CH627283A5

CH627283A5 - Ultrasonic presence/motion detector, particularly for the contactless control of a water tap

Info

Publication number: CH627283A5
Application number: CH298578A
Authority: CH
Inventors: Valentin Magori
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1977-05-11
Filing date: 1978-03-20
Publication date: 1981-12-31
Also published as: AT368817B; FR2390741B1; ATA251278A; SE422502B; IT1094543B; IT7822742A0; DE2721254B2; DE2721254C3; JPS6245503B2; JPS54115780A; SE7805034L; DE2721254A1; FR2390741A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Präsenz-Bewegungsdetektor, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.

Ultraschall-Bewegungsdetektoren für das berührungslose Öffnen und Schliessen eines Wasserhahnes sind bekannt. Die von einem Ultraschall-Sender ausgesandten Ultraschall-Wellen treffen dabei auf ein Objekt, z.B. auf die sich unterhalb 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 5 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-Detektorein-richtung nicht auf ein im Waschbecken stehendes Gefäss oder io auf ein über den Wasserhahn gelegten Lappen anspricht, wird üblicherweise nach dem Prinzip des Dopplerfrequenz-verscho-benen Ultraschall-Detektorprinzips gearbeitet.

Diese Beschränkung auf bewegte Objekte ist aber allein nicht ausreichend, denn der Wasserhahn soll verständlicherwei-15 se 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 Ultraschal-Detektoreinrichtung nicht auf den laufenden Wasserstrahl selbst anspricht, da dies dazu führen würde, dass der Was-20 serhahn 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.

25 Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Ultraschall-Präsenz-Bewegungsdetektor derart auszubilden, dass er erhöhte Betriebssicherheit bietet.

Diese Aufgabe wird mit einem wie im Oberbegriff des Pa-30 tentanspruches 1 angegebenen Ultraschall-Präsenz-Bewegungs-detektor erfindungsgemäss gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus abhängigen Patentansprüchen hervor.

35 Der vorliegenden Erfindung liegt nicht nur der Gedanke zugrunde, die Dopplerfrequenz-Verschiebung eines bewegten, zu detektierenden Objekts auszunutzen. Bei der Erfindung wird darüber hinaus mit Hilfe einer einerseits einfachen, andererseits aber ausserordentlich betriebssicheren, insbesondere gegen ge-40 wollte 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 Auslesetak-tung erfährt. Diese Auslesetaktung ist erfindungsgemäss nicht 45 nur synchron, sondern auch in speziell bemessener Weise zeitverschoben zum Taktimpuls der Ultraschall-Impulsaussendung.

Bei der Erfindung wird von der Schaltungsanordnung dem Ultraschall-Sendewandler, der gleichzeitig auch Ultraschall-50 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 55 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 re-60 flektiertes 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 Schwin-gungsmodes des Sendewandlers. Eine sinngemäss gleiche Be-65 messung 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 Wand-

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lers gewünscht ist, was auf Betrieb des Wandlers in Reihenreso- tropfendes Wasser anderenfalls zu Signalauslösung führen kann,

nanz oder in Parallelresonanz hinzielt. Die beiden erwähnten Entfernungsbereiche liegen dabei so

Gemäss der Erfindung sendet der Sendewandler einen nur dicht hintereinander, dass in jedem Falle ein in dem Bereich des relativ kurzen Wellenzug einer Ultraschall-Strahlung aus, die zum Auslauf zu bringenden Wasserstrahles eingebrachtes be-

von Objekten reflektiert wird, die sich im Ausbreitungsbereich 5 wegtes Objekt, z.B. die Hände, ein Ansprechen des Detektors der Ultraschall-Strahlung befinden. Das Ultraschall-Reflexions- sicherstellt.

signal wird von dem Empfangswandler aufgenommen und in ein Sowohl für den Fall eines einzelnen Entfernungsbereiches elektrisches Empfangssignal umgewandelt. Dieses Empfangssi- als auch für mehrere Entfernungsbereiche lässt sich die Länge gnal wird verstärkt und einem Phasendiskriminator zusammen des Entfernungsbereiches in Richtung der Ultraschall-Strahlung mit der Oszillatorwechselspannung zugeführt. Dieser Phasen- 10 einstellbar verändern. Durch eine entsprechende Länge des Ul-

diskriminator gibt bei Eingang eines Empfangssignals eine traschall-Sendeimpulses lässt sich der Zeitraum vergrössern

Spannung ab, die der Phasenbeziehung entspricht, die zwischen bzw. einstellen, während dem empfangene Reflexionssignale diesem elektrischen Empfangssignal und der Oszillatorwechsel- von der Schaltungsanordnung ausgewertet werden.

Spannung vorliegt. Bei bewegten Objekten stellt man nämlich Die Breite des Entfernungsbereiches kann durch Wahl der fest, dass sich die Phase des Empfangssignals gegenüber der der 15 Breite der Strahlungskeule des Ultraschall-Sendewandlers und

Oszillatorwechselspannung von einem Auslesetakt zum näch- des Ultraschall-Empfangswandlers vorgegeben gewählt werden,

sten Auslesetakt, d.h. von einer Taktperiode zur nächsten Takt- Durch Wahl der Länge der Auslesetakt-Impulse, die an die periode, ändert, was zu einem Ausgangssignal des Phasendiskri- «sample and hold»-Schaltung gegeben werden, wird eine Inte-

minators führt, das sich von Takt zu Takt ändert. gration in der «sample and hold-»Schaltung durchgeführt. Diese

Mit einem Auslesetakt-Impuls, der in einem festen zeitli- 20 Integration führt dazu, dass Signale von Objekten nicht mehr chen Abstand dem Sende-Impuls folgt, wird die zum Zeitpunkt registriert werden, die sich so rasch bewegen, dass auf solcher des Auslesetakt-Impulses vorliegende Ausgangsspannung des Bewegung beruhende Phasenverschiebungen durch Mittelwert-

Phasendiskriminators in einen elektrischen Speicher gegeben, bildung verschwinden. Dies ist gleichbedeutend damit, dass mit der vorzugsweise eine sogenannte «sample and hold»-Schaltung Zunahme der Länge der Auslesetakt-Impulse die Grenze des ist. Diese Ausgangsspannung wird in dem Speicher bis zum 25 Geschwindigkeitswertes herabgesetzt wird, für den die erfin-

Zeitpunkt des nächsten Auslesetakt-Impulses der folgenden dungsgemässe Schaltungsanordnung noch empfindlich ist. Taktperiode gespeichert.

Für den Fall, dass sich ein bewegtes Objekt in einem solchen Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist eine in zwei Abstand von Sendewandler befindet, der dem zeitlichen Ab- Blätter aufgeteilte Figur beigefügt, die ein vollständiges Schaltstand zwischen dem Sende-Impuls und dem Zeitpunkt des Aus- 30 bild für eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsge-lesetakt-Impulses entspricht, ändert sich das gespeicherte Signal mässen Ultraschall-Präsenz-Detektors angibt. An sich ist die von Taktperiode zu Taktperiode. Das Mass der Änderung der Schaltungsanordnung aufgrund der detaillierten Angaben für jeweils gespeicherten Werte liefert ein erstes Ausgangssignal, den Fachmann, der die vorangehende Beschreibung studiert hat das zu dem Ausgangssignal der erfindungsgemässen Schaltungs- ohne weiteres verständlich.

anordnung weiterverarbeitet wird. 35

Im Falle einer «sample and hold»-Schaltung ist dieses erste Lediglich zur weiteren Erleichterung des Verständnisses

Ausgangssignal eine Wechselspannung, die nach Gleichrichtung werden nachfolgend kurze Hinweise für diese dargestellte einer Auswerteschaltung mit Schwellenfunktion zugeführt wird. Schaltungsanordung gegeben. Der Sendewandler, der vorzugs-

Wegen der Länge der Ultraschall-Sendeimpulse ergibt sich weise auch Empfangswandler ist, ist mit 30 bezeichnet. Die anstelle eines exakten Abstandeswertes ein Entfernungsbereich, 40 Empfängerschaltung 31 ist mit der zugehörigen gestrichelten für den Auswertung erfolgt. Linie umschlossen. Diese Empfängerschaltung 31 enthält den

Die somit erreichte Einschränkung des Ansprechens des er- Phasendiskriminator bzw. Produktdetektor 32. Beispielsweise findungsgemässen Detektors auf (nur bewegte) Objekte eines an dem mit 33 (im geteilten Schaltbild zusätzlich mit D) be-

Entfernungsbereiches muss nicht auf einen einzigen Entfer- zeichneten Schaltungspunkt liegt die Oszillatorwechselspan-

nungsbereich beschränkt sein. Vielmehr können auch zwei oder 45 nung 33, die von dem Oszillator 133 erzeugt wird. An dem mit mehrere vorgegebene Entfernungsbereiche vorgesehen sein. 34 bezeichneten Schaltungspunkt liegt das Empfangssignal an,

Für einen jeden vorgegebenen Entfernungsbereich kann eine das am Wandler 30 aufgrund eines reflektierten Anteils ausge-

weitere Speicherschaltung, z.B. eine «sample and hold»-Schal- sandter Ultraschall-Strahlung auftritt. Die Speicher- bzw.

tung, vorgesehen sein, die der voranstehend beschriebenen «sample and hold»-Schaltung 35 ist mit einer strichpunktierten

Speicherschaltung parallel liegt bzw. parallel wirksam ist, und so Linie umschlossen. Das an diese Schaltung 35 gelangende Aus-

die für sich einen Auslesetakt erhält, der einen anderen zeitli- gangssignal des Produktdetektors 32 liegt z.B. an dem mit 37

chen Abstand der bereits oben erwähnten Impulsaussendung bezeichneten Schaltungspunkt an. An dem Schaltungspunkt 36

des Sendewandlers hat. Dieser andere zeitliche Abstand ent- liegt das Auslesetaktsignal für die «sample and hold »-Schaltung spricht einem anderen Entfernungsbereich, für den die erfin- 35 an. Die Auswerteschaltung 38 (in der Figur rechts von der dungsgemässe Schaltungsanordnung über die Speicherschaltung 55 Empfängerschaltung 31) ist mit einer weiteren gestrichelten Li-

zur Signaldetektion ausgebildet bzw. empfindlich ist. nie umschlossen. Sie enthält die Vergleicherschaltung 39, die

Die Detektion in verschiedenen Entfernungsbereichen kann hier im wesentlichen ein Transistor ist. Die logische Schaltung auch zur Auslösung unterschiedlicher Funktionen verwendet 40, z.B. zwei CMOS-Inverter, bewirkt die Schwellenfunktion werden. zur Vergleicherschaltung 39. Am Schaltungspunkt 41 tritt das

60 Ausgangssignal der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung Ein für bewegte Objekte in zwei Entfernungsbereichen an- auf. Mit 42 ist die Torschaltung für den Ultraschall-Sendeimpuls sprechender Ultraschall-Präsenz-Detektor, kann z.B. für die bezeichnet. Diese Torschaltung 42 wird von einer Schaltung 142 berührungslose Steuerung eines Wasserhahnes so ausgelegt für die Sendeimpulsdauer gesteuert. Mit 44 ist ein Leistungsversein, dass der eine Entfernungsbereich, vom Sendewandler aus stärker für die elektrische Sendeleistung des Ultraschall-Sengesehen, kurz vor dem Wasserstrahl und der andere Entfer- 65 ders kenntlich gemacht. Mit dem Taktgenerator 45 wird die nungsbereich kurz hinter dem Wasserstrahl liegt. Der Wasser- Impulsfolgefrequenz bestimmt.

strahl selbst ist dann «ausgeblendet», kann also kein Auslösesi- Die dargestellt Figur ist für die Verwendung zur berüh-

gnal hervorrufen. Dies kann z.B. dann von Interesse sein, wenn rungslosen Steuerung eines Wasserhahnes, d.h. zur Steuerung

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dessen Magnetventils 43, vorgesehen. Mit 46 ist der Anschluss für die Versorgungsspannung von z.B. 12 Volt bezeichnet.

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 erfindungsgemässen Schaltungsanordnung vorliegt, die sich auf etwa 8 cm bemisst.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Ultraschall-Präsenz-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 Torschaltung zur zeitlich steuerbaren Zuführung von zeitlich begrenzten Wellenzügen dieser Oszillatorwechselspannung an den Sendewandler zur Aussendung entsprechend kurzer Wellenzüge der Ultraschall-Strahlung, mit einer Empfängerschaltung, die mit dem Empfangswandler verbunden ist und die ein Empfangssignal des Empfangswandlers erhält, sowie mit einer Auswerteschaltung, gekennzeichnet dadurch, dass die Empfängerschaltung (31) einen Phasendiskriminator (32) zur Erkennung des Wertes einer Phasenverschiebung zwischen der Oszillatorwechselspannung (33) und dem jeweiligen Empfangssignal sowie eine dem Phasendiskriminator (32) nachgeschaltete elektronische Speicherschaltung (35) hat, die zu Zeitpunkten, die durch Auslesetaktsignale (36) bestimmt sind und die dem jeweiligen der wiederkehrenden Sendeimpulse in einem festen zeitlichen Abstand folgen, der durch den Abstand des Entfernungsbereiches vorgegeben ist, in dem ein bewegtes Objekt zu detektieren ist, das Augangssignal des Phasendiskriminators (32) bis zum nächstfolgenden dieser Zeitpunkte speichert, und dass die Auswerteschaltung (38) eine Vergleicherschaltung zum Vergleich einzelner oder mehrere aufeinanderfolgender Speicherwerte der elektronischen Speicherschaltung (35) hat, wobei diese Vergleicherschaltung (39) eine Schwellenfunktion (40) hat, so dass ein Ausgangssignal (41) des Detektors erzeugt wird, wenn sich der Betrag der einzelnen Speicherwerte oder die Mittelwerte einer Anzahl aufeinanderfolgender Speicherwerte um mehr als einen vorgegebenen Wert voneinander unterschei-det(en), wobei dieses Ausgangssignal (41) das Präsenz-Ereignis angibt.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasendiskriminator ein Produktdetektor (32) ist, der die Differenzfrequenz liefert.
3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Speicher eine «sample and hold»-Schaltung (35) ist.
4. Detektor nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines Entfernungsbereiches für das Ansprechen des Detektors durch die Impulslänge der Torschaltung (42) für die dem Sendewandler (30) zuzuführenden Oszillatorwechselspannung einstellbar gegeben ist.
5. Detektor nach einem der Ansprüche 1,2,3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Detektionsbereich für Geschwindigkeitswerte des zu detektierenden Objekts für hohe Geschwindigkeitswerte durch die Länge der Auslesetakt-Impul-se (36) einstellbar gegeben ist.
6. Verwendung des Ultraschall-Präsenz-Bewegungsdetek-tors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, für eine berührungslose Steuerung eines Wasserhahnes, wobei das Ausgangssignal (41) des Detektors an ein elektromechanisches Ventil zum Öffnen bzw. Schliessen desselben gegeben ist.