DE69809748T2

DE69809748T2 - Radarvorrichtung für niedrige leistungsverwendungen und sanitäranlagen

Info

Publication number: DE69809748T2
Application number: DE69809748T
Authority: DE
Inventors: R. Burnett; Judson Heinzmann; J. Paese; C. Shafer; M. Tervo; J. Thomas
Original assignee: Kohler Co
Current assignee: Kohler Co
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2018-07-18
Also published as: US20010009404A1; DE69809748D1; AU8411698A; JP2001510900A; EP0995127B1; EP0995127A1; CN1269016A; CN1230691C; ES2190597T3; US20020171056A1; WO1999004285A1; US6568655B2; US6206340B1; US6388609B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen, die Radar verwenden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Niedrigenergie-Radarvorrichtungen und radargesteuerte Fluiddurchflußsteuereinrichtungen sowie sanitäre Einrichtungen für Badezimmer, Toiletten oder Küchen.

Hintergrund der Erfindung

Angesichts der Bemühungen um die Gesundheit und Sicherheit der Öffentlichkeit wird viel Aufmerksamkeit auf die Entwicklung von berührungslosen Betätigungselementen an sanitären Einrichtungen in Badezimmern und Toiletten gelegt. Bazillen, Bakterien, Krankheiten und andere schädliche Substanzen können durch Berührung der Griffe an WCs, Urinalen, Waschbecken und anderen sanitären Einrichtungen in öffentlichen Toiletten von einer Person zur nächsten übertragen werden.
Es sind zahlreiche berührungslose Betätigungssysteme entwickelt worden. Viele herkömmliche berührungslose Betätigungssysteme verwenden einen Infrarotdetektor oder, was weniger häufig ist, einen Detektor für sichtbares Licht zum Erfassen eines Benutzers. Der Detektor erzeugt typischerweise geeignete Signale, die eine Betätigungseinheit wie etwa ein Ventil öffnen oder schließen, das an einer Wassereinlaufleitung der sanitären Einrichtung angebracht ist, um beispielsweise eine WC-Schüssel zu spülen oder zu bewirken, daß ein Wasserstrahl aus einem Wasserhahn fließt. IR-Strahlung kann passiv detektiert werden, indem die von einem Benutzer ausgehende Wärme erfaßt wird. Alternativ kann IR-Licht von einer Einrichtung wie etwa einer lichtemittierenden Diode bzw. LED abgegeben und von einem Benutzer zu einem IR-Detektor wie etwa einer Fotozelle reflektiert werden.
Die Anwendung der Infrarotdetektierung weist mehrere Einschränkungen auf. Erstens kann die IR-Strahlung die meisten Materialien wegen der kurzen Wellenlänge der Strahlung nicht durchdringen. Daher sind IR-Sender und -Detektoren typischerweise entweder exponiert oder hinter einem Fenster positioniert, das aus einem für IR- Strahlung durchlässigen Material besteht. Außerdem können IR-Sensoren durch die Anwesenheit von Material wie etwa Papier/Staub oder Gewebe vor dem Sender oder Detektor ungewollt oder gewollt blockiert werden.
Ein weiterer Nachteil der IR-Detektierung besteht darin, daß das Reflexionsvermögen von Objekten wie etwa Kleidung stark verschieden ist. So muß der IR-Detektor für viele verschiedene Stärken von reflektierten Signalen empfindlich sein. Es besteht die Gefahr, daß der Detektor nicht imstande ist, einen Benutzer zu detektieren, dessen Kleidung oder sonstige Gegenstände die IR-Strahlung absorbieren oder nur schwach reflektieren.
Diese Nachteile von IR-Detektoren können zu Fehlansprechen durch die sanitäre Einrichtung führen (z. B. Spülen eines WC zu einem ungeeigneten Zeitpunkt oder Aufrechterhalten eines ständigen Wasserstroms in einem WC oder einem Waschbecken) oder zu Nichtbetätigung führen, bis der Sensorbereich gesäubert oder blockierende Objekte entfernt sind. Es besteht somit Bedarf für eine neue Art von Detektor, der diese Nachteile heutiger Detektoren überwinden kann.
Ein weiterer Aspekt ist die Energiemenge, die zum Betrieb von automatischen oder berührungslosen sanitären Einrichtungen zur Verfügung steht. Diese Einrichtungen können aus Gründen der Zweckmäßigkeit oder weil es in der Nähe keine Wechselstromquelle gibt, batteriebetrieben sein. Um für die Dauer eines Jahres oder länger zu funktionieren, müssen häufig Niedrigenergievorrichtungen hergestellt werden. Viele Arten von Detektiervorrichtungen benötigen erhebliche Energiemengen, und es müssen neue Möglichkeiten entwickelt werden, den Energiebedarf dieser Vorrichtungen zu verringern.
Die Patentschrift EP-A-0 783 058 zeigt eine Steuerungseinrichtung für ein Urinal oder dergleichen. Die Einrichtung weist ein elektrisch gesteuertes Ventil zum Betätigen des Spülwassereinlaufs in eine Urinalschüssel sowie eine Sensoreinheit auf, die mit dem Ventil verbunden ist und die Ventilbetätigung ohne jeden Handkontakt erlaubt. Die Sensoreinheit verwendet einen Radarsensor auf der Basis der Mikroimpulstechnik. Die ser ist auch als Breitbandimpulsradarsensor bekannt. Der Sensor bevorzugt extrem kurze Impulssignale (im ns-Bereich) und gibt die Signale im Vergleich zu ihrer Dauer über eine Zyklusdauer (beispielsweise: Faktor 1000) ab, um jegliche Einflüsse von benachbarten Sensoren praktisch auszuschließen.
Die Patentschrift WO96/19737 zeigt eine Radarentfernungsmeß- und -suchvorrichtung für versteckte Objekte mit einem Gate mit hochauflösendem Abtastbereich. Der Empfänger erzeugt ein Abtastsignal, das eine äquivalente zeitliche Darstellung der empfangenen Echos ermöglicht. Eine Zeitgeberschaltung liefert das Sendetaktsignal an den Sender und das Empfangstaktsignal an den Empfänger. Das Empfangstaktsignal veranlaßt den Empfänger, die Echos abzutasten, so daß die Zeitdauer zwischen dem Senden von Impulsen in der Sequenz und dem Abtasten durch den Empfänger einen Bereich von Verzögerungen durchläuft.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Fluiddurchflußvorrichtungen und Sensoren, die diese Nachfrage befriedigen können. Bei einer Ausführungsform umfaßt eine Fluiddurchflußvorrichtung einen Betätiger, einen HF-Sender, einen auftastbaren HF-Empfänger und einen Prozessor. Der HF-Sender ist so konfiguriert und angeordnet, daß er eine Vielzahl von HF-Energieimpulsen erzeugt, die zeitlich beabstandet sind, um ein Sensorfeld zu bilden. Der ansteuerbare HF-Empfänger ist so konfiguriert und angeordnet, daß er HF- Energie empfängt, die von Objekten innerhalb des Sensorfeldes reflektiert werden. Der Prozessor ist mit dem auftastbaren HF-Empfänger gekoppelt, um die reflektierte HF- Energie auszuwerten. Der Prozessor ist ferner mit dem Betätiger gekoppelt und so konfiguriert und angeordnet, daß er den Betätiger in Abhängigkeit von der reflektierten HF-Energie aktiviert, um den Fluiddurchfluß zu steuern.
Eine weitere Ausführungsform ist ein Verfahren zum Vorsehen von Fluiddurchfluß in Abhängigkeit von einem Benutzer. Ein impulsförmiges HF-Signal wird von einem Sender ausgesendet, um ein Sensorfeld zu bilden. Reflexionen des HF-Signals werden an einem Empfänger von Objekten innerhalb des Sensorfeldes empfangen. Diese Reflexionen werden ausgewertet, um eine Charakteristik eines Benutzers zu bestimmen. Ein Betätiger wird auf der Basis der Auswertung der Reflexionen des HF-Signals aktiviert. Der Betätiger steuert den Fluiddurchfluß in einer sanitären Einrichtung.
Eine weitere Ausführungsform ist ein Sensor. Der Sensor weist auf: einen Burstauslöser, einen Senderimpulsgenerator, einen HF-Oszillator, eine Sendeantenne, eine Empfangsantenne, einen Empfängerimpulsgenerator, eine Empfängerverzögerungsleitung und einen Empfängerabtaster. Der Burstauslöser liefert eine Vielzahl von Bursts mit einer Burstrate und einer Burstdauer, die 5% einer Zeitdauer zwischen Bursts oder weniger beträgt. Der Senderimpulsgenerator erzeugt eine Vielzahl von Senderimpulsen mit einer Senderimpulsrate und mit einer Senderimpulsdauer während jedes Bursts. Der HF-Oszillator liefert HF-Energieimpulse in Abhängigkeit von den Senderimpulsen, und die Senderantenne sendet die HF-Energieimpulse aus zur Bildung eines Sensorfeldes. Die Empfängerantenne empfängt HF-Energie, die von Objekten im Sensorfeld reflektiert wird. Der Empfängerimpulsgenerator ist mit dem Senderimpulsgenerator gekoppelt und erzeugt Empfängerimpulse mit einer Empfängerimpulsrate und Empfängerimpulsdauer. Die Empfängerverzögerungsleitung verzögert die Empfängerimpulse in bezug auf die Senderimpulse. Der Empfängerabtaster tastet die während der Empfängerimpulse von der Empfängerantenne empfangene HF-Energie ab.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Das Verständnis der Erfindung ergibt sich unter Berücksichtigung der nachstehenden genauen Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; diese zeigen in:
Fig. 1 ein schematisches Blockbild einer Ausführungsform einer Fluiddurchflußsteuereinrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Waschbeckens und eines Wasserhahns mit der Fluiddurchflußsteuereinrichtung von Fig. 1;
Fig. 3 ein schematische Blockbild einer Ausführungsform eines Radarsystems der Fluiddurchflußsteuereinrichtung;
Fig. 4 ein Impulsdiagramm für eine Ausführungsform des Radarsystems von Fig. 3, das HF-Senderimpulse verwendet;
Fig. 5 ein Impulsdiagramm für eine andere Ausführungsform des Radarsystems von Fig. 3, das Ultrabreitband- bzw. UWB-Senderimpulse verwendet;
Fig. 6 eine schematische Darstellung von Detektierhüllen in einem Ultrabreiteband-Radarsystem, das das Impulsdiagramm von Fig. 5 hat;
Fig. 7A-7D Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen eines Urinals, bei dem die radargesteuerte Fluiddurchflußsteuereinrichtung von Fig. 1 gemäß der Erfindung verwendet wird;
Fig. 8A, 8C und 8E Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen eines WC, bei de die radargesteuerte Fluiddurchflußsteuereinrichtung von Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 8B eine Draufsicht von oben auf das WC von Fig. 8A;
Fig. 8D eine Draufsicht auf das WC von Fig. 8C;
Fig. 9A-9F Seitenansichten verschiedener Ausführungsformen eines Waschbeckens und eines Wasserhahns, wobei die radargesteuerte Fluiddurchflußsteuereinrichtung von Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 10 ein beispielhaftes Blockbild eines burst-modifizierten Impulsradarsensors;
Fig. 11 ein Blockbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Niedrigenergie-Radarsensors gemäß der Erfindung;
Fig. 12 ein Blockbild einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Niedrigenergie-Radarsensors gemäß der Erfindung;
Fig. 13 ein beispielhaftes Impulsdiagramm eines Niedrigenergie- Vierkanalradarsensors gemäß der Erfindung;
Fig. 14 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Radarsensors gemäß der Erfindung; und
Fig. 15 eine Perspektivansicht einer Fluiddurchflußsteuereinrichtung gemäß der Erfindung.

