DE10139149A1 - Sensor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Sensor beschrieben, dessen Ausgangssignal davon abhängt, ob eine erfaßte Größe über oder unter einem bestimmten Schwellenwert liegt. Der beschriebene Sensor zeichnet sich dadurch aus, daß er während des Betriebes überprüft, ob durch einen bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeten Schwellenwert eine ordnungsgemäße Festlegung des auszugebenden Signals gewährleistet werden kann, und daß er dann, wenn er feststellt, daß dies nicht der Fall ist, eine diesen Umstand repräsentierende Information ausgibt. Durch einen solchen Sensor kann verhindert werden, daß möglicherweise nicht die herrschenden Verhältnisse widerspiegelnde Sensor-Ausgangssignale benutzt werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, d. h. einen Sensor, dessen Ausgangssignal davon abhängt, ob eine erfaßte Größe über oder unter einem bestimmten Schwellenwert liegt.
• Ein solcher Sensor ist beispielsweise ein auf Magnetfelder reagierender Sensor, durch welchen die Drehgeschwindigkeit und/oder die Stellung eines mit Zähnen versehenen Geberrades (des das Geberrad tragenden Elements) ermittelbar ist. Ein Sensor dieser Art ist so aufgebaut und angeordnet, daß das Geberrad, dessen Stellung oder Drehgeschwindigkeit es zu ermitteln gilt, zwischen dem Sensor und einem Magneten hindurchläuft, wodurch der Sensor ein schwaches Magnetfeld registriert, wenn ihm gerade ein Geberrad-Zahn gegenübersteht, und wodurch der Sensor ein starkes Magnetfeld registriert, wenn ihm gerade kein Geberrad-Zahn (ein Lücke) gegenübersteht (oder umgekehrt).
• In Fig. 2 ist schematisch eine solche Anordnung dargestellt. Dabei bezeichnen R das Geberrad, G einen den Magneten und den Sensor enthaltenden Geber, und W das Element, auf welchem das Geberrad R montiert ist, und dessen Drehgeschwindigkeit und/oder Stellung ermittelt werden soll; das Element W ist beispielsweise die Kurbelwelle oder die Nockenwelle eine r Brennkraftmaschine.
• Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß die in der Fig. 2 gezeigte Anordnung stark schematisiert dargestellt ist. Insbesondere wird das Geberrad R in der Praxis mehr Zähne aufweisen.
• Das vom Sensor registrierte Magnetfeld wird von diesem in einem Strom oder eine Spannung umgesetzt, dessen bzw. deren Größe direkt oder indirekt proportional zur Größe des Magnetfeldes ist.
• Der vorliegend betrachtete Sensor gibt ein digitales Signal aus. Er vergleicht hierzu die elektrische Größe, in welche das registrierte Magnetfeld umgesetzt wurde, mit einem Schwellenwert, und gibt ein Signal mit einem hohen Pegel aus, wenn und so lange die elektrische Größe größer als der Schwellenwert ist, bzw. gibt ein Signal mit einem niedrigen Pegel aus, wenn und so lange die elektrische Größe kleiner als der Schwellenwert ist (oder umgekehrt).
• Es dürfte einleuchten und bedarf keiner näheren Erläuterung, daß ein solcher Sensor nur das von ihm erwartete Ausgangssignal ausgibt, wenn der Schwellenwert richtig festgelegt ist.
• Nun ist es in der Praxis aber bekanntlich so, daß die Größe des vom Sensor registrierten Magnetfeldes und die elektrische Größe, in welches dieses umgesetzt wird, von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Temperatur, der Anordnung des Sensors, dem Verschmutzungsgrad, dem Alter etc. abhängt, wodurch ein ursprünglich optimal festgelegter Schwellenwert plötzlich nicht mehr optimal oder gänzlich unbrauchbar ist.
