DE102012217891A1 - Method for determining fill level of fuel in fuel tank mounted in motor vehicle, involves determining fill level of tank from propagation time of ultrasonic signal and inclination angle of tank based on intensities of ultrasonic signal - Google Patents

Method for determining fill level of fuel in fuel tank mounted in motor vehicle, involves determining fill level of tank from propagation time of ultrasonic signal and inclination angle of tank based on intensities of ultrasonic signal Download PDF

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Abstract

The method involves emitting an ultrasonic signal (21) by an ultrasonic transmitter (2). The ultrasonic signal (22) is reflected at the surface (31) in a tank (1) containing the liquid (3) back to the transmitter. The propagation time and the intensity of the ultrasonic signal are measured. The inclination angle of the tank is calculated from the intensity of emitted ultrasonic signal (21) and the intensity of the received ultrasonic signal (22). The fill level of the tank is calculated from the propagation time of the ultrasonic signal and the inclination angle of the tank. Independent claims are included for the following: (1) computer program for determining fill level of tank; and (2) computer program product for determining fill level of tank.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung eines Tanks der in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät ausgeführt wird.The present invention relates to a method for level determination of a tank which is arranged in a motor vehicle. Furthermore, the present invention relates to a computer program that performs all the steps of the inventive method when it runs on a computing device. Finally, the present invention relates to a computer program product with program code, which is stored on a machine-readable carrier, for carrying out the method according to the invention when the program is executed on a computing device.

Stand der TechnikState of the art

Um die immer strengeren Abgasgesetzgebungen zu erfüllen, ist es notwendig, Stickoxide (NOx) im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, zu verringern. Hierzu ist es bekannt, im Abgasbereich von Brennkraftmaschinen einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) anzuordnen, der dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxid im Abgas erheblich verringert werden. Für den Ablauf dieser Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reduktionsmittel werden daher NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoffwasserlösung) verwendet, die vor dem SCR-Katalysator im Abgasstrang eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich Ammoniak, das als Reduktionsmittel wirkt. Eine 32,5 %ige wässrige Harnstofflösung ist unter dem Markennamen AdBlue® kommerziell erhältlich.In order to meet the increasingly stringent exhaust gas legislation, it is necessary to reduce nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas of internal combustion engines, especially diesel engines. For this purpose, it is known to arrange an SCR catalyst (Selective Catalytic Reduction) in the exhaust area of internal combustion engines, which reduces the nitrogen oxides contained in the exhaust gas of the internal combustion engine in the presence of a reducing agent to nitrogen. As a result, the proportion of nitrogen oxide in the exhaust gas can be significantly reduced. For the course of this reaction ammonia (NH 3 ) is required, which is admixed to the exhaust gas. As reducing agents therefore NH 3 or NH 3 -splitting reagents are used. As a rule, an aqueous urea solution (urea-water solution) is used for this, which is injected in the exhaust gas line upstream of the SCR catalytic converter. From this solution forms ammonia, which acts as a reducing agent. A 32.5% aqueous urea solution is commercially available under the trade name AdBlue ®.

Um für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ausreichend Reduktionsmittel bereitstellen zu können, ist ein Tank zur Bevorratung der Harnstoffwasserlösung vorgesehen. Der Füllstand in diesem Tank muss überwacht werden. Auch der Füllstand in anderen Tanks eines Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise dem Kraftstofftank, bedarf einer Überwachung.In order to provide sufficient reducing agent for the operation of the internal combustion engine, a tank for storing the urea water solution is provided. The level in this tank must be monitored. The level in other tanks of a motor vehicle, such as the fuel tank, requires monitoring.

Eine weit verbreitete Methode um den Füllstand eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Tanks zu bestimmen besteht darin, die Laufzeit eines Ultraschallimpulses zur Flüssigkeitsoberfläche und zurück zu messen. Dabei können ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger entweder am Tankboden oder an der Tankoberseite befestigt sein. Eine Neigung des Tankes kann allerdings zu einer Verfälschung des so bestimmten Füllstandes führen. Eine Neigung des Tanks führt dazu, dass keine senkrechte Reflexion des Ultraschallsignals an der Flüssigkeitsoberfläche zurück zum Ultraschallempfänger erfolgt. Dies resultiert in einer vergrößerten Laufstrecke und Laufzeit des Ultraschallsignals. Dieser Effekt ist dann besonders ausgeprägt, wenn der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger nicht unterhalb des Flächenschwerpunkts der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet sind. Dies kann beispielsweise aufgrund der Tankgeometrie notwendig werden, da der Füllstand stets an dem ort der größten Tankhöhe gemessen werden muss.A widely used method for determining the level of a tank filled with a liquid is to measure the transit time of an ultrasonic pulse to the liquid surface and back. In this case, an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver can be mounted either on the tank bottom or on the tank top. However, an inclination of the tank can lead to a falsification of the level thus determined. A tilt of the tank causes no vertical reflection of the ultrasonic signal on the liquid surface back to the ultrasonic receiver. This results in an increased running distance and transit time of the ultrasonic signal. This effect is particularly pronounced when the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver are not arranged below the centroid of the liquid surface. This may be necessary, for example, because of the tank geometry, since the level always has to be measured at the location of the largest tank height.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das Verfahren zur Füllstandsbestimmung eines Tanks der in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist umfasst das Aussenden eines Ultraschallsignals durch einen Ultraschallsender, die Reflexion des Ultraschallsignals an der Oberfläche einer in dem Tank enthaltenen Flüssigkeit zurück auf einen Ultraschallempfänger, das Messen der Laufzeit des Ultraschallsignals und der Intensität des empfangenen Ultraschallsignals, das Berechnen eines Neigungswinkels des Tanks aus der Intensität des ausgesandten Ultraschallsignals und der Intensität des empfangenen Ultraschallsignals, und das Berechnen des Füllstandes des Tanks aus der Laufzeit des Ultraschallsignals und dem Neigungswinkel des Tank. Aufgrund der Informationen über den Neigungswinkel können verfälschte Messungen erkannt und in der Berechnung des Füllstandes verworfen werden. Dadurch wird das Ergebnis einer zeitlich gemittelten Füllstandsmessung verbessert.The method for level determination of a tank which is arranged in a motor vehicle comprises emitting an ultrasonic signal by an ultrasonic transmitter, the reflection of the ultrasonic signal on the surface of a liquid contained in the tank back to an ultrasonic receiver, measuring the transit time of the ultrasonic signal and the intensity of the received Ultrasonic signal, calculating an inclination angle of the tank from the intensity of the emitted ultrasonic signal and the intensity of the received ultrasonic signal, and calculating the level of the tank from the transit time of the ultrasonic signal and the inclination angle of the tank. Due to the information about the tilt angle, falsified measurements can be detected and discarded in the calculation of the fill level. This improves the result of time-averaged level measurement.

Bevorzugt wird eine zeitliche Variation der Intensität des empfangenen Ultraschallsignals erfasst und aus dieser zeitlichen Variation bestimmt, ob die Intensität des empfangenen Ultraschallsignals durch andere Einflüsse als den Neigungswinkel des Tanks beeinflusst wird. Es ist besonders bevorzugt dass die auf diese Weise erkannten anderen Einflüsse dann durch Filter oder Ähnlichkeitsbetrachtungen aus der Berechnung des Neigungswinkels des Tanks ausgeschlossen werden. Bei mindestens einem der anderen Einflüsse handelt es sich insbesondere um Beschleunigungen des Kraftfahrzeugs, Fahrbahnunebenheiten oder Vibrationen am Tank. Jeder dieser Einflüsse kann zu einer Bewegung der Flüssigkeitsoberfläche und damit zu einer Verfälschung der Füllstandsberechnung führen.Preferably, a temporal variation of the intensity of the received ultrasound signal is detected and it is determined from this temporal variation whether the intensity of the received ultrasound signal is influenced by influences other than the inclination angle of the tank. It is particularly preferred that the other influences recognized in this way are then excluded by filters or similarity considerations from the calculation of the inclination angle of the tank. At least one of the other influences is, in particular, accelerations of the motor vehicle, uneven road surfaces or vibrations on the tank. Each of these influences can lead to a movement of the liquid surface and thus to a falsification of the level calculation.

Vorzugsweise fungiert ein Ultraschallwandler als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger, um die Funktionen von Sender und Empfänger in einem Bauteil zu vereinen.Preferably, an ultrasonic transducer acts as an ultrasonic transmitter and as an ultrasonic receiver to combine the functions of transmitter and receiver in one component.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann von einem Computerprogramm ausgeführt werden, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Dies ermöglicht es beispielsweise, das Verfahren in das Steuergerät eines Kraftfahrzeugs zu implementieren, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Erfindungsgemäß ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode vorgesehen, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung dieses Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird, insbesondere auf einem gemeinsamen Steuergerät des ersten Ultraschallwandlers und des zweiten Ultraschallwandlers.The inventive method can be executed by a computer program when it runs on a computing device. This makes it possible, for example, to implement the method in the control unit of a motor vehicle without having to make structural changes. The invention also provides a computer program product with program code, which is stored on a machine-readable carrier, for carrying out this method when the program is executed on a computer or a control unit, in particular on a common control unit of the first ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

1 zeigt den Verlauf eines Ultraschallsignals in einem ungeneigten Flüssigkeitstank, wenn ein Ultraschallwandler unterhalb des Flächenschwerpunkts der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist. 1 shows the course of an ultrasonic signal in an unsatisfied liquid tank, when an ultrasonic transducer is arranged below the centroid of the liquid surface.

2 zeigt den Verlauf eines Ultraschallsignals in einem geneigten Flüssigkeitstank, wenn ein Ultraschallwandler unterhalb des Flächenschwerpunkts der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist. 2 shows the course of an ultrasonic signal in an inclined liquid tank, when an ultrasonic transducer is disposed below the centroid of the liquid surface.

3 zeigt den Verlauf eines Ultraschallsignals in einem geneigten Flüssigkeitstank, wenn ein Ultraschallwandler jenseits des Flächenschwerpunkts der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist. 3 shows the course of an ultrasonic signal in a tilted liquid tank when an ultrasonic transducer is located beyond the centroid of the liquid surface.

4 zeigt beispielhaft die Winkelabhängigkeit der Intensität eines Ultraschallsenders. 4 shows by way of example the angular dependence of the intensity of an ultrasonic transmitter.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt den Querschnitt eines Tanks 1, der in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. An seiner Bodenmitte ist ein Ultraschallwandler 2 angeordnet. Der Tank ist teilweise mit einer Flüssigkeit 3, wie beispielsweise einer Harnstoffwasserlösung gefüllt. Der Ultraschallwandler 2 sendet ein Ultraschallsignal 21 aus, welches an der Flüssigkeitsoberfläche 31 als reflektiertes Ultraschallsignal 22 auf den Ultraschallwandler 2 zurückgeworfen wird. Die Laufzeit des gesamten Ultraschallsignals 21, 22 wird gemessen und der Füllstand des Tanks 1 aus der Laufzeit des Ultraschallsignals 21, 22 berechnet. 1 shows the cross section of a tank 1 which is arranged in a motor vehicle. At its bottom center is an ultrasonic transducer 2 arranged. The tank is partially filled with a liquid 3 , such as a urea water solution filled. The ultrasonic transducer 2 sends an ultrasonic signal 21 off, which is on the liquid surface 31 as a reflected ultrasonic signal 22 on the ultrasonic transducer 2 is thrown back. The duration of the entire ultrasound signal 21 . 22 is measured and the level of the tank 1 from the duration of the ultrasonic signal 21 . 22 calculated.

2 zeigt den Querschnitt des Tanks 1, der um einen Winkel α geneigt ist. Dies führt zu einer Neigung der Flüssigkeitsoberfläche 31 um denselben Winkel α. Es ist zu erkennen, dass durch dies Neigung die Laufstrecke des Ultraschallsignal 21, 22 und damit auch seine Laufzeit gegenüber der Situation im ungeneigten Tank gemäß 1 verlängert ist. Wenn der Ultraschallwandler 2 nicht, wie in 2 dargestellt, unterhalb des Flächenschwerpunkts der Flüssigkeitsoberfläche 31 angeordnet ist führt dies bei gleichem Neigungswinkel α zu einer noch ausgeprägteren Verlängerung der Laufstrecke und Laufzeit des Ultraschalsignals. Dies ist in 3 gezeigt. 2 shows the cross section of the tank 1 which is inclined at an angle α. This leads to a tendency of the liquid surface 31 by the same angle α. It can be seen that by this inclination the running distance of the ultrasonic signal 21 . 22 and thus also its duration compared to the situation in the unsatisfied tank according to 1 is extended. If the ultrasonic transducer 2 not like in 2 shown below the center of gravity of the liquid surface 31 is arranged at the same inclination angle α leads to an even more pronounced extension of the running distance and running time of the ultrasonic signal. This is in 3 shown.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals 22 am Ultraschallwandler 2 gemessen, der Neigungswinkel α des Tanks 1 aus der Intensität I21 des ausgesandten Ultraschallsignals 21 und der Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals 22 berechnet und bei der Berechnung des Füllstandes des Tanks 1 berücksichtigt, so dass die neigungsbedingt beeinflusste Laufzeit des Ultraschallsignals 21, 22 in der Berechnung des Füllstandes korrigiert werden kann. Zur Berechnung des Neigungswinkels α wird der Effekt ausgenutzt, dass die Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals 22 mit steigendem Neigungswinkel α gemäß einer Gaußfunktion abnimmt. Die Winkelabhängigkeit der Intensität I22 des Ultraschallsignals 22 kann entsprechend den Anforderungen des erfindungsgemäßen Verfahrens am Ultraschallwandler 2 eingestellt werden. Ein starker Intensitätsabfall bei kleinen Neigungswinkeln α macht das Verfahren empfindlicher, erschwert aber das Erkennen von größeren Neigungswinkeln α. Die Winkelabhängigkeit der Intensität I22 ist in 4 beispielhaft für einen 3 dB Abfall von 5° dargestellt. Dies bedeutet, dass ein Neigungswinkel α von 8,75° eine Abschwächung des empfangenen Ultraschallsignals 22 auf die Hälfte der Intensität des ausgesandten Ultraschallsignals bewirkt. Die Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals 22 ist in relativen Einheiten angegeben. Eine Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals 22 von 1 entspricht dabei der Intensität I21 des zentral ausgesandten Ultraschallsignals 21.In one embodiment of the method according to the invention, the intensity I 22 of the received ultrasound signal 22 on the ultrasonic transducer 2 measured, the angle of inclination α of the tank 1 from the intensity I 21 of the emitted ultrasonic signal 21 and the intensity I 22 of the received ultrasound signal 22 calculated and when calculating the level of the tank 1 taken into account so that the duration of the ultrasonic signal influenced by the inclination 21 . 22 can be corrected in the calculation of the level. To calculate the inclination angle α, the effect is exploited that the intensity I 22 of the received ultrasonic signal 22 decreases with increasing inclination angle α according to a Gaussian function. The angular dependence of the intensity I 22 of the ultrasonic signal 22 can according to the requirements of the method according to the invention on the ultrasonic transducer 2 be set. A large drop in intensity at small angles of inclination α makes the method more sensitive, but makes it more difficult to recognize larger angles of inclination α. The angular dependence of the intensity I 22 is in 4 exemplified for a 3 dB drop of 5 °. This means that an inclination angle α of 8.75 ° attenuation of the received ultrasonic signal 22 to half the intensity of the emitted ultrasonic signal causes. The intensity I 22 of the received ultrasound signal 22 is given in relative units. An intensity I 22 of the received ultrasound signal 22 of 1 corresponds to the intensity I 21 of the centrally transmitted ultrasound signal 21 ,

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich eine zeitliche Variation der Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals 22 erfasst und aus dieser zeitlichen Variation bestimmt, ob die Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals 22 durch andere Einflüsse als den Neigungswinkel α des Tanks beeinflusst wird. Solche anderen Einflüsse können beispielsweise Beschleunigungen des Kraftfahrzeugs, Fahrbahnunebenheiten oder Vibrationen am Tank 1 sein, die zu einer Beeinträchtigung der planaren Flüssigkeitsoberfläche und damit zu zusätzlichen Intensitätsschwankungen des empfangenen Ultraschallsignals führen können, wenn in dieser Ausführungsform der Erfindung andere Einflüsse erkannt werden, werden diese durch Filter oder Ähnlichkeitsbetrachtungen aus der Berechnung des Neigungswinkels α des Tanks 1 ausgeschlossen.In a further embodiment of the invention, a temporal variation of the intensity I 22 of the received ultrasound signal is additionally provided 22 detected and determined from this temporal variation, whether the intensity I 22 of the received ultrasonic signal 22 influenced by other influences than the inclination angle α of the tank. Such other influences can be accelerations of the motor vehicle, road bumps or vibrations on the tank, for example 1 be, which can lead to an impairment of the planar liquid surface and thus to additional intensity fluctuations of the received ultrasonic signal, if other influences are detected in this embodiment of the invention, these are determined by filters or similarity considerations from the calculation of the inclination angle α of the tank 1 locked out.

Das Verfahren gemäß den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann als Computerprogramm in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs implementiert werden. Hierzu kann es von einem Datenträger auf das Steuergerät überspielt werden, so dass keine baulichen Änderungen am Steuergerät notwenig werden.The method according to the embodiments of the invention described above can be implemented as a computer program in a control unit of the motor vehicle. For this purpose, it can be dubbed by a disk on the control unit, so that no structural changes to the control unit are necessary.

Claims (7)

Verfahren zur Füllstandsbestimmung eines Tanks (1) der in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, umfassend – Aussenden eines Ultraschallsignals (21) durch einen Ultraschallsender, – Reflexion des Ultraschallsignals (22) an der Oberfläche (31) einer in dem Tank (1) enthaltenen Flüssigkeit (3) zurück auf einen Ultraschallempfänger, – Messen der Laufzeit des Ultraschallsignals (21, 22) und der Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals (22), – Berechnen eines Neigungswinkels α des Tanks (1) aus der Intensität I21 des ausgesandten Ultraschallsignals (21) und der Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals (22), und – Berechnen des Füllstandes des Tanks (1) aus der Laufzeit des Ultraschallsignals (21, 22) und dem Neigungswinkel α des Tanks (1).Method for determining the level of a tank ( 1 ) which is arranged in a motor vehicle, comprising - emitting an ultrasound signal ( 21 ) by an ultrasonic transmitter, - reflection of the ultrasonic signal ( 22 ) on the surface ( 31 ) one in the tank ( 1 ) contained liquid ( 3 ) back to an ultrasound receiver, - measuring the transit time of the ultrasound signal ( 21 . 22 ) and the intensity I 22 of the received ultrasound signal ( 22 ), - calculating an angle of inclination α of the tank ( 1 ) from the intensity I 21 of the emitted ultrasonic signal ( 21 ) and the intensity I 22 of the received ultrasound signal ( 22 ), and - calculating the level of the tank ( 1 ) from the transit time of the ultrasonic signal ( 21 . 22 ) and the angle of inclination α of the tank ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Variation der Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals (22) erfasst wird und aus dieser zeitlichen Variation bestimmt wird, ob die Intensität I22 des empfangenen Ultraschallsignals (22) durch andere Einflüsse als den Neigungswinkel α des Tanks (1) beeinflusst wird.A method according to claim 1, characterized in that a temporal variation of the intensity I 22 of the received ultrasonic signal ( 22 ) is determined and is determined from this temporal variation, whether the intensity I 22 of the received ultrasonic signal ( 22 ) by other influences than the angle of inclination α of the tank ( 1 ) being affected. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die anderen Einflüsse durch Filter oder Ähnlichkeitsbetrachtungen aus der Berechnung des Neigungswinkels α des Tanks (1) ausgeschlossen werden.A method according to claim 2, characterized in that the other influences by filters or similarity considerations from the calculation of the inclination angle α of the tank ( 1 ) are excluded. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der anderen Einflüsse ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Beschleunigungen des Kraftfahrzeugs, Fahrbahnunebenheiten und Vibrationen am Tank (1). A method according to claim 2 or 3, characterized in that at least one of the other influences is selected from the group consisting of accelerations of the motor vehicle, road bumps and vibrations on the tank ( 1 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallwandler (2) als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger fungiert.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that an ultrasonic transducer ( 2 ) functions as an ultrasonic transmitter and as an ultrasonic receiver. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft.A computer program that performs all the steps of a method according to any one of claims 1 to 5 when running on a computing device. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.Computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to one of claims 1 to 5, when the program is executed on a computer or control unit.
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