Genaue Beschreibung der gezeigten Ausführungsbeispiele

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluiddurchflußsteuereinrichtung, die Radar nutzt, um die Anwesenheit, Position, Bewegung und/oder Bewegungsrichtung eines Individuums, in einem Radarsensorfeld zu detektieren, und auf vorbestimmte Weise auf die Ergebnisse der Radardetektierung anspricht. Beispielsweise kann eine Fluiddurchflußsteuereinrichtung an einem Wassereinlauf eines WC oder Urinals angebracht sein, wobei die Einrichtung Radar nutzt, um den Eintritt und den Austritt eines Benutzers in ein bzw. aus einem Radarsensorfeld um das WC oder Urinal zu detektieren und auf die Bewegung des Benutzers anzusprechen, indem das WC oder Urinal gespült wird, um Abprodukte zu entfernen, nachdem sich der Benutzer entfernt hat.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Niedrigenergie-Impulsradarsystem. Dieses System kann zwar in den Fluiddurchflußsteuereinrichtungen verwendet werden, aber die Anwendung des Radarsystems ist nicht auf diese Einrichtungen beschränkt. Das Radarsystem könnte beispielsweise in Einbruchalarmanlagen, Notbeleuchtungen, Spielzeugen und anderen Radarsensoranwendungen verwendet werden, insbesondere in Kurzbereichs-Anwendungen, bei denen die Betriebsenergie niedrig ist.

Fluiddurchflußsteuereinrichtungen

Bei einer Ausführungsform umfaßt eine Fluiddurchflußsteuereinrichtung eine Radarsensoreinheit, die einen Sender und einen Empfänger hat, die ein Sensorfeld erzeugen. Der Sender gibt ein elektromagnetisches Signal ab, und der Empfänger empfängt Reflexionen des elektromagnetischen Signals, die aus Wechselwirkungen zwischen dem Signal und ein oder mehr Objekten innerhalb des Sensorfelds resultieren. Die Fluiddurchflußsteuereinrichtung umfaßt ferner Detektierschaltkreise, die mit der Sensorein heit gekoppelt sind, um eine Charakteristik einer Person in dem Sensorfeld zu detektieren. Geeignete Charakteristiken umfassen die Anwesenheit der Person in dem Sensorfeld, eine Bewegung der Person in dem Sensorfeld, die Bewegungsrichtung der Person in dem Sensorfeld oder eine Kombination davon. Ein Betätiger wie etwa ein Ventil ist mit den Detektierschaltkreisen gekoppelt und so ausgebildet, daß er in einer Leitung angeordnet wird, um den Fluiddurchfluß durch die Leitung zu steuern. Der Betätiger öffnet und schließt in einer vorbestimmten Folge in Abhängigkeit von den Detektierschaltkreisen.
Diese radargesteuerte Fluiddurchflußsteuereinrichtung erlaubt die berührungslose Betätigung einer Vorrichtung wie etwa eines WC, Urinals, Waschbeckens, einer Dusche, eines Bidets, oder einer anderen sanitären Einrichtung oder Vorrichtung. Die Reaktion der Einrichtung wird typischerweise von den gewöhnlichen Handlungen des Anwenders bestimmt. Diese berührungslosen Betätigungseinrichtungen sind in öffentlichen Toiletten besonders vorteilhaft, wo die Gefahr besteht, daß gefährliche Bazillen, Bakterien oder Krankheiten auf spätere Benutzer der sanitären Einrichtung übertragen werden. Außerdem können die Fluiddurchflußsteuereinrichtungen der Erfindung auch in anderen Fällen verwendet werden, etwa in Badezimmern oder Küchen von Privatwohnungen, und zwar aus vielerlei Gründen einschließlich der Aufrechterhaltung von hygienischen Bedingungen sowie der Bequemlichkeit.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung von solchen Fluiddurchflußsteuereinrichtungen bei sanitären Einrichtungen, Geräten und Vorrichtungen und speziell bei sanitären Einrichtungen, die in Badezimmern und Toiletten verwendet werden, was WC, Urinale/ Bidets, Duschen, Badewannen, Whirlpools, Händetrockner, Seifen- oder Lotionsspender, Waschbecken und Wasserhähne betrifft, und auch bei in Küchen verwendeten sanitären Einrichtungen wie etwa Spülbecken und Wasserhähnen.
Eine Ausführungsform ist eine Abproduktbeseitigungsvorrichtung wie etwa ein WC oder Urinal, das eine Wassereinlaufleitung, eine Abproduktaufnahme in Fluidverbindung mit der Wassereinlaufleitung und eine Wasserauslaßleitung in Fluidverbindung mit der Abproduktaufnahme, durch die Abprodukte entfernt werden, aufweist. Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Radarsensoreinheit, die nahe der Abproduktaufnahme positioniert ist. Die Radarsensoreinheit hat einen Sender und Empfänger, die ein Sensorfeld um die Abproduktaufnahme herum erzeugen, um eine Charakteristik eines Benutzers der Abproduktaufnahmevorrichtung zu detektieren. Geeignete Charakteristiken umfassen die Anwesenheit des Benutzers in dem Sensorfeld, eine Bewegung des Benutzers in dem Sensorfeld, die Richtung der Bewegung des Benutzers in dem Sensorfeld oder eine Kombination davon. Ein Betätiger ist mit der Radarsensoreinheit gekoppelt und nahe oder in der Wassereinlaufleitung positioniert, um den Wasserdurchfluß durch die Wassereinlaufleitung zu steuern. Der Betätiger öffnet und schließt in einer vorbestimmten Sequenz in Abhängigkeit von der von der Sensoreinheit delektierten Charakteristik. Beispielsweise wird der Betätiger geöffnet und erlaubt den Wasserdurchfluß durch die Wassereinlaufleitung in die Abproduktaufnahme, um Abprodukte aus der Abproduktaufnahme zu entfernen, nachdem ein Benutzer das Sensorfeld verlassen hat.
Eine Fluiddurchflußsteuereinrichtung 20 ist in Fig. 1 schematisch gezeigt. Die Einrichtung 20 enthält einen Betätiger 22 wie etwa ein Ventil, das von einer Steuerschaltung 24 betrieben wird. Ein Radardetektor 26 sendet Eingangsdaten an die Steuerschaltung 24, die dann die geeignete Reaktion bestimmt. Der Radardetektor 26 weist charakteristisch einen Sender 28, einen Empfänger 30 und eine Detektierschaltung 32 auf.
Wie Fig. 2 zeigt, ist der Betätiger 22 typischerweise mit einer Wassereinlaufleitung 34 einer sanitären Einrichtung 36 verbunden, die beispielhaft als ein Wasserhahn 38 und ein Waschbecken 40 gezeigt ist. Der Betätiger 22 ist so konfiguriert, daß er öffnet und schließt, um den Fluiddurchfluß in und/oder durch die sanitäre Einrichtung zu steuern. Beispielsweise kann die Fluiddurchflußsteuereinrichtung 20 in Verbindung mit einem Wasserhahn 38 und einem Waschbecken 40 verwendet werden, um den Wasserdurchfluß durch den Wasserhahn 38 in das Waschbecken 40 zu steuern. In diesem Fall ist der Betätiger 22 typischerweise in die Wasserleitung 34 eingebaut oder zwischen der Wasserleitung 34 und dem Wasserhahn 38 angeordnet. Bei einer Ausführungsform wird der Betätiger 22 geöffnet und Wasser fließt durch den Hahn 38, wenn ein Benutzer detektiert wird. Der Betätiger 22 wird geschlossen und das Wasser hört auf, durch den Wasserhahn 38 zu fließen, wenn sich der Benutzer entfernt. Andere Konfigurationen des Betätigers 22 und andere Positionen des Betätigers 22 in bezug auf die sanitäre Einrichtung können ebenfalls verwendet werden.
Ein Beispiel einer geeigneten Steuerschaltung 24 umfaßt ein Solenoid mit einem Anker, der an dem Betätiger 22 angebracht ist, um den Betätiger 22 in Abhängigkeit von Signalen von dem Radardetektor 26 zu öffnen oder zu schließen. Beispielsweise kann ein Strom durch das Solenoid geschickt werden, um den Anker zu bewegen und den Betätiger zu öffnen. Ein entgegengesetzter Strom oder eine mechanische Einrichtung wie beispielsweise eine Feder im Fall der Abwesenheit von Strom kann dann dazu dienen, den Betätiger in seine geschlossene Position zurückzubringen.
Die Steuerschaltung 24 kann auch komplexe Komponenten wie etwa einen Mikroprozessor aufweisen, die eine programmierte Reaktion auf der Basis der Signale vom Radardetektor 26 liefern. Die programmierte Reaktion kann von der Art des empfangenen Signals (d. h. der Anwesenheit eines Individuums oder der Bewegung eines Individuums) oder der Abfolge von empfangenen Signalen (d. h. zwei aufeinanderfolgende Signale entsprechend dem Zutritt zu dem und dem Verlassen eines Radarsensorfelds durch eine Person) abhängig sein. Um fehlerhafte Reaktionen zu verhindern, kann eine mikroprozessorbasierte Steuereinheit verschiedene Software-Algorithmen verwenden, die Signaldetektier- und statistische Techniken, beispielsweise eine Signalmittelung anwenden, um Rauschprobleme aufzulösen, die durch Störreflexionen und/oder Hintergrundgeräusche verursacht werden.

