DE2721254C3 - Schaltungsanordnung für einen Bewegungsdetektor - Google Patents
Schaltungsanordnung für einen BewegungsdetektorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanord'
nung für einen Bewegufigsdetektor, wie im Oberbegriff
des Patentanspruches 1 angegeben.
Aus der DE-AS 26 41 017 ist für die Überwachung
eines wenigstens größeren Bereiches eines Raumes ein
solches Radar-Gerät beschrieben, bei dem der Ort einer festzustellenden Person sehr unterschiedlich großen
Abstand vom Ultraschallgeber und -empfänger dieses
Gerätes haben kann und dennoch die Präsenz dieser Person unter Auswertung der Doppelfrequenz-Ver-
schiebuiig im reflektierten kontinuieriichen Signal
angezeigt wird.
Aus der DE-OS 23 35 613 ist ein Gerät zur Entfernungsmessung sich relativ zueinander bewegender
Gegenstände bekannt Das vom Sender des einen Gegenstandes abgegebene akustische Signal wird vom
Empfänger des anderen Gegenstandes empfangen, in seinen Signalparametern verändert und anschließend
aktiv reflektiert
Die Geräte der beiden Druckschriften enthalten im Zusammenhang mit Ultraschall-Aussendung und -Empfang
dopplerfrequenzverschobener Strahlung im Prinzip bekannte und verwendete elektronische Schaltungsteile
wie Oszillatoren, Phasendiskriminatorcn und Auswerteschaltungen mit Vergleicherstufen und
Schwellenfunktion.
Es sind auch bereits Ultraschall-Bewegungsdetektoren
für das berührungslose Öffnen und Schließen eines Wasserhahnes bekanntgeworden. Die von einem
Ultraschall-Sende ausgesandten Ultraschall-Wellen
treffen dabei auf ein Objekt, z. B. auf die sich unterhalb der Wasserauslaßöffnung des Hahnes bereit·; befindenden
Hände. An diesen wird die ausgesandtc Jltraschall-Strahlung reflektiert und ein Anteil dieser reflektierten
Strahlung gelangt in einen Ultraschall-Empfangswandler. In diesem wird ein entsprechendes Signal erzeugt,
das von einer zugehörigen elektronischen Schaltung ausgewertet wird. Das Auswertesignal wird dann zum
öffnen und Schließen eines elektromagnetischen Ventils benutzt.
Vor allem für Warmwasser-Anlagen ist es wichtig, daß ein solcher berührungslos zu 'etätigender Wasserhahn
nicht unnütz geöffnet wird oder bleibt. Damit die Ultraschall-Detektoreinrichtung nicht auf ein im
Waschbecken stehendes Gefäß oder auf einen über den Wasserhahn gelegten Lappen anspricht, wird üblicherweise
nach dem Prinzip des dopplerfrequenzverschobenen Ultraschall Hetektorprinzips gearbeitet.
Diese Beschränkung auf bewegte Objekte ist aber allein nicht ausreichend, denn der Wasserhahn soll
verständlicherweise z. B. nicht auf lediglich am Waschbecken vorbeigehende Personen oder auf eine in der
Nähe befindliche, sich öffnende Tür ansprechen. Auch sind Maßnahmen zu ergreifen, daß die Ultraschall-Detektoreinrichtung
nicht auf den laufenden Wasserstrahl selbst anspricht, da dies dazu führen würde, daß der
-.5 Wasserhahn überhaupt nicht mehr geschlossen wird.
Zur Lösung der voranstehend erwähnten Probleme gibt es bereits eine Anzahl von Vorschlägen, die im
einzelnen wiederum Nachteile haben, die insbesondere in mangelnder Betriebssicherheit liegen.
