CH705142B1 - Sensormodul und Verwendung davon zum Erfassen der Drehzahl eines rotierenden Objekts. - Google Patents

Abstract

Bei einem Sensormodul zum Erfassen der Drehzahl eines rotierenden Objekts um eine gegenüber der Senkrechten geneigte Achse mit einem Beschleunigungsmesser (21), welcher auf ihn in einer Messrichtung einwirkende Beschleunigungen in ein elektrisches Signal umsetzt, sowie mit einem Mikrocontroller (22), einem Datenspeicher (23) und einer Schnittstelle (24) für einen Zugriff auf die im Datenspeicher (23) gespeicherten Daten, ist es erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Mikrocontroller (22) dazu eingerichtet ist, das von dem Beschleunigungsmesser (21) erzeugte Signal während einer Messphase abzutasten, aus den ermittelten Abtastwerten durch Frequenzanalyse Drehzahlwerte zu berechnen und diese im Datenspeicher (23) abzulegen. Zum Erfassen der Drehzahl eines rotierenden Objekts wird das Sensormodul an dem Objekt zum Mitrotieren und so befestigt, dass die Messrichtung des Beschleunigungsmessers (21) nicht mit dessen geneigter Achsrichtung fluchtet. Das Sensormodul lässt sich insbesondere an der Nabe eines Kraftfahrzeugs befestigen. Aus den während einer Messfahrt mit dem Sensormodul gewonnen Drehzahlwerten lassen sich schliesslich durch nachträgliche Auswertung Leistungswerte des Antriebs des Kraftfahrzeugs ermitteln.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensormodul und Verwendungen dieses Sensormoduls zum Erfassen der Drehzahl eines rotierenden Objekts um eine gegenüber der Senkrechten geneigte Achse mit einem Beschleunigungsmesser, welcher auf ihn in einer Messrichtung einwirkende Beschleunigungen in ein elektrisches Signal umsetzt, sowie mit einem Mikrocontroller, einem Datenspeicher und einer Schnittstelle für einen Zugriff auf die im Datenspeicher gespeicherten Daten.

Stand der Technik

[0002] Ein solches Sensormodul ist aus CH 681 931 bekannt, wobei mit dem Sensormodul vor allem Radumdrehungszahlen von Kraftfahrzeugen während eines längeren Zeitraums ermittelt werden. Das Sensormodul wird hierzu an dem Rad mit Achsabstand mitrotierend und bezüglich der Messrichtung des Beschleunigungsmessers so ausgerichtet befestigt, dass bei der Raddrehung die Erdbeschleunigung zyklisch variierend auf den Beschleunigungsmesser in der Messrichtung einwirkt und dieser zudem Zentrifugalbeschleunigungen unterliegt. Aus der zyklischen Variation der Erdbeschleunigung werden die Radumdrehungszahlen ermittelt. Die momentane Drehzahl wird aus der Zentrifugalbeschleunigung ermittelt und zur Steuerung eines Filters für das von dem Beschleunigungsmesser erzeugte elektrische Signal verwendet, dem zum Teil erhebliche, durch Vibrationen erzeugte Beschleunigungen überlagert sind.

[0003] Die Leistung von Kraftfahrzeugantrieben wird üblicherweise vom Hersteller bestimmt und in den Fahrzeugpapieren angegeben. Ein Überprüfung dieser Angaben ist schwierig und ist, ohne aufwendige Manipulationen an dem Fahrzeug, praktisch nur auf sogenannten Rollenprüfständen möglich. Mit diesen wird unter anderem die Drehzahl der angetriebenen Räder in verschiedenen, Beschleunigungs- und Auslaufphasen umfassenden Fahrsituationen registriert. Bei den Rollenprüfständen handelt es sich jedoch um teure Anlagen, die aus diesem Grund nicht sehr verbreitet sind. Eine Leistungsmessung findet deshalb nur selten statt. Für Garagen oder auch für Zulassungsstellen wäre eine einfache Leistungsermittlung jedoch wünschenswert. Auch die Polizei könnte hiervon profitieren, um beispielsweise bei Kontrolle unzulässig getunte Fahrzeuge zu ermitteln.

