DE2113556B2

DE2113556B2 - Berührungslos beeinflufibare Steuereinrichtung, insbesondere zur Steuerung sanitärer Anlagen

Info

Publication number: DE2113556B2
Application number: DE2113556A
Authority: DE
Inventors: Horst Karlheinz 4951 Vennebeck Buesching; Karl 7758 Meersburg Geist; Klaus 7778 Markdorf Kratzmeier
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1971-03-20
Filing date: 1971-03-20
Publication date: 1978-07-20
Also published as: DE2113556A1; DE2113556C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine berührungslos beeinflußbare Steuereinrichtung, insbesondere zur Steuerung sanitärer Anlagen, mit einem Oszillator und einer Sonde, bei der bei Annäherung wenigstens eines Teiles des menschlichen Körpers an die Sonde durch die dabei infolge der Änderung einer Erdkapazität hervorgerufene Bedämpfung des Sondenfeldes zeitverzögert eine Schaltfunktion auslösbar ist. Eine derartige Steuereinrichtung ist bekannt (DE-OS 18 10 653).

Bei einem bekannten Annäherungsschalter (DE-OS 13611) wird durch Annäherung bzw. Entfernung eines Steuerkörpers an die Induktivität eines Oszillators dessen Schwingkreisfrequenz geändert, was für die Auslösung eines Schaltvorgangs ausgenützt wird. Als Steuerkörper wird hierbei ein bestimmter Ferritkörper zur Auslösung der gewollten Schaltvorgänge benutzt. Zur Steuerung sanitärer Einrichtungen ist dieser Annäherungsschalter nicht verwendbar, weil bei solchen sanitären Einrichtungen lediglich durch die Annäherung oder Entfernung des menschlichen Körpers die einzelnen Schaltvorgänge ausgelöst werden sollen. Außerdem erfolgen die Schaltvorgänge bei dem bekannten Annäherungsschalter unmittelbar bei Annäherung bzw. Entfernung des Ferritkörpers wobei keine Zeitverzögerungen möglich sind, wie sie bei sanitären Anlagen im Hinblick auf deren Funktionsweise gelegentlich notwendig sind.

Ohne die Notwendigkeit der Verwendung eines eigenen Steuerkörpers zur Auslösung der Schaltfunktionen arbeitet eine automatische Steuereinrichtung für das Ventil einer Wasserzuleitung (DE-OS 18 10 653).

ι« Diese Steuereinrichtung verfügt über eine Fühlersonde, deren Kapazität bei Annäherung wenigstens eines Teiles des menschlichen Körpers wegen der dadurch bedingten Änderung der Erdkapazität eine Änderung erfährt. Durch diese Kapazitätsänderung wird die Schwingkreisfrequenz eines Oszillators beeinflußt, was zur Auslösung der Schaltfunktion benutzt wird, wobei erforderlichenfalls Zeitglieder vorhanden sind, um eine zeitverzögerte Auslösung zu erzielen. Eine Voraussetzung für die einwandfreie Funktion dieser Steuereinrichtung besteht sornk darin, daß die Schwingk.reisfrequenz des Oszillators bei durch Teile des menschlichen Körpers unbeeinflußtem Sondenfeld konstant bleibt, damit FehJauslösungen vermieden werden. Unvermeidbare elektromagnetische Störwellen oder über das

r> Leitungsnetz ankommende elektrische Störungen können aber selche Frequenzänderungen auslösen, was zu Fehlschaltungen führen kann. Auch ergeben sich schaltungsbedingte Schwierigkeiten hinsichtlich der widerstandsmäßigen Anpassung der Sonde Ein den

ίο Schwingkreis des Oszillators, während andererseits die Isolationsanforderungen verhältnismäßig hoch sind weil die Sondenkapazität unmittelbar im Schwingkreis des Oszillators liegt.

Ein kontaktloser Befehlsgeber zur Eingabe von

π Kommandos in eine Aufzugsteuerung ist daneben in der Siemens-Zeitschrift 1960, Heft 10, Seiten 65)9—701 beschrieben. Dieser Befehlsgeber verwendet eine Hochfrequenz-Brückenschaltung mit Breitbar.id-Charakteristik, bei der die Brücke durch die Erdkapazität

An des Menschen verstimmt wird und dadurch ein Signal erzeugt. Da die Abgleichung einer solchen Hochfrequenz-Brüekenschaltung frequenzabhängig ist, !können hochfrequente Störspannungen Ströme in der Brückendiagonale hervorrufen. Diesem Einfluß kann durch die

r> Breitband-Charakteristik der Brüekenschaltung entgegengewirkt werden, doch müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um hochfrequente Störspannungen von der Brüekenschaltung fernzuhalten.
Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der

w Technik die Aufgabe zugrunde, eine berührungslos beeinflußbare Steuereinrichtung, insbesondere zur Steuerung sanitärer Anlagen zu schaffen, die weitgehend unabhängig von äußeren Störeinwirkungen, wie elektromagnetischen Störwellen oder über djs Lei-