• Aus diesem Grund werden häufig selbstkalibrierende Sensoren eingesetzt, die den Schwellenwert selbständig an die gegebenen Verhältnisse anpassen können. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Sensoren während des normalen Betriebes ermitteln, in welchem Bereich die mit dem Schwellenwert zu vergleichende Größe variiert, und dann den Schwellenwert so verändern, daß dieser genau in der Mitte dieses Bereiches liegt.
• Eine derartige Selbstkalibrierung führt aber nicht immer zum Erfolg. Sie kann nämlich nur bei sich drehendem Geberrad durchgeführt werden, weil nur hier der Bereich ermittelt werden kann innerhalb dessen die mit dem Schwellenwert zu vergleichende Größe variiert.
• Andererseits ist es aber bisweilen wichtig, sofort nach der Inbetriebnahme des Sensors und/oder der diesen enthaltenden Anordnung, also bei noch stehendem Geberrad, eine Information über die Stellung oder die Drehgeschwindigkeit des zu überwachenden Elements zu erhalten.
• Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Sensor zur Überwachung der Stellung und/oder der Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine verwendet wird. Hierbei ist es wünschenswert, daß bereits vor dem Starten der Brennkraftmaschine eine Information über die Stellung der Nockenwelle erhalten wird. Diese Information, genauer gesagt die Information, ob dem Sensor gerade ein Geberrad-Zahn oder eine Lücke gegenüberliegt, wird benötigt, um die Brennkraftmaschine optimal starten zu können.
• Da sich der Sensor aber nicht kalibrieren kann, wenn und so lange die Nockenwelle steht, kann nicht mit Sicherheit davon ausgegangen werden, daß die Information, die der Sensor über die Nockenwellenstellung liefert, richtig ist.
• Entsprechende Probleme existieren auch bei allen anderen Sensoren, deren Ausgangssignal davon abhängt, ob eine erfaßte Größe über oder unter einem Schwellenwert liegt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Verwendung von nicht die herrschenden Verhältnisse widerspiegelnden Ausgangssignalen des Sensors verhindert werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den in Patentanspruch 1 beanspruchten Sensor gelöst.
• Der erfindungsgemäße Sensor zeichnet sich dadurch aus, daß er während des Betriebes überprüft, ob durch einen bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeten Schwellenwert eine ordnungsgemäße Festlegung des auszugebenden Signals gewährleistet werden kann, und daß der Sensor dann, wenn er feststellt, daß dies nicht der Fall ist, eine diesen Umstand repräsentierende Information ausgibt.
• Der Sensor kann dadurch der Einrichtung, die die von ihm ausgegebenen Signale benutzt, mitteilen, daß das von ihm bei der nächsten Inbetriebnahme ausgegebene Signal möglicherweise oder mit Sicherheit nicht die herrschenden Verhältnisse widerspiegelt. Hierdurch läßt sich verhindern, daß die die Sensor-Ausgangssignale benutzende Einrichtung abhängig von nicht die herrschenden Verhältnisse widerspiegelnden Informationen arbeitet.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren entnehmbar.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1A den zeitlichen Verlauf einer vom nachfolgend beschriebenen Sensor erfaßten Größe,
• Fig. 1B das Ausgangssignal, das der Sensor bei der Erfassung des in der Fig. 1A gezeigten Verlaufs normalerweise ausgibt,
• Fig. 1C das Ausgangssignal, das der Sensor ausgibt, wenn er festgestellt hat, daß bei der Verwendung eines bei der Inbetriebnahme verwendeten Schwellenwertes nicht gewährleistet werden kann, daß das Sensor-Ausgangssignal die herrschenden Verhältnisse widerspiegelt, und
• Fig. 2 eine den nachfolgen beschriebenen Sensor enthaltende Anordnung.
