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Stand der Technik
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In vielen Bereichen der Technik und Naturwissenschaften müssen fluide Medien mit einer vorgegebenen beziehungsweise kontrollierten Rate einem Prozess zugeführt oder von diesem abgeführt werden. Zu diesem Zweck lassen sich insbesondere Durchflussmesser einsetzen, welche eingerichtet sind, um einen Volumendurchfluss oder Massendurchfluss des fluiden Mediums zu messen. Entsprechend dem gemessenen Durchfluss können dann beispielsweise Regelungsmaßnahmen durchgeführt werden. Ein wesentliches Anwendungsgebiet, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht ausschließlich beschränkt ist, ist das Gebiet der Luftmengenmessung in der Kraftfahrzeugtechnik. Hierbei kann beispielsweise im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eine dem Verbrennungsprozess zugeführte Ansaugluftmenge gemessen und gegebenenfalls durch entsprechende Regelungen wie beispielsweise Drosselklappen eingestellt werden.
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Neben der Luftmassenmessung mit thermischen Verfahren existiert seit langem im Automobilbau beziehungsweise in anderen technischen Gebieten die Möglichkeit, Luftmengen, insbesondere Volumenströme und/oder Massenströme, im Ansaugtrakt mit Druckmethoden zu messen. Beispiele von Durchflussmessern, wie insbesondere die so genannte Messblende, sind in Konrad Reif: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 92–97 beschrieben. Weitere Beispiele von Durchflussmessern sind die Prandtl-Sonde oder die Pitot-Sonde, welche beispielsweise in Flugzeugen zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Flugzeuges eingesetzt werden. Ein moderneres Beispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Durchflussmessers ist die so genannte Deltaflow Staudrucksonde der Firma Systec Controls in Puchheim, Deutschland.
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Viele Sensoren für die Luftmengenmessung im Kraftfahrzeug arbeiten nach dem so genannten Bernoulli-Prinzip. Beispiele derartiger Sensoren sind in
DE 10 2007 023 163 beschrieben. Luftmengenmesser nach dem Bernoulli-Prinzip beruhen im Wesentlichen auf dem Grundprinzip, dass lokal der Strömungsquerschnitt eines Strömungsrohres von einem ursprünglichen Querschnitt A
1 durch ein Störelement auf einen kleineren Querschnitt A
2 verengt wird. Die Messung des Volumen- oder Massenstroms der Luft erfolgt dadurch, dass vor und hinter dem Störelement der Druck p
1 beziehungsweise p
2 gemessen und daraus der Differenzdruck bestimmt wird. Dazu wird ein erster Messpunkt im unverengten Bereich angebracht und ein zweiter Messpunkt im verengten Bereich. Aus der gemessenen Druckdifferenz Δp lässt sich analytisch oder empirisch auf den Volumenstrom oder Massenstrom schließen, beispielsweise nach folgender Gleichung:
Δp = Qv 2·ρ·(1/A2 2 – 1/A1 2) -
Dabei bezeichnet Qv den Volumenstrom der Luft beziehungsweise des fluiden Mediums, ρ die Dichte (welche hier als konstant angenommen wird), und A1 beziehungsweise A2 die verengten beziehungsweise nicht verengten Querschnitte.
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Zur Umrechnung des Volumenstroms in einen Massenstrom oder umgekehrt beziehungsweise zur Verbesserung der Genauigkeit der Ergebnisse kann zusätzlich noch eine Messung eines Absolutdruckes oder einer Temperatur erfolgen, woraus sich beispielsweise auf die Dichte des fluiden Mediums schließen lässt.
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Speziell bei pulsierenden Strömungszuständen, das heißt der von der Zeit t abhängige Luftmassenstrom m(t) setzt sich aus dem mittleren Luftmassenstrom mm und einer Schwingung der Amplitude ma mit einer Frequenz f zusammen. Der Luftmassenstrom lässt sich somit durch die Gleichung m(t) = mm + ma·sin(2·pi·f·t) oder mit der dimensionslosen Amplitude m(t) = mm·(1 + A·sin(2·pi·f·t)) beschreiben.