Gegenüber dem Stand der Technik ist einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches ί die Aufgabe zugrunde gelegt, einen Ultraschall· Detektor anzugeben, der eine vergleichsweise erhöhte Betriebssicherheit bezüglich des Ansprechens hat und nur auf Objekte in einem eng begrenzten Ortsbereich anspricht und auf anderswo im sonstigen Räum bewegte Objekte nicht reagiert.
Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff de«
Gegenüber dem Stand der Technik ist einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches ί die Aufgabe zugrunde gelegt, einen Ultraschall· Detektor anzugeben, der eine vergleichsweise erhöhte Betriebssicherheit bezüglich des Ansprechens hat und nur auf Objekte in einem eng begrenzten Ortsbereich anspricht und auf anderswo im sonstigen Räum bewegte Objekte nicht reagiert.
Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff de«
Patentanspruches 1 angegebenen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des
Patentanspruches 1 angegeben ist Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus
den Unteransprüchen hervor.
Der vorliegenden Erfindung liegt nicht nur der Gedanke zugrunde, die Dopplerfrequenz-Verschiebung
eines bewegten, zu debitierenden Objekts auszunutzen. Bei der Erfindung wird darüber hinaus mit Hilfe
einer einerh^its einfachen, andererseits aber außerordentlich
betriebssicheren, insbesondere gegen gewollte Störung sicheren Schaltung erreicht daß der Detektionsbereich
räumlich eng begrenzt ist Gemäß der Erfindung wird dies mit Hilfe einer dem Phasendiskriminator
nachgeordneten elektronischen Speicherschaltung erreicht die eine Auslesetaktung erfährt Diese
Auslesetaktung ist erfindungsgemäß nicht nur synchron, sondern auch in speziell bemessener Weise zeitverschoben
zum Taktimpuls der Ultraschall-Impulsaussendung. Bei der Erfindung wird von der Schaltungsanordnung
dem Ultrascha.ll-Sendewandler, der gleichzeitig auch Ultrascha!!-Empfangswandler sein Rann, die zu seiner
Anregung erforderliche Wechselspannung über die Torschaltung zugeführt so daß der Sendewandler nur
zeitlich begrenzte Wellenzüge der Wechselspannung eines Oszillators erhält Die Frequenz der Oszillatorwechselspannung
wird auf den Sendewandler und auf den Empfangswandler derart abgestimmt, daß beide
zusammen eine optimale Wirkung im Hinblick auf die ihnen zugedachte Funktion haben, nämlich daß der
Sendewandler eine möglichst gunstige Abstrahlung mit maximaler Amplitude des Ultraschall-Feldes aufweist
und der Empfangswandler möglichst hohes reflektiertes Ultraschall-Signal eines zu detektierenden Gegenstandes
empfängt Im Regelfall liegt die Frequenz der anregenden Wechselspannung wenigstens in der Nähe
der Resonanzfrequenz eines für die Abstrahlung besonders günstigen Schwingungsmodes des Sendewandlers.
Eine sinngemäß gleiche Bemessung wird für
den Empfangswandler bevorzugt. Bei der in Betracht zu ziehende), Resonanzfrequenz ergeben sich an sich
bekannte Unterschiede abhängig davon, ob niedrige Eingangsimpedanz oder hohe Eingangcimpedanz des
jeweiligen Wandlers gewünscht ist, was auf Betrieb des Wandlers in Reihenresonanz oder in Parallelresonanz
hinzielt.
GemäJ der Erfindung sendet dei Sendewandler einen
nur relativ kurzen Wellenzug einer Ultraschall-Strahlung aus, die von Objekten reflektiert wird, die sich im
Ausbreitungsbereich der Ultraschall-Strahlung befinden. Das Ultraschall-fleflexionssignal wird von dem
Empfangswandler aufgenommen und in ein elektrisches Empfangisignal umgewandelt. Dieses Empfangssignal
wird verstärkt und einem Phasendiskriminator zusammen mit der Oszillatorwechselspannung zugeführt.
