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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Temperatur,
insbesondere der Innenraumtemperatur eines Kraftfahrzeugs nach der Gattung
des unabhängigen
Anspruchs.
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In
der
WO 01/30597 A1 ist
eine Vorrichtung zur Messung der Innenraumtemperatur in einem Fahrzeug
gezeigt. Die Vorrichtung weist einen Kanal mit Wänden auf, in dem ein Temperatursensor
angeordnet ist. Durch Aktivieren oder Deaktivieren eines Lüfters wird
eine eventuelle Beeinflussung der Temperatur durch die Wände berücksichtigt,
so dass stets zwei zeitlich voneinder getrennte Messwerte vorliegen,
die zur Ermittlung der Innenraumtemperatur herangezogen werden.
Die Vorrichtung ist jedoch nicht dazu vorgesehen, eine Oberflächentemperatur des
den Temperaturfühler
umgebenden Gehäuses zu
ermitteln.
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Aus
der
DE 37 22 000 C2 ist
eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Mediums, insbesondere
zur Messung der Innenraumtemperatur in einem Kraftfahrzeug bekannt.
Hierbei sind zwei Temperatursensoren in einem Tragkörper untergebracht, der
einen von dem Medium durchströmten
Kanal bildet, in dem der erste Temperatursensor angeordnet ist und
an dessen Außenwand
der zweite Temperatursensor anliegt. Der Kanal wird beispielsweise
mit Hilfe eines Gebläses
belüftet,
so dass der erste Temperatursensor die Temperatur der an ihm vorbeiströmenden Luft
misst. Gleichzeitig misst der zweite Temperatursensor die Temperatur
der Gehäusewand des
Tragkörpers,
mit deren Hilfe dann die tatsächliche
Temperatur der Luft im Innenraum des Kraftfahrzeugs ermittelt wird.
Mit Hilfe der Proportionalglieder und dem Summationsglied wird aus
der Innentemperatur (TI) und der Oberflächentemperatur (TO) die tatsächliche
Innentemperatur (TT) nach der folgenden Gleichung ermittelt:
TT = (TI·(K
+ 1)– TO)/K -
In
dieser Gleichung ist mit K ein konstanter Entkopplungsfaktor bezeichnet,
der unter anderem von der Anordnung des Innentemperaturfühlers und des
Oberflächentemperaturfühlers zueinander,
vom Material und der Beschaffenheit der dem Oberflächentemperaturfühler zugeordneten
Gehäusewand und
von der Luftführung
ect. abhängig
ist. Für
die beschriebene Anordnung sind jedoch zwei Temperatursensoren erforderlich.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Vorrichtung weiter zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Ermittlung einer Temperatur, insbesondere der Innenraumtemperatur
in einem Kraftfahrzeug, umfasst zumindest eine Auswerteeinrichtung,
der zumindest ein von einem Temperatursensor erfasstes Temperatursignal
zuführbar
ist. Der Temperatursensor ist von einem Gehäuse umgeben. Die Auswerteeinrichtung ermittelt
die Temperatur, insbesondere die Innenraumtemperatur eines Kraftfahrzeugs,
in Abhängigkeit
von dem Temperatursensorsignal und in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur
des Gehäuses.
