the individual subsidiary self-capacitances (CE1, CE2, ...) between one electrode (E1, E2, ...) and earth are measured, the time curves of the individual capacitance changes are stored, and an alarm signal is derived from the logic link between the individual capacitance changes.

Description: Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Teil- und/oder Eigenteilkapazitäten an einem kapazitiven Schutzzaun. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Teil- und/oder Eigenteilkapazitäten an einem kapazitivem Schutzzaun, wobei von einer Zentrale aus die Teilkapa zutaten der Elektroden gemessen werden und mit einer Differentialbrtickenschaltung eine auf Kapazitätsänderungen ansprechende Alarmeinrichtung angesteuert wird. Frir einen sicheren Objektschutz wird häufig zusätzlich zum Gebäude schutz die Umgebung beispielsweise mit einem Schutzzaun abgesichert. Damit soll ein unbefugtes Eindringen verhindert, zumindest aber erschwert werden. Um ein unbefugtes Eindringen zu erkennen, werden kapazitive Schutzzäune, die bei einem Annähern oder bei einem Durchdringen seitens eines Eindringlings einen Alarm auslösen, errichtet. Besonders überwachungsbedürftige und gefährdete Objekte, z.B. Kernkraftwerke, militärische Anlagen, bedürfen einer äusserst sicheren Raumschutzanlage. Solche Raunschutzanlagen, insbesondere Freilandanlagen, sind gewissen störenden Umwelteinflüssen ausgesetzt, so dass die Störempfindlichkeit verhältnismässig gross ist und häufig Fehlalarme ausgelöst werden. Raumschutzanlagen müssen daher so aufgebaut sein, dass die anzuzeigenden Effekte sicher, Störungen jedoch nicht zum Alarm führen. Störende Umwelteinflüsse können beispielsweise Drahtverdickungen durch Regen oder Rauhreif, Verschiebung der Erdfläche durch Schnee und Feuchtigkeit, oder Drahtauslenkungen durch Wind und sich im elektrostatischem Feld bewegende Teile, z.B. Umfassungszäune, sein. Üblicherweise werden die Teilkapazitäten zwischen Sendeund Empfangselektroden gemessen und über eine Differentialbrücke die resultierende Differenz dieser Teilkapazität ausgewertet (z.3. DE-PS 1 220 289). Dadurch können symmetrisch auftretende Umwelteinflüsse eliminiert werden. Aus dieser resultierenden K'apazitätsdifferenz wird ein Alarm abgeleitet. Dabei wird entweder durch eine sprunghafte Kapazitätsänderung einer bestimmten Grösse oder durch eine stetige Kapazitätsänderung mit definierter Änderungsgeschwindigkeit ein Alarm ausgelöst. Diese relativ einfachen Alarmkriterien bedingen aber auch eine geringe Störsicherheit. Um einen Eindringling sicher erkennen zu können, kann man bei einer derartigen Anlage die Ansprechempfindlichkeit erhöhen. Dies bringt aber im allgemeinen mit sich, dass die Störempfindlichkeit auch grösser wird, d.h. die Störsicherheit erniedrigt' sich. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Messverfahren für kapazitive Schutzzäune der obengenannten Art anzugeben, das die Störsicherheit erhöht, ohne dabei die Alarmempfindlichkeit zu reduzieren. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass jeweils die einzelnen Teilkapazitäten zwischen den Elektroden und/ oder die einzelnen Eigenteilkapazitäten zwischen einer Elektrode und Erde gemessen, die Zeitverläufe der einzelnen Kapazitätsänderungen gespeichert und ausgewertet werden, und dass daraus ein Alarmkriterium abgeleitet wird. Bei diesem Verfahren werden Jeweils die einzelnen Teilkapazitäten zwischen Sende- und Empfangselektroden gemessen. Ebenso werden die einzelnen Eigenteilkapazitäten, das sind die Kapazitäten zwischen Jeweils einer Elektrode