Dieser Phasendiskriminator gibt bei Eingang eines Empfangssignals eine Spannung ab, die der Phasenbeziehung
entspricht die zwischen diesem elektrischen Empfangssignal und der Oszillatorwechselspannung
vorliegt. Bei bewegten Objekten stellt man nämlich fest, daß sich die Phase des Empfangssignals gegenüber der
der Oszillatorwechselspannung von einem Auslesetakt zum nächsten Auslesetakt, d, h. von einer Taktperiode
zur nächsten Taktperiode, ändert, was zu einem Ausgangssignal des Phasendiskriminators führt, das sich
von Takt zu Takt ändert.
Mit einem Auslesetakt-Impuls, der in einem festen
zeitlichen Abstand da,i Sende-Impuls folgt, wird die
ίο
zum Zeitpunkt des Auslesetakt-Impulses vorliegende Ausgangsspannung des Phasendiskriminators in einen
elektronischen Speicher gegeben, der vorzugsweise eine sogenannte »sample and hold«-SchaItung ist Diese
Ausgangsspannung wird in dem Speicher bis zum Zeitpunkt des nächsten Auslesetakt-Impulses der
folgenden Taktperiode gespeichert
Für den Fall, daß sich ein bewegtes Objekt in einem solchen Abstand vom Sendewandler befindet der dem
zeitlichen Abstand zwischen dem Sende-Impuls und dem Zeitpunkt des Auslesetakt-Impulses entspricht
ändert sich das gespeicherte Signal von Taktperiode zu
Taktperiode. Das Maß der Änderung der jeweils gespeicherten Werte liefert ein erstes Ausgangssignal,
das zu dem Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weiterverarbeitet wird.
Im Falle einer »sample and hold«-Schaltung ist dieses erste Ausgangssignal eine Wechselspannung, die nach
Gleichrichtung einer Auswerteschaltung mit Schwellenfunktion zugeführt wird.
Wegen der Länge der LIt ,chall-Sendeimpulse
ergibt sich anstelle eines exakten Ar· nandsw cries ein
Entfernungsbereich, für den Auswertung erfolgt
Die gemäß der Erfindung erreichte Einschränkung des Ansprechens der Schaltungsanordnung auf (nur
bewegte) Objekte eines Entfernungsbereiches muß nicht auf einen einzigen Entfernungsbereich beschränkt
sein. Vielmehr können auch zwei oder mehrere vorgegebene Entfernungsbereiche vorgesehen sein. Für
einen jeden vorgegebenen Entferr.ungsbereich kann eine weitere Speicherschaltung, z. B. eine »sample and
hold«-Schaltung, vorgesehen sein, die der voranstehend beschriebenen Speicherschaltung parallel liegt bzw.
parallel wirksam ist, und die für >,ch einen Auslesetakt erhält, der einen anderen zeitlichen Abstand der bereits
oben erwähnten Impubaussendung des Sendewandlers hat. Dieser andere zeitliche Abstand entspricht einem
anderen Entfernungsbereich, für den die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung über die Spe.chers haltung
zur Signaldetektion ausgebildet bzw. empfindlich ist.
Die Detektion in verschiedenen Entfemungsberei-(hen
kann auch zur Auslösung unterschiedlicher Funktionen verwendet werden.
Eine für zwei Entfernungsbereiche empfindliche erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, d.h. ein für
bewegte Objekte in zwei Entfernungsbereichen ansprechender
UltraschallPräsenz-Detektor, kann z. B. für die berührungslose Steuerung eines Wasserhahnes so
ausgelegt sein, daß der eine Entfernungsbereich, vom Sendewandler aus gesehen, kurz vor dem Wasserstrahl
und der andere Entfernungsbereich kurz hinter dem Wasserstrahl liegt. Der Wasserstrahl selbst ist dann
»ausgeblendet«, kann also kein Auslösesignal hervorrufen Dies kann z. B. dann von Interesse sein, wenn
tropfendes Wasser anderenfalls zu Signalauslösung führen kann. D;r beiden erwähnten Enti'ernungsbereiche
liegen dabei so dicht hintereinander, daß in jedem Falle ein in den Bereich des zum Auslauf zu bringenden
Wasserstrahle? eingebrachtes bewegtes Objekt, z. B. die Hände, ein Ansp, echen des Detektors sicherstellt.