Darstellung der Erfindung

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es anzugeben, wie eine Leistungsermittlung von Kraftfahrzeugantrieben einfach und kostengünstig sowie weitgehend ortsunabhängig durchführbar ist und dazu erforderliche, auch anderweitig verwendbare Ausrüstung zur Verfügung zu stellen.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Sensormodul der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vor, welcher demnach dadurch gekennzeichnet ist, dass der Mikrocontroller dazu eingerichtet ist, das von dem Beschleunigungsmesser erzeugte Signal während einer Messphase abzutasten, aus den ermittelten Abtastwerten durch Frequenzanalyse Drehzahlwerte zu berechnen und diese im Datenspeicher abzulegen.

[0006] Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Sensormoduls sind in den Ansprüchen 2–8 angegeben. Danach ist der Mikrocontroller dazu eingerichtet, das Signal des Beschleunigungsmessers mit einer Frequenz von 1/5 sec–1/20 sec, vorzugsweise von 1/10 sec, abzutasten. Weiter ist der Mikrocontroller dazu eingerichtet, pro Abtastwert je einen Drehzahlwert zu berechnen und ihn im Datenspeicher abzulegen. Der Datenspeicher ist so gross bemessen, dass er die Drehzahlwerte einer Messphase von wenigstens 5 min, vorzugsweise wenigstens 10 min und weiter vorzugsweise von wenigstens 15 min aufnehmen kann.

[0007] Weiter weist im Rahmen dieser bevorzugten Ausführungsformen das Sensormodul ein Gehäuse auf, in dem alle seine vorgenannten Komponenten sowie eine lokale Stromversorgung angeordnet sind. Das Gehäuse ist vorzugsweise scheibenförmig mit einer Dicke kleiner als 1.5 cm, und insbesondere kreisscheibenförmig, vorzugsweise mit einem Durchmesser kleiner als 5 cm. Der Beschleunigungsmesser ist in dem Gehäuse so angeordnet, dass er Beschleunigungen in einer zu wenigstens einer Flachseite des Gehäuses parallelen Richtung misst.

[0008] Die lokale Stromversorgung kann eine Batterie oder einen aufladbaren Akku umfassen.

[0009] Die Schnittstelle ist vorzugsweise für den Anschluss eines Verbindungskabels ausgebildet und mit einem Stecksockel versehen.

[0010] Erfindungsgemäss verwendet zum Erfassen der Drehzahl eines rotierenden Objekts um eine gegenüber der Senkrechten geneigte Achse wird das erfindungsgemässe Sensormodul gemäss Anspruch 9, indem er an dem Objekt zum Mitrotieren und weiter so befestigt wird, dass die Messrichtung des Beschleunigungsmessers nicht mit der Achsrichtung fluchtet. Durch das Mitrotieren mit dem rotierenden Objekt in dieser Ausrichtung um die gegenüber der Senkrechten geneigte Rotationsachse des Objektes wirkt die Erdbeschleunigung zyklisch variierend auf den Beschleunigungsmesser in dessen Messrichtung ein. Die zyklisch variierende Komponente der Erdbeschleunigung ist dadurch in dem von dem Beschleunigungsmesser erzeugten Signal enthalten, wobei dieser Komponente in der Regel weitere Komponenten überlagert sind, welche insbesondere durch Stösse und Vibrationen, aber auch durch Zentrifugalbeschleunigungen sowie durch Beschleunigungen zur Erhöhung oder Verringerung der Drehzahl verursacht werden. Durch Abtasten des Signals sowie durch eine Frequenzanalyse (Fourieranalyse) auf Basis jeweils einer gewissen Anzahl von Abtastwerten lässt sich jedoch die Komponente der Erdbeschleunigung herausfiltern und bezüglich ihrer Frequenz bestimmen. Die Absolutwerte des analysierten Signals und seiner Komponenten spielen dabei keine Rolle und gehen in das Ergebnis nicht ein. Die ermittelten Frequenzwerte werden als Drehzahlwerte im Datenspeicher einzeln abgelegt. Die Signalabtastung sowie die Frequenzanalyse mit Berechnung der Drehzahlwerte werden vom Mikrocontroller in Echtzeit ausgeführt.