Radarsensoren

Der Radardetektor 26 ist eine nützliche Vorrichtung, um eine Person und/oder Tätigkeiten einer Person in einem Sensorfeld zu detektieren. Im allgemeinen wird die Radardetektierung durchgeführt, indem ein Radarsignal von einem Sender 28 ausgesendet wird und Reflexionen des gesendeten Radarsignals an einem Empfänger 30 empfangen werden, wobei die Reflexionen aus der Wechselwirkung des Radarsignals mit einem Objekt entstehen. Die Stärke des reflektierten Signals ist teilweise von dem Reflexionsvermögen und der Größe des Objekts sowie der Entfernung zu dem Objekt abhängig.
Es kann eine Vielzahl von Radarsendern verwendet werden. Ein Typ von Radarsender strahlt kontinuierlich ein elektromagnetisches Signal häufig mit einer einzigen Frequenz ab. Ein Verfahren zum Erhalt von Information aus diesem Signal besteht darin, die Frequenz des reflektierten Signals zu messen. Wenn sich das Objekt, das das Signal re flektiert, bewegt, kann die Frequenz des Reflexionssignals einer Doppler-Verschiebung unterzogen werden und Bewegungs- und Richtungsinformation liefern. Beispielsweise bewirkt ein Objekt, das sich von dem Radardetektor weg bewegt, daß die Frequenz des Reflexionssignals abnimmt, und ein Objekt, das sich zu dem Detektor hin bewegt, führt dazu, daß die Frequenz des Reflexionssignals zunimmt. Es versteht sich, daß es andere Dauerstrich-Radarsysteme und -Verfahren gibt, die angewandt werden können, um Anwesenheits-, Positions-, Bewegungs- und Richtungsinformation in bezug auf ein Individuum in dem Radarsensorfeld zu erhalten. Diese Radarsysteme und -verfahren können ebenfalls in den Einrichtungen der Erfindung verwendet werden.
Eine andere Art von Radarsystem, das bei der praktischen Anwendung der Erfindung nützlich ist, ist Impulsradar, wobei elektromagnetische Energieimpulse von einem Sender abgegeben und reflektierte Impulse von einem Empfänger empfangen werden. Eine Impulsradarkonfiguration ist in Fig. 3 schematisch gezeigt. Dieses Radarsystem umfaßt einen Impulsgenerator 50, der Impulse mit einer Impulsfolgefrequenz erzeugt, einen Sender 52, der das Radarsignal in Abhängigkeit von den Impulsen aussendet, eine fakultative Senderverzögerungsschaltung 53 zum Verzögern des Radarsignals, einen Empfänger 54 zum Empfang des reflektierten Radarsignals, eine fakultative Empfängerverzögerungsschaltung 56 zum Auftasten bzw. Ansteuern des Empfängers nach einer Verzögerung, und eine Signalverarbeitungsschaltung 58 zum Erhalt der gewünschten Anwesenheits-, Positions-, Bewegungs- und/oder Richtungsinformation aus dem reflektierten Radarsignal.
Bei einer Art von Impulsradar wird ein Burst von elektromagnetischer Energie mit einer bestimmten RF-Frequenz abgegeben, wobei die Länge des Bursts Vielfachschwingungen des Signals bei der Radarfrequenz entspricht. Ein Beispiel eines Radarsystems, das RF-Frequenz-Radarbursts verwendet, ist im einzelnen in der US-PS 5 521 600 beschrieben. Bei diesem speziellen Radarsystem werden die Sende- und Empfangssignale in einem Empfänger 54 gemischt, bevor die Signalverarbeitung erfolgt.
Ein Impulsdiagramm für dieses spezielle Radarsystem ist in Fig. 4 gezeigt, die den gesendeten RF-Burst 60, das Empfängeransteuersignal 62 und das gemischte Sender- und Empfängersignal 64 zeigt. Die Detektierschwelle 66 der Schaltung kann mit einem ausreichend hohen Wert vorgegeben sein, so daß nur ein gemischtes Sender- und Emp fängersignal die Detektierung auslöst. Dieses Radarsystem hat einen maximalen Detektierbereich. Detektierbare Signale werden nur von Objekten erzeugt, die nahe genug bei dem Sender und Empfänger sind, so daß mindestens ein Teil eines gesendeten Bursts zu dem Objekt gelangt und innerhalb der Zeitdauer des Bursts zu dem Empfänger zurückreflektiert wird. Das Sensorfeld dieses Radarsystems deckt den Bereich innerhalb des maximalen Bereichs des Radarsystems ab. Jedes Objekt innerhalb dieses Sensorfelds kann der Detektierung unterzogen werden.
Eine andere Art von Impulsradarsystem ist Ultrabreitbandradar (UWB-Radar), das die Abgabe von Impulsen umfaßt, die Impulsdauern im Nanosekunden- oder Subnanosekundenbereich haben. Beispiele von UWB-Radarsystemen findet man in den US-PS'en 5 361 070 und 5 519 400. Diese UWB-Radarsysteme sind ebenfalls schematisch in Fig. 3 dargestellt. Bei UWB-Radarsystemen ist jedoch der Takt des Sendeimpulses 68 und der Empfängeransteuerung 78, die in Fig. 5 gezeigt sind, deutlich verschieden von den oben beschriebenen RF-Burstradarsystemen. Sendeimpulse werden von dem Sender 52 mit einer Impulswiederholungsfrequenz abgegeben, die typischerweise von einem Impulsgenerator 50 bestimmt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Impulswiederholungsfrequenz durch eine Störquelle moduliert werden, so daß Sendeimpulse mit beliebig veränderlichen Intervallen abgegeben werden, die eine mittlere Intervallänge gleich dem Reziprokwert der Impulswiederholungsfrequenz haben. Der Empfänger 54 wird nach einer Verzögerungsperiode (D) aufgetastet, die die Differenz zwischen der durch die Empfängerverzögerungsschaltung 56 und der durch die Senderverzögerungsschaltung 53 gegebenen Verzögerung ist. Bei UWB-Radarsystemen haben die Sendeimpulse eine kurze Impulsdauer (PW), die typischerweise z. B. 10 ns oder kürzer ist. Der Empfänger wird typischerweise nach der Senderimpulsperiode aufgetastet, was im Gegensatz zu den vorher beschriebenen RF-Burstradarsystemen ist, bei denen der Empfänger während der Senderimpulsperiode aufgetastet wird.
Bei UWB-Systemen definieren die Verzögerungsperiode und die Länge der Empfängerauftast- und Senderimpulse eine Detektierhülle 72, die in Fig. 6 gezeigt ist. Die Detektierhülle definiert das wirksame Sensorfeld des UWB-Radarsystems. Die Distanz zwischen dem Radarsender/-empfänger und der Detektierhülle ist durch die Verzögerungsperiode bestimmt, und je länger die Verzögerungsperiode ist, desto weiter draußen befindet sich die Hülle. Die Weite der Hülle 73 ist von der Sendeimpulsdauer (PW) und der Empfängerauftastdauer (GW) abhängig. Längere Impulsdauern oder Auftastdauern entsprechen einer Hülle 74, die eine größere Weite 75 hat. Bei Verwendung von UWB-Radarsystemen können Charakteristiken eines Objekts 76 in der Hülle wie etwa Anwesenheit, Position, Bewegung und Bewegungsrichtung eines Objekts bestimmt werden.
Bei einigen Ausführungsformen werden zwei oder mehr Auftastimpulse mit unterschiedlichen Verzögerungsdauern verwendet. Die Auftastimpulse können mit jedem Taktimpuls oder nach einem Block von Taktimpulsen alternieren (z. B. wird ein Auftastimpuls mit vierzig Taktimpulsen und dann der zweite mit den nächsten vierzig Taktimpulsen verwendet). Bei anderen Ausführungsformen kann eine Steuereinheit zwischen den zwei oder mehr Auftastimpulsen in Abhängigkeit von den Umständen wie etwa der Detektierung eines Benutzers umschalten. Beispielsweise kann ein erster Auftastimpuls dazu dienen, eine Detektierhülle zu erzeugen, die sich von der sanitären Einrichtung um eine bestimmte Strecke erstreckt. Wenn ein Benutzer detektiert wird, kann ein zweiter Auftastimpuls verwendet werden, der eine Detektierhülle erzeugt, die näher oder weiter entfernt als die erste Hülle ist. Nachdem ein Benutzer diese zweite Detektierhülle verlassen hat, kann die sanitäre Einrichtung aktiviert werden, beispielsweise kann ein WC gespült werden. Die Steuereinheit fährt dann wieder mit der Verwendung des ersten Auftastimpulses in Vorbereitung eines weiteren Benutzers fort. Bei noch anderen Ausführungsformen wird mehr als ein Auftastimpuls pro Sendeimpuls vorgesehen, wodurch eine Vielzahl von Detektierhüllen erzeugt wird.
Eine potentiell nützliche Eigenschaft von manchen UWB-Sendern besteht darin, daß die Senderantenne häufig nach dem Ende des Impulses weiter aktiv ist (d. h. fortfährt zu senden). Dieses fortgesetzte Senden erzeugt Vielfachhüllen innerhalb der ursprünglichen Detektierhülle 72, was die Detektierung von Objekten zwischen der Detektierhülle 72 und dem Radarsender/-empfänger erlaubt.
Sowohl bei dem RF-Burst- als auch bei dem UWB-Radarsystem erzeugen die Verzögerungsschaltungen 53, 56 eine festgelegte oder veränderliche Verzögerungsperiode. Eine veränderliche Verzögerungsschaltung kann kontinuierlich variabel sein oder diskrete Werte haben. Beispielsweise kann ein kontinuierlich variables Potentiometer verwendet werden, um eine kontinuierlich veränderliche Verzögerungsperiode zu schaffen. Alter nativ kann ein Vielpolschalter verwendet werden, um zwischen Widerständen mit unterschiedlichen Werten umzuschalten, so daß eine Vielzahl von diskreten Verzögerungsperioden erhalten wird. Bei manchen Ausführungsformen können die Verzögerungsglieder 53, 56 einfach ein Leiter wie etwa ein Draht oder eine Leitung zwischen dem Impulsgenerator 50 und entweder dem Sender 52 oder dem Empfänger 54 sein, wobei die Verzögerungsperiode der Zeitdauer entspricht, die ein Impuls benötigt, um sich zwischen den beiden Komponenten fortzupflanzen. Bei anderen Ausführungsformen sind die Verzögerungsglieder 53, 56 Impulsverzögerungsgeneratoren (PDG) oder Impulsverzögerungsleitungen (PDL).
Wegen ihrer Vielseitigkeit können Radarsysteme zahlreiche Charakteristiken einer Person in einem Radarsensorfeld (d. h. innerhalb des Detektierbereichs des Radars) detektieren. Beispielsweise kann die Anwesenheit einer Person aus der Stärke des Rücksignals detektiert werden. Dieses Rücksignal kann mit einem Hintergrundsignal verglichen werden, das bei Abwesenheit der Person erhalten und von dem Detektor gespeichert wurde.
Eine weitere Art von Anwesenheitsdetektor umfaßt einen Sender und Empfänger, die durch einen Raum getrennt sind. Der Empfänger wird nur für eine Zeitdauer aufgetastet, die ausreicht, um ein von dem Sender direkt übertragenes Signal zu empfangen. Wenn das Signal reflektiert oder blockiert wird, kommt es entweder nicht beim Empfänger an oder es kommt an, nachdem der Empfänger gesperrt worden ist. Diese Art von Detektor kann beispielsweise als "Auslösedraht" verwendet werden, der detektiert, wenn eine Person oder ein Teil einer Person sich zwischen dem Sender und dem Empfänger befindet. Die Anwesenheit einer Person ist gegeben, wenn das während der Auftastperiode empfangene Signal verringert ist.
Die Position der Person in dem Sensorfeld kann beispielsweise bestimmt werden, indem eine Serie von zunehmend längeren oder späteren Empfängerauftastimpulsen abgetastet wird. Die Detektierung eines reflektierten Signals, fakultativ nach Subtraktion eines Hintergrundsignals, bezeichnet die Entfernung der Person von dem Radarsystem.
Die Bewegung einer Person kann durch eine Vielzahl von Verfahren bestimmt werden, was das vorher beschriebene Doppler-Radarsystem einschließt. Ein alternatives Verfah ren zum Detektieren einer Bewegung ist in den US-PS'en 5 361 070 und 5 519 400 beschrieben, bei denen ein empfangenes Signal durch ein Bandpaßfilter geschickt wird, um nur diejenigen Signale zu belassen, die der Bewegung eines Menschen durch das Sensorfeld zugeordnet werden können. Typischerweise ist das Bandpaßfilter um ungefähr 0,1 bis 100 Hz abgestimmt.
Die US-PS 5 519 400 beschreibt ferner ein Verfahren zum Bestimmen der Bewegungsrichtung einer Person. Dieses Verfahren umfaßt die Modulation der Verzögerungsperiode um 1/4 der Abstimm- bzw. Mittenfrequenz des Sendeimpulses, um Quadraturinformation zu erhalten, die dazu genutzt werden kann, die Bewegungsrichtung eines Objekts im Sensorfeld (z. B. zu dem Detektor hin und von diesem weg) zu bestimmen.
Ein anderes Verfahren zum Detektieren der Bewegungsrichtung besteht im Vergleichen von aufeinanderfolgenden Signalen oder von Signalen, die über aufeinanderfolgende Perioden erhalten werden. Bei vielen Radarsystemen nimmt die Stärke des reflektierten Signals zu, während eine Person näherkommt. Während sich die Person weiter entfernt, nimmt das Signal typischerweise ab. Der Vergleich von aufeinanderfolgenden Signalen kann dann genutzt werden, um die allgemeine Bewegungsrichtung entweder zu oder von dem Radardetektor zu bestimmen. Die Steuerschaltung kann den Betätiger eventuell erst aktivieren, nachdem die Richtung des Benutzers über einen Zeitraum (z. B. 3 bis 10 s) bestätigt wird, um sicherzustellen, daß sich der Benutzer zu der sanitären Einrichtung hin oder davon weg bewegt.
Eine oder mehrere Charakteristiken einer Person in dem Sensorfeld wie etwa Anwesenheit, Position, Bewegung oder Bewegungsrichtung können gleichzeitig oder aufeinanderfolgend von einem oder mehreren Sensoren detektiert werden. Diese Information kann in die Steuerschaltung eingegeben werden, die eine geeignete Handlung bestimmt. Ein Mikroprozessor kann verwendet werden, um den Betätiger auf der Basis dieser Vielzahl von Informationselementen zu steuern.
Es versteht sich, daß auch andere Verfahren anwendbar sind, um die Anwesenheit, Position, Bewegung und Bewegungsrichtung einer Position in einem Radarsensorfeld zu bestimmen.

