DE10038804C1 - Verfahren zur Herstellung eines zu kalibrierenden Radmoduls in einem Reifendruck-Kontrollsystem - Google Patents

Abstract

An einem Radmodul in einem Reifendruck-Kontrollsystem, das einen Drucksensor, einen Mikrocontroller (muC), einen (elektronischen) Speicher, eine Batterie und evtl. einen Temperatursensor aufweist, soll eine kostengünsige Kalibrierung des Drucksensors durchgeführt werden. DOLLAR A Die Kalibrierung der Drucksensoren erfolgt in folgenden Schritten: DOLLAR A Das Modul wird zunächst vollständig zusammengelötet und vor dem Einsetzen der Batterie noch einmal elektrisch getestet; dann wird die Batterie eingelötet und damit zum ersten Mal Spannung an das Modul angelegt; anschließend durchläuft der Mikrocontroller des Radmoduls seine Initialisierungsroutinen und die erste Messung wird gestartet; die gemessene Spannung U¶1¶ wird einem ersten Druck p¶1¶ zugeordent und als erster Kalibrierpunkt gespeichert; von nun an führt der Mikrocontroller in regelmäßigen Zeitabständen Druckmessungen durch; schließlich werden die fertigen Radmodule in einen Druckkessel mit fest definiertem (zweiten) Druck p¶2¶ gegeben und die bei dem sensierten Druck p¶2¶ gemessene Spannung U¶2¶ wird als zweiter Kalibrierpunkt gespeichert. DOLLAR A Das Kalibrierverfahren ist überall dort einsetzbar, wo neben einem zu kalibrierenden Sensor auch noch ein Mikrocontroller und ein Speicher vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung (Fertigstellung) eines zu kalibrierenden Radmoduls in einem Reifendruck-Kontrollsystem an einem Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Radmodule eines Reifendruck-Kontrollsystems messen (unter anderem) den Druck im Gasvolumen des Rades. Hierzu benötigen sie einen Drucksensor, der die Messgröße Luftdruck in eine elektrische Größe - zumeist eine Spannungsdifferenz - umwandelt. Bekannt ist die Verwendung piezoresistiver und kapazitiver Drucksensoren, wobei derzeit bevorzugt piezoresistive Drucksensoren eingesetzt werden. Ein gattungsgemäßes Radmodul ist aus der US 5,231,872 bekannt.

Prozessbedingt sind Drucksensoren stets mit Fertigungsungenauigkeiten behaftet. Eine bestimmte Druckdifferenz (z. B. 2 bar) führt zu einer zunächst unbekannten Spannungsdifferenz (? mV). Deshalb müssen diese Drucksensoren bezüglich ihrer Empfindlichkeit kalibriert werden. Unter Kalibrierung (Eichung) versteht man einen Prozess, bei dem ein fester Zusammenhang zwischen dem Wert der Messgröße (hier Druck) und dem Wert der elektrischen Ausgangsgröße (bei piezoresistiven Sensoren: die Spannung) des Drucksensors hergestellt wird. Hierbei wird z. B. der Ausgang des Drucksensors mit einem Widerstandsnetzwerk so beschaltet, dass der Druck von 2 bar am Drucksensor zu einer Spannung von z. B. 5 mV führt. Aufgrund der in guter Näherung linearen Kennlinie des Drucksensors sind dann die Ausgangsspannungen für andere Druckwerte ebenfalls bekannt, mit obigen Beispielwerten z. B. 4 bar → 10 mV, usw.

Neben der Empfindlichkeit des Drucksensors muss auch sein Offset bei der Kalibrierung berücksichtigt werden. Wenn auch nur geringfügig, so unterscheiden sich zwei auf gleiche Empfindlichkeit (wie oben beschrieben) abgeglichene Drucksensoren in ihrer Ausgangsspannung auch bei sonst identischen Umgebungsverhältnissen voneinander. Man definiert nun eine Offsetspannung als diejenige Differenzspannung, die man an das Kalibrier-Netzwerk zusätzlich anlegen muss, damit die Spannung - bei sonst identischen Druckverhältnissen - an einem ersten (Referenz-)Drucksensor mit der Spannung an einem zweiten (Mess-)Drucksensor identisch ist. Es werden daher mindestens zwei Messpunkte (für einen temperaturkompensierten Drucksensor) benötigt. Nicht temperaturkompensierte Drucksensoren benötigen vier Messpunkte, wobei zwei auf einem höheren Temperaturniveau aufgenommen werden müssen.

Bisher erfolgt die Kalibrierung der Drucksensoren meistens mit Widerstandsabgleich für Offset und Empfindlichkeit. Für nicht temperaturkompensierte Drucksensoren ist zusätzlich ein Abgleich auf einem höheren Temperaturniveau notwendig (ggf. iteratives Vorgehen).

Anstelle der Beschaltung des Drucksensor-Ausgangs können bei digitalen Messsystemen während der Kalibrierung auch sogenannte Kalibrierfaktoren aufgenommen werden. Die (individuellen) Ausgangsspannungen des Drucksensors werden dann mit den (individuellen) Kalibrierfaktoren verrechnet und führen so auf die richtigen Druckwerte.

Die Kalibrierung von Drucksensoren in Radmodulen hat bisher in jedem Fall hohe Kosten verursacht, weil viele aufwendige Verfahrensschritte separat notwendig sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines zu kalibrierenden Radmoduls zu entwickeln, mit dem eine kostengünstige Kalibrierung der Drucksensoren in den Radmodulen möglich wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.

Die Kalibrierung wird vom Radmodul (Modul) quasi selbständig
(→ Autokalibrierung = automatische Kalibrierung)
durchgeführt. Hierzu wird das Modul mit einer vorher festgelegten Abfolge von Messgrößen mit ausgeprägten werten beaufschlagt. Da das Radmodul diese Abfolge "kennt", kann es die Werte als Normal verwenden und die von ihm selbst "gesehenen" elektrischen Messwerte hierzu in Beziehung setzen.

Hierbei wird z. B. wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird das Modul vollständig zusammengelötet und vor dem Einsetzen der Batterie noch einmal elektrisch getestet (Onboard Test).
Dann wird die Batterie eingelötet und damit zum ersten. Mal Spannung an das Modul angelegt. Dies geschieht zweckmäßigerweise bei atmosphärischem Druck, weil dann eine konventionelle Lötvorrichtung verwendet werden kann.

Der Mikrocontroller µC des Radmoduls durchläuft seine Initialisierungsroutinen und startet die erste Messung (ggf. Mehrfachmessung mit Filterung). Die gemessene Spannung kann er dem Druck 1 bar (absolut) zuordnen, weil er "weiß", dass das Einlöten der Batterie bei normalem, atmosphärischem Druck stattfindet.

Jetzt führt der Mikrocontroller µC in regelmäßigen Abständen (z. B. 1 min) Druckmessungen durch. Nach den Erfordernissen in der Produktion werden schließlich die fertigen Radmodule quasi als Schüttgut (kostengünstig) in einen Druckkessel geworfen, der auf einen fest definierten zweiten Druckwert (z. B. 5 bar) gehalten wird. Das Radmodul kann dies trotz fehlender Kalibrierung feststellen, weil die gemessene Ausgangsspannung des Drucksensors jetzt deutlich höher ist als bei der Messung beim Anlegen der Betriebsspannung. Wenn dieser elektrische Messwert stabil ist (das Hochfahren des Drucks im Druckkessel kann an nicht stabilen Messwerten erkannt werden), kann die gemessene Ausgangsspannung des Drucksensors dem zweiten Druck 5 bar zugeordnet werden. Damit liegt der zweite Kalibrierpunkt fest und die Kalibrierung eines linearen (temperaturkompensierten) Drucksensors ist abgeschlossen.

Offset und Empfindlichkeit von Drucksensoren sind auch von der Temperatur abhängig. Grundsätzlich kann das Verfahren auch um die Aufnahme von Kalibrierpunkten auf einem höheren Temperaturniveau ergänzt werden. Dann nimmt das Radmodul den elektrischen Wert vom Temperatursensor beim Anschließen der Batterie als z. B. 20°C an, wobei die Abkühlung nach dem Löten berücksichtigt wird. Nach der ersten Druckbeaufschlagung s. o. werden die Module bei atmosphärischem Druck in eine z. B. auf 60°C geheizte Druckkammer gebracht. Das Radmodul erkennt dies an der steigenden Ausgangsspannung des Temperatursensors, der in diesem Prozess gleichzeitig mit kalibriert werden kann. Nachdem der thermisch eingeschwungene Zustand erreicht worden ist (= die Ausgangsspannung des Temperatursensors steigt nicht weiter an), wird der Drucksensor ausgelesen und der dritte Kalibrierpunkt (1 bar, 60°C) ist gefunden. Bei dem höheren zweiten Druck (5 bar) und 60°C wird dann der vierte Kalibrierpunkt (5 bar, 60°C) ermittelt.

Die Temperaturkalibrierung ist aufgrund der hohen Zeitkonstanten des thermischen Einschwingens mit langen Wartezeiten verbunden. Bevorzugt wird deshalb auf eine Kalibrierung des Temperatursensors und dem Aufnehmen des dritten und vierten Kalibrierpunktes für den Drucksensor verzichtet und eine Temperaturkompensation "by design" verwendet. Dies ist möglich, weil

• 1. ca. 1% genaue Temperatursensoren kostengünstig (ca. DM 0,10) verfügbar sind,
• 2. der Temperatureinfluss auf den Drucksensor vergleichsweise klein ist (typ. -0,1%/K), → Low­ cost-System,
• 3. der Temperaturgang des Drucksensors mit Hilfe des Temperatursensors analog oder mit Korrekturfaktoren digital korrigiert werden kann (typ. Intervall für den T_K,Sens: -0,14 . . . -0,19%/K).

Unter Umständen kann das Aufnehmen des oberen zweiten Druckwertes auch während des Endtestes in der Produktion geschehen, - Vorteil: Es ist gar kein Sonderschritt für die Kalibrierung nötig.

Das beschriebene Verfahren ist grundsätzlich bei der Herstellung jeder Form von Geräten anwendbar, die neben einem zu kalibrierenden Sensor auch noch einen Mikrocontroller µC und einen Speicher zur Aufnahme der Kalibrierpunkte besitzen. Sinnvoll ist dies vermutlich nur bei Geräten mit eingebauter Energiequelle (z. B. Batterie). Bei Geräten ohne eigene Energiequelle müssen die Kalibrierfaktoren in einem nichtflüchtigen Speicher, wie z. B. einem EEPROM abgelegt werden. Selbstverständlich können die Kalibrierpunkte im Fall des Radmoduls ebenfalls in einem EEPROM abgelegt werden.

Insgesamt ergibt Sich mit dem erfindungsgemäßen Auto- Kalibrierverfahren eine Kosteneinsparung durch Entfallen aufwendiger Schritte. Es sind kostengünstige Drucksensoren einsetzbar. Die Kalibrierung erfolgt im Zielgerät, wobei alle individuellen Parameter des Zielgerätes berücksichtigt werden.

Sinnvoll ergänzt wird das beschriebene Verfahren durch eine Strategie zur Überwachung des Kalibrierprozesses. Hierzu wird beispielsweise der Kalibrierzustand (z. B. Anzahl der akzeptierten Kalibrierschritte) in einigen Bits codiert und mit einem HF-Telegramm übertragen. Die Messwerte werden von der Sensorik, spätestens aber im Mikrocontroller µC des Radmoduls in eine digitale Darstellung (= eine binäre Zahl) überführt. Diese Werte werden dann auch als Digitalsignal über die Funkstrecke übertragen. Außerdem kann ein Bit im HF-Telegramm übertragen werden, das ganz allgemein anzeigt, dass sich das Radmodul im Kalibriermodus befindet.

Das Bit "Kalibriermodus aktiv" ist an seiner Position im HF-Telegramm zu erkennen. Das HF-Telegramm hat ein festgelegtes Format, das dem Sender (= Radmodul) wie auch dem Empfänger bekannt ist. In der Formatdefinition ist jeder Bitposition eine Interpretation zugeordnet, so auch für das Bit "Kalibriermodus aktiv".

Vorteil der Übertragung der Zustandsnummer des Kalibrierschrittes im HF-Telegramm: Die erfolgreiche Kalibrierung kann durch Empfangen des HF-Telegramms überwacht oder verifiziert werden.

Eine weitere sinnvolle Ergänzung des Verfahrens besteht darin, eine Möglichkeit vorzusehen, dass eine unvollständige Kalibrierung wieder gelöscht werden kann. Durch Eigendiagnose kann das Radmodul Kalibrierfehler erkennen, die beispielsweise durch Nichterreichen des stationären Druck- und Temperaturzustands hervorgerufen werden. Unter Eigendiagnose werden Softwareteile verstanden, die das Verhalten und die Messgrößen analysieren, mit dem Ziel, eigene Fehler zu erkennen. Dies ist z. B. möglich mit Hilfe von Plausibilitätskontrollen. Das Nichterreichen des stationären Zustands lässt sich leicht daran erkennen, dass sich die Messwerte noch in eine Richtung ändern, wenn die vorgesehene Zeit für den jeweiligen Kalibrierschritt bereits abgelaufen ist. Wenn der Kalibrierprozess, wie oben beschrieben, überwacht wird, kann der Kalibrierfehler über den Funkkanal nach außen signalisiert werden. Unvollständig kalibrierte Module können so in der Produktion ausgesondert und erneut dem Kalibrierprozess unterworfen werden. Eine unvollständige Kalibrierung ist daran zu erkennen, dass trotz der Beaufschlagung des betroffenen Radmoduls mit den vorgesehenen physikalischen Größen nicht der nächste Kalibrierzustand erreicht wird.

Eine unvollständige Kalibrierung durch das Nichterreichen des nächsten Kalibrierzustands kann hervorgerufen werden durch das Nichterreichen des stationären Druck- oder Temperaturzustands. Das Nichterreichen des Temperaturniveaus ist beispielsweise durch ungünstige Konvektionsverhältnisse in der Klimakammer oder durch knapp gewählte Verweilzeiten möglich.

Das Löschen der Kalibrierung des Radmoduls kann beispielsweise durch Unterdruck- oder Tieftemperaturlagerung erreicht werden. Die dann vom Druck- oder Temperatursensor gelesenen Werte sind kleiner als die initialen Werte beim Anlegen der Batteriespannung. Dies wird vom Mikrocontroller µC erkannt und als Aufforderung zum Löschen der bisherigen Kalibrierwerte (Kalibrierpunkte) interpretiert.

Das Radmodul kann dann vom eigenen Mikrokontroller µC in den jungfräulichen Zustand zurückversetzt werden und erneut der Kalibrierprozedur unterzogen werden. Vorteil der Löschmöglichkeit mit Hilfe extremer Messgrößen: nicht erfolgreich kalibrierte Radmodule können erneut dem Kalibrierprozess unterworfen werden → erhöhte Produktionsausbeute → geringe Stückkosten.

Die Abbildung zeigt ein Beispiel für ein Zustandsdiagramm. Das Zustandsdiagramm stellt den vorgeschlagenen Kalibrieralgorithmus dar. Den einzelnen Kalibrierzuständen kann man Zustandsnummern zuweisen, z. B.: unkalibriert = 1, mit hohem Druckniveau bei 20°C beaufschlagt = 2, hohes Temperaturniveau bei 1 bar = 3 usw. Den jeweiligen Kalibrierzustand (1, 2, 3 . . . .) im HF-Telegramm zu übertragen bedeutet lediglich, dass die Zustandsnummer des Kalibrierzustands (1, 2, 3 . . . .) an geeigneter Stelle im Funktelegramm mit übertragen wird.

Wenn beispielsweise ein Radmodul im Kalibrierzustand 1 drei Minuten lang einem Druck von 5 bar ausgesetzt wird und dieses dennoch im Anschluss nicht den Kalibrierzustand 2 sendet, dann wird die Kalibrierung am Ende des Kalibrierprozesses unvollständig sein.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung eines zu kalibrierenden Radmoduls in einem Reifendruck-Kontrollsystem eines Kraftfahrzeugs,
wobei das Radmodul insbesondere einen Drucksensor, einen Mikrocontroller (µC), einen (elektronischen) Speicher, eine Batterie und einen Temperatursensor aufweist,
wobei dieses Radmodul zur Durchführung eines Kalibrierverfahrens mit einer vorher festgelegten Abfolge von Messgrößen mit ausgeprägten Werten beaufschlagt wird,
wobei die vorgegebenen Messgrößen als "Normal" verwendet und mit den tatsächlich gemessenen Werten in Beziehung gesetzt werden,
wobei zunächst das Radmodul vollständig zusammengelötet und vor dem Einsetzen der Batterie noch einmal elektrisch getestet wird (Onboard-Test), und
wobei dann die Batterie eingelötet und damit zum ersten Mal Spannung an das Radmodul angelegt wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
anschließend der Mikrocontroller (µC) des Radmoduls seine Initialisierungsroutinen (initialen Messungen) durchläuft und eine erste Messung gestartet wird;
eine gemessene erste Spannung (U₁) vom Radmodul selbständig einem ersten Druck (p₁) zugeordnet und als erster Kalibrierpunkt (p₁, T₁) gespeichert wird;
der Mikrocontroller (µC) von nun an in regelmäßigen Zeitabständen (Δt) Druckmessungen durchführt und die Messergebnisse im Speicher ablegt; und
schließlich die fertigen Radmodule in einen Druckkessel mit einem fest definierten zweiten Druck (p₂) gegeben und die bei dem sensierten zweiten Druck (p₂) gemessene zweite Spannung (U₂) als zweiter Kalibrierpunkt (p₂, T₁) gespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anlegen der Batteriespannung bei atmosphärischem Druck (p₁ = 1 bar) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die initialen Messungen Mehrfachmessungen mit einer Filterung sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmäßigen Zeitabstände (Δt) zwischen den einzelnen Druckmessungen ungefähr 1 Minute betragen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckkessel der zweite Druck (p₂) in ein Intervall zwischen 2 und 5 bar gebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der beiden Kalibrierpunkte (p₁, p₂) durch mindestens eine zusätzliche Messung auf einem höheren Temperaturniveau (Temperatur) (T₂) ergänzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kalibrierung des Drucksensors zunächst bei einer ersten Temperatur (T₁ = 20°C) und anschließend die Kalibrierung bei der höheren Temperatur (T₂ = 60°C) durchgeführt wird,
das Radmodul die jeweilige Temperatur (T₁ bzw. T₂) an der Ausgangsspannung des Temperatursensors erkennt,
der Drucksensor ausgelesen wird, nachdem ein thermisch eingeschwungener Zustand erreicht worden ist,
ein dritter Kalibrierpunkt (p₁, T₂) gefunden ist, wenn der erste Druck (p₁) und die höhere Temperatur (T₂) vorliegen und
ein vierter Kalibrierpunkt (p₂, T₂) erreicht wird, wenn der zweite Druck (p₂) und die höhere Temperatur (T₂) vorliegen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor gleichzeitig mit dem Drucksensor kalibriert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer Kalibrierung des Temperatursensors eine Temperaturkompensation durch schaltungstechnische Maßnahmen ("by design") durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnehmen des zweiten (oberen) Druckes (p₂) während des Endtestes in der Produktion geschieht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierpunkte (p₁, T₁; p₂, T₁; p₁, T₂; p₂, T₂) in einem nichtflüchtigen Speicher (EEPROM) abgelegt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung des Kalibrierprozesses des Radmoduls der jeweils erreichte Kalibrierpunkt (p₁, T₁; p₂, T₁; p₁, T₂; p₂, T₂) in codierter Form durch einen HF-Sender übertragen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
eine selbsterkennbare, fehlerhafte Kalibrierung durch Beaufschlagung des Radmoduls mit einer im normalen Kalibrierprozess nicht vorkommenden Messgröße wieder gelöscht werden kann, und
ein als unvollständig kalibriert erkanntes Radmodul erneut dem Kalibrierprozess unterworfen wird.