^r>5 tungsnetz ankommenden elektrischen Störungen betriebssicher arbeitet und die sich durch einen einfachen, mit geringem Aufwand zu realisierenden Schaltungsaufbau auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Steuereinrichtung erfindungsgemäß dadurch !^kennzeichnet, daß die Sonde mit einem dem Oszillator nachgeschalteten Filter zusammengeschaltet ist, das bei einer Annäherung an die Sonde im Sinne der Verschiebung seiner Resonanzfrequenz nach lieferen Frequenzen hin verstimmt wird und daß die Schaltfunktion in Abhängigkeit von der infolge der Verschiebung der Resonanzfrequenz auftretenden Änderung der Ausgangsspannung des Filters ausgelöst wird.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung durch die Annäherung wenigstens eines Teiles des menschlichen Körpers an die Sonde lediglich eine Verschiebung der Resonanzfrequenz eines dem Oszillator nachgeschaiteten Filterkreises geschieht, ist gewährleistet, daß im Oszillator auftretende Stö>-frequenzen nicht zur fehlerhaften Auslösung von Schaltfunktionen führen können, weil der nachgeschaltete Filterkreis verhütet, daß sich insoweit eine Beeinflussung der Ausgangsspannung des Filterkreises ergibt. Der Osziliator selbst, der nicht durch die Sonde beeinflußt wird, kann in einfacher geeigneter Weise isoliert untergebracht werden, wobei die Wartung mit geiinger Mühe möglich ist.

Um zu verhindern, daß die Steuereinrichtung durch eine langsame Änderung der Umweltverhältnisse, beispielsweise durch den Einfluß von Feuchtigkeit, Temperatur und Alterung so beeinflußt wird, daß sich im Laufe der Zeit die Ausgangsspannung des Filters ändert, ist es zweckmäßig, wenn sie einen mit der — gegebenenfalls verstärkten — Ausgangsspjnnung des Filters beaufschlagten, eine Zeilkonstante enthaltenden Regelspannungsverstärker aufweist, durch den die Frequenz des Oszillators bei einer statischen Änderung des Sondenfeldes im Sinne der Aufrechterhaltung eines Sollwertes der Ausgangsspannung des Filters beeinflußt wird. Dazu ist zu bemerken, daß es grundsätzlich bekannt ist (DE-OS 18 10 653) bei solchen Steuereinrichtungen auf die Frequenz des Oszillators im Sinne einer Kompensation der Langzeiteinflüsse einzuwirken, w

Die Steuereinrichtung kann derart ausgebildet werden, daß sie beim Einschalten der Stromversorgung bzw. beim Wiedereinschalten nach Stromausfall etc. sogleich einwandfrei betriebsbereit ist. Dazu kann am Ausgang des Regelspannungsverstärkers eine Konden- r> sator-Widerstandsschaltung liegen, deren Kondensator beim Einschalten der Netzstromversorgung bzw. nach Beendigung von Netzausfällen schlagartig aufladbar ist und dessen anschließende langsame Entladung über den Widerstand ein Durchstimmen des Oszillators bewirkt. Schließlich kann am Ausgang des Regelspannungsverstärkers ein Trigger angeschlossen sein, dem eine Lampe für den Abgleich des Oszillators zugeordnet ist Der Abgleich ist dann erfolgt, wenn die Lampe durch den Trigger gerade ausgeschaltet wird. Der Abgleich der Steuereinrichtung wird damit wesentlich erleichtert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung gemäß der Erfindung, >o

Fig. 2 ein Diagramm einer Durchlaßkurve des Filterkreises der Steuerschaltung nach Fig. 1,

F i g. 3 ein Diagramm, in dem neben der Durchlaßkurve nach Fig.2 ein solches, bei der die Resonanzfrequenz verändert ist, veranschaulicht ist, «

F i g. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung weiterer Durchlaßkurven des durch Umwelteinflüsse dauernd bedämpften Filterkreises der Steuereinrichtung nach Fig. 1,

F i g. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer e>o über den Regelbereich des Oszillators hinaus verschobene Durchlaßkurve des Filterkreises der Steuereinrichtung nach F i g. 1 und

Fi g. 6 ein Schaltbild im wesentlichen des Oszillators mit Filterkreis und anschließenden Verstärkern der Steuereinrichtung nach Fig. 1.