Niedrigenergie-Radarsensor

Ein Radarsensor zur Verwendung mit einer Fluiddurchflußsteuereinrichtung oder mit irgendeiner anderen Einrichtung kann betrieben werden, indem entweder Wechsel- oder Gleichstromenergie verwendet wird. In vielen Fällen kann zwar der Radarsensor unter Nutzung der verfügbaren Wechselstromenergie aus einer Steckdose betrieben werden, es kann aber zweckmäßig sein, statt dessen Batteriestrom zu verwenden. Beispielsweise kann es sein, daß in sanitären Einrichtungen von Badezimmern verwendete Radarsensoren im Hinblick auf Zweckmäßigkeit oder Ästhetik nicht mit einer Steckdose verbunden werden. In diesen Fällen kann ein batteriegespeister Radarsensor vorteilhaft sein. Es ist jedoch auch erwünscht, daß die Lebensdauer der Batterien in dem Sensor in der Größenordnung von Monaten oder Jahren liegt. Daher ist die Entwicklung von Niedrigenergie-Radarsensoren erwünscht.
Häufig können Impulssensoren weniger Energie verbrauchen als solche, die im Dauerbetrieb betrieben werden. Ferner gilt im allgemeinen, daß um so weniger Energie für den Betrieb des Sensors benötigt wird, je weniger Impulse pro Zeiteinheit abgegeben werden. Die Empfindlichkeit nimmt jedoch häufig mit einer Verringerung der Impulsrate ab. Außerdem wurde festgestellt, daß eine Verringerung der Impulsrate auch die Impedanz eines Abtastelements im Empfänger erhöhen kann. Dadurch können sich Einschränkungen der Bandbreite des Sensors ergeben, da selbst geringe Streukapazitäten dazu führen können, daß der Frequenzgang des Empfängers bei sehr niedrigen Frequenzen abgesenkt wird. Außerdem kann eine hohe Ausgangsimpedanz strikte Anforderungen an anschließende Verstärkerstufen stellen und in der Schaltung einen sehr empfänglichen Punkt für eine Störsignaleinkopplung bilden.
Ein neuer Niedrigenergie-Radarsensor funktioniert durch Bereitstellen von Radarimpulsen, die ungleichmäßig über die Zeit beabstandet sind. Im Gebrauch wird ein Burst 102 von Impulsen 104 in dem Sender ausgelöst, wie Fig. 10 zeigt. Zwischen jedem Burst liegt eine Ruheperiode 106, in der der Sender keine RF-Energie aussendet. Beispielsweise kann ein 1-100 us-Burst von RF-Impulsen alle 0,1 bis 5 ms erzeugt werden. Die RF-Impulse können beispielsweise mit einer Rate von 0,5 bis 20 MHz innerhalb des Bursts bei einer RF-Frequenz im Bereich von beispielsweise 1 bis 100 GHz bereitgestellt werden. Auf diese Weise erhält man eine relativ hohe Impulsrate während der Burstpe riode, jedoch mit insgesamt niedriger Energie, weil die Bursts nur über 5% oder weniger der Periode zwischen Bursts auftreten. Obwohl die Empfindlichkeit dieses Radarsensors ungefähr die gleiche wie die eines Radarsensors mit der gleichen Zahl von Impulsen ist, die zeitlich gleichmäßig beabstandet sind, kann die Impedanz des Abtastelements während der Burstperiode viel kleiner sein. Bei manchen Ausführungsformen kann die Burstperiode jedoch 10%, 25%, 50% oder mehr der Zeitdauer zwischen Bursts sein.
Ein beispielhafter Niedrigenergie-Radarsensor 200 ist in Fig. 11 gezeigt. Der Radarsensor 200 weist einen Burstauslöser 202 auf, der den Beginn des Bursts auslöst und fakultativ das Ende des Bursts auslösen kann. Eine Burstrate ist als die Rate definiert, mit der Bursts bereitgestellt werden. Die Burstdauer ist die Zeitdauer des Bursts. Die Zeitdauer zwischen Bursts ist die Ruheperiode. Bei vielen Anwendungen kann die Burstrate zwischen beispielsweise 200 Hz und 10 kHz und häufig zwischen beispielsweise 500 Hz und 2 kHz liegen. Die Bürstdauer kann beispielsweise zwischen 1 und 200 us und häufig zwischen beispielsweise 5 und 100 us liegen. Höhere oder niedrigere Burstraten und längere oder kürzere Burstdauern können jedoch verwendet werden. Die jeweilige Burstrate und Burstdauer können von Faktoren wie dem Anwendungsfall und dem gewünschten Energieverbrauch abhängig sein. Ein beispielhafter Burst 102 ist in Fig. 10 gezeigt.
Der Burst startet einen Impulsoszillator 204, der die Auslösesignale für jeden Impuls liefert. Der Impulsoszillator kann beispielsweise mit 0,5 bis 20 MHz und häufig beispielsweise mit 2 bis 10 MHz betrieben werden, um beispielsweise 5 bis 2000 Impulse pro Burst zu liefern. Höhere oder niedrigere Oszillatorraten und größere oder kleinere Impulszahlen pro Burst können in Abhängigkeit von Faktoren wie beispielsweise dem Anwendungsfall und dem gewünschten Energieverbrauch verwendet werden.
Diese Auslösesignale werden entlang einer fakultativen Senderverzögerungsleitung 206 zu einem Impulsgenerator 208 übertragen, der einen Impuls mit einer gewünschten Impulslänge erzeugt. Die fakultative Senderverzögerungsleitung 206 kann die Senderimpulse mit einer geeigneten Verzögerung versehen, um eine gewünschte Verzögerungsdifferenz zwischen den Sender- und Empfängerimpulsen zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen wird die Senderverzögerungsleitung 206 dazu verwendet, eine Ver zögerung von beispielsweise einer viertel Wellenlänge einer RF-Oszillatorfrequenz zu ermöglichen, um eine Quadraturdetektierung wie unten beschrieben zuzulassen.
Der Impulsgenerator liefert einen Impuls mit einer gewünschten Impulslänge bei jedem Impuls von dem Impulsoszillator. Die Dauer des Impulses bestimmt mindestens teilweise die Breite der Detektierhülle, wie oben beschrieben wird. Die Impulsbreite kann beispielsweise zwischen 1 und 20 ns liegen, aber längere oder kürzere Impulsdauern können verwendet werden. Ein Beispiel der Impulse 104 von dem Impulsoszillator ist in Fig. 10 zu sehen.
Der Impuls wird dann einem RF-Oszillator 210 zugeführt, der mit einer bestimmten RF- Frequenz arbeitet, um einen RF-Energieimpuls mit der RF-Frequenz zu erzeugen, und eine Impulsdauer hat, wie sie von dem Impulsgenerator 208 vorgesehen wird, mit einer Impulsrate, die von dem Impulsoszillator 204 während einer Burstperiode, die von dem Burstauslöser 202 ausgelöst wird, bestimmt ist. Die RF-Frequenz kann beispielsweise zwischen 1 und 100 GHz und häufig zwischen 2 und 25 GHz liegen, aber es können höhere oder niedrigere RF-Frequenzen angewandt werden.
Die RF-Energieimpulse werden einer RF-Antenne 212 zugeführt und in den Raum abgestrahlt, wie oben beschrieben wird. Die kurze Dauer der Impulse resultiert typischerweise in der Abstrahlung eines Ultrabreitband- bzw. UWB-Signals. Außerdem kann die RF-Antenne 212 kontinuierlich weiter abstrahlen, so daß eine Vielzahl von Detektierhüllen für jeden Impuls erhalten wird.
Der Impulsoszillator 204 erzeugt nicht nur Impulse für den Sender, sondern liefert auch Impulse zum Auftasten des Empfängers. Die Verwendung desselben Impulsoszillators 204 für den Sender- und den Empfängerbereich des Radarsensors 200 erleichtert die zeitliche Abstimmung zwischen den Bereichen. Impulse vom Impulsoszillator 204 werden der Empfängerverzögerungsleitung 214 zugeführt, die die Impulse um eine gewünschte Zeitdauer verzögert, um zumindest teilweise die Entfernung der Detektierhülle von dem Radarsensor zu bestimmen, wie oben beschrieben wird. Die Empfängerverzögerungsleitung 214 kann imstande sein, nur eine Verzögerung oder eine Vielzahl von Verzögerungen bereitzustellen, die je nach Wunsch wählbar sind, um verschiedene Radarbereiche zu erhalten.
Nach der Verzögerung werden die Impulse einem Empfängerimpulsgenerator 216 zugeführt, der einen Empfängerimpuls mit einer gewünschten Impulsdauer erzeugt. Die Dauer dieses Impulses sowie die Dauer des Senderimpulses bestimmen mindestens teilweise eine Breite der Detektierhülle, wie oben beschrieben wird. Nur während des Empfängerimpulses wird der Empfänger aufgetastet, und zwar beispielsweise über eine Diode 218, um Radarsignale zu empfangen. Die Impulsdauer des Empfängerimpulses liegt typischerweise zwischen Null und der halben RF-Zykluszeit (z. B. Null bis 86 ps bei einer Sendefrequenz von 5,8 GHz) und häufig zwischen 1/4 und 1/2 der RF- Zyklusdauer (z. B. 43 bis 86 ps bei einer Sendefrequenz von 5,8 GHz). Es können aber auch längere Impulsdauern angewandt werden. Empfängerimpulse 108 werden nur während des Bursts 102 erzeugt, wie Fig. 10 zeigt. Die Empfängerimpulse 108 können die Senderimpulse 104 überlappen oder auch nicht.
Empfängersignale werden über die Empfängerantenne 220 empfangen, aber diese Signale werden nur während der Empfängerimpulse abgetastet. Die Abtastung erfolgt beispielsweise mit einem Abtast- und Halteglied 222. Typischerweise weist das Abtast- und Halteglied 222 ein Gate auf, das zwischen Bursts geöffnet werden kann, um die restliche Schaltung zu trennen.
Das Empfängersignal wird dann einer oder mehreren Verstärkerstufen 224 zugeführt. Es können Vielfachverstärkerstufen verwendet werden, um gleichzeitige Ausgänge an Vielfachsender- und -empfängerverzögerungsleitungs-Einrichtungen zu liefern.
Das Signal wird dann einem fakultativen A/D-Umsetzer 226 zugeführt, der dann ein entsprechendes Digitalsignal an einen Prozessor 228 sendet, der beispielsweise ein Mikroprozessor ist, der das Signal auswertet und eine Antwort liefert. Der Prozessor 228 kann als Betätiger 230 entsprechend dem umgewandelten Empfängersignal wirksam sein. Beispielsweise kann der Prozessor den Betätiger 230 anweisen, ein Ventil 232 zu öffnen oder zu schließen. Alternativ kann das Empfängersignal unter Verwendung eines Analogprozessors (nicht gezeigt) analysiert werden, das dann den Betätiger aktiviert.