• Der im folgenden beschriebene Sensor ist ein Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl oder der Stellung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine. Genauer gesagt handelt es sich um einen auf Magnetfelder reagierenden Sensor, durch welchen die Drehgeschwindigkeit und/oder die Stellung eines an der Nockenwelle befestigten, mit Zähnen versehenen Geberrades, und damit auch die Stellung der das Geberrad tragenden Nockenwelle ermittelbar ist. Dieser Sensor ist so aufgebaut und angeordnet, daß das Geberrad zwischen dem Sensor und einem Magneten hindurchläuft, wodurch der Sensor ein schwaches Magnetfeld registriert, wenn ihm gerade ein Geberrad- Zahn gegenübersteht, und wodurch der Sensor ein starkes Magnetfeld registriert, wenn ihm gerade kein Geberrad-Zahn (ein Lücke) gegenübersteht (oder umgekehrt).
• Das vom Sensor registrierte Magnetfeld wird von diesem in einem Strom oder eine Spannung umgesetzt, dessen bzw. deren Größe direkt oder indirekt proportional zur Größe des Magnetfeldes ist. Für die weiteren Betrachtungen wird davon ausgegangen, daß das Magnetfeld in eine Spannung umgesetzt wird. Die folgenden Ausführungen gelten jedoch für die Umsetzung in einen Strom entsprechend.
• Der zeitliche Verlauf der aus der Umsetzung resultierenden Spannung ist beispielhaft in Fig. 1A dargestellt. Der dargestellte Spannungsverlauf ist normiert dargestellt, wobei der minimalen Spannung der Wert D zugeordnet ist, und der maximalen Spannung der Wert 1.
• Der vorliegend betrachtete Sensor gibt ein digitales Signal aus. Er vergleicht hierzu die elektrische Größe, in welche das registrierte Magnetfeld umgesetzt wurde, mit einem Schwellenwert, und gibt ein Signal mit einem hohen Pegel aus, wenn und so lange die elektrische Größe größer als der Schwellenwert ist, bzw. gibt ein Signal mit einem niedrigen Pegel aus, wenn und so lange die elektrische Größe kleiner als der Schwellenwert ist (oder umgekehrt).
• Verwendet man einen in der Fig. 1A mit 5 bezeichneten, genau in der Mitte zwischen der maximal auftretenden Spannung und der minimal auftretenden Spannung liegenden Schwellenwert zur wie erwähnt erfolgenden Umsetzung der in der Fig. 1A gezeigten Spannung in das vom Sensor auszugebende Signal, so ergibt sich der in Fig. 1B gezeigte Spannungsverlauf.
• Das in der Fig. 15 gezeigte Signal wird vom Sensor ausgegeben und durch die Einrichtung, an welche der Sensor angeschlossen ist ausgewertet. Im betrachteten Beispiel sei angenommen, daß hierbei nur jeweils die vordere Flanke der Impulse interessiert.
• Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann sich der in der Fig. 1A gezeigte Spannungsverlauf in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Temperatur, der Anordnung des Sensors, dem Verschmutzungsgrad, dem Alter etc. verändern. Insbesondere kann es passieren, daß die minimale Spannung ansteigt und/oder die maximale Spannung absinkt, oder sowohl die minimale Spannung als auch die maximale Spannung ansteigen oder absinken. Die Folge hiervon ist, daß der Schwellenwert plötzlich nicht mehr in der Mitte zwischen der minimalen und der maximalen Spannung liegt, wodurch es früher oder später passieren kann, daß bei ansonsten identischen Bedingungen bei der Umsetzung des veränderten analogen Signals in ein digitales Signal ein anderes Ergebnis als das in Fig. 1B gezeigte Signal erhalten wird.
• Diesem Umstand wird im betrachteten Beispiel dadurch Rechnung getragen, daß der verwendete Sensor als selbstkalibrierender Sensor ausgebildet ist, welcher den im Sensor gespeicherten Schwellenwert nur unmittelbar nach der Inbetriebnahme des Systems verwendet und möglichst schnell einen besser geeigneten Schwellenwert ermittelt und diesen anstelle des im Sensor gespeicherten Schwellenwert verwendet.
• Die Ermittlung des optimalen Schwellenwertes kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß den Mittelwert zwischen der maximalen Spannung und der minimalen Spannung des in der Fig. 1A gezeigten oder demgegenüber veränderten Spannungsverlauf ermittelt, und diesen Mittelwert als Schwellenwert verwendet.
• Der vorliegend betrachtete Sensor weist darüber hinaus die Besonderheit auf, daß er während des Betriebes überprüft, ob durch den bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeten Schwellenwert eine ordnungsgemäße Festlegung des Ausgangssignals gewährleistet werden kann, und daß der Sensor dann, wenn er feststellt, daß dies nicht der Fallist, diesen Umstand der Einrichtung, an welcher er angeschlossen ist, signalisiert.
• Dadurch kann verhindert werden, daß die Einrichtung, die abhängig vom Sensor arbeitet, bei der nächsten Inbetriebnahme des Systems mit möglicherweise falschen Sensorsignalen arbeitet.
• Den Umstand, daß durch den bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeten Schwellenwert keine ordnungsgemäße Festlegung des Sensor-Ausgangssignals gewährleistet werden kann, signalisiert der vorliegend betrachtete Sensor über die Anschlüsse, über welche er das die erfaßte Größe repräsentierende und beispielhaft in der Fig. 1B dargestellte Signal ausgibt.
• Dies geschieht im betrachteten Beispiel dadurch, daß die Dauer der im auszugebenden Signal (Signal nach Fig. 1B) vorhandenen Impulse so kurz gemacht wird, daß sie nicht von einem am Sensor vorbeilaufenden Zahn des Geberrades oder einer am Sensor vorbeilaufenden Lücke des Geberrades stammen können.
• Der zeitliche Verlauf eines solchen Signals ist in Fig. 1C veranschaulicht. Das in der Fig. 1C gezeigte Signal ist das in der Fig. 1B gezeigte Signal im Fall, der Sensor festgestellt hat, daß durch den bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeten Schwellenwert keine ordnungsgemäße Festlegung des Sensor-Ausgangssignals gewährleistet werden kann.
• Die in den Signalen gemäß den Fig. 1B und 1C enthaltenen Impulse weisen die steigenden Flanken an genau den selben Stellen auf und unterscheiden sich in diesem Punkt nicht.
• Da die die Sensorsignale auswertende Einrichtung im betrachteten Beispiel nur abhängig von den steigenden Flanken der in den Sensorsignalen enthaltenen Impulsen arbeitet, kann diese beim Empfang des in der Fig. 1C gezeigten Signals exakt so arbeiten wie wenn sie das in der Fig. 1B gezeigte Signal zugeführt bekommen würde.
• Die im Signal gemäß Fig. 1C enthaltenen Impulse sind abei sehr viel kürzer als es beim Signal gemäß Fig. 1B der Fall ist. Sie sind so kurz, daß sie nicht vom Vorbeilaufen eines Geberrad-Zahnes oder einer Geberrad-Lücke am Sensor herrühren können. An der außergewöhnlichen Länge der Impulse kann die Auswerteeinrichtung erkennen, daß durch den bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeten Schwellenwert keine ordnungsgemäße Festlegung des Sensor-Ausgangssignals gewährleistet werden kann.
• Wie die Auswerteeinrichtung hierauf reagiert, hängt vom Einzelfall ab. Es dürfte einleuchten, daß hierfür die unterschiedlichsten Möglichkeiten existieren. Im betrachteten Beispiel reagiert die Auswerteeinrichtung dadurch, daß sie den ihr mitgeteilten Umstand in einem nichtflüchtigen Speicher speichert und bei der nächsten Inbetriebnahme die ihr vom Sensor zugeführten Signale ignoriert. Dies ist im betrachteten Beispiel ohne größere Probleme möglich, weil auch die Stellung der Kurbelwelle ermittelt wird, und weil aus der Kurbelwellenstellung auch die Nockenwellenstellung ermittelt werden kann. Eine solche Nockenwellenstellungs-Ermittlung ist zwar nicht so genau wie die Nockenwellenstellungs-Ermittlung durch einen an der Nockenwelle vorgesehenen Sensor, aber genau genug, um den Motor starten zu können.
• Nach dem Starten des Motors dreht sich die Nockenwelle, so daß der die Nockenwellenstellung erfassende Sensor sich nun selbst kalibrieren und einen optimalen Schwellenwert ermitteln und verwenden kann. Sobald dies geschehen ist, können die Ausgangssignale des Sensors ohne Einschränkungen verwendet werden.
• Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß es sich bei dem Sensor auch um einen beliebigen anderen Sensor handeln kann, dessen Ausgangssignal davon abhängt, öb eine erfaßte Größe über oder unter einem Schwellenwert liegt.
• Die Besonderheiten des vorstehend beschriebenen Sensors können sich auch bei nicht selbstkalibrierenden Sensoren als vorteilhaft erweisen.
• Ferner sei angemerkt, daß der optimale Schwellenwert nicht in der Mitte zwischen der maximalen und der minimalen Eingangsgröße liegen muß; je nach Anwendungsfall kann es erforderlich sein, daß der Schwellenwert mehr oder weniger weit über oder unter dem Mittelwert liegt.
• Schließlich besteht auch keine zwingende Notwendigkeit, daß der bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendete Schwellenwert im Sensor gespeichert ist; dieser Schwellenwert kann dem Sensor bei der Inbetriebnahme auch von anderswo her zugeführt werden.
• Durch den beschriebenen Sensor kann unabhängig von den Einzelheiten der praktischen Realisierung verhindert werden, daß möglicherweise nicht die herrschenden Verhältnisse widerspiegelnde Sensor-Ausgangssignale benutzt werden.

Claims (10)

1. Sensor, dessen Ausgangssignal davon abhängt, ob eine erfaßte Größe über oder unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor während des Betriebes überprüft, ob durch einen bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeten Schwellenwert eine ordnungsgemäße Festlegung des auszugebenden Signals gewährleistet werden kann, und daß der Sensor dann, wenn er feststellt, daß dies nicht der Fall ist, eine diesen Umstand repräsentierende Information ausgibt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in der Lage ist, unter Berücksichtigung der erfaßten Größe einen Bereich festzulegen, innerhalb dessen sich der Schwellenwert befinden muß, damit das auszugebende Signal so festgelegt werden kann, daß es die herrschenden Verhältnisse widerspiegelt.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in der Lage ist, zu überprüfen, ob sich der Schwellenwert innerhalb des Bereiches befindet, in welchem er sich befinden muß, um die Ausgabe eines die herrschenden Verhältnisse zutreffend widerspiegelnden Ausgangssignals gewährleisten zu können.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe der Information, daß durch den bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeten Schwellenwert keine ordnungsgemäße Festlegung des auszugebenden Signals gewährleistet ist, durch eine Modifikation des Sensor- Ausgangssignals erfolgt.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe der Information, daß durch den bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeten Schwellenwert keine ordnungsgemäße Festlegung des auszugebenden Signals gewährleistet ist, durch die Ausgabe eines Signals erfolgt, welches Eigenschaften aufweist, die erkennen lassen, daß dieses Signal die herrschenden Verhältnisse nicht oder nur teilweise zutreffend widerspiegeln kann.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Teile des Sensor-Ausgangssignals die herrschenden Verhältnisse widerspiegeln, so daß das modifizierte Sensor- Ausgangssignal in einem bestimmten Umfang wie ein im Normalfall ausgegebenes Sensor-Ausgangssignal verwendet werden kann.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im modifizierten Sensor-Ausgangssignal die steigenden Flanken oder die fallenden Flanken unverändert sind, und daß die jeweils anderen Flanken verschoben sind.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendete Schwellenwert ein im Sensor gespeicherter Schwellenwert ist.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Inbetriebnahme des Sensors . verwendete Schwellenwert ein nur bei der Inbetriebnahme des Sensors verwendeter Schwellenwert ist.

10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor möglichst bald nach der Inbetriebnahme einen Schwellenwert ermittelt und verwendet, der an die herrschenden Verhältnisse angepaßt ist.