Ein Oszillator 3 (F i g. 1) gibt seine Ausgangsspannung an ein Filter 2. Die Ausgangsspannung des Filters 2 wird an einen Verstärker 15 gegeben und gelangt von dort aus über einen Trigger 21 und eine Zeitstufe 22 an einen Ausgangsverstärker 23, der seinerseits ein Magnetventil 24 beeinflußt. Ein Regelspannungsverstärker 5 liegt am Ausgang des Verstärkers 15 und dient dazu, den Oszillator 3 in einer noch später zu erläuternden Weise in seiner Frequenz nachzustimmen. Am Ausgang des Regelspannungsverstärkers 5 liegt außerdem ein Trigger 20, an dessen Ausgang eine Lampe 28 liegt. Die aus dem Trigger 20 und der Lampe 28 bestehende Anordnung dient lediglich einem einfachen Abgleich der gesamten Steuereinrichtung. Sowohl die verschiedenen elektronischen Einheiten als auch das zu einer sanitären Einrichtung gehörende Magnetvertil 24 werden von einem aus einem Netz 27 gespeisten Netzteil 26 mit Strom versorgt.

Am Filter 2 ist eine Sonde 1 angeschlossen. Sobald die Erdkapazität an dieser Sonde vergrößert wird, verändert sich auch die Ausgangsspannung des Filters 2 in einer weiter unten erläuterten Weise. Die Änderung der Erdkapazität der Sonde 1 geschieht beispielsweise durch Annäherung des menschlichen Körpers. Die Änderung der Ausgangsspannung des Filterkreises gelangt über den Verstärker 15 an den Trigger 21 und von dort an die Zeitstufe 22, die — je nach Anwendungsfall der Steuereinrichtung — mit verschiedenen Ansprechverzögerungen bzw. Abschaltverzögerungen ausgestattet ist. Über den Ausgangsverstärker 23 wird dann das Ventil 24 geöffnet oder geschlossen.

Im Oszillator 3 (F i g. 6) sind zwei Transistoren 6 und 7 vorhanden, die zusammen mit einem WC-Phasenschieber, der aus Kondensatoren 8, 9, 13 und Widerständen 10,11,12 besteht, eine hochfrequente Wechselspannung erzeugen. Einer der genannten Widerstände, nämlich der Widerstand 10 ist veränderlich. Mit ihm kann die Oszillatorfrequenz geändert werden. Die Oszillatorspannung gelangt über einen als Emitterfolger geschalteten Transistor 14 an das Filter 2. Der Ausgang des Filters 2 arbeitet auf den Eingang eines im Ausfühningsbeispiel temperaturkompensierten Verstärkers 15. An den Verstärker 15 schließt sich ein Gleichrichter 16 an. Dieser Gleichrichter führt zu einer Ausgangsklemme 17. Im folgenden wird nur von Aus- bzw. Eingangsklemmep gesprochen, ohne Rücksicht darauf, ob es sich bei der Anwendung des Anmeldungsgegenstandes im Einzelfall um Klemmen, Buchsen oder Stecker handelt.

Der Regelspannungsverstärker 5 (Fig. 6) liegt ebenfalls am Ausgang des Verstärkers 15 nach dem Gleichrichter 16 und damit an der Klemme 17. Der Regelspannungsverstärker 5 enthält eine Verzögerungsschaltung. Diese Verzögerungsschaltung wirkt auf eine Kapazitätsdiode 4 im Oszillator J. Selbstverständlich können anstatt einer Kapazitätsdiode 4 bei größeren Regelbereichen mehrere Kapzitätsdioden vorgesehen sein.

Der Trigger 20 dient dazu, bei Erreichen einer bestimmten Eingangsspannung eine Lampe 28 zum Verlöschen zu bringen. Dieser Effekt wird dazu benutzt, das Gerät beim Einbau abzugleichen. Die Oszillatorfrequenz muß nämlich auf die Resonanzfrequenz des Filters 2 abgeglichen werden.

Das Filter 2 ist als Serienresonanzkreis ausgebildet. Dem Schwingkreis-Kondensator 29 ist die Sonde 1 parallel geschaltet. Dabei bildet die Sonde I den einen Belag eines Kondensators, Masse, d. h. Erde den anderen Belag.

Je nach Anbringung der Sonde 1 ist die Kapazität gegen Erde unterschiedlich; deshalb muß beim Einbau

des Gerätes die Arbeitsfrequenz f_o mit dem veränderlichen Widerstand 10 im Oszillator 3 auf einen bestimmten Wert abgeglichen werden. Bei einem Versuchsmuster konnte die Oszillatorfrequenz mit Hilfe des veränderlichen Widerstandes 10 zwischen 70 und 140 kHz verändert werden.