Sowohl für den Fall eines einzelnen Entfernungsbereiches als auch für mehrere Entfernungsber^iche läßt
sich die Länge des Entfernungsbereiches in Richtung der Ultraschall-Strahlung einstellbar verändern. Durch
eine entsprechende Länge des Ultraschall-Sendeimpulses läßt sich der Zuitrauni vergrößern bzw. einstellen,
während dem empfangene Reflexionssignale von der Schaltungsanordnung ausgewertet werden.
Die Breite des Entfernungsbereiches kann durch Wahl der Breite der Strahlungskeüle des Ultraschall-Sendewandlefs
und des Ultraschall-Empfangswandlers vorgegeben gewählt werden.
Durch Wahl der Länge der Auslesetakt-Impulse, die
an die »sample and hold«-Schaltung gegeben werden, wird eine Integration in der »sample and hold«*Schaltung
durchgeführt. Diese Integration führt dazu, daß Signale von Objekten nicht mehr registriert werden, die
sich so rasch bewegen, daß auf solcher Bewegung beruhende Phasenverschiebungen durch Mittelwertbildung
verschwinden. Dies ist gleichbedeutend damit, daß mit Zunahme der Länge der Auslesetakt-Impulse die
Grenze des Geschwindigkeitswertes herabgesetzt wird, für den die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
noch empfindlich ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist eine in zwei Blätter aufgeteilte Figur beigefügt, die ein
vollständiges Schaltbild für eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
angibt An sich ist die Schaltungsanordnung aufgrund der detaillierten Angaben für den Fachmann,
der die vorangehende Beschreibung studiert hat, ohne weiteres verständlich.
Lediglich zur weiteren Erleichterung des Verständnisses werden nachfolgend kurze Hinweise für diesp
dargestellte Schaltungsanordnung gegeben. Der Sendewandler, der vorzugsweise auch Empfangswandler ist,
ist mit 30 bezeichnet. Die Empfängerschaltung 31 ist mit der zugehörigen gestrichelten Linie umschlossen. Diese
Empfängerschaltung 31 enthält den Phasendiskriminator bzw. Produktdetektor 32. Beispielsweise an dem mit
33 (im geteilten Schaltbild zusätzlich mit D) bezeichneten Schaltungspunkt liegt die Oszillatorwechselspannung
33, die von dem Oszillator 133 erzeugt wird. An dem mit 34 bezeichneten Schaltungspunkt liegt das
Empfangssignal an, das am Wandler 30 aufgrund eine: reflektierten Anteils ausgesandter Ültraschall-Stfah
lung auftritt. Die Speicher- bzw. »sample and hold« Schaltung 35 ist mit einer strichpunktierten Linie
umschlossen. Da» an diese Schaltung 35 gelangend« Ausgangssignal des Produktdetektors 32 liegt z. B. ar
dem mit 37 bezeichneten Schaltungspunkt an. An derr Schaltungspunkt 36 liegt das Auslesetaktsignal für die
»sample and hold«-SchaItung 35 an. Die Auswerteschaltung 38 (in der Figur rechts von der Empfängerschaltung
31) ist mit einer weiteren gestrichelten Linie umschlossen. Sie enthält die Vergleicherschaltung 39
die hier im wesentlichen ein Transistor ist. Die logische Schaltung 40, z.B. zwei CMOS-Irivertef, bewirkt die
Schwellenfunktion zur Vergleicherschaltung 39. An-Schaltungspunkt
41 tritt das Ausgangssignal dei erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auf. Mit 42 isi
die Torschaltung: für den Ultraschall-Sendeimpul« bezeichnet. Diese Torschaltung 42 wird von eihei
Schaltung 142 für die Sendeimpulsdaucr gesteuert. Mil 44 ist ein Leistungsverstärker für die elektrische
Sendeleistung deis Ultraschall-Senders kenntlich gemacht.