[0011] Die für die Drehzahlbestimmung aus der zyklisch variierenden Erdbeschleunigung nicht erforderliche, durch Zentrifugalbeschleunigungen verursachte Komponente im analysierten Signal lässt sich durch Befestigen des Sensormoduls im Drehzentrum des Objektes zumindest weitgehend eliminieren. Eine derartige Anbringung ist deshalb im Rahmen der erfindungsgemässen Verwendung bevorzugt.

[0012] Zumindest wenn, wie ebenfalls bevorzugt, das Sensormodul ein scheibenförmiges Gehäuse aufweist, kann dieses einfach mit einem vorzugsweise wieder ablösbaren Klebestreifen an dem rotierenden Objekt befestigt werden.

[0013] Im Rahmen einer erfindungsgemässen Verwendung des erfindungsgemässen Sensormoduls werden Drehzahlwerte von einem rotierenden Objekt während einer Messphase von typisch einigen Minuten Dauer ermittelt. Danach werden die ermittelten und im Datenspeicher abgelegten Drehzahlwerte über die Schnittstelle in eine Datenverarbeitungsanlage übertragen und dort weiter ausgewertet.

[0014] Bei einer bevorzugten Verwendung des erfindungsgemässen Sensormoduls ist das rotierende Objekt das Rad eines Kraftfahrzeugs. Hier kann das Sensormodul einfach aussenseitig auf dessen Nabe befestigt werden. Während der Messphase wird das Kraftfahrzeug auf einer möglichst ebenen Strecke ggf. mehrfach beschleunigt und auslaufen gelassen. Nach Übertragung der dabei gewonnenen Drehzahlwerte in eine Datenverarbeitungsanlage können aus diesen Werten, wie bei Rollenprüfständen üblich, Leistungswerte des Antriebs des Kraftfahrzeugs errechnet werden. Bei dieser Verwendung ersetzt das erfindungsgemässe, sehr klein und kostengünstig herstellbare, mitführbare und dadurch damit praktisch überall einsetzbare Sensormodul den teuren, ortsgebundenen Rollenprüfstand. Als Datenverarbeitungsanlage zur Auswertung der Drehzahlwerte genügt ein handelsüblicher Notebook-Computer.

Kurze Erläuterung der Figuren

[0015] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>ein erfindungsgemässes Sensormodul in einer Explosionsdarstellung; <tb>Fig. 2<SEP>das Signal des Beschleunigungsmessers eines an einem Kraftfahrzeugrad befestigten solchen Sensormoduls während einer Messphase/Testfahrt; <tb>Fig. 3<SEP>Drehzahlen, die mit einem erfindungsgemässen, an einem Kraftfahrzeugrad auf dessen Nabe befestigten Sensor anlässlich eines Tachotests auf einem Prüfstand ermittelt wurden; <tb>Fig. 4<SEP>unter a) und b) Drehzahldiagramme von zwei weiteren Testfahrten; und <tb>Fig. 5<SEP>aus diesen ermittelte Leitungsmesskurven.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0016] Das Sensormodul von Fig. 1 weist ein kreisscheibenförmiges Gehäuse 10 mit einer vorderen Flachseite 11 und einer hinteren Flachseite 12 auf. Letztere ist als Deckel ausgebildet. Die vorderen und hinteren Kanten zwischen den beiden Flachseiten und der Zylindermantelfläche 13 sind abgerundet. Das Gehäuse weist einen Durchmesser von 42 mm, eine Dicke von 12 mm auf. Die Kanten haben einen Radius von 2.5 mm.

