DE2721254C3

DE2721254C3 - Schaltungsanordnung für einen Bewegungsdetektor

Info

Publication number: DE2721254C3
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: 1980-01-03
Also published as: ATA251278A; DE2721254A1; DE2721254B2; FR2390741B1; AT368817B; SE422502B; FR2390741A1; SE7805034L; JPS54115780A; IT7822742A0; JPS6245503B2; IT1094543B; CH627283A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanord' nung für einen Bewegufigsdetektor, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 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 Doppelfrequenz-Ver-

schiebuiig im reflektierten kontinuieriichen Signal

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

Die Geräte der beiden Druckschriften enthalten im Zusammenhang mit Ultraschall-Aussendung und -Empfang dopplerfrequenzverschobener Strahlung im Prinzip bekannte und verwendete elektronische Schaltungsteile wie Oszillatoren, Phasendiskriminatorcn und Auswerteschaltungen mit Vergleicherstufen und Schwellenfunktion.

Es sind auch bereits Ultraschall-Bewegungsdetektoren für das berührungslose Öffnen und Schließen eines Wasserhahnes bekanntgeworden. Die von einem Ultraschall-Sende ausgesandten Ultraschall-Wellen treffen dabei auf ein Objekt, z. B. auf die sich unterhalb der Wasserauslaßöffnung des Hahnes bereit·; befindenden Hände. An diesen wird die ausgesandtc Jltraschall-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 'etätigender 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 üblicherweise nach dem Prinzip des dopplerfrequenzverschobenen Ultraschall Hetektorprinzips gearbeitet.

Diese Beschränkung auf bewegte Objekte ist aber allein nicht ausreichend, denn der Wasserhahn soll verständlicherweise z. B. nicht auf lediglich am Waschbecken 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 -.5 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.
Gegenüber dem Stand der Technik ist einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches ί die Aufgabe zugrunde gelegt, einen Ultraschall· Detektor anzugeben, der eine vergleichsweise erhöhte Betriebssicherheit bezüglich des Ansprechens hat und nur auf Objekte in einem eng begrenzten Ortsbereich anspricht und auf anderswo im sonstigen Räum bewegte Objekte nicht reagiert.
Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff de«

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 debitierenden Objekts auszunutzen. Bei der Erfindung wird darüber hinaus mit Hilfe einer einerh^its 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 auch in speziell bemessener Weise zeitverschoben zum Taktimpuls der Ultraschall-Impulsaussendung. Bei der Erfindung wird von der Schaltungsanordnung dem Ultrascha.ll-Sendewandler, der gleichzeitig auch Ultrascha!!-Empfangswandler sein Rann, 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 gunstige 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 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 ziehende), Resonanzfrequenz ergeben sich an sich bekannte Unterschiede abhängig davon, ob niedrige Eingangsimpedanz oder hohe Eingangcimpedanz des jeweiligen Wandlers gewünscht ist, was auf Betrieb des Wandlers in Reihenresonanz oder in Parallelresonanz hinzielt.

GemäJ der Erfindung sendet dei 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-fleflexionssignal wird von dem Empfangswandler aufgenommen und in ein elektrisches Empfangisignal umgewandelt. Dieses Empfangssignal wird verstärkt und einem Phasendiskriminator zusammen mit der Oszillatorwechselspannung 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, 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 ändert.

Mit einem Auslesetakt-Impuls, der in einem festen zeitlichen Abstand da,i Sende-Impuls folgt, wird die

ίο

zum Zeitpunkt des Auslesetakt-Impulses vorliegende Ausgangsspannung des Phasendiskriminators in einen elektronischen Speicher gegeben, der vorzugsweise eine sogenannte »sample and hold«-SchaItung ist Diese Ausgangsspannung wird in dem Speicher bis zum Zeitpunkt des nächsten Auslesetakt-Impulses 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-Impulses entspricht ändert sich das gespeicherte Signal von Taktperiode zu Taktperiode. Das Maß der Änderung der jeweils gespeicherten Werte liefert 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 LIt ,chall-Sendeimpulse ergibt sich anstelle eines exakten Ar· nandsw cries 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 Entferr.ungsbereich 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 >,ch einen Auslesetakt erhält, der einen anderen zeitlichen Abstand der bereits oben erwähnten Impubaussendung des Sendewandlers hat. Dieser andere zeitliche Abstand entspricht einem anderen Entfernungsbereich, für den die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung über die Spe.chers haltung zur Signaldetektion ausgebildet bzw. empfindlich ist.

Die Detektion in verschiedenen Entfemungsberei-(hen 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 UltraschallPräsenz-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 Dies kann z. B. dann von Interesse sein, wenn tropfendes Wasser anderenfalls zu Signalauslösung führen kann. D;r beiden erwähnten Enti'ernungsbereiche liegen dabei so dicht hintereinander, daß in jedem Falle ein in den Bereich des zum Auslauf zu bringenden Wasserstrahle? eingebrachtes bewegtes Objekt, z. B. die Hände, ein Ansp, echen des Detektors sicherstellt.

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

Die Breite des Entfernungsbereiches kann durch Wahl der Breite der Strahlungskeüle des Ultraschall-Sendewandlefs 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«*Schaltung 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 Geschwindigkeitswertes 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 Schaltbild 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 diesp 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 eine: reflektierten Anteils ausgesandter Ültraschall-Stfah lung auftritt. Die Speicher- bzw. »sample and hold« Schaltung 35 ist mit einer strichpunktierten Linie umschlossen. Da» an diese Schaltung 35 gelangend« Ausgangssignal des Produktdetektors 32 liegt z. B. ar dem mit 37 bezeichneten Schaltungspunkt an. An derr Schaltungspunkt 36 liegt das Auslesetaktsignal für die »sample and hold«-SchaItung 35 an. Die Auswerteschaltung 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-Irivertef, bewirkt die Schwellenfunktion zur Vergleicherschaltung 39. An-Schaltungspunkt 41 tritt das Ausgangssignal dei erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auf. Mit 42 isi die Torschaltung: für den Ultraschall-Sendeimpul« bezeichnet. Diese Torschaltung 42 wird von eihei Schaltung 142 für die Sendeimpulsdaucr gesteuert. Mil 44 ist ein Leistungsverstärker für die elektrische Sendeleistung deis Ultraschall-Senders kenntlich gemacht. Mit dem Taktgenerator 45 wird die Impulsfolgefrequenz bestimmt

Die dargestellt« Figur ist für die Verwendung zur beriihrungslosen Steuerung eines Wasserhahnes, d. h, zur Steuerung dessen Magnetventils 43, vorgesehen. Mit 46 ist der Anschluß für die Versorgungsspartnung von

B. 12 Volt bezeichnet.

j 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 Ansprechempfindlichkeit der erfindungsg' mäßen Schaltungsanordnung vorliegt 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 Phasendiskriminaio.-(32) 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 Ausgangssignal (41) der Schaltungsanordnung erz ugbar ist, wenn sich der Betrag der einzelnen Speicherwerte oder die Mittelwerte jeweils einiger aufeinanderlolgender Speicherwerte um mehr als einen vorgegebenen Wert voneinander unterscheiden, wobei dieses A jsgangssignal (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 einstellbargegeben 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 I 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.