und Erde, gemessen. Die Werte der in zeitlicher Reihenfolge gemessenen einzelnen Kapazitäten werden gespeichert, aus der zeitlichen Veränderung der Kapazitätswerte wird mit an sich bekannten Vergleichseinrichtungen und logischen Verknüpfungen ein Alarmkriterium abgeleitet. Diesem Verfahren kann entweder die Teilkapazitätsmessung oder die Eigenteilkapazitätsmessung zugrunde liegen. Es können auch beide Verfahren kombiniert werden. Damit kann die Redundanz der Alarmaussage und damit die Störsicherheit beträchtlich erhöht werden. In vorteilhafter Weise wird man zur Messung der einzelnen Teilkapazitäten zwischen zwei benachbarten Elektroden eine Elektrode an den Sender, die andere Elektrode an den Empfänger schalten. Alle restlichen Elektroden werden, um nur die zu messende Kapazität zu erfassen, mit dafür vorgesehenen Schaltvorrichtungen an Erde geschaltet. Diese Anschaltung wird Jeweils. für ein Elektrodenpaar vorgenommen, während die übrigen Elektroden geerdet sind. Die Werte der gemessenen Teilkapazitäten werden abgespeichert und ausgewertet. Zur Messung der Eigenteilkapazität der einzelnen Elektroden wird man zweckmässigerweise mittels Schaltvorrichtungen zeitlich nacheinander Jeweils eine Elektrode niederohmig mit dem Sender verbinden und alle übrigen Elektroden direkt an den Sender schalten, der mit seinem zweiten Anschluss geerdet ist. Der zur Sendeelektrode fliessende Strom kann beispielsweise mittels eines Ubertragen gemessen und daraus die Eigenteilkapazität bestimmt werden. Ebenso wie bei der Teilkapazitätsmessung lässt sich auch hier aus den Änderungen der einzelnen Eigenteilkapazitäten bzw. aus dem zeitlichen Verlauf der einzelnen Eigenteilkapazitätsänderungen ein Alarmkriterium ableiten. An Ausführhngsbeispielen soll anhand von Zeichnungen das erfindungsgemässe Messverfahren erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 eine prinzipielle Schaltvorrichtung zur Teilkapazitätsmessung, Fig. 2 eine prinzipielle Schaltvorrichtung zur Eigen teilkapazitatsmessung und Fig. 3 ein Drei-Elektroden-System mit einer Kapazitäts- änderung (Störung) an einer Elektrode. In Fig.1 sind die Elektroden EI bis En eines kapazitiven Schutzzaunes dargestellt. Mit einer ersten Schaltvorrichtung SS wird Jeweils eine Elektrode, im Ausfiihrungs- beispiel E4, an den Sender SEN geschaltet. Der Sender SEN ist mit seinem zweiten Anschluss geerdet. Mit einer zweiten Schaltvorrichtung SE wird Jeweils eine' andere Elektrode, hier Elektrode E3, an den Empfänger EMP geschaltet. Der Empfänger EMP ist mit seinem zweiten Anschluss ebenfalls geerdet, Alle übrigen Elektroden EI,E2,En sind mit Jeweils weiteren Schaltvorrichtungen 51 bis Sn geerdet. Davon ausgenommen sind die Elektroden E3 und E4, deren Schalter S3 und S4 geoffnet sind. Bei hinreichend kleinem Innenwiderstand von Sender SEN und Empfänger EMP ist der in den Empfänger EMP fliessende Messstrom IM proportional der Teilkapazität zwischen beiden gemessenen Elektroden. Die vom Empfänger EMP gemessene Teilkapazität zwischen#Sendeelektrode E4 und EmpSangselek.trode E3 wird in einen Speicher übertragen, was hier aber nicht dargestellt ist. Hier soll nur das Grundprinzip veranschaulicht werden. Eine an die Elektroden angeschlossene Mess- und Auswerteeinrichtung kann einen Mikrocomputer aufweisen, der ein zyklisches Anschalten der Jeweiligen Elektroden an den Sender bzw. Empfänger, die Messung der einzelnen Teilkapazitäten und das Abspeichern der gemessenen Kapazitätswerte steuert und die Vergleiche und logischen Verknüpfungen der Messwerte durchführt und