Erfindungsgemäß ist eine
Oberflächentemperaturermittlung
vorgesehen, die ein Maß für die Oberflächentemperatur
bereitstellt lediglich unter Signalverarbeitung des Temperatursensorsignals,
wobei die Oberflächentemperaturermittlung
ein Verzögerungsglied
erster und/oder zweiter Ordnung (PT1-Glied) umfasst. Durch die Anordnung
ist es möglich,
auf den sonst notwendigen, teuren zweiten Temperaturfühler zur
Oberflächentemperaturermittlung
zu verzichten. Dadurch verein facht sich der Hardwareaufwand der
Temperaturerfassung. Auch der sonst notwendige zweite Fühlereingang
der Auswerteeinrichtung ist nicht mehr erforderlich. Es lässt sich
zudem ein Gewichtsvorteil erzielen. Die Temperatur der den Innentemperaturfühler umgebenden Oberfläche wird
im allgemeinen durch ein Verzögerungsglied
erster Ordnung genügend
genau nachgebildet, dem ein Maß des
Temperatursensorsignals zugeführt
ist. Die Realisierung des Verzögerungsglieds
erster Ordnung kann auch durch einen entsprechenden Berechnungsalgorithmus
erfolgen. Die bereits bestehenden Temperatursteuer- bzw. regeleinrichtungen
können
zusätzlich
die Berechnung der (virtuellen) Oberflächentemperatur mit übernehmen. Die
hierfür
notwendige Rechenleistung wird immer kostengünstiger realisierbar.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung
greift die Oberflächentemperaturermittlung
auf weitere Größen des
Kühl- bzw.
Heizungskreislaufs zurück, wie
beispielsweise auf die Kühlwassertemperatur, die
Luftverteilung, die Außentemperatur,
die Sonneneinstrahlung und die Erwärmung der Temperaturfühlerumgebung
durch Beleuchtung. Diese Größen stehen
in der Regel in einem beim Kraftfahrzeug verwendeten Bussystem ohnehin
zur Verfügung.
Die Oberflächentemperaturermittlung
kann diese Einfluss- bzw. Störgrößen in entsprechenden
Algorithmen berücksichtigen.
Dadurch erhöht
sich die Genauigkeit der (Innenraum) temperaturermittlung.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung
sind Gebläsemittel
vorgesehen, die eine den Temperaturfühler umgebende Strömung erzeugen.
Beispielsweise ein Innenfühlerbelüftungsgebläse wird
zeitweise ausgeschaltet, um aus dem sich ändernden Verlauf des daraufhin
mehr von der Umgebung beeinflussten Signals des Temperaturfühlers Rückschlüsse auf
die Oberflächentemperatur
bzw. auf die Umgebungsparameter zu erzielen. Die entsprechenden
Zustände des
Gebläsemittels
werden von der Oberflächentemperaturermittlung
berücksichtigt.
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Weitere
zweckmäßige Weiterbildungen
ergeben sich aus weiteren abhängigen
Ansprüchen und
aus der Beschreibung.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. 1 zeigt
die prinzipielle Anordnung des Temperaturfühlers mit zugehöriger Signalauswertung, 2 beschreibt
das physikalische System der Innenraumtemperaturerfassung mit der
zugehörigen Auswerteeinrichtung.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 erfasst
ein Temperatursensor 11 die Fühlertemperatur TF. Der Temperatursensor 11 wird
von einem Fühlergehäuse 13 umschlossen,
welches die Oberflächentemperatur
TO aufweist. Das Ausgangssignal des Temperatursensors 11 wird
einer Auswerteeinrichtung 10 zugeführt, die daraus ein Maß für die Innenraumtemperatur
TI beispielsweise eines Kraftfahrzeugs bereitstellt. Auf das Fühlergehäuse 13 wirken
thermische Fremdeinflüsse,
die den Messwert des Temperatursensors 11 beeinflussen.
Das den Temperatursensor 11 umgebende Fühlergehäuse 13 wird von der
Innenraumluft durchströmt.
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Als
Ausgangsgröße des physikalischen
Systems 26 zur Innenraumtemperaturerfassung steht die Fühlertemperatur
TF zur Verfügung.
Sie wird mit einem Proportionalglied 20 gewichtet; hierbei
handelt es sich um den Innentemperaturkoeffizienten KI. Die Ausgangsgröße des Proportionalglieds 20 wird
mit dem Entkopplungsfaktor KE durch ein Proportionalglied 18 gewichtet.
Die Ausgangsgröße des Proportionalglieds 20 dient
außerdem
einem Verzögerungsglied
erster Ordnung (PT1-Glied) 16 als Eingangsgröße. Das
PT1-Glied 16 bildet die Oberflächentemperaturermittlung 12.