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Mit Hilfe der instationären Bernoulli-Gleichung kann bekanntermaßen ein Anzeigefehler bei pulsierender Strömung, gemittelt über eine Schwingungsperiode, ermittelt werden.
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Wird demnach zu jedem Zeitpunkt die Luftmasse m(t) ermittelt und mittelt man diese über eine Periode, entstehen erhebliche Fehler, sogenannte Dynamikfehler. Insbesondere ergeben sich bereits bei sehr kleinen Amplituden A hohe Fehlabweichungen von bis zu 60%.
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Die nach dem Bernoulli-Prinzip oder anderen Wirkdruckmessprinzipien, insbesondere nichtlinearen Messprinzipien arbeitenden Vorrichtungen weisen jedoch insbesondere bei niedrigen Luftströmen beziehungsweise bei sich stark ändernden Luftstrommengen erhebliche Dynamikfehler auf.
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Wünschenswert wäre daher ein Verfahren zur Korrektur eines Dynamikfehlers bei Sensoren, insbesondere zur Luftmassemessung oder Volumenstrommessung, welches die Nachteile des Standes der Technik zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere sollte das Verfahren auch auf bestehende Sensoren nach dem Stand der Technik anwendbar sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Dementsprechend wird ein Verfahren zur Korrektur eines Dynamikfehlers eines Sensors, insbesondere eines Luftmassenmessers oder Volumenstrommessers vorgeschlagen. Das vorgeschlagene Verfahren sieht es vor, dass der Sensor ein Sensorsignal erzeugt, und umfasst weiter folgende Verfahrensschritte:
- – Bildung eines ersten Mittelwerts (mmi), wobei der erste Mittelwert (mmi) durch eine Mittelung des Sensorsignals und anschließender Zuordnung eines dem gemittelten Sensorsignal entsprechenden Luftmassewertes gebildet wird,
- – Bildung eines zweiten Mittelwerts (msy), wobei dem Sensorsignal eine Folge an Luftmassewerten zugeordnet wird und einer zweiter Mittelwert (msy) durch eine Mittelung der Folge aus Luftmassewerten gebildet wird,
- – Erzeugung eines korrigierten Sensorsignal (mk), wobei das korrigierte Sensorsignal (mk) der Summe aus, dem ersten Mittelwert (mmi) und der mit einem Korrekturfaktor (k) multiplizierten Differenz aus dem ersten Mittelwert (mmi) und dem zweiten Mittelwert (msy) entspricht.
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Nachfolgend werden die bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren vorgesehenen Verfahrensschritte nochmals eingehender beschrieben.
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Demnach werden gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren zur Bildung eines ersten Mittelwerts (mmi) eine Mittelung des Sensorsignals und eine anschließende Zuordnung eines dem gemittelten Sensorsignal entsprechenden Luftmassewertes vorgenommen. Das bedeutet, dass der erste Mittelwert (mmi) durch eine Zuordnung, insbesondere einer Umrechnung, eines gemittelten Sensorsignals erzeugt wird. Anders ausgedrückt wird vorab eine Mittelung des Sensorsignals im Signalbereich durchgeführt und anschließend das über ein vorbestimmtes Zeitintervall gemittelte Sensorsignal in einen entsprechenden Luftmassenwert umgerechnet. Dieses Vorgehen wird nachfolgend auch als Mittelwertauswertung bezeichnet.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird zur Bildung eines zweiten Mittelwerts (msy), wobei dem Sensorsignal eine entsprechende zeitgenaue Folge an Luftmassewerten zugeordnet wird und ein zweiter Mittelwert (msy) durch eine Mittelung der Folge aus Luftmassewerten gebildet wird. Hierbei wird das zeitabhängige Sensorsignal zunächst durch eine entsprechende Zuordnung, insbesondere eine Umrechnung, von dem Signalbereich in einen die Luftmassewerte wiedergebenden Wertebereich überführt. Anschließend wird in diesem Wertebereich, eine Mittelung der Luftmassewerte, insbesondere eine Mittelung eine Folge an Luftmassewerten vorgenommen. Dies wird nachfolgend auch als Synchronauswertung bezeichnet. Die Folge an Luftmassewerten kann ebenso wie das Sensorsignal im Signalbereich bevorzugt durch eine entsprechend in den Wertebereich umgerechnete Kurve beschrieben werden. Mit einer Mittelung über eine vorgegebene Folge an Luftmassewerten ist folglich eine Mittelung über die Werte der die Luftmassewerte in Abhängigkeit der Zeit t beschreibenden Kurve, insbesondere innerhalb eines zeitlich vorbestimmten Intervalls beschrieben.
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Die beiden zuvor genannten Verfahrensschritte können nacheinander oder aber bevorzugt parallel, beziehungsweise bevorzugt zeitgleich durchgeführt werden.
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Bevorzugt im Anschluss an die Durchführung der beiden vorgenannten Verfahrensschritte, wird zur Erzeugung eines korrigierten Sensorsignals (mk) die Differenz aus dem ersten Mittelwert (mmi) und dem zweiten Mittelwert (msy) mit einem Korrekturfaktor (k), welcher auch als Gewichtungsfaktor angesehen werden kann, multipliziert und dieser Wert auf den ersten Mittelwert (mmi) aufaddiert. Demnach wird das korrigierte Sensorsignal entsprechend der Formel mk = mmi + k·(mmi – msy) berechnet.
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Durch die Anwendung einer Synchronauswertung sowie einer Mittelwertauswertung und einer anschließenden Verrechnung der beiden Ergebnisse mit einem Gewichtungsfaktor lässt sich der aufgrund einer sich dynamisch ändernden Strömung auftretende Dynamikfehler erheblich reduzieren. So hat sich bei Versuchen beispielsweise ergeben, dass der Luftmassenfehler eines auf dem Prinzip eines Pitot-Rohres basierenden Wirkdrucksensors in Abhängigkeit von der Luftmasse, der Frequenz und der Amplitude durch die Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens beispielsweise für eine Amplitude mit dem Wert 1 auf einen Fehlerbereich von –10% bis +10% reduziert wird, wohingegen der Pulsationsfehler bei einer alleinigen Synchronauswertung im Bereich von –35% bis –5% und bei einer alleinigen Mittelwertauswertung im Bereich von +15% bis +35% liegt. Demnach wirkt sich eine Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens immer dann vorteilhaft aus, wenn eine präzise Erfassung des Volumenstromes, beispielsweise eines fluiden Mediums, erforderlich ist. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann somit bevorzugt bei der Auswertung von Sensoren, insbesondere von Luftmassenmessern in einem Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann es weiter von Vorteil sein, wenn der Korrekturfaktor (k) konstant ist. Bevorzugt kann hierzu beispielsweise ein Korrekturfaktor (k) mit einem Wert von –0,5 verwendet werden, welcher den ersten Mittelwert (mmi) und den zweiten Mittelwert (msy) mit gleichen Anteilen von jeweils der Hälfte in das korrigierte Sensorsignal (mk) einfließen lässt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass der Korrekturfaktor (k) durch eine durchgeführte Messung bestimmt wird. Der Korrekturfaktor (k) kann beispielsweise von der Art der verwendeten Sensoren, insbesondere von deren Genauigkeit sowohl bei stationärer als auch bei pulsierender Strömung abhängen.
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Weiterhin kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass der das Sensorsignal erzeugende Sensor ein Wirkdrucksensor ist. Der Wirkdrucksensor kann hierbei bevorzugt ein Venturi-Rohr-ähnliche oder Pitot-Rohr-ähnliche Konfiguration aufweisen. Ebenso bietet eine Wirkdruckmessung durch einen geeigneten Wirkdrucksensor die Möglichkeit, einen einfachen und robusten Aufbau des Sensors vorzusehen. Der Wirkdrucksensor kann weiter bevorzugt eingerichtet sein, um im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt zu werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird weiter eine Vorrichtung beschrieben, welche eine Auswerteeinheit umfasst, welche eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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Unter einer Auswerteeinheit ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine bevorzugt elektronische Steuervorrichtung, insbesondere eine Steuerelektronik und/oder Auswerteelektronik der Sensorvorrichtung zu verstehen oder ein Teil einer derartigen Steuerelektronik und/oder Auswerteelektronik. Die Steuerelektronik und/oder Auswerteelektronik kann allgemein eingerichtet sein, um mindestens eine Funktion der Sensorvorrichtung anzusteuern und/oder mindestens ein von der Sensorvorrichtung generiertes Signal zu erfassen und derart zu verarbeiten, insbesondere in Hinblick auf die Gewinnung einer Information über die Messdaten auszuwerten. Diese Auswertung kann weiter im Rahmen einer Signalaufbereitung und teilweisen Vorauswertung sein, oder aber eine vollständige Auswertung umfassen.
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Der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden insbesondere dieselben Vorteile wie dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, sowie auch für die sich aus einer robusten und zuverlässigen Luftmassenmessung mit geringen Messfehlern ergebenen Vorteile zugerechnet. Beispielsweise tritt bei dem Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung und der entsprechenden Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zur Luftmassenmessung in beispielsweise einem Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine nicht nur zu dem unmittelbaren Vorteil, dass die angesaugte Luftmasse mit lediglich sehr geringen Messfehlern erfasst werden kann, sondern auch, dass aufgrund der vergleichsweise sehr genauen Erfassung der angesaugten Luftmasse eine in abermals vorteilhafter Weise entsprechend effiziente Steuerung des Verbrennungsmotors ermöglicht wird.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung kann es weiter vorgesehen sein, dass die Vorrichtung weiterhin mindestens einen mit der Auswerteeinheit verbundenen Sensor umfasst. Gemäß dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist der Sensor bevorzugt eingerichtet, um ein Sensorsignal zu erzeugen. Weiter bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass der Sensor ein Wirkdrucksensor ist.
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Bei einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit einem Wirkdrucksensor hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Schwingungsamplitude vollständig von dem Drucksensor erfasst werden kann. Hierzu ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Messbereich des Drucksensors ausreichend groß gewählt ist. Der maximale erfassbare Druckbereich ist insbesondere bevorzugt derart ausgestaltet, dass auch bei überlagerten Pulsationen eine vollständige Erfassung gewährleistet ist. Tritt beispielsweise bei einer Maximalluftmasse eine Pulsation mit einer Amplitude 0,5 auf, so verdoppelt sich der erforderliche Druckbereich aufgrund des quadratischen Zusammenhangs von Druck und Luftmasse zueinander.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung kann es weiter vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit wenigstens einen Speicher aufweist. Der Speicher der Auswerteeinheit dient vorzugsweise zur Speicherung der Werte des Sensorsignals, sowie auch einer Folge von Werten des in Luftmassewerte umgerechneten Sensorsignals, welche jeweils zur Mittelwertbildung herangezogen werden können. Der Speicher ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass eine Speicherung eines erforderlichen Messwerts über die benötigten Zeitintervalle hinweg bereitgestellt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit der vorgeschlagenen Vorrichtung eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfasst, welche bevorzugt die Verarbeitung der aus dem ursprünglichen Sensorsignal gewonnenen Messdaten, insbesondere der Umrechnung der Druckwerte in Luftmassewerte sowie eine Mittelwertbildung durchführen kann. Unter der Datenverarbeitungsvorrichtung kann hierbei allgemein ein beispielsweise mit einer angepassten Software betriebener Mikroprozessor oder ein Mikrocontroller verstanden werden, welcher an die jeweiligen Anforderungen zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens durch eine entsprechende Anpassung der Software und/oder einer mit dem Mikroprozessor verbundenen Hardware anpassbar ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung gezeigt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zur Durchführung des ebenso erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens, wobei die Vorrichtung 10 eine Auswerteeinheit 12 umfasst, welche bevorzugt eingerichtet ist, das erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren durchzuführen. Weiter ist der Darstellung von 1 zu entnehmen, dass die Auswerteeinheit 12 der Vorrichtung 10 mit einem Sensor 14 in Verbindung steht, bevorzugt über einen nicht-bezifferte elektrische Leitung verbunden ist. Des Weiteren kann der Darstellung von 1 im Detail entnommen werden, dass die Auswerteeinheit 12 der Vorrichtung 10 eine Datenverarbeitungsvorrichtung 16 umfasst, welche bevorzugt mit