Mit dem Taktgenerator 45 wird die Impulsfolgefrequenz bestimmt
Die dargestellt« Figur ist für die Verwendung zur beriihrungslosen Steuerung eines Wasserhahnes, d. h,
zur Steuerung dessen Magnetventils 43, vorgesehen. Mit 46 ist der Anschluß für die Versorgungsspartnung von
B. 12 Volt bezeichnet.
j Für den praktischen Anwendungsfall bei einem Wasserhahn ergibt sich für eine Länge des Ultraschall-Sendeimpulses
von etwa 0,5 msec eine Länge des Entfernungsbereiches, in dem Ansprechempfindlichkeit
der erfindungsg' mäßen Schaltungsanordnung vorliegt die sich auf etwa 8 cm bemißt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung für einen Bewegungsdetektor, mit einem Ultraschall-Wandler als Sendewandler
und einem Ultraschall-Wandler als Empfangswandler, mit einem Oszillator zur Erzeugung
einer Oszillatorwechselspannung für den Sendewandler, mit einer Empfängerschaltung, die mit dem
Empfangswandler verbunden ist, die ein Empfangssignal des Empfangswandlers erhält und die einen
Phasendiskriminator zur Erkennung des Wertes einer Phasenverschiebung zwischen der Oszillatorwechselspannung
und dem jeweiligen Empfangssignal hat, sowie mit einer Auswerteschaltung mit
Vergleicherschaltung und Schwellenfunktion, dadurch gekennzeichnet, daß eine Torschaltung
zur zeitlich steuerbaren Zuführung von Wellenzügen dieser Oszillatorwechselspannung an
den Sendewandler und ein Taktsignalgeber (36) vorgesehen sind und dadurch, daß dem Phasendiskriminaio.-(32)
eine solche elektronische Speicherschaltung (35) nachgeschaltet ist, die zu vorgebbar
periodisch wiederkehrenden Zeitpunkten der Signale des Taktgebers das Ausgangssignal des Phasendiskriminators
(32) bis zum nächstfolgenden Zeitpunkt speichert, und daß die Vergleicherschaltung
für einen Vergleich einzelner oder mehrerer aufeinanderfolgender Speicherwerte der elektronischen
Speicherschaltung (35) ausgebildet ist, wobei die Schwellenfunktion (40) derart gewählt ist, daß
dann ein Ausgangssignal (41) der Schaltungsanordnung erz ugbar ist, wenn sich der Betrag der
einzelnen Speicherwerte oder die Mittelwerte jeweils einiger aufeinanderlolgender Speicherwerte
um mehr als einen vorgegebenen Wert voneinander unterscheiden, wobei dieses A jsgangssignal (41) das
Präsenz-Ereignis angibt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator ein
Produktdetektor (32) ist, der die Differenzfrequenz liefert.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische
Speicher eine »sample and hold«-Schaltung (35) ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Känge eines
Entfernungsbereiches für das Ansprechen der Schaltungsanordnung durch die Impulslänge der
Torschaltung (42) für die dem Sendewandler (30) zuzuführenden Oszillatorwechselspannung einstellbargegeben
ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektionsbereich
für Geschwindigkeitswerte des zu detektierenden Objekts für hohe Geschwindigkeitswerte
durch die Länge der Auslesetakt-Impulse (36) einstellbar gegeben ist.
6. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche I bis 5, für eine berührungslose
Steuerung eines Wasserhahnes, wobei das Ausgangssignal (41) der Schaltungsanordnung an ein
elektromechanisches Ventil zum öffnen bzw. Schließen desselben gegeben ist.
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