Das Ausgangssignal des PT1- Gliedes 16 wird
mit negativem Vorzeichen einem ersten Summationspunkt 22 zugeführt, der ebenso
das Ausgangssignal des Proportionalitätsfaktor 18 erhält. Die
am ersten Summationspunkt 22 ermittelte Differenz wird
mit einem weiteren Proportionalitätsfaktor 21 gewichtet
(1/(KE – 1)).
Daraus resultiert eine der Innenraumtemperatur TI entsprechende
Größe.
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Der
Fahrzeuginnenraum 28 besitzt eine tatsächliche Innenraumtemperatur
TI. Zur Nachbildung des physikalischen Systems 26 der Innenraumtemperaturerfassung
hat sich folgendes Modell bewährt. Die
Innenraumtemperatur TI wird sowohl einem zweiten Verzögerungsglied
erster Ordnung (PT1-Glied) 30 wie auch einem zweiten Summationspunkt 32 (mit negativem
Vorzeichen) sowie einem dritten Summationspunkt 34 zugeführt. Die
Ausgangsgröße des zweiten
PT1-Glieds 30 gelangt mit positivem Vorzeichen an den zweiten
Summationspunkt 32. Die resultierende Differenz am zweiten
Summationspunkt 32 wird mit dem Kehrwert des Entkopplungsfaktors
KE gewichtet und dem dritten Summationspunkt 34 zugeführt. Als
Ausgangsgröße des dritten
Summationspunkts 34 entsteht die Fühlertemperatur TF.
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Dieses
physikalische System 26 gibt Hinweise auf die Zusammenhänge der
Fühlertemperatur
TF und der Oberflächentemperatur
TO. Es ist nun vorgesehen, dass die Oberflächentemperaturermittlung 12 ohne
zusätzlichen
Temperaturfühler
lediglich unter Rückgriff
auf das Ausgangssignal TF des Temperatursensors 11 ein
Maß für die Oberflächentemperatur TO
(bzw. virtuelle Oberflächentemperatur
TOVIRT) bereitstellt. Es hat sich gezeigt, dass die Oberflächentemperatur
TO von der Fühlertemperatur
TF näherungsweise
mit PT1-Verhalten
abhängt.
Die das PT1-Glied 16 beschreibende Zeitkonstante T1 lässt sich
experimentell bestimmen und hängt
im Wesentlichen von der Geometrie der Anordnung des Temperatursensors 11 zum
Fühlergehäuse 13 ab.
Der Innenraumtemperatur koeffizient KI berücksichtigt die Kennlinie des
Temperatursensors 11, d. h. der Koeffizient KI stellt die
Normierung der Temperatur in der Auswerteinrichtung dar. Der Entkopplungsfaktor
KE lässt
sich beispielsweise empirisch ermitteln aus einer Sprungantwort
des Systems.
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Die
von der Oberflächentemperaturermittlung
12 bereitgestellte
(virtuelle) Oberflächentemperatur
TO lässt
sich nun in übereinstimmender
Weise wie bereits in der
DE
37 22 000 C2 beschrieben, mit der Fühlertemperatur TF verknüpfen. Die
Innentemperatur TI ergibt sich nach der folgenden Gleichung:
TI = (TF·KE – TOVIRT)/(KE – 1) -
Die
Oberflächentemperaturermittlung 12 kann
als digitale Signalverarbeitung ausgeführt werden. Hierzu ist ein
Speicher vorzusehen, der zumindest einen vorangegangenen Wert der
Fühlertemperatur
TO(i – 1)
abspeichert und bei der Bestimmung der virtuellen Oberflächentemperatur
TO(i) berücksichtigt,
beispielsweise nach der Gleichung: TOVIRT = TOVIRT
alt + (TF neu – TF
alt)·(1/TB)oder: TO(1) = TO(i – 1) + (TF(i) – TO(i – 1)·(1/TB),wobei
TB der Zeitkonstante der Oberfläche
entspricht.
