DE2721254B2

DE2721254B2 - Schaltungsanordnung für einen Bewegungsdetektor

Info

Publication number: DE2721254B2
Application number: DE2721254A
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-05-11
Filing date: 1977-05-11
Publication date: 1979-05-17
Also published as: IT1094543B; CH627283A5; IT7822742A0; FR2390741B1; ATA251278A; SE422502B; DE2721254C3; JPS6245503B2; FR2390741A1; AT368817B; SE7805034L; DE2721254A1; JPS54115780A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Bewegungsdetektor, wie im Oberbegriff des Patentanspruches I angegeben.

Aus der DE-AS 26 41 017 ist für die Überwachung eines wenigstens größeren Bereiches eines Raumes ein solches Radar-Gerät beschrieben, bei dem der Ort einer *> festzustellenden Person sehr unterschiedlich großen Abstand vom Ultraschallgeber und -empfänger dieses Gerätes haben kann und dennoch die Präsenz dieser Person unter Auswertung der Doppelfreqnenz-Verschiebung im reflektienen kontinuierlichen f-ignal

κι angezeigt wird.

Aus der DE-OS 23 35 613 ist ein Gerät zur Entfernungsmessung sich relativ zueinander bewegender Gegenstände bekannt. Das vom Sender des einen Gegenstandes abgegebene akustische Signal wird vom

is EfTiDfanger des anderen Gegenstandes empfangen, in seinen Signalparametern verändert und anschließend aktiv reflektiert

Die Geräte der beiden Druckschriften enthalten im Zusammenhang mit Ultraschall-Aussendung und -Emp fang dopplerfrequenzverschobener Strahlung im Prin zip bekannte und verwendete elektronische Schaltungsteile wie Oszillatoren, Phasendiskriminatoren und Auswerteschaltungen mit Vergleicherstufen und Schwellenfunktion.

2$ Es sind auch bereits Ultraschall-Bewegungsdetektoren für das berührungslose öffnen und Schließen eines Wasserhahnes bekanntgeworden. Die von einem Ultraschall-Sender ausgesandten Ultraschall-Wellen treffen dabei auf ein Objekt, ζ. B. auf die sich unterhalb

■o der Wasserauslaßöffnung des Hahnes bereits befindenden Hände. An diesen wird die ausgesandte Ultraschall-Strahlung reflektiert und ein Anteil dieser reflektierten Strahlung gelangt in einen Ultraschall-Empfangswandler. In diesem wird ein entsprechendes Signal erzeugt das von einer zugehörigen elektronischen Schaltung ausgewertet wird. Das Auswertesignal wird dann zum öffnen und Schließen eines elektromagnetischen

Ventils benutzt Vor allem für Warmwasser-Anlagen ist es wichtig,

daß ein solcher berührungslos zu betätigender Wasserhahn nicht unnütz geöffnet wird oder bleibt Damit die Ultraschall-Detektoreinrichtung nicht auf ein im Waschbecken stehendes Gefäß oder auf einen über den Wasserhahn gelegten Lappen anspricht, wird üblicher weise nach dem Prinzip des dopplerfrequenzverschobe- nen Ultraschall-Detektorprinzips gearbeitet

Diese Beschränkung auf bewegte Objekte ist aber allein nicht ausreichend, denn der Wasserhahn soll verständlicherweise r. B. nicht auf lediglich am Waschen becken vorbeigehende Personen oder auf eine in der Nähe befindliche, sich öffnende Tür ansprechen. Auch sind Maßnahmen zu ergreifen, daß die Ultraschall-Detektoreinrichtung nicht auf den laufenden Wasserstrahl selbst anspricht, da dies dazu führen würde, daß der

r, Wasserhahn überhaupt nicht mehr geschlossen wird.

Zur Lösung der voranstehend erwähnten Probleme gibt es bereits eine Anzahl von Vorschlägen, die im einzelnen wiederum Nachteile haben, die insbesondere in mangelnder Betriebssicherheit liegen.

ho Gegenüber dem Stand der Technik ist einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches t die Aufgabe zugrunde gelegt, einen Ultraschall-Detektor anzugeben, der eine vergleichsweise erhöhte Betriebssicherheit bezüglich

es des Ansprechens hat und nur auf Objekte in einem eng begrenzten Ortsbereich anspricht und auf anderswo im sonstigen Raum bewegte Objekte nicht reagiert

Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff des

Patentanspruches 1 angegebenen Schaltungsanordnung

erfindungsgemäß gelöst wie dies im Kennzeichen des

Patentanspruches 1 angegeben ist Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der vorliegenden Erfindung liegt nicht nur der Gedanke zugrunde, die Dopplerfrequenz-Verschiebung eines bewegten, zu detekticrenden Objekts auszunutzen. Bei der Erfindung wird darüber hinaus mit Hilfe einer einerseits einfachen, andererseits aber außerordentlich betriebssicheren, insbesondere gegen gewollte Störung sicheren Schaltung erreicht daß der Detektionsbereich räumlich eng begrenzt ist Gemäß der Erfindung wird dies mit Hilfe einer dem Phasendiskriminator nachgeordneten elektronischen Speicherschaltung erreicht die eine Auslesetaktung erfährt Diese Auslesetaktung ist erfindungsgemäß nicht nur synchron, sondern as.'ch in speziell bemessener Weise zeitverschoben zum Taklimpuls der Ultraschall-Impulsaussendung.

Bei der Erfindung wird von der Schaltungsanordnung dem Ultraschall-Sendewandler, der gleichzeitig auch Ultraschall-Empfangswandler sein kann, die zu seiner Anregung erforderliche Wechselspannung über die Torschaltung zugeführt so daß der Sendewandler nur zeitlich begrenzte Wellenzüge der Wechselspannung eines Oszillators erhält Die Frequenz der Oszillatorwechselspannung wird auf den Sendewandler und auf den Empfangswandler derart abgestimmt daß beide zusammen eine optimale Wirkung im Hinblick auf die ihnen zugedachte Funktion haben, nämlich daß der Sendewandler eine möglichst günstige Abstrahlung mit maximaler Amplitude des Ultraschall-Feldes aufweist und der Empfangswandler möglichst hohes reflektiertes Ultraschall-Signal eines zu detektierenden Gegenstandes empfängt Im Regelfall liegt die Frequenz der ;5 anregenden Wechselspannung wenigstens in der Nähe der Resonanzfrequenz eines für die Abstrahlung besonders günstigen Schwingungsmodes des Sendewandlers. Eine sinngemäß gleiche Bemessung wird für den Empfangswandler bevorzugt Bei der in Betracht zu ziehenden Resonanzfrequenz ergeben sich an sich bekannte Unterschiede abhängig davon, ob niedrige Eingangsimpedanz oder hohe Eingangsimpedanz des jeweiligen Wandlers gewünscht ist was auf Betrieb des Wandlers in Reihenresonanz oder in Parallelresonanz 4-, hinzielt.

Gemäß der Erfindung sendet der Sendewandler einen nur relativ kurzen Wellenzug einer Ultraschall-Strahlung aus, die von Objekten reflektiert wird, die sich im Ausbreitungsbereich der Ultraschall-Strahlung befinden. Das Ultraschall-Reflexionssignal wird von dem Empfangswandler aufgenommen und in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt Dieses Empfangssignal wird verstärkt und einem Phasendiskriminator zusammen mit der Osz'llatorwechselspannung zugeführt. Dieser Phasendiskriminator gibt bei Eingang eines Empfangssignals eine Spannung ab, die der Phasenbeziehung entspricht, die zwischen diesem elektrischen Empfangssignal und der Oszillatorwechselspannung vorliegt. Bei bewegten Objekten stellt man nämlich fest, mi daß sich die Phase des Empfangssignals gegenüber der der Oszillatorwechselspannung von einem Auslesetakt zum nächsten Auslesetakt d. h. von einer Taktperiode zur nächsten Taktperiode, ändert, was zu einem Ausgangssignal des Phasendiskriminators führt, das sich von Takt zu Takt ände, t.

Mit einem Auslesetakt-Impuls, der in einem festen zeitlichen Abstand dem Sende-Impuls folgt, wird die zum Zeitpunkt des Auslesetakt-Impulses vorliegende Ausgangsspannung des Phasendiskriminators in einen elektronischen Speicher gegeben, der vorzugsweise eine sogenannte »sample and hold«-Schaltung ist Diese Ausgangsspannung wird in dem Speicher bis zum Zeitpunkt des nächsten Auslesetakt-lmpulses der folgenden Taktperiode gespeichert

Für den Fall, daß sich ein bewegtes Objekt in einem solchen Abstand vom Sendewandler befindet der dem zeitlichen Abstand zwischen dem Sende-Impuls und dem Zeitpunkt des Auslesetakt-lmpulses entspricht ändert sich das gespeicherte Signal von Taktperiode zu Taktperiode. Das Maß der Änderung der jeweils gespeicherten Werte Hefen ein erstes Ausgangssignal, das zu dem Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weiterverarbeitet wird

Im Falle einer »sample and hold«-Schaltung ist dieses erste Ausgangssignal eine Wechselspannung, die nach Gleichrichtung einer Auswerteschaltung mit Schwellenfunktion zugeführt wird.

Wegen der Länge der Ultrascfr.i.l-Sendeimpulse ergibt sich anstelle eines exakten Abstar iswertes ein Entfernungsbereich, für den Auswertung erfolgt

Die gemäß der Erfindung erreichte Einschränkung des Ansprechens der Schaltungsanordnung auf (nur bewegte} Objekte eines Entfernungsbereiches muß nicht auf einen einzigen Entfernungsbereich beschränkt sein. Vielmehr können auch zwei oder mehrere vorgegebene Entfernungsbereiche vorgesehen sein. Für einen jeden vorgegebenen Entfernungjbereich kann eine weitere Speicherschaltung, z. B. eine »sample and hold«-Schaltung, vorgesehen sein, die der voranstehend beschriebenen Speicherschaltung parallel liegt bzw. parallel wirksam ist, und die für sich einen Auslesetakt erhält der einen anderen zeitlichen Abstand der bereits oben erwähnten Impulsaussendung des Sendewandlers hat Dieser andere zeitliche Abstand entspricht einem anderen Entfernungsbereich, für den die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung über die Speichel schaltung zur Signaldetektion ausgebildet bzw. empfindlich ist

Die Detektion in verschiedenen Entfernungsbereichen kann auch zur Auslösung unterschiedlicher Funktionen verwendet werden.

Eine für zwei Entfernungsbereiche empfindliche erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, d. h. ein für bewegte Objekte in zwei Entfernungsbereichen ansprechender Ultraschall-Präsenz-Detektor, kann z. B. für die berührungslose Steuerung eines Wasserhahnes so ausgelegt sein, daß der eine Entfernungsbereich, vom Sendewandler aus gesehen, kurz vor dem Wasserstrahl und der andere Entfernungsbereich kurz hinter dem Wasserstrahl liegt Der Wasserstrahl selbst ist dann »ausgeblendet«, kann also kein Auslösesignal hervorrufen. Di ;s kann z. B. dann von Interesse sein, wenn tropfendes Wasser anderenfalls zu Signalauslösung führen kann. Die beiden erwähnten Entfernungsbereiche liegen dabei so dicht hintereinander, daß in jedem Falle ein in dem Bereich des zum Auslauf zu bringenden Wasserstrahles eingebrachtes bewegtes Objekt, z. B. die Hände, ein Ansprechen des Detektors sicherstellt.

Sowohl für den Fall eines einzelnen Entfernungsbereiches als auch für mehrere Entfernungsbereiche läßt sich die Länge des Entfernungsbereiclies in Richtung der Ultraschall-Strahlung einstellbar verändern. Durch eine entsprechende Länge des Ultraschall-Sendeimpulses läßt sich der Zeitraum vergrößern bzw. einstellen, während dem empfangene Reflexionssignale von der Schaltungsanordnung ausgewertet werden.

Die Breite des Entfernungsbereiches kann durch Wahl der Breite der Strahlungskeule des Ultraschall-Sendewandlers und des Ultraschall-Empfangswandlers vorgegeben gewählt werden.

Durch Wahl der Länge der Auslesetakt-Impulse, die an die »sample and hold«-Schaltung gegeben werden, wird eine Integration in der »sample and hold«-Schal- tung durchgeführt. Diese Integration führt dazu, daß Signale von Objekten nicht mehr registriert werden, die sich so rasch bewegen, daß auf solcher Bewegung beruhende Phasenverschiebungen durch Mittelwertbildung verschwinden. Dies ist gleichbedeutend damit, daß mit Zunahme der Länge der Auslesetakt-Impulse die Grenze des Gcschwindigkcitswcrtes herabgesetzt wird, für den die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung noch empfindlich ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist eine in zwei Blätter aufgeteilte Figur beigefügt, die ein vollständiges Schallbild für eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung angibt. An sich ist die Schaltungsanordnung aufgrund der detaillierten Angaben für den Fachmann, der die vorangehende Beschreibung studiert hat, ohne weiteres verständlich.

Lediglich zur weiteren Erleichterung des Verständnisses werden nachfolgend kurze Hinweise für diese dargestellte Schaltungsanordnung gegeben. Der Sendewandler, der vorzugsweise auch Empfangswandler ist, ist mit 30 bezeichnet. Die Empfängerschaltung 31 ist mit der zugehörigen gestrichelten Linie umschlossen. Diese Empfängerschaltung 31 enthält den Phasendiskriminator bzw. Produktdetektor 32. Beispielsweise an dem mit 33 (im geteilten Schaltbild zusätzlich mit D) bezeichneten Schaltungspunkt liegt die Oszillatorwechselspannung 33, die von dem Oszillator 133 erzeugt wird. An dem mit 34 bezeichneten Schaltungspunkt liegt das Empfangssignal an, das am Wandler 30 aufgrund eines reflektierten Anteils ausgesandter Ultraschall-Strahlung auftritt. Die Speicher- bzw. »sample and hold«- Schaltung 35 ist mit einer strichpunktierten Linie

ο umschlossen. Das an diese Schaltung 35 gelangende Ausgangssignal des Produktdetektors 32 liegt z. B. an dem mit 37 bezeichneten Schaltungspunkt an. An dem Schaltungspunkt 36 liegt das Auslesetaktsignal für die »sample and hold«-Schaltung 35 an. Die Auswerteschal- tung 38 (in der Figur rechts von der Empfängerschaltung 31) ist mit einer weiteren gestrichelten Linie umschlossen. Sie enthält die Vergleicherschaltung 39, die hier im wesentlichen ein Transistor ist. Die logische Schaltung 40, z. B. zwei CMOS-Inverter. bewirkt die

ι-, Schwellenfunktion zur Vergleicherschaltung 39. Am Schaltungspunkt 41 tritt das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auf. Mit 42 ist die Torschaltung für den Ultraschall-Sendeimpuls bezeichnet. Diese iorschaitung 42 wird von einer

>n Schaltung 142 für die Sendeimpulsdauer gesteuert. Mit 44 is ein Leistungsverstärker für die elektrische Sendelt.stung des Ultraschall-Senders kenntlich gemacht. Mit dem Taktgenerator 45 wird die Impulsfolgefrequenz bestimmt.

.'5 Die dargestellte Figur ist für die Verwendung zur berührungslosen Steuerung eines Wasserhahnes, d. h. zur Steuerung dessen Magnetventils 43, vorgesehen. Mit 46 ist act Anschluß für die Versorgungsspannung von z. B. 12 Volt bezeichnet.

sn Für den praktischen Anwendungsfall bei einem Wasserhahn ergibt sich für eine Länge des Ultraschall-Sendeimpulses von etwa 0,5 msec eine Länge des Entfernungsbereiches, in dem Ansprechen'pfindlichkeit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorliegt,

η die sich auf etwa 8 cm bemißt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen Bewegungsdetektor, mit einem Ultraschall-Wandler als Sendewandler und einem Ultraschall-Wandler als Empfangswandler, mit einem Oszillator zur Erzeugung einer Oszillatorwechselspannung für den Sendewandler, mit einer Empfängerschaltung, die mit dem Empfangswandler verbunden ist, die ein Empfangssignal des Empfangswandlers erhält und die einen Phasendiskriminator zur Erkennung des Wertes einer Phasenverschiebung zwischen der Oszillatorwechselspannung und dem jeweiligen Empfangssignal hat, sowie mit einer Auswerteschaltung mit Vergleicherschaltung und Schwellenfunktion, dadurch gekennzeichnet, daß eine Torschaltung zur zeitlich steuerbaren Zuführung von Wellenzügen dieser Oszillatorwechselspannung an den Sendewandler und ein Taktsignalgeber (36) vorgesehen sind und dadurch, daß dem Phasendiskriminator (32Ϊ eine solche elektronische Speicherschaltung (35) nachgeschaltet ist, die zu vorgebbar periodisch wiederkehrenden Zeitpunkten der Signale des Taktgebers das Ausgangssignal des Phasendiskriminators (32) bis zum nächstfolgenden Zeitpunkt speichert, und daß die Vergleicherschaltung für einen Vergleich einzelner oder mehrerer aufeinanderfolgender Speicherwerte der elektronischen Speicherschaltung (35) ausgebildet ist, wobei die Schwellenfunktion (40) derart gewählt ist, daß dann ein Ausgpngssignal (41) der Schaltungsanordnung erzeugbar ist, wenn sich der Betrag der einzelnen Speicherwerk ode-: die Mittelwerte jeweils einiger aufeinande. folgender Speicherwerte um mehr als einen vorgegebenen". 'ert voneinander unterscheiden, wobei dieses Ausgangssignal (41) das Präsenz-Ereignis angibt

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator ein Produktdetektor (32) ist, der die Differenzfrequenz liefert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Speicher eine »sample and hold«-Schaltung (35) ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Känge eines Entfernungsbereiches für das Ansprechen der Schaltungsanordnung durch die Impulslänge der Torschaltung (42) für die dem Sendewandler (30) zuzuführenden Oszillatorwechselspannung einstellbar gegeben ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektionsbereich für Geschwindigkeitswerte des zu detektierenden Objekts für hohe Geschwindigkeitswerte durch die Länge der Auslesetakt-Impulse (36) einstellbar gegeben ist.

6. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, für eine berührungslose Steuerung eines Wasserhahnes, wobei das Ausgangssignal (41) der Schaltungsanordnung an ein elektromechanisches Ventil zum öffnen bzw. Schließen desselben gegeben ist.