Es versteht sich, daß dieser Niedrigenergie-Radarsensor dazu dienen kann, auch andere Einrichtungen als Betätiger oder Ventile zu betätigen. Ferner können Komponenten wie etwa eine oder mehrere der Verstärkerstufen, der A/D-Umsetzer und der Prozessor in dem Radarsensor vorhanden oder außerhalb des Sensors vorgesehen sein.
Ein weiterer beispielhafter Niedrigenergie-Radarsensor 300 ist in Fig. 12 gezeigt. Der Radarsensor 300 weist auf: einen Burstauslöser 302, einen Impulsoszillator 304, eine Senderverzögerungsleitung 306, einen Impulsgenerator 308, einen RF-Oszillator 310 und eine Senderantenne 312, wie dies oben für den Radarsensor 200 beschrieben wurde. Eine I/Q-Wahl 307 ist fakultativ an der Senderverzögerungsleitung 306 vorgesehen. Die I/Q-Wahl 307 kann die Verzögerung des Sendeimpulses um beispielsweise 1/4 eines Zyklus der RF-Frequenz des RF-Oszillators 310 ändern. Dies kann für die Quadraturdetektierung genutzt werden, um die Bestimmung der Bewegungsrichtung eines Objekts innerhalb des Sensorfelds zu bestimmen. Beispielsweise kann während eines ersten Bursts die Senderimpulsverzögerung eine erste Dauer sein, und während eines zweiten Bursts kann die Senderimpulsverzögerung eine zweite Dauer sein, die eine Kombination aus der ersten Dauer und 1/4 der Zyklusdauer bei der RF-Frequenz ist. Der Radarsensor kann fortgesetzt alternieren, wobei die entsprechenden Signale für die Quadraturdetektierung genutzt werden, um die Bewegungsrichtung zu bestimmen. Bei einigen Ausführungsformen kann mehr als ein Burst vorgesehen sein, bevor der Wechsel stattfindet, oder der Wechsel kann während eines Bursts erfolgen.
Der Empfängerbereich des Radarsensors 300 umfaßt eine Empfängerverzögerungsleitung 314, die mit dem Impulsoszillator 304, einem Impulsgenerator 316 und einer Empfängerantenne 320 gekoppelt ist, wie dies ähnlich für den Radarsensor 200 beschrieben wurde. Eine fakultative Bereichswahl 315 ist in der Empfängerverzögerungsleitung 314 vorgesehen, um die von der Empfängerverzögerungsleitung 314 bereitgestellte Verzögerung selektiv zu ändern.
Ein beispielhaftes Abtast- und Halteglied, das mit der Empfängerantenne 320 und dem Impulsgenerator 316 gekoppelt ist, ist bei dieser Ausführungsform gezeigt, aber es können auch andere Abtast- und Halteglieder verwendet werden. Das Abtast- und Halteglied umfaßt einen ersten Puffer 340 (z. B. einen Operationsverstärker mit einer Ver stärkung von ungefähr Eins), ein Gate 342a (z. B. ein Sendegate), einen Haltekondensator 344a, der mit Masse verbunden ist, und einen zweiten Puffer 346a.
Diese Ausführungsform zeigt auch die Verwendung einer Zweikanalvorrichtung, wobei der zweite Kanal ein Gate 342b, einen mit Masse verbundenen Haltekondensator 344b und einen zweiten Puffer 346b hat. Bei dieser Ausführungsform nutzen beide Kanäle denselben ersten Puffer, aber es könnten auch einzelne erste Puffer verwendet werden. Es versteht sich, daß andere Ausführungsformen eventuell nur einen Kanal haben oder drei oder mehr Kanäle haben können. Jeder Kanal hat eine Kanalwahl 348a, 348b, die mit dem Gate 342a, 342b zum Öffnen und Schließen des Kanals verbunden ist. Sämtliche Kanäle sind zwischen Bursts typischerweise geschlossen, und typischerweise ist während jedes Bursts nur ein Kanal offen. Dadurch werden die nachgeschalteten Verstärker getrennt, außer dann, wenn ein Signal für einen bestimmten Kanal empfangen wird.
Das Signal von jedem Kanal wird dann durch eine oder mehrere Verstärkerstufen 324a, 324b geleitet. Das verstärkte Signal kann dann beispielsweise durch Analogschaltungen (nicht gezeigt) oder einen A/D-Umsetzer 326 und einen Prozessor 328 verarbeitet werden. Dann kann das verarbeitete Signal genutzt werden, um beispielsweise einen Betätiger 330 zu aktivieren, so daß ein Ventil 332 geöffnet oder geschlossen wird. Es versteht sich, daß der Radarsensor auch für andere Zwecke als zur Aktivierung eines Betätigers und eines Ventils genutzt werden kann.
Bei diesem Radarsensor 300 kann der Prozessor 328 ein Mikroprozessor sein, der auch als der Burstauslöser 302, I/Q-Wahl 307, Bereichswahl 315, Kanal-1-Wahl 348a und/oder Kanal-2-Wahl 348b dient. Alternativ können ein oder mehr weitere Mikroprozessoren oder andere Komponenten eine oder mehrere dieser Funktionen bereitstellen.
Ein beispielhaftes Impulsdiagramm für einen Vierkanal-Radardetektor mit Längs- und Quadraturdetektierung in einem Nahbereich und einem Fernbereich ist in Fig. 13 gezeigt. Der Burstkanal 400 erzeugt Bursts in regelmäßigen Abständen entsprechend der Burstrate. Der I/Q-Wählkanal 402 alterniert zwischen Längsdetektierung (kein Signal im I/Q-Wählkanal) und Quadraturdetektierung (Signal im I/Q-Wählkanal). Die Anwesenheit eines Signals in dem I/Q-Wählkanal kann beispielsweise bewirken, daß die Sendeverzö gerungsleitung die Verzögerung der Senderimpulse etwa um eine viertel Wellenlänge der RF-Frequenz erhöht.
Der Bereichskanal 404 erlaubt die Längs- und Quadraturdetektierung in einem Nahbereich (kein Signal im Bereichskanal), gefolgt von Längs- und Quadraturdetektierung in einem Fernbereich (Signal im Bereichskanal). Die Anwesenheit eines Signals im I/Q- Wählkanal kann beispielsweise eine längere Verzögerung der Empfängerverzögerungsleitung bewirken.
Jeder der Kanalwähler wird jeweils einmal aktiviert, um ein geeignetes Signal durch den jeweiligen Kanal zu schicken. Beispielsweise entspricht, wie Fig. 13 zeigt, Kanal eins 406 der Längsdetektierung in einem Nahbereich, Kanal zwei 408 entspricht der Quadraturdetektierung (in Kombination mit dem Signal von Kanal eins) in einem Nahbereich, Kanal drei 410 entspricht einer Längsdetektierung in einem Fernbereich, und Kanal vier 412 entspricht der Quadraturdetektierung (in Kombination mit dem Signal von Kanal drei) in einem Fernbereich. Bei dieser speziellen Ausführungsform wird Kanalinformation mit einem Viertel der Burstrate erhalten.
Die Zahl der Kanäle, ihre Zuordnung zu bestimmten Signalen, die Reihenfolge der Detektierung, die Zahl von Bursts vor der Kanalumschaltung und andere ähnliche Aspekte des Impulsdiagramms können geändert werden. Durch Verwendung eines solchen Taktmechanismus kann eine Vielzahl verschiedener Signale erhalten und genutzt werden, um Charakteristiken eines Objekts wie Anwesenheit, Bewegung und/oder Bewegungsrichtung in dem Sensorfeld zu bestimmen.
Ein Beispiel für den Gebrauch eines Niedrigenergie-Radarsensors für eine Fluiddurchflußsteuereinrichtung ist in Verbindung mit einem Waschbecken und einem Wasserhahn. Eine Einzelkanal- oder Vielfachkanaleinrichtung (wobei nur ein Kanal aktiv genutzt wird) kann verwendet werden, um die Anwesenheit oder Bewegung eines Benutzers in dem Radarfeld zu detektieren. Ein dosierter Wasserstrahl kann aus dem Wasserhahn bereitgestellt werden, wenn ein Benutzer detektiert wird. Alternativ kann so lang Wasser fließen, bis die Anwesenheit oder Bewegung des Anwenders nicht mehr detektiert wird. Ein gleichartiger Sensor kann ebenfalls mit einem Urinal, einem WC oder vielen verschiedenen anderen Vorrichtungen einschließlich der sanitären Einrichtungen in Badezimmern, Toiletten und Küchen verwendet werden.
Ein weiteres Beispiel ist ein WC. Zwei Kanäle eines Radarsensors werden verwendet, um Bewegung und Bewegungsrichtung eines Benutzers zu bestimmen. Wenn der Radarsensor detektiert, daß sich ein Benutzer von dem WC wegbewegt, nachdem er vorher einen Benutzer detektiert hat, der sich in Richtung zu dem WC bewegt hat, kann der Radarsensor das WC anweisen zu spülen. Der Radarsensor könnte auch einen komplexeren Befehl aufweisen, wobei beispielsweise ein bestimmter Zeitraum verlangt wird, in dem die Annäherung des Benutzers an das WC detektiert wird, und eine Zeitdauer zwischen der Annäherung an das WC und der Bewegung von dem WC weg, bevor entschieden wird, daß ein gültiger Spülzustand existiert. Diese Konfiguration kann auch bei Wasserhähnen, Urinalen und einer Vielzahl anderer Einrichtungen einschließlich der sanitären Einrichtungen in Badezimmern, Toiletten und Küchen angewandt werden.
Ein weiteres Beispiel verwendet drei Kanäle. Der Radarsensor ist so konfiguriert, daß er Bewegung in großer Entfernung, Bewegung in naher Entfernung und Bewegungsrichtung in naher Entfernung detektiert. Bei dem Beispiel eines WC weiß der Radarsensor, daß zu spülen ist, wenn die folgende Sequenz (oder alternativ eine Untergruppe dieser Sequenz) auftritt: 1) Bewegung im Fernbereich, 2) Bewegung im Nahbereich, 3) Bewegung zu dem WC hin, 4) Bewegung von dem WC weg und 5) Bewegung im Fernbereich. Auch hier kann der Radarsensor kompliziertere Anweisungen in bezug auf die Zeit oder die Zeitdauern zwischen diesen Ereignissen aufweisen. Diese Konfiguration kann ebenfalls mit Wasserhähnen, Urinalen und vielen verschiedenen anderen Einrichtungen wie sanitären Einrichtungen für Badezimmer, Toiletten und Küchen verwendet werden.