daraus ein Alarmkriterium ableitet. In Fig.2 wird ein Schaltbeispiel zur Eigenteilkapazitätsmessung gezeigt. Es wird jeweils nur die Kapazität zwischen einer Elektrode und Erde gemessen. Dabei ist der Sender SEN einerseits geerdet und andererseits mit seinem Messpotential M mittels einer Primärwicklung W1 eines Ubertragers U über die Schaltvorrichtung SS an eine zu messende Elektrode, z.B. E3, angeschlossen. Alle übrigen Elektroden Ei bis En, ausgenommen die Elektrode E3, sind mit weiteren Schaltvorrichtungen S1 bis Sn (SD geöffnet) an Messpotential R des Senders SEN gelegt. Der durch die Primärwicklung W1 des Ubertragers U fliessende Messstrom IM ist bei hinreichend kleinem Innenwiderstand des Ubertragers U der Eigenteilkapazität der gemessenen Elektrode proportional. An der Sekundärwicklung W2 des Ubertragers Ü wird mittels des induzierten Messstroms IM' die Eigenteilkapazität abgegriffen und zur Weiterverarbeitung weitergeleitet, was hier nicht dargestellt und erläutert ist. In Fig.3 sind drei Elektroden dargestellt, von denen die erste und dritte Elektrode, Ei und ED, als Empfangselektrode und die mittlere Elektrode E2 als Senderelektrode betrieben werden. Es wird Jeweils die Eigenteilkapazität oder die Teilkapazität gemessen. Zwischen der Elektrode El und Erde wird die Eigenteilkapazität CE1, zwischen der Elektrode E3 und Erde wird die Eigenteilkapazität CE3 gemessen. Zwischen der Sendeelektrode E2 und der Empfangselektrode E7 wird die Teilkapazität CSE1 und zwischen der Sendeelektrode E2 und der Empfangselektrode E3 wird die Teilkapazität CSE3 gemessen. Es sei nun angenommen, dass eine Störung durch beispielsweise einen auf der Elektrode El aufsitzenden Vogel verursacht wird. Dies führt zu einer Elektrodenverdickung (mit einem gestrichelten Kreis dargestellt) der Elektrode Ei, darf aber keinen Alarm auslösen. Die Teilkapazität CSE1 zwischen Empfangselektrode El und Sendeelektrode E2 vergrössert sich, während die Teilkapazität CSE3 zwischen der Empfangselektrode E3 und der Sendeelektrode E2 annähernd unverändert bleibt. Ebenso verhält es sich bei den Eigenteilkapazitäten. Die Eigenteilkapazität CE3 bleibt etwa konstant, während sich die Eigenteilkapazität CE1 vergrössert. Ein sich dem Schutzzaun nähernder Eindringling würde beide Teil- bzw. Eigenteilkapazitäten verändern. Ein bekanntes Auswerteverfahren, das nur den Absolutwert der Differenz der TeilkapazitätenlCSEt - CSE3i bewertet, würde einen Alarm auslösen, weil mit den bekannten Messverfahren nicht unterschieden werden kann, ob ein Eindringling (Alarm) oder nur Verdickung einer Elektrode (Störung!) vorliegt. Es ändert sich in beiden Fällen, sowohl bei der"'Te#i#lkapazitäts- als auch bei der Eigenteilkapazitätsmessung, die resultierende Kapazitätsdifferenz. 2 . , < t; t Mit dem erfindungsgemässen Messverfahren kann hingegen Jeweils die Teil- und/oder Eigenteilkapazität einzeln gemessen und ausgewertet werden. Daraus resultiert in diesem betrachteten Fall, dass die Kapazitätsänderung eindeutig der ersten Elektrode El zuzuordnen ist und somit eine Störung und kein Alarm vorliegt. Damit ergibt sich aufgrund der Einzelkapazitätsmessung eine erhöhte Störsicherheit. Man kann nun beide Messverfahren bzw. beide Schaltungs- anordnungen kombinieren. Bewertet, vergleicht und kombiniert man die gewonnenen Messergebnisse beider Verfahren, so lässt sich die Störsicherheit noch weiter erhöhen. Betrachtet man zudem die Zeitverläufe der einzelnen Kapazitätsänderungen und wertet diese aus, so lässt sich die Störsicherheit ebenfalls noch weiter erhöhen, denn für einen Eindringling gibt es charakteristische Zeit kapazitätsverläufe, die sich gegenüber den Zeitverläufen von Störungen gravierend unterscheiden. 3 Figuren 8 Patentansprüche

