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Berührungslose Erkennung der Anwenderintention mittels kapazitiver Sensorik für Anwendungen im Sanitärbereich

Dipl.-Ing. Leonhard Haslinger

Dipl.-Ing. Leonhard Haslinger

In den letzten Jahren ist im sanitären Bereich ein Trend von klassischen Einhebelmischern hin zu berührungslosen elektronischen Armaturen erkennbar. Damit können vor allem Ressourcen und letztendlich Betriebskosten gespart werden. Solche elektrisch aktuierten Systeme bieten mannigfaltige Möglichkeiten in der Bedienung. Zur Erkennung der Anwenderintention im Sanitärbereich bietet vor allem die kapazitive Sensorik wesentliche Vorteile. Ihre Einfachheit und Robustheit bei gleichzeitig universellen Einsatzmöglichkeiten und niedrigem Leistungsbedarf sind nur einige der zahlreichen Kriterien. Da kein optischer Pfad notwendig ist, können die Komponenten geschützt vor Vandalenakten montiert werden. Außerdem besteht die Möglichkeit zur Erkennung komplexerer Anwenderabsichten, was z. B. im Ambient Assisted Living (AAL) Bereich oder zur generellen Steigerung des Komforts genutzt werden kann.

Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung von kapazitiver Sensorik zur zuverlässigen Erkennung von Anwenderintentionen im Sanitärbereich. Dabei soll der Anwender seine Absichten berührungslos und intuitiv kommunizieren können. Eine häufige Störgröße im Sanitärbereich ist Wasser. Die damit verbundenen Einflüsse müssen im Rahmen der Signalverarbeitung berücksichtigt und falls notwendig durch spezielle Vorkehrungen vermindert werden. Eine mögliche Maßnahme zur Reduzierung störender Wassertropfen stellt das Beschleunigen des Abrinnens dar. Dabei können Electrowetting-Ansätze oder aber der Einsatz von akustischen Oberflächenwellen (sog. Lamb-Waves) in Frage kommen.

Bei der berührungslosen Kapazitätsmessung sind besonders die sogenannten Messmethoden Loading Mode und Shunt Mode von Bedeutung. In Abbildung 1 sind diese Funktionsprinzipien schematisch dargestellt.

Abbildung 1: Methoden zur berührungslosen Kapazitätsmessung.

Abbildung 1: Methoden zur berührungslosen Kapazitätsmessung.

Als Messaufbau wird das 3-Achssystem X.act von Linos Photonics in Abbildung 2 zur Vorgabe der relativen Position der Elektroden zueinander verwendet. Weiters zeigt Abbildung 2 noch die Sensor- und Messelektrode aus Kupfer sowie den Loading Mode Sensor.

Abbildung 2: 3-Achssystem X.act von Linos Photonics.

Abbildung 2: 3-Achssystem X.act von Linos Photonics.

Mit den Messdaten werden schließlich die Parameter eines nichtlinearen Modells identifiziert, das später als Basis für die Echtzeitanwendung dienen soll. In Abbildung 3 sind die normierten Kapazitätswerte der Messung sowie des identifizierten Modells für einen vertikalen Sensorabstand z=2mm und eine sechseckige Sensorelektrode dargestellt.

Abbildung 3: Kapazitätswerte für einen vertikalen Sensorabstand z=2mm und eine sechseckige Sensorelektrode.

Abbildung 3: Kapazitätswerte für einen vertikalen Sensorabstand z=2mm und eine sechseckige Sensorelektrode.