[0017] 20 bezeichnet eine mit ihrer Ebene parallel zu den beiden Flachseiten 11 und 12 des Gehäuses 10 angeordnete, ebenfalls kreisscheibenförmige Leiterplatte, auf der mehrere elektronische Komponenten befestigt und untereinander elektrisch verbunden sind. Im Zentrum der Leiterplatte 20 ist ein Beschleunigungsmesser 21 in Form eines integrierten Halbleiterchips angebracht. Dieser ermittelt Beschleunigungen in drei zueinander senkrechten Richtungen, von denen zwei parallel zur Ebene der Leiterplatte 20 und damit auch parallel zu den beiden Flachseiten 11 und 12 des Gehäuses ausgerichtet sind. Die dritte Richtung ist in Axialrichtung der Leiterplatte 20 und damit auch des Gehäuses 10 sowie dessen Flachseiten 11 und 12 ausgerichtet. Verwertet wird nur das Signal aus einer der beiden Richtungen parallel zur Leiterplatte 20. Die Signalverwertung erfolgt durch periodisches Abtasten durch einen Mikrocontroller 22, der aus den Abtastwerten in Echtzeit Drehzahlwerte berechnet und diese in einem Datenspeicher 23 in Form eines EEPROMs ablegt. Die Abtastrate liegt im Bereich von 1/5 sec–1/20 sec, vorzugsweise bei 1/10 sec.

[0018] Auf der Leiterplatte 20 ist noch der Stecksockel 24 einer USB-Schnittstelle angeordnet, welcher durch eine Öffnung 16 in der Zylindermantelfläche 13 des Gehäuses 10 von aussen zugänglich ist. Über diese Schnittstelle und ein daran angeschlossenes Kabel können die in dem Datenspeicher 23 enthaltenen Daten ausgelesen und beispielsweise in eine externe Datenverarbeitungsanlage (Notebook) übertragen werden.

[0019] Des Weiteren werden von der Leiterplatte mehrere Leuchtdioden 25 getragen, die durch eine Öffnung 15 in der vorderen Flachseite 11 von aussen sichtbar sind und verschiedene Betriebszustände des Sensormoduls wie An (On), Aufnahme (Record), Laden (Charge) und Fehler (Error) signalisieren. 26 bezeichnet einen ebenfalls mit der Leiterplatte 20 verbundenen Ein/Aus-Schalter, der durch eine Öffnung 16 in der Zylindermantelfläche 13 des Gehäuses 10 bedienbar ist.

[0020] 30 bezeichnet einen Montagering für die Leiterplatte 20 im Gehäuse 10, der auch einen Akku 40 für die Stromversorgung des Sensormoduls aufnimmt. Bei 26.1 und 26. 2 handelt sich um ein Zwischenstück und eine Abdeckkappe für den Schalter 26. 50 bezeichnet eine transparente Schutzfolie für die LEDs.

[0021] Aufgrund seiner geringen Grösse und seiner beschriebenen Form kann das Sensormodul für eine Messphase mit seiner rückseitigen Flachseite 12 mit einem Klebestreifen aussenseitig an der Nabe eines Kraftfahrzeugrades befestigt werden. Geeignete Klebestreifen sind beispielsweise sogenannte Powerstrips von Tesa (Marke), welche eine hohe Haltkraft haben und sich nach der Messphase durch Langziehen rückstandsfrei wieder ablösen lassen. Durch die beschriebene Orientierung des Beschleunigungsmessers 21 im Gehäuse 10 rotiert dessen für die Messung verwendete Richtung mit der Raddrehung in einer Vertikalebene. Die Erdbeschleunigung wirkt sich dadurch zyklisch auf das Messsignal aus.

[0022] Fig. 2 zeigt ein Beispiel für ein Beschleunigungssignal S, wie es von einem Beschleunigungssensor während einer Messfahrt erzeugt wird, der in einem wie vorstehend beschrieben ausgebildeten und an einem Kraftfahrzeugrad angebrachten Sensormodul enthalten ist. Das Signal S zeigt erkennbar starke Schwankungen über der Zeitachse, welche vor allem durch die während der Messfahrt auftretenden Stösse und Vibrationen verursacht werden. Dennoch ist es möglich, durch eine geeignete Frequenzanalyse die durch die Erdbeschleunigung verursache Komponente herauszufiltern und ihre Frequenz entsprechend der Drehzahl des Rades zu bestimmen.

[0023] Fig. 3 zeigt Drehzahlen, die mit einem erfindungsgemässen, an einem Kraftfahrzeugrad auf dessen Nabe befestigten Sensor anlässlich eines Tachotests auf einem Prüfstand ermittelt wurden. Die Drehzahlen sind hier über den Radumfang in eine Geschwindigkeit in km/h umgerechnet. Zur Ermittlung der dargestellten Kurve wurde pro 1/10 sec jeweils ein Wert von dem Beschleunigungssignal abgetastet und mit der gleichen Rate jeweils ein Drehzahlwert berechnet. Fig. 3 zeigt einige mit dem Prüfstand ermittelte Geschwindigkeiten zum Vergleich. Die Übereinstimmung der mit den unterschiedlichen Messverfahren ermittelten Geschwindigkeiten ist sehr gut.

[0024] Fig. 4 zeigt unter a) und b) Drehzahl-/bzw. Geschwindigkeitsdiagramme von zwei Testfahrten, während denen das Kraftfahrzeug beschleunigt und wieder auslaufen gelassen wurde. Die Dauer der Testfahrten beträgt typisch einige Minuten.

[0025] Bei solchen Testfahrten wird das Kraftfahrzeug beispielsweise im zweiten und/oder im dritten Gang beschleunigt, bis die Motordrehzahl an den auf den Armaturen rot gekennzeichneten Bereich gelangt. Eine gute Ausgangsgeschwindigkeit ist ca. 35 km/h.

[0026] Auf flacher Strecke wird das Kraftfahrzeug aus konstanter Geschwindigkeit bei z.B. 80 km/h, also konstanter Drehzahl des Motors, ausgekuppelt und auslaufen gelassen. Hierbei genügt es so lange zu messen, bis die Geschwindigkeit des Fahrzeugs um ca. 20–30 km/h abgefallen ist.

[0027] Fig. 5 zeigt aus den Geschwindigkeitsdiagrammen im Rahmen einer späteren Datenauswertung berechnete Leistungskurven des Kraftfahrzeugs. Vorteilhaft bei der Ermittlung der Leistungskurven mit einem erfindungsgemässen Sensormodul ist, dass während der Testfahrt auch der Luftwiderstand in die Messung mit eingeht. Bei der Ermittlung der Leistungskurven auf einem Rollenprüfstand muss dieser Effekt rechnerisch berücksichtigt werden, wobei man in der Regel auf die Angaben des Herstellers zum Luftwiderstandsbeiwert (CW-Wert) des Kraftfahrzeugs angewiesen ist.

[0028] Das erfindungsgemässe Sensormodul kann ausser für den vorbeschriebenen Zweck auch anderweitig zu einer Drehzahlmessung eingesetzt werden, wobei seine geringe Grösse seine Befestigung an der Vielzahl unterschiedlicher rotierender Objekte ermöglicht.

Bezeichnungsliste

[0029] <tb>10<SEP>Gehäuse <tb>11<SEP>vordere Flachseite <tb>12<SEP>hintere Flachseite <tb>13<SEP>Zylindermantelfläche <tb>15<SEP>Öffnung in der vorderen Flachseite <tb>16<SEP>Öffnung in der Zylindermantelfläche <tb>20<SEP>Leiterplatte <tb>21<SEP>Beschleunigungsmesser <tb>22<SEP>Mikrocontroller <tb>23<SEP>Datenspeicher <tb>24<SEP>Stecksockel <tb>25<SEP>Leuchtdioden <tb>26<SEP>Ein/Aus-Schalter <tb>26.1<SEP>Zwischenstück <tb>26.2<SEP>Abdeckkappe <tb>30<SEP>Montagering <tb>40<SEP>Akku <tb>S<SEP>elektrisches Signal

Claims (14)

1. Sensormodul zum Erfassen der Drehzahl eines rotierenden Objekts um eine gegenüber der Senkrechten geneigte Achse mit einem Beschleunigungsmesser (21), welcher auf ihn in einer Messrichtung einwirkende Beschleunigungen in ein elektrisches Signal (S) umsetzt, sowie mit einem Mikrocontroller (22), einem Datenspeicher (23) und einer Schnittstelle (24) für einen Zugriff auf die im Datenspeicher (23) gespeicherten Daten, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (22) dazu eingerichtet ist, das von dem Beschleunigungsmesser (21) erzeugte Signal (S) während einer Messphase abzutasten, aus den ermittelten Abtastwerten durch Frequenzanalyse Drehzahlwerte zu berechnen und diese im Datenspeicher (23) abzulegen.

2. Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (22) dazu eingerichtet ist, das Signal (S) mit einer Frequenz von 1/20–1/5 sec, vorzugsweise von 1/10 sec, abzutasten.

3. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (22) dazu eingerichtet ist, pro Abtastwert einen Drehzahlwert zu berechnen und im Datenspeicher (23) abzulegen.

4. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher (23) so gross bemessen ist, dass er die Drehzahlwerte einer Messphase von wenigstens 5 min, vorzugsweise wenigstens 10 min und weiter vorzugsweise von wenigstens 15 min aufnehmen kann.

5. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gehäuse (10) aufweist, in dem alle vorgenannten Komponenten (21–24) sowie eine lokale Stromversorgung (40) angeordnet sind.

6. Sensormodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) scheibenförmig, vorzugsweise mit einer Dicke kleiner als 1.5 cm, und insbesondere kreisscheibenförmig, vorzugsweise mit einem Durchmesser kleiner als 5 cm, ist und dass der Beschleunigungsmesser (21) Beschleunigungen in einer zu einer Flachseite (11, 12) des Gehäuses (10) parallelen Richtung misst.

7. Sensormodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Stromversorgung (40) eine Batterie oder einen aufladbaren Akku (40) umfasst.

8. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (24) für den Anschluss eines Verbindungskabels ausgebildet ist.

9. Verwendung des Sensormoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Erfassen der Drehzahl eines rotierenden Objekts um eine gegenüber der Senkrechten geneigte Achse, dadurch gekennzeichnet, dass er an dem Objekt zum Mitrotieren und so befestigt wird, dass die Messrichtung des Beschleunigungsmessers (21) nicht mit der Richtung der genannten Achse fluchtet.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul im Drehzentrum des Objektes befestigt wird.

11. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul durch Ankleben an dem Objekt, vorzugsweise mit einem wieder ablösbaren Klebestreifen, befestigt wird.

12. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Datenspeicher (23) abgelegten, während einer Messphase ermittelten Drehzahlwerte nach der Messphase über die Schnittstelle (24) in eine Datenverarbeitungsanlage übertragen und dort weiter ausgewertet werden.

13. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Objekt das Rad eines Kraftfahrzeugs ist und dass das Sensormodul aussenseitig auf dessen Nabe befestigt wird.

14. Verwendung nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug während der Messphase beschleunigt und auslaufen gelassen wird und dass aus den dabei ermittelten Drehzahlwerten im Rahmen der weiteren Auswertung in der Datenverarbeitungsanlage Leistungswerte des Antriebs des Kraftfahrzeugs ermittelt werden.