Claims: Patentans#rüche: 1. Verfahren zur Messung der Teil- und/oder Eigenteilkapazitäten an einem kapazitiven Schutzzaun, wobei von einer Zentrale aus die Teilkapazitäten der Elektroden gemessen werden und mit einer Differentialbrücken- schaltung eine auf Kapazitätsänderungen ansprechende Alarmeinrichtung angesteuert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jeweils die einzelnen Teilkapazitäten zwischen den Elektroden und/oder die einzelnen Eigenteilkapazitäten zwischen einer Elektrode und Erde gemessen, die Zeitverläufe der einzelnen Kapazitätsänderungen gespeichert und ausgewertet werden, und dass daraus ein Alarmkriterium abgeleitet wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der einzelnen Teilkapazitäten zwischen zwei Elektroden (E3 und E4) eine Elektrode (E4) an einen Sender (SEN), eine andere Elektrode (E3) an einen Empfänger (EMP) einer Messeinrichtung und alle anderen Elektroden (El, E2, En) auf Erdpotential geschaltet werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der einzelnen Eigenteilkapazitäten zwischen einer Elektrode (E3) und Erde die Elektrode (E3) niederohmig (EMP bzw. Wi) an einen Sender (SEN) und alle anderen Elektroden (El, E2, E4,En) direkt an den Sender (SEN) einer Messeinrichtung geschaltet werden. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Teil- und/oder Eigenteilkapazitäten der Reihe nach gemessen und zur Auswertung einem Mikrocomputer zugeführt werden, wobei der Mikrocomputer die Steuerung der Kapazitätsmessungen, das Speichern der gemessenen Kapazitätswerte, das Auswerten der Zeitverläufe der einzelnen Kapazitätsänderungen und das Weiterleiten der Daten übernimmt. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die einzelnen Teilkapazitäten als auch die einzelnen Eigenteilkapazitäten gemessen werden und aus der logischen Verknüpfung der einzelnen Kapazitätsänderungen ein Alarmsignal abgeleitet wird. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sender (SEN), ein Empfänger (EMP) und Schaltvorrichtungen (ss, SE, 81 bis Sn) vorgesehen sind, mit denen wahlweise die Elektroden (E1 bis En) an den Sender (SEN), an den Empfänger (EMP) und auf Erdpotential schaltbar sind. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (SEN) und der Empfänger (EMP) mit Jeweils einem ersten Anschluss auf Erdpotential liegen, dass mit einer ersten Schaltvorrichtung (sps) der zweite Anschluss des Senders Jeweils an eine Elektrode (El bis En; z.3. E43 anschaltbar ist, dass mit einer zweiten Schaltvorrichtung (SE) der zweite Anschluss des Empfängers (EMP) jeweils an eine Elektrode (Ei bis En; z.B. E3) anschaltbar ist, und dass mit weiteren Schaltvorrichtungen (81 bis Sn) die nicht beschalteten Elektroden (z.B. El,E2,En) auf Erdpotential schaltbar sind. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (SEN) und der Empfänger (EMP bzw. VJ1) mit Jeweils einem Anschluss gemeinsam auf Messpotential (M) liegen, dass der Sender (SEN) mit seinem zweiten Anschluss auf Erdpotential liegt, der Empfänger (EMP bzw. W1) mit einer ersten Schaltvorrichtung (SS) Jeweils an eine Elektrode (z.B. E3) anschaltbar ist, und dass mit weiteren Schaltvorrichtungen (S1 bis Sn) die nicht beschalteten Elektroden (El, E2, E4,# En) auf Messpotential (M) schaltbar sind.

Inventors: METZNER, UWE, THILO, PEER, DR.ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: G01R27
IPC codes: G01R27