Die Frequenz des Oszillators 3 wird mittels des Widerstandes 10 so eingestellt, daß die Arbeitsfrequenz fo (F i g. 2) auf dem abfallenden Teil der Filterdurchlaßkurve liegt. Auf der Sekundärseite des Filters tritt dabei die Spannung u\ auf. Der sich an den Filter 2 anschließende Verstärker 15 gibt nach einem Gleichrichter 16 an der Ausgangsklemme 17 beispielsweise eine Ausgangsspannung von etwa 5 bis 6 V ab. Der Abgleich durch den Widerstand 10 ist dann erfolgt, sobald die Lampe 28 durch den Trigger 20 gerade ausgeschaltet wird.

Durch die Annäherung eines geerdeten Gegenstandes, z. B. des menschlichen Körpers, an die Sonde 1, vergrößert sich die Sondenkapazität und die Resonanzfrequenz /■,■„* des Filterkreises 2 verschiebt sich nach f_r„ (Fig.3). Dadurch vermindert sich die Sekundärspannung des Filters 2 auf den Wert ü2. Durch die Annäherung wird dem Schwingkreis außerdem Energie entzogen, was zu einer Verringerung der Amplitude und damit zu einer weiteren Verminderung von U\ führt. Der temperaturkompensierte Verstärker 15 wird bei entsprechender Verkleinerung von 1/2 gesperrt und die Ausgangsspannung u_a an der Klemme 17 geht gegen Null.

Die beim Abgleich vorgelegenen Verhältnisse können sich durch Feuchtigkeit, Temperatur und Alterung verändern, was einer Änderung der Sondenkapazität gleichkommt. Dadurch würde sich im Laufe der Zeit die Ausgangsspannung so verändern, daß das Gerät unbrauchbar wird. Um das zu verhindern, wird die Ausgangsspannung mit Hilfe des Regelspannungsverstärkers 5 und der Kapazitätsdiode 4 im Oszillator 3 konstant gehalten. Kurzzeitige Veränderungen der Sondenkapazität, wie z. B. bei einer Annäherung mit der Hand, werden nicht ausgeregelt, da der Regelspannungsverstärkcr 5 erst nach Durchlaufen einer Zeitkonstante arbeitet.

Wird die Hand wieder von der Sonde entfernt, stellt sich der Ausgangszustand sofort wieder ein, da bei einer Regelspannungsänderung von Null gegen Plus ein zeitbestimmender Widerstand 30 in der Verzögerungsschaltung mit einer Diode 31 überbrückt wird.

Sofern eine Dauerbedämpfung durch Umwelteinflüsse innerhalb des Regelbereiches bleibt, wird die Nachstimmstufe über die Kapazitätsdiode 4 so lange beeinflußt, bis sich die ursprüngliche Spannung u\ am Ausgang des Filters 2 wieder einstellt (F i g. 4).

Die mögliche Ausregelung über die Nachstimmstufe sei beispielsweise auf —10% der Arbeitsfrequenz beschränkt. Sofern die Dauerbedämpfung außerhalb des Regelbereiches liegt (F i g. 5), erfolgt zunächst so lang eine Nachstimmung, bis der Oszillator 3 auf f_o — 10% schwingt. Die Resonanzfrequenz f_m* liegt aber wesentlich tiefer, die Ausgangsspannung u\ des Filters 2 ist Null, womit die Ausgangsspannung u, an der Klemme 17 (F ig. 6) ebenfalls Null ist.

Bleibt die Dauerbedämpfung durch Veränderung der Umwelteinflüsse vorhanden, so muß wieder neu abgeglichen werden. Erfolgte die Dauerbedämpfung durch einen Gegenstand, der nach einiger Zeit wieder entfernt wird, so bleibt die Arbeitsfrequenz f_o — 10% wegen der Zeitkonstante (Kondensator 31) vorläufig erhalten, während die Resonanzfrequenz des Filters 2 wieder den Wert des statischen Zustandes einnimmt Dabei durchläuft die Resonanzfrequenz f„ — 10% und am Ausgang entsteht ein Spannungssprung gegen Plus Nun gibt der Regelspannungsverstärker 5 über die Diode 31 ebenfalls eine positive Spannung ab, die den Oszillator auf der richtigen Arbeitsfrequenz f₀ festhält Die Kombination aus den beiden Widerständen 33 und 34 sowie der Diode 35 unterstützt diesen Vorgang.

Störspannungen, die über die Sonde 1 oder das Netzteil 26 auf die Schaltung einwirken, verursachen eine Vergrößerung der Amplitude der Ausgangsspannung U\ des Filters 2. Die Ausgangsspannung i/i wird vergrößert, während bei einer Annäherung die Ausgangsspannung kleiner wird; es kommt also gewissermaßen eine Art Negativmodulation zustande.
Hochfrequente Störspannungen vom Oszillator 3 werden durch ein Siebglied aus einem Kondensator 37 und einem Widerstand 36 daran gehindert, in das Netz 27 zu gelangen.

Wird das Gerät an Spannung gelegt, so gelangt dei Einschaltstromstoß über den Kondensator 32 an einer weiteren Kondensator 38 und lädt diesen auf, was einei künstlichen Regelspannung entspricht. Der Kondensator 38 entlädt sich langsam über den Widerstand 30 unc den Transistor 39. Die Regelspannungsveränderun§ verändert die Arbeitsfrequenz f„ gegen f„ — 10% Während dieses Vorganges überschneiden sich f₀ unc f_res. Es tritt am Ausgang eine Spannung auf, und dei Regelspannungsverstärker 5 hält die erforderlichf Spannung fest.

Mit dem Ausgangsverstärker 23 arbeitet ein« elektronische Sicherung zusammen, welche die Ausgangsstufe des Verstärkers 23 bei Kurzschluß seinei Ausgangsklemmen vor Zerstörung bewahrt.
Verschiedene Trigger 21 und verschiedene Zeitstufer

22 führen zu verschiedenen Anwendungsmöglichkeiter der Steuereinrichtung, die insbesondere zur Anwendung beispielsweise auf ein Urinalbecken geeignet ist.

Bei Gemeinschaftsanlagen mehrerer, gleichartige! sanitärer Anlagen ist es denkbar, daß bei Inanspruch nähme einer einzigen sanitären Anlage alle übriger Anlagen mit dieser einen Anlage gleichzeitig betätig¹ werden; beispielsweise tritt dieses Problem bei eine: Gemeinschaftsanlage von mehreren Urinalbecken auf In diesem Fall ist es nicht notwendig, daß die gesamtt bisher beschriebene Anlage an jedem Becken zui Steuerung dieses Beckens angebracht sein muß Vielmehr kann man die anhand der F i g. 6 beschriebene Kombination aus Oszillator 3, Filter 2, Verstärker 15 Regelspannungsverstärker 5 und Trigger 20 an jeden Becken stationieren, wohingegen Trigger 21 unc Zeitstufe 22 sowie Netzteil 26 und Ausgangsverstärkei

23 in einer zentralen Anlage untergebracht sein können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Berührungslos beeinflußbare Steuereinrichtung, insbesondere zur Steuerung sanitärer Anlagen, mit einem Oszillator und einer Sonde, bei der bei Annäherung wenigstens eines Teiles des menschlichen Körpers an die Sonde durch die dabei infolge der Änderung einer Erdkapazität hervorgerufenen Bedämpfung des Sondenfeldes zeitverzögert eine Schaltfunktion auslösbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) mit einem dem Oszillator (3) nachgeschalteten Filter (2) zusammengeschaltet ist, das bei einer Annäherung an die Sonde (1) im Sinne der Verschiebung seiner Resonanzfrequenz (f_m) nach tieferen Frequenzen hin verstimmt wird und daß die Schaltfunktion in Abhängigkeit von der infolge der Verschiebung der Resonanzfrequenz (f_m) auftretenden Änderung der Ausgangsspannung (u\) des Filters (2) ausgelöst wird.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mit der — gegebenenfalls verstärkten — Ausgangsspannung des Filters (2) beaufschlagten, eine Zeitkonstante enthaltenden Regelspannungsverstärker (5) aufweist, durch den die Frequenz des Oszillators (3) bei einer statischen Änderung des Sondenfeldes im Sinne der Aufrechterhaltung eines Sollwertes der Ausgangsspannung (u\) des Filters (2) beeinflußt wird.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Regelspannungsverstärkers (5) eine Kondensator-Widerstandsschaltung (32, 38, 30) liegt, deren einer Kondensator (38) beim Einschalten der Netzstromversorgung (26) bzw. nach Beendigung von Netzausfällen schlagartig aufladbar ist und dessen anschließende langsame Entladung über den Widerstand (30) ein Durchstimmen des Oszillators (3) bewirkt.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Regelspannungsverstärkers (5) ein Trigger (20) angeschlossen ist, dem eine Lampe (28) für den Abgleich des Oszillators (3) zugeordnet ist.