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Die
Innenraumtemperatur TI wird für
die Regelung der Innentemperatur im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs
verwendet. Der Temperatursensor 11 ist beispielsweise im
Fußraum,
im Armaturenbrettbereich oder im Dachbereich des Fahrgastraums angeordnet
und an einer Wand, in einem von Innenraumluft durchströmten Rohr
oder sonstigen Montageflächen
befestigt. Damit der Temperatursensor 11 vollständig von
Luft umgeben ist, ist er mit Abstand zur Wand, zum Rohr bzw. zum
Fühlergehäuse 13 angeordnet.
Zum Schutz des Temperatursensors 11 ist beispielsweise
eine mit Öffnungen
versehene oder gitterartige Abdeckvorrichtung vorgesehen. Bei dieser
Anordnung ist die von dem Temperatursensor 11 gemessene
Fühlertemperatur
TF nicht nur abhängig von
der ihn umgebenden Luft, sondern auch von der dem Temperatursensor 11 zugeordneten
Wand und der ihn umgebenden Abdeckvorrichtung. So wird beispielsweise
die Luft im Fahrzeuginnenraum sich wesentlich schneller erwärmen als
die den Temperatursensor 11 umgebenden Oberflächen 13.
Dies hat zur Folge, dass ein Temperaturgefälle von der höheren Lufttemperatur
zu der geringeren Temperatur der Abdeckvorrichtung bzw. Fühlergehäuse 13 entsteht.
Die vom Temperatursensor 11 gemessene Fühlertemperatur TF entspricht
dadurch nicht mehr der tatsächlichen
Innenraumtemperatur TI im Fahrzeuginnenraum, sondern einer durch
die Temperatur der umgebenden Oberflächen TO verfälschten
Mischtemperatur. Diese gegenseitigen Abhängigkeiten werden durch die
Auswerteeinrichtung 10 berücksichtigt.
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In
einer alternativen Ausgestaltung werden bestimmte weitere Einflussfaktoren über das
Bussystem des Kraftfahrzeugs der Auswerteeinrichtung 10 zugeführt. Hierbei
handelt es sich beispielsweise um die Kühlwassertemperatur, die Luftverteilung,
die Sonneneinstrahlung, die Außentemperatur,
die Erwärmung
der Temperaturfühlerumgebung
durch Beleuchtung und sonstige Verlustleistung. Diese Einflussgrößen können vorab
auf einfache Weise empirisch gemessen werden und über einfache
Funktionen, Kennlinienfelder oder Algorithmen in der Auswerteeinrichtung 10 nachgebildet
werden zur Bestimmung der (virtuellen) Oberflächentemperatur. Die Störgrößen Z, die
auf die Innenfühlerumgebung
wirken und bekannt sind, kann man auf den virtuellen Fühler der
Oberflächentemperaturermittlung 12 aufschalten.
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In
einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist ein Innenfühlerbelüftungsgebläse vorgesehen, das
die Umströmung
des Temperatursensors 11 beeinflusst. Zur Bestimmung der
Oberflächentemperatur
TO wird das Innenfühlerbelüftungsgebläse zeitweise
ausgeschaltet. Aus dem sich ändernden
Verlauf des daraufhin mehr von der Umgebung beeinflussten Fühlersignals
TF können
Rückschlüsse auf die
Oberflächentemperatur
TO bzw. die Umgebungstemperatur des Temperatursensors 11 geschlossen werden.
Durch Änderung
der Luftmenge ändert
sich der Entkopplungsfaktor KE. Aus zwei Messungen mit unterschiedlichen
KE aber gleicher Innenraumtemperatur Ti lässt sich die Oberflächentemperatur
To berechnen, da KE bei Belüftung
und KE ohne Belüftung
bekannt sind.
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Die
beschriebene Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Ermittlung
der Innenraumtemperatur eines Kraftfahrzeugs. Sie ist jedoch hierauf
nicht eingeschränkt.