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Hochfrequenz im Einsatz

Vor gut drei Jahrzehnten behauptete eine Zeitung, Ingenieure in den USA hätten nach einem neuen Prinzip ein Gerät entwickelt, mit dem man die Bewegung eines Menschen in ein paar Meter Entfernung feststellen könne. Das im Folgenden beschriebene Gerät erfüllt einen solchen Zweck.

Keine Infrarotstrahlung und auch keine Radarwellen seien es, sondern die Bioströme, die an jeder Bewegung beteiligt sind, strahlen ab und könnten mit einer Antenne empfangen werden...

Ich war damals als Student der Nachrichtentechnik an der Ingenierschule in Siegen auch aktiv in der dortigen Amateurfunk-Arbeitsgemeinschaft. Nach mehreren Einbrüchen in unsere Clubräume und auch in verschiedene Laborräume beschäftigten wir uns intensiv mit neuen physikalischen Wirkprinzipien in der Sicherungstechnik. Es gab auch Kontakte mit dem Rubensmuseum im Oberen Schloss in Siegen, die ebenfalls brauchbare Alarm-Geräte mit geringer Fehlerrate suchten. So waren wir sehr neugierig auf das neue amerikanische Prinzip, konnten jedoch keine Einzelheiten erfahren.

Der Mensch besteht zu zwei Dritteln aus Wasser mit viel Salz darin; er ist also gut leitfähig und dürfte seine Bioströme nach außen gut abschirmen. Wäre das nicht so, brauchte man zur Messung von EKG und EEG keine Elektroden anzulegen. Es musste also etwas anderes sein, was die Wissenschaftler in den USA herausgefunden hatten, falls die Meldung überhaupt den Tatsachen entsprach.

Was es sein konnte, wurde mir ein paar Tage später an einem heißen Sommertag schlagartig klar, als ich versuchte, die Tür meines alten VW-Käfers aufzuschließen. Fernbedienung gab es noch nicht. Der Funke knisterte und ich zuckte zurück. Werden zwei sich berührende Isolierstoffe, die unterschiedliche Austrittsarbeit haben, voneinander getrennt, so hat der eine Elektronenüberschuss und der andere Elektronenmangel.

Es entsteht eine Ladungsdifferenz dQ. Wenn die Entfernung der beiden Stoffe zueinander wächst, nimmt die Kapazität C ab. Wegen U=dQ/C steigt die Spannung. Schlurft man mit Filzpantoffeln über einen Teppich, sind bereits 100kV zu erreichen. Die Spannung hängt unter anderem davon ab, wie innig sich die Stoffe vor der Trennung berührt hatten. Reiben sorgt für eine besonders innige Berührung, und von daher hat die Erscheinung ihren Namen.

Bild 1: Statiksensor mit aufgesteckter Teleskopantenne, links daneben die Anzeigeeinheit; bei dem Messgerät muss der Nullpunkt in der Mitte liegen.

Der Aufbau

Eine Versuchsschaltung mit ein paar Feldeffekttransistoren war schnell aufgebaut und bestätigte unsere Vermutung. Bild 4 zeigt dazu eine moderne Lösung. IC1 ist als Impedanzwandler geschaltet, verstärkt also nicht. Den TLC271 (Eingangswiderstand 1TOhm) haben wir gewählt, weil seine Eingänge bis 2kV spannungsfest sind. Für R2 könnten statt der 10GOhm auch 100GOhm eingesetzt werden, aber dann braucht der OPV zu lange, bis er sich von einer Übersteuerung erholt hat. R1 ist genau aus diesem Grund nötig, denn beim Vorführen vor Laien fasst garantiert einer die Antenne an. Schaden nimmt IC1 davon aber nicht.

Wegen des hochohmigen Eingangs sollte man die Schaltung nicht gerade auf einer billigen Hartpapierplatine aufbauen. Lackieren der Leiterbahnen als Schutz gegen Feuchtigkeit kann vorteilhaft sein, vorausgesetzt, man kennt den Lack.
Der dreigliedrige Tiefpass R4...6/C1...3 soll das allgegenwärtige Netzbrummen dämpfen. Hier ist sicher ein aktives Filter mit steileren Flanken besser, aber zum Nachweis des Effekts reicht die einfache Schaltung aus. IC2 verstärkt Änderungen der Ausgleichsspannung von IC1, daher auch das Differenzierglied C4/R7.
Als Anzeige lässt sich jedes Oszilloskop verwenden. Sehr wirkungsvoll ist eine Aussteuerungsanzeige mit LEDs; einfacher ist das Drehspulmesswerk mit Schutzdioden gemäß Bild5. Es hat gegenüber einer LED-Zeile den Vorteil, das Restbrummen mechanisch sehr stark zu dämpfen. Weil beide Polaritäten vorkommen, empfiehlt sich ein Instrument mit Nullpunkt in der Mitte, z.B. PM 2-50MikroAmpere [1].

Bild 2: Geöffnetes Gehäuse.

Der Versuchsbetrieb

Als Antenne genügt ein 40cm langer senkrechter Stab. Eine längere bringt zwar mehr herein, aber eben auch mehr Brummen. Als Sender eignet sich am besten ein gut isolierender Untergrund, Teppich z.B. und Schuhe, nicht gerade mit Ledersohle. Dann stelle man sich etwa 2 m vor die Antenne und warte bewegungslos ab, bis sich die Anzeige beruhigt hat.
Bereits das Heben des großen Zehs im Schuh wird vom Indikator erfasst! Das schafft kein anderer Bewegungsmelder. Eine Erdung oder Nullung der Schaltung ist allerdings unabdingbar. Wenn es um Hochfrequenz geht, weiß das jeder Funkamateur. Für Statik gilt nichts anderes.

Auf eine Schwierigkeit sei hier hingewiesen: Höchstohmwiderstände sind nur schwer zu beschaffen. Aus DDR-Produktion stammende 10-GOhm-Widerstände hatten 5mm Durchmesser und waren 50 mm lang. Conrad und ELV haben nichts Vergleichbares, und selbst Oppermann macht bei 2,2 GOhm Schluss (13 mm Durchmesser und 88 mm lang). Auch das Internet hatte nichts zu bieten. Hier sind findige Schüler gefragt.

Der erste Einsatz

Als unser damaliger Dozent für Hochfrequenztechnik vor 30 Jahren von unserem Versuch erfuhr, fragte er, ob wir mit dem Gerät nicht den Rubenssaal im Museum Siegen (der Leiter war sein Kegelfreund) sichern könnten. In dem Saal hingen gut ein Dutzend Gemälde, jedes im Wert von unvorstellbaren Summen, aber der Raum war völlig unzureichend gesichert.

Der Saal war etwa 100 m2 groß. An seiner Decke hing ein wuchtiger Kronleuchter aus Messing, der gut zu der ehrwürdigen Bestuhlung und den ernst aus ihrem Goldrahmen herunterblickenden Gemäldefiguren passte. Dieser diente uns nunmehr als Antenne. Als Signalauswertung hatten wir einen Schreiber installiert, der eine Tintenspur auf das langsam abrollende Papier zeichnete.

Meine (älteren) Lehrerkollegen und Kolleginnen kennen diese Dinger sicher noch. Wer es nicht mehr weiß, erinnere sich an alte Filme, in denen Lügendetektoren auf ähnliche Tintenschreiber aufzeichnen.

Die Überwachungsanlage lief ausschließlich nach Museumsbesuchsende. Die Tintenspur zeigte lediglich leichte Schwankungen, verlief ansonsten gerade. Nur mitten in der Nacht waren oft heftige Ausschläge abzulesen. Wir dachten zuerst an kalte Lötstellen, defekte FETs oder Kondensatoren mit Kriechströmen, aber fanden keinen Fehler. In der nächsten Woche das gleiche Ergebnis. Eine Woche später hatten wir den Schreiber außen an die Saaltür gehängt und uns auf die Lauer gelegt. Und tatsächlich, mitten in der Nacht schlug der Schreiber aus, obwohl kein Mensch den Saal betreten hatte. Wir hatten lange gegrübelt, kamen uns wie Detektive vor, die eine Spur suchten. Die Lösung war wie so oft verblüffend einfach:

Unsere Antenne hing an der Decke des Saales. Diese bestand aus Holz, und der Raum darüber war offensichtlich der große Schlafsaal der ebenfalls im oberen Schloss untergebrachten Jugendherberge....

Auf unseren Lösungsvorschlag, unter den Teppich eine geerdete Aluminiumfolie zu legen, wollte man sich nicht so richtig einlassen...

Bild 3: Anzeigeeinheit inklusive Stromversorgung in geöffnetem Zustand

Verbesserung der Empfindlichkeit

Höhere Verstärkung, steilere Filterung und eine längere Antenne dürften die Ziele sein. Aber ob eine Maßnahme die Empfindlichkeit tatsächlich steigert, ist mit dem großen Zeh wohl kaum sicher nachzuweisen. Man brauchte ein objektives Messverfahren. Kemo [2] stellt kleine Hochspannungsgeneratoren her. Einen für 6 V, einen für 12 V. Der erste pulst zu schnell, aber beim zweiten betragen die Pulsabstände etwa 360 ms. Das ist brauchbar. Wird der Hochspannungsausgang an eine Stabantenne angeschlossen (Erdung nicht vergessen), hat man eine zuverlässige Signalquelle.

Behalten Sende- und Empfangsantenne immer ihre Längen und verändert sich der Abstand nicht, ist mit stabilen Verhältnissen zu rechnen. Beobachtende Personen sollten freilich ausreichenden Abstand einhalten.

Mit steigender Entfernung zwischen Sender und Empfänger nimmt die Feldstärke rasch ab. Wegen der sehr großen Wellenlänge (es geht um 10 bis 20 Hz), befindet man sich im Nahfeld, das eine 1/r-, eine 1/r2- und eine 1/r3-Komponente hat. Die stärkste ist die 1/r3-Komponente, die anderen sind vernachlässigbar. Also sind bei doppelter Entfernung nur noch 1/8 der Amplitude zu erwarten.

Anwendungen in unserer Schule

Wer sein Haus rundum vor Einbruch und Vandalismus schützen will, installiert normalerweise eine Menge Magnetkontakte an Türen und Fenstern, Glasbruchmelder, Fußmatten mit Kontakten und Bewegungsmeldern an seinen Picassos. Bewegungsmelder reagieren aber auf jeden im Raum, nicht nur auf jemanden, der gerade dabei ist, den Picasso aus dem Rahmen zu schneiden. In Museen und Galerien sind solche Melder wegen des Publikumsverkehrs unbrauchbar. Jeder der genannten Sensoren muss an ein Kabel angeschlossen sein.

Man installiere die Kabel nun genau so, nur unter Weglassung aller Sensoren! Das gut geschirmte Kabel wird statt der Antenne an den Statiksensor, der in einem dichten Metallgehäuse steckt, angeschlossen. Das Kabel kann durchaus länger als 20 m sein. Sobald es berührt, gedrückt oder gebogen wird, schlägt die Anzeige aus. Das ganze Kabel ist ein einziger Sensor.

In der Galerie wird es hinter den Gemälden an der Wand entlang geführt. Eine kaum sichtbare Angelschnur wird hinten an die Leinwand geklebt, nicht an den Rahmen. Diebe lassen die leeren Rahmen hängen, Holz interessiert sie nicht. Das andere Ende wird an das Kabel geknotet. Sobald an der Schnur gezogen wird, gibt es Alarm.

Wie Fenster, Fensterbretter, Türen und Teppiche zu sichern sind, lässt sich nun leicht denken.

Und hier kommt nun meine Bitte an unsere pfiffigen und findigen Schülerinnen und Schüler:

Nachdem nun schon öfter Fahrräder geklaut wurden, Autos beschädigt wurden, in die PC-Räme eingestiegen und Beamer abgeschraubt und mitgenommen wurden, fehlt uns eine wirkungsvolle Absicherung. Wenn ihr meiner Erzählung bisher genau gefolgt seid, solltet ihr eigentlich auch brauchbare Vorschläge für den Einsatz meiner Anlage machen können. Wer will, schreibt sie mir als Mail, in unserem Board kann man dazu auch einen Thread eröffnen. Ich freue mich schon auf eure Beiträge!

Horst Reinhardt (re [at] gso-koeln.de) am 01. April 2006

Literatur und Bezugsquellennachweis
[1] Reichelt Elektronik: Tel. (04422)955333; www.reichelt.de
[2] Kemo-Electronic GmbH: Leher Landstr. 20, 27607 Langen; www.kemo-electronic.com

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