Anwendungsbeispiele

Ein beispielhafter Radarsensor 500 weist auf: eine Schaltungsplatte 502, auf der einige oder sämtliche der Radarschaltungselemente angeordnet sind, eine Senderantenne 504 (wie etwa eine Einpolantenne oder eine Richtantenne), eine Empfängerantenne 506 (etwa eine Einpolantenne oder eine Richtantenne) und ein Sensorgehäuse 508, wie in Fig. 14 gezeigt ist. Der Radarsensor kann ferner fakultative Elemente aufweisen, beispielsweise einen Handbetätigungsknopf, um den Betätiger beispielsweise anzuweisen, ein WC manuell zu spülen oder ein Waschbecken zu betätigen, eine Batteriezustandsanzeige (wie beispielsweise eine LED), einen Spannungsregler, ein Display zur Anzeige, daß der Sensor den Benutzer detektiert hat, sowie Programmier-, Einstell- und Prüfanschlüsse.
Eine beispielhafte Fluiddurchflußsteuereinrichtung 600 umfaßt ein Gehäuse 602, einen Radarsensor 604, einen Batteriehalter 606 und/oder Anschlußstecker (nicht gezeigt), einen Betätiger 608 (wie etwa ein Solenoid) und eine Ventilvorrichtung 610. Die Ventilvorrichtung 610 hat einen Fluideinlaß 612 und einen Fluidauslaß 614. Die Ventilvorrichtung 610 wird von dem Betätiger 608 in Abhängigkeit von dem Radarsensor 604 geöffnet und geschlossen.
Fluiddurchflußsteuereinrichtungen, die Radardetektoren verwenden, sind auf vielen verschiedenen Gebieten anwendbar. Von besonderem Interesse ist der Gebrauch solcher Einrichtungen in sanitären Einrichtungen in Badezimmern und Toiletten wie Urinalen, WC, Bidets und Wasserhähnen. Die Radarsteuerung des Fluiddurchflusses kann die Bedienung dieser sanitären Einrichtungen erleichtern, ohne daß der Benutzer aktiv daran teilnimmt. Statt dessen ist die sanitäre Einrichtung in Abhängigkeit von gewöhnlichen Handlungen des Benutzers wirksam wie etwa der Annäherung an die sanitäre Einrichtung, dem Verlassen der sanitären Einrichtung und der Plazierung eines Körperteils wie etwa einer Hand in der Nähe der sanitären Einrichtung.
Die Fig. 7A bis 7D zeigen die Implementierung einer Fluiddurchflußsteuereinrichtung auf Radarbasis in einem Urinal 78. Der Betätiger der Einrichtung ist typischerweise mit einer Wasserzulaufleitung gekoppelt, die das Urinal mit einer externen Wasserversorgung verbindet. Der Betätiger der Fluiddurchflußsteuereinrichtung wird hauptsächlich verwendet, um den Spülmechanismus des Urinals zu automatisieren. Der Radardetektor 26 kann beispielsweise die An- oder Abwesenheit eines Benutzers des Urinals detektieren oder die Bewegung des Benutzers zu dem Urinal hin und davon weg detektieren. Der Radardetektor 26 kann dann einen Betätiger (nicht gezeigt) über eine Steuerschaltung (nicht gezeigt) anweisen, zu geeigneten Zeitpunkten zu öffnen und zu schließen.
Bei einer bestimmten Ausführungsform detektiert der Radardetektor 26 die Anwesenheit des Benutzers durch Vergleichen eines aktuellen Radarsignals mit einem vorher aufgezeichneten Hintergrundsignal. Wenn das aktuelle Radarsignal von dem Hintergrundsignal um einen Grenzwert verschieden ist, wird ein Benutzer detektiert. Fakultativ kann der Radardetektor 26 es erforderlich machen, daß das die Anwesenheit eines Benutzers anzeigende Signal für einen vorbestimmten Zeitraum von z. B. 3 bis 10 s über einem Grenzwert bleibt, um sicherzustellen, daß ein tatsächlicher Benutzer anwesend ist, wodurch beispielsweise ein Passant oder ein Insekt nahe dem Radardetektor unterschieden werden kann. Der Radardetektor 26 kann fakultativ ein Hintergrundsignal in regelmäßigen Abständen (wenn nicht ein Benutzer anwesend ist) aufzeichnen, um das Hintergrundsignal zu aktualisieren und alle Umgebungsänderungen aufzunehmen, um ein aktuelles und richtiges Hintergrundsignal aufrechtzuerhalten.
Nach dem Detektieren eines Benutzers kann der Radardetektor 26 fortfahren, das Sensorfeld 80 mit Radaremissionen abzufragen, bis sich der Benutzer entfernt, was durch die Verringerung des Radarsignals auf weniger als die Grenzwertdifferenz oberhalb des Hintergrundsignals angezeigt wird. Nachdem sich der Benutzer entfernt hat, wird der Betätiger geöffnet, so daß Wasser durch das Urinal 78 gespült wird, um Abprodukte im Urinal 78 zu entfernen. Fakultativ kann der Radardetektor 26 verlangen, daß die Abwesenheit des Benutzers für einen vorbestimmten Zeitraum von z. B. 3 bis 10 s angezeigt wird, bevor das Spülen erfolgt.
Bei einer anderen Ausführungsform ist der Radardetektor 26 so ausgebildet, daß er eine Bewegung im Sensorfeld 80 detektiert, die anzeigt, daß sich ein Benutzer dem Urinal 78 nähert. Der Radardetektor 26 fährt mit der Überwachung des Sensorfelds 80 fort, bis es eine Bewegung gibt, die anzeigt, daß der Benutzer das Sensorfeld 80 verlassen hat; zu diesem Zeitpunkt wird der Betätiger geöffnet, um das Urinal 78 mit Wasser zu spülen.
Bei manchen Ausführungsformen kann der Radardetektor 26 hinreichend empfindlich sein, um eine Bewegung eines Benutzers während der gesamten Benutzungsdauer des Urinals beispielsweise durch eine Bewegung des Körpers oder im Körper des Benutzers zu delektieren. Häufig ist ein Benutzer nach der Annäherung an eine sanitäre Einrichtung wie etwa ein Urinal viel weniger aktiv, aber typischerweise gibt es einige kleine Bewegungen des Benutzers wie etwa die Gewichtsverlagerung von einem Fuß auf den anderen. Außerdem kann der Radardetektor 26 ausreichend empfindlich sein, um unwillkürliche Bewegungen wie etwa die Atmung oder den Herzschlag zu detektieren. Ein empfindliches Radarsystem zur Detektierung dieser Bewegungen ist im einzelnen in der US-PS 5 573 012 beschrieben. Für solche Radarsysteme können der Betätiger und die zugehörigen Schaltkreise so ausgebildet sein, daß der Betätiger erst geöffnet wird, wenn eine Bewegung innerhalb des Sensorfelds aufhört, was die Abwesenheit eines Benutzers anzeigt.
Eine weitere Ausführungsform kombiniert die Detektierung einer Bewegung mit der Detektierung einer Richtung, um die korrekte Betätigung des Urinals zu bestimmen. Nachdem der Benutzer in das Sensorfeld 80 eingetreten ist, sucht der Detektor 26 nach einem Bewegungsmuster zu dem und dann weg von dem Urinal. Nachdem der Benutzer das Sensorfeld 80 verlassen hat, wird der Betätiger geöffnet, um die Abprodukte durch das Urinal 78 zu spülen.
Andere Ausführungsformen können zwei oder mehr Empfängerauftastverzögerungen nutzen, um zwei oder mehr Detektierhüllen oder -bereiche bereitzustellen. Beispielsweise kann eine erste Auftastverzögerung gewählt werden, um einen Kurzbereich oder eine Nahhülle bereitzustellen, um die Annäherung eines Benutzers an die sanitäre Einrichtung zu detektieren. Nachdem der Benutzer detektiert ist, wird eine zweite Auftastverzögerung, die einen längeren Bereich oder eine weiter entfernte Hülle erzeugt, verwendet, um zu bestimmen, wann ein Benutzer sich entfernt. Das Urinal 78 wird gespült, wenn der Benutzer sich entfernt, und der Radardetektor 26 kehrt zur Verwendung der ersten Auftastverzögerung zurück, um einen weiteren Benutzer zu detektieren. Andere Auftastkombinationen können verwendet werden, um die Fluiddurchflußsteuereinrichtung zu steuern.
Fakultativ kann eine Bewegungs- oder Anwesenheitsdetektierung mit jeder der beschriebenen Ausführungsformen zu einem vorbestimmten Zeitraum von beispielsweise 3 bis 10 s nach der Anzeige der Anwesenheit eines Benutzers verwendet werden. Das ergibt die Sicherheit, daß ein gültiger Benutzer vorhanden ist. Die fakultative Anwesenheits- oder Bewegungsdetektierung ungefähr 3 bis 10 s nach dem Verlassen des Benut zers trägt dazu bei zu vermeiden, daß der Betätiger geöffnet wird, während sich der Benutzer noch innerhalb des Feldes befindet.
Der Betätiger der Fluiddurchflußsteuereinrichtung liegt zwar typischerweise nahe der Wassereinlaufleitung der sanitären Einrichtungen, aber andere Bereiche der Steuervorrichtung können in verschiedenen Positionen relativ zu der sanitären Einrichtung angeordnet sein. Die Fig. 7A bis 7D zeigen die Anbringung des Radardetektors 26 hinter dem Urinal 78 und fakultativ hinter einer Wand, an der das Urinal 78 aufgehängt ist (Fig. 7B und 7D), oder innerhalb des Urinals 78 (Fig. 7A und 7C). Es gibt eine viel größere Anzahl von Plazierungsoptionen für Radarsysteme, als sie für derzeitige IR- Detektiersysteme verfügbar sind. Radaremissionen, und zwar speziell Ultrabreitbandradar mit Niederfrequenzkomponenten, können viele Materialien durchdringen, und somit kann das Radarsystem hinter einer Wand oder innerhalb des Glas-Porzellans oder Porzellans der sanitären Einrichtung angeordnet werden.
Eine vorteilhafte Anbringung des Radardetektors ist nahe der Wassereinlaufleitung, die an der sanitären Einrichtung angebracht ist. Diese Anbringung ist besonders nützlich für die Umrüstung von derzeitigen sanitären Einrichtungen, da der Radardetektor nahe dem elektronisch gesteuerten Betätiger (z. B. dem Ventil) angeordnet werden kann, das möglicherweise eingebaut werden muß, um den Fluiddurchfluß zu steuern. Der Betätiger und der Radardetektor können an freiliegenden Installationsleitungen oder alternativ an einer Installationsleitung angebracht werden, die hinter einer Wand verdeckt ist. Diese letztgenannte Anbringung des Radardetektors ist vorteilhaft, um Vandalismus oder zufällige Beschädigungen des Radardetektors zu vermeiden.
Eine weitere vorteilhafte Anbringung des Radardetektors ist innerhalb der sanitären Einrichtung selber. In diesem Fall ist der Detektor zwar für den Benutzer unsichtbar, kann aber trotzdem den Benutzer durch das Material der sanitären Einrichtung hindurch erfassen. Fig. 7A zeigt die Anbringung des Radardetektors 26 innerhalb des Urinais 78. Diese Konfiguration kann gegenüber der in Fig. 7B gezeigten Ausführungsform vorteilhaft sein, weil ein größerer Bereich des Sensorfelds 80 zu dem Bereich gerichtet ist, den ein Benutzer erwartungsgemäß einnimmt. Außerdem hat der Radardetektor 26 von Fig. 7A weniger Erfassungsfläche in nicht erforderlichen Richtungen (z. B. hinter dem Urinal 78). Das kann dann wichtig sein, wenn beispielsweise andere Detektor- Auslöseaktivitäten auf der anderen Seite einer Wand stattfinden, an der das Urinal 78 angeordnet ist. Häufig sind Toiletten so positioniert, daß WC-/Urinaleinrichtungen der Toiletten für Männer und Frauen an gegenüberliegenden Seiten derselben Wand angebracht sind, was die Installation vereinfacht. Wenn sich das Radarsensorfeld durch die Wand erstreckt, können Aktivitäten auf der anderen Wandseite zu einem unzeitgemäßen Spülen oder zu einem Spülausfall durch die radargesteuerte sanitäre Einrichtung führen.
Radardetektoren können auch in Hohlräumen angeordnet werden, die derzeit IR- oder andere berührungslose Betätigungseinrichtungen enthalten. Dadurch kann die Umrüstung von bestehenden Einrichtungen erleichtert werden.
Bei anderen Ausführungsformen ist die Richtung des Radars so begrenzt, daß anstelle der Ausbildung eines sphärischen Sensorfelds, wie es in den Fig. 7A und 7B gezeigt ist, das Sensorfeld konische Gestalt hat, wie die Fig. 7C und 7D zeigen. Die Begrenzung des Radarsignals kann durch die Verwendung einer Sendeantenne wie etwa einer Hornantenne erreicht werden, die die Radarenergie richtungsmäßig orientiert. Eine Empfängerantenne, die von der Senderantenne separat ist, kann ebenfalls richtungsmäßig orientiert sein. Ein Richtradarfeld wird geschaffen, das zu den zu erwartenden Positionen von Benutzern hin orientiert ist. Diese Konfiguration eignet sich besonders in Toiletten mit einer Serie von Urinalen oder anderen radarbetätigten sanitären Einrichtungen, die sich in großer Nähe zueinander befinden. Diese Bedingungen sind in öffentlichen Toiletten üblich, können aber auch in Badezimmern in Wohnungen auftreten, in denen das WC, das Waschbecken und/oder die Dusche radargesteuert sind.
Gerichtete Radarsignale sind ebenfalls nützlich zur Verringerung von Störsignalen infolge der Detektierung des Wasserstroms. Typischerweise hat Wasser ein höheres Reflexionsvermögen in bezug auf Radarsignale. Wasser, das von dem Betätiger während des Spülvorgangs freigesetzt wird, ist durch Radar detektierbar. Indem das Radar von dem Fluidstrom weg gerichtet wird, kann die Amplitude der von Wasser reflektierten Signale verkleinert werden.
Ein anderes Verfahren zur Vermeidung von Störsignalen infolge des Wasserstroms besteht darin, Signale von dem Radardetektor zu ignorieren oder den Radardetektor für einen Zeitraum, nachdem das Spülen der sanitären Einrichtung ausgelöst wurde, abzuschalten. Typischerweise ist dieser Zeitraum ungefähr gleich dem Zeitraum, in dem der Betätiger geöffnet ist, um dadurch die Möglichkeit zu minimieren, daß ein neuer Benutzer während des Zeitraums ankommt, in dem der Detektor ignoriert wird oder abgeschaltet ist. Es können aber längere oder kürzere Zeiträume angewandt werden.
Die Größe der Antenne ist typischerweise auf die Wellenlänge der Radarenergie bezogen. Bei Systemen, die Radarstrahlung mit einer bestimmten RF-Frequenz abgeben, ist die Größe der Antenne durch die Wellenlänge des RF-Sendersignals und das gewünschte Strahlungsmuster bestimmt. Bei UWB-Systemen wird ein breiter Bereich von Wellenlängen abgegeben, so daß die zentrale Wellenlänge des Emissionsbands häufig als die Basis für die Antennenkonstruktion verwendet wird. Andere Wellenlängen innerhalb des Emissionsbands können jedoch verwendet werden. Es versteht sich für den Fachmann, daß die Antennekonstruktion für UWB-Systeme auch von der gewünschten Bandbreite des Radarsignals abhängig ist.
Es ist erwünscht, daß der Radardetektor klein ist und die Antenne eine Länge von nur einigen Inches hat. Das bedeutet typischerweise den Betrieb des Detektors mit einer UWB-Mittenfrequenz im Bereich von 1 bis 100 GHz.
Ein anderer Aspekt des Radardetektiersystems, der optimierbar ist, um Störsignale zu vermeiden, ist der Maximalbereich des Sensorfelds. Für ein Urinal ist typischerweise ein Bereich von 15 bis 50 cm (ungefähr 6 bis 18 inches) über das Urinal hinaus ausreichend, um einen aktiven Benutzer zu detektieren.
Die Fig. 8A bis 8E zeigen die Verwendung einer Fluiddurchflußsteuereinrichtung mit Radardetektor 26 in Verbindung mit einem WC 82. Der Radardetektor 26 kann sowohl mit gewerblichen als auch Heim-WC benützt werden, indem die Konstruktion und Positionierung des Betätigers entsprechend gewählt werden. Die Fig. 8A und 8E zeigen verschiedene Positionen des Radardetektors 26 in dem WC 82, und Fig. 8C zeigt die Anbringung des Radardetektors 82 an einer Wassereinlaufleitung, die an dem WC 82 angebracht ist. Diese letztere Konfiguration ist besonders zur Umrüstung von vorhandenen WC geeignet und kann die Anbringung des Radardetektors an freiliegenden Leitungen oder an hinter einer Wand verdeckten Leitungen umfassen. Der Radardetektor 82 kann auch hinter der Wand 81 entweder auf gleichem Niveau mit dem WC 82 oder über oder unter diesem angebracht werden.
Die Fig. 8A und 86 sind Draufsichten auf ein WC 82, das mit einem Radardetektor 26 ausgestattet ist, der ein ungefähr sphärisches Radarfeld 80 um das WC 82 herum bereitstellt. Zur Verwendung mit dem WC erstreckt sich das Radarsensorfeld 80 typischerweise ungefähr 30 bis 100 cm (ungefähr 12 bis 36 inches), bevorzugt 50 bis 80 cm (ungefähr 18 bis 30 inches) über das WC hinaus, um alle Benutzer zu erfassen. Ein Radarsensorfeld 80 in diesem Bereich kann sich über eine Wand 81 hinter dem WC 82 hinaus erstrecken oder kann sich über Wände 84 einer das WC 82 umgebenden Kabine 85 hinaus erstrecken. Außerdem kann sich die Tür 88 der Kabine 85 innerhalb des Sensorfelds 80 erstrecken. Eine Bewegung der Tür 88, ein Durchbiegen von Wänden 84 und/oder Personen in angrenzenden Kabinen oder auf der anderen Seite der Wand 81 können reflektierte Radarsignale erzeugen, die in ungeeigneten Aktivitäten durch die radaraktivierte sanitäre Einrichtung resultieren. Daher kann es erwünscht sein, daß der Radarsensor auch die An- oder Abwesenheit eines Benutzers des WC 82 erfaßt, bevor irgendeine Aktivität erfolgt (d. h. bevor das WC gespült wird oder bevor entschieden wird, daß ein Benutzer anwesend ist, und dann das Entfernen des Benutzers erfaßt wird, um den Spülvorgang zu aktivieren). Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem eine Empfängerauftastverzögerung angewandt wird, die kurz ist und nur die Detektierung von Personen in sehr großer Nähe (z. B. 35 cm (ungefähr 12 inches) oder weniger) des WC zuläßt.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das WC 82 mit einem Radardetektor 26 ausgestattet sein, der eine Richtfokussierung des Radarsignals erlaubt, wie die Fig. 8C und 8D zeigen. Eine solche Konfiguration erlaubt eine enge Fokussierung auf den Bereich, in dem der Benutzer erwartungsgemäß zu finden ist.
Bei anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) ist ein WC mit einem Radardetektor ausgestattet, der einen Betätiger aktiviert, wenn ein Benutzer ein Objekt wie etwa einen Teil seines Körpers oder ein lebloses Objekt in dem Sensorfeld des Radardetektors plaziert. Bei diesen Ausführungsformen hat der Radardetektor typischerweise ein sehr kurzes Sensorfeld und/oder eine sehr hohe Signalschwelle, um eine ungewollte Aktivierung zu vermeiden.
Das WC 82 kann ferner eine fakultative manuelle Spülbetätigung (nicht gezeigt) haben. Diese manuelle Betätigung kann verwendet werden, wenn der Radardetektor nicht funktioniert oder der Benutzer das WC spülen möchte, um beispielsweise restliche Abprodukte aus dem WC zu spülen.
Eine dritte Ausführungsform des WC 82 ist in Fig. 8E gezeigt, wobei der Radardetektor 26 im vorderen Bereich des WC 82 positioniert ist. In dieser Position ist der Radardetektor 26 imstande, Benutzer, die entweder auf dem WC 82 sitzen oder vor ihm stehen, mit einem Sensorfeld 80 verringerter Größe zu erfassen. Dadurch wird ebenfalls die Wahrscheinlichkeit der Aufnahme von Störsignalen verringert.
Zur Vermeidung von Störsignalen infolge der Bewegung von Wasser durch das WC während des Spülvorgangs wird der Radardetektor 26 fakultativ während Spülperioden ausgeschaltet oder ignoriert. Die Zeitdauer, während der der Radardetektor 26 abgeschaltet ist oder ignoriert wird, wird jedoch bevorzugt minimiert, um ein Nichtdetektieren eines Benutzers zu vermeiden, der unmittelbar nach dem Spülen von Abprodukten ankommt.
Die Fig. 9A bis 9F zeigen verschiedene Konfigurationen des Radardetektors 26 der Fluiddurchflußsteuereinrichtung 20 in bezug auf einen Wasserhahn 38 und ein Waschbecken 40. Typischerweise arbeitet die Fluiddurchflußsteuereinrichtung durch Detektieren entweder der Anwesenheit oder der Bewegung eines Benutzers innerhalb eines Radarsensorfelds 80 und Öffnen eines Betätigers (z. B. eines Ventils), um den Wasserdurchfluß durch den Wasserhahn 38 in das Waschbecken 40 zuzulassen. Der Betätiger bleibt typischerweise offen, bis entweder die Anwesenheit oder Bewegung des Benutzers innerhalb des Sensorfelds 80 nicht mehr detektiert wird. Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Zeitgebermechanismus verwendet, der den Radardetektor anweist, nach Bewegung oder Anwesenheit in dem Feld nach einer bestimmten Zeitdauer (z. B. 10 bis 45 s) zu suchen und zu bestimmen, ob sich ein Benutzer noch an der sanitären Einrichtung befindet; wenn kein Benutzer erfaßt wird, wird der Betätiger geschlossen.
Fig. 9A zeigt den Radardetektor 26, der vor dem Waschbecken 40 oder innerhalb des vorderen Bereichs desselben positioniert ist. Diese Position ist vorteilhaft, da ein relativ kleines Radarsensorfeld 80 verwendet werden kann, um die Bewegung des Körpers eines Benutzers und speziell seiner Hände in das Waschbecken 40 und unter den Wasserhahn 38 zu delektieren.
Fig. 9B zeigt einen Radardetektor 26, der hinter dem Waschbecken 40 und fakultativ in einer Wand hinter dem Waschbecken angebracht ist. Diese Konfiguration kann zum Umrüsten bestehender Waschbecken nützlich sein. Wenn der Radardetektor 26 hinter einer Wand angebracht wird, kann der Detektor verdeckt sein, was ästhetisch angenehm sein kann und die Gefahr von Vandalismus oder ungewollter Beschädigung verringern kann.
Fig. 9C zeigt einen Radardetektor 26 mit einer Richtantenne zur Fokussierung der Radarenergie in einer gegebenen Richtung. Der Radardetektor 26 kann beispielsweise innerhalb des Materials (z. B. Glas-Porzellan oder faserverstärktes Glas) angebracht sein, aus dem das Waschbecken 40 besteht, oder kann in einem Schrank (nicht gezeigt) oder einer anderen das Waschbecken 40 umgebenden Umschließung angebracht sein. Der Radardetektor 26 kann überall um das Waschbecken 40 herum einschließlich vor dem Waschbecken 40 (wie Fig. 9C zeigt), unter dem Waschbecken 40 oder hinter dem Waschbecken 40 angebracht sein. Der Radardetektor 26 kann in einer Wand hinter dem Waschbecken 40 angebracht sein und kann auf gleicher Höhe mit dem Waschbecken 40 oder höher oder niedriger als dieses angebracht sein.
Die in Fig. 9C gezeigte Konfiguration kann gegenüber anderen Konfigurationen vorteilhaft sein, weil das Radarsignal nicht auf den Wasserstrahl trifft, der aus dem Wasserhahn 38 austritt. Da Wasser die Radarenergie gut reflektiert, ist der Radardetektor 26 in bestimmten Fällen eventuell nicht imstande zu bestimmen, ob ein Benutzer das Sensorfeld 80 verlassen hat, und zwar infolge der durch den Wasserstrahl verursachten Reflexionen. Indem also das Sensorfeld 80 von dem Wasser weg gerichtet wird, jedoch immer noch in einer Richtung, in der zu erwarten ist, daß sich ein Benutzer aufhält, können Störsignale aufgrund des fließenden Wassers minimiert werden. Andere Konfigurationen sind möglich, bei denen das gerichtete Radarsignal nicht auf den Wasserstrahl trifft. Auch wenn ferner das Sensorfeld 80 den Wasserstrahl nicht umfaßt, kann ein Taktgebermechanismus hinzugefügt werden, um den Betätiger zu aktivieren und den Wasserdurchfluß nach einem vorbestimmten Zeitraum zu stoppen.
Fig. 9D ist eine alternative Möglichkeit zum Detektieren eines Benutzers des Waschbeckens 40. Anstelle der Detektierung eines Benutzers, der einen Körperteil wie etwa die Hände in dem Waschbecken 40 plaziert, weist der Radardetektor von dem Waschbecken 40 weg, um einen vor dem Waschbecken 40 stehenden Benutzer zu detektieren. Diese Konfiguration ist vorteilhaft, weil das Sensorfeld in einer zu dem fließenden Wasser entgegengesetzten Richtung gerichtet ist.
Fig. 9E zeigt eine andere Sensorkonfiguration, bei der der Sensorsender 28 und der Empfänger 30 getrennt sind. In diesem Fall wird der Empfänger 30 so aufgetastet, daß er nur solche Signale vom Sender 28 empfängt, die nicht Reflexionen sind (d. h. solche Signale mit der kürzesten Laufzeit). Wenn ein Benutzer die Hände in dem Waschbecken 40 plaziert, wird mindestens ein Teil der Radarenergie reflektiert und/oder absorbiert, und am Empfänger wird eine Änderung im Signal detektiert. Dadurch wird der Betätiger aktiviert. Nachdem ein Benutzer die Hände entfernt hat, nimmt das Radarsignal seine ursprüngliche Stärke wieder an, und der Betätiger wird angewiesen zu schließen. Diese Konfiguration überwindet im wesentlichen die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit den Reflexionen von Radarenergie von dem fließenden Wasserstrahl, weil nur die Radarenergie mit der kürzesten Laufstrecke auf den Empfänger trifft. Vom Wasser reflektierte Radarenergie kommt am Empfänger an, wenn der Empfänger zugetastet ist.
Eine weitere Konfiguration ist eine Kombination der Systeme der Fig. 9D und 9E, wie Fig. 9F zeigt. Der Sender 28 und der Empfänger 30 detektieren, wenn ein Benutzer die Hände in dem Waschbecken 40 plaziert, und der Radardetektor 26 bestimmt, wann der Benutzer das Waschbecken verlassen hat. Weitere Steuerschaltkreise 90 können erforderlich sein, um diese Vielfach-Detektoranordnung zu betätigen und ihre Signale zu interpretieren.

Claims

1. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20), die folgendes aufweist:

einen Betätiger (22, 230, 330) zur Steuerung des Fluiddurchflusses;

einen RF-Sender (28), der so konfiguriert und angeordnet ist, daß er eine Vielzahl von Bursts (102) von Impulsen (104) erzeugt;

einen Empfänger (30), der nach dem Senden jedes Impulses aufgetastet wird zum Empfang von RF-Energie, die von Objekten innerhalb des Sensorfeldes reflektiert werden, bestimmt durch eine Verzögerungsdauer zwischen dem Senden jedes Impulses und dem Auftasten des Empfängers;

einen Prozessor (24, 228, 328), der mit dem aufgetasteten Empfänger (30) gekoppelt ist, um die reflektierte RF-Energie auszuwerten, wobei der Prozessor (24, 228, 328) mit dem Betätiger (22, 230, 330) gekoppelt und so konfiguriert und angeordnet ist, daß er den Betätiger (22, 230, 330) als Reaktion auf die reflektierte RF-Energie aktiviert;

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Burst (102) zwei oder mehr im wesentlichen gleichbeabstandete Impulse (104) von RF-Energie aufweist, die eine RF-Frequenz haben, um ein Sensorfeld zu bilden, wobei die Impulse (104) mit einer Impulsrate gesendet werden, wobei ein zeitlicher Abstand (106) zwischen benachbarten Bursts (102) größer als das Reziprok der Impulsrate ist.

2. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei jeder Burst eine Burstdauer hat, die 5% des zeitlichen Abstands zwischen Bursts oder weniger ist.

3. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei der RF-Sender (28) aufweist: einen Senderimpulsgenerator (208, 308), um eine Vielzahl von Senderimpulsen mit der Impulsrate zu erzeugen, und einen mit dem Senderimpulsgenerator (208, 308) gekoppelten RF-Oszillator (210, 310), um die RF-Energieimpulse mit der Impulsrate in Abhängigkeit von den Senderimpulsen zu erzeugen.

4. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 3, wobei der Empfänger (30) einen Empfängerimpulsgenerator (216, 316) aufweist, der mit dem Senderimpulsgenerator (208, 308) gekoppelt ist, um Empfängerimpulse zum Auftasten des Empfängers (30) in Abhängigkeit von den Senderimpulsen zu erzeugen.

5. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 4, wobei der Empfänger (30) ferner eine Empfängerverzögerungsleitung (214, 314) aufweist, um die Empfängerimpulse relativ zu den Senderimpulsen zu verzögern.

6. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 5, wobei die Empfängerverzögerungsleitung (214, 314) so konfiguriert und angeordnet ist, daß mindestens zwei verschiedene Verzögerungen vorgesehen werden.

7. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei der RF-Sender (28) eine Senderverzögerungsleitung (206, 306) aufweist, um eine Verzögerung zumindest in ausgewählten RF-Energieimpulsen zu erzeugen.

8. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei der RF-Sender-Empfänger (30) so konfiguriert und angeordnet ist, daß er reflektierte RF-Energie aus mindestens zwei verschiedenen Entfernungen empfängt.

9. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 1, die ferner ein mit dem Betätiger (230, 330) gekoppeltes Ventil (232, 332) aufweist, wobei der Betätiger (230, 330), wenn er aktiviert ist, das Ventil (232, 332) öffnet oder schließt.

10. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (24, 228, 328) so konfiguriert und angeordnet ist, daß er die Anwesenheit eines Objekts in dem Sensorfeld auf der Basis der reflektierten RF-Energie detektiert.

11. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (24, 228, 328) so konfiguriert und angeordnet ist, daß er die Bewegung eines Objekts in dem Sensorfeld auf der Basis der reflektierten RF-Energie detektiert.

12. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei der Sender (28) eine Senderrichtantenne (212, 312) aufweist.

13. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei die RF-Frequenz der Impulse im Bereich von 1 bis 100 GHz ist.

14. Verfahren zum Bereitstellen eines Fluiddurchflusses in Abhängigkeit von einem Benutzer, wobei das Verfahren folgendes aufweist:

Senden einer Vielzahl von Bursts (102) von Impulsen (104), wobei jeder Burst (102) zwei oder mehr im wesentlichen gleichbeabstandete Impulse (104) von RF-Energie aufweist, die eine RF-Frequenz haben, um ein Sensorfeld zu bilden, wobei die Impulse (104) mit einer Impulsrate gesendet werden, wobei ein zeitlicher Abstand (106) zwischen benachbarten Bursts größer als das Reziprok der Impulsrate ist;

Empfangen von Reflexionen der RF-Energie von Objekten innerhalb des Sensorfeldes durch Auftasten eines Empfängers (30) nach dem Senden jedes Impulses, wobei das Sensorfeld durch eine Verzögerungsdauer zwischen dem Senden jedes Impulses und dem Auftasten des Empfängers (30) bestimmt ist;

Durchführen einer Auswertung der Reflexionen der RF-Energie, um eine Charakteristik eines Benutzers in dem Sensorfeld zu bestimmen; und

Aktivieren eines Betätigers (22, 230, 330) auf der Basis der Auswertung der Reflexionen der RF-Energie.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei jeder Burst eine Burstdauer hat, die 5% des zeitlichen Abstands zwischen Bursts oder weniger ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Durchführung einer Auswertung der Reflexionen der RF-Energie die Durchführung einer Auswertung der Reflexionen der RF-Energie aufweist, um eine oder mehrere von einer Anwesenheit eines Benutzers in dem Sensorfeld, einer Bewegung des Benutzers in dem Sensorfeld und einer Bewegungsrichtung des Benutzers in dem Sensorfeld zu bestimmen.

17. Fluiddurchflußsteuereinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei der RF-Sender (28) aufweist:

einen Burstauslöser (202, 302) zur Bereitstellung der Vielzahl von Bursts mit einer Burstrate und mit einer Burstdauer, die 5% einer Dauer zwischen Bursts oder weniger ist;

einen Senderimpulsgenerator (208, 308), der mit dem Burstauslöser (202, 302) gekoppelt ist zum Erzeugen einer Vielzahl von Senderimpulsen mit einer Senderimpulsrate und mit einer Senderimpulsdauer während jedes Bursts;

einen RF-Oszillator (210, 310), der mit dem Senderimpulsgenerator (208, 308) gekoppelt ist, um Impulse von RF-Energie in Abhängigkeit von den Senderimpulsen zu liefern;

eine Senderantenne (212, 312) zum Senden der RF-Energieimpulse und Bilden eines Sensorfeldes;

und wobei der Empfänger (30) aufweist:

eine Empfängerantenne (220, 320) zum Empfang von RF-Energie, die von Objekten in dem Sensorfeld reflektiert wird;

einen Empfängerimpulsgenerator (216, 316), der mit dem Senderimpulsgenerator (208, 308) gekoppelt ist zum Erzeugen von Empfängerimpulsen mit einer Empfängerimpulsrate und einer Empfängerimpulsdauer;

eine Empfängerverzögerungsleitung (214, 314) zwischen dem Empfängerimpulsgenerator (216, 316) und dem Senderimpulsgenerator (208, 308), um die Empfängerimpulse in bezug auf die Senderimpulse zu verzögern; und

einen Empfängerabtaster (222), der mit der Empfängerantenne (220, 320) und dem Empfängerimpulsgenerator (216, 316) gekoppelt ist zum Abtasten der RF-Energie, die von der Empfängerantenne (220, 320) während der Empfängerimpulse empfangen wird,

wobei der Prozessor (24, 228, 328) die von dem Empfängerabtaster (222) abgetastete RF-Energie auswertet.

18. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner folgendes aufweist:

Bestimmen, ob in dem Sensorfeld ein Benutzer anwesend ist, auf der Basis der Auswertung der reflektierten RF-Energie;

wenn ein Benutzer detektiert wird, Empfangen von Reflexionen der RF-Energie von Objekten innerhalb eines zweiten Sensorfeldes durch Auftasten eines Empfängers (30) nach dem Senden jedes Impulses der impulsförmigen RF-Energie, wobei das zweite Sensorfeld einen größeren Bereich als das erste Sensorfeld hat; und

Aktivieren des Betätigers (22, 230, 330) auf der Basis der Auswertung der Reflexionen der RF-Energie von dem ersten und dem zweiten Sensorfeld.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Betätiger (22, 230, 330) so konfiguriert und angeordnet ist, daß er eine Vorrichtung spült, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus WC (82) und Urinalen (78) besteht.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Prozessor (24, 228, 328) so konfiguriert und angeordnet ist, daß er die Vorrichtung (82, 78) spült, nachdem bestimmt worden ist, daß ein Benutzer in das erste Sensorfeld eingetreten ist und das zweite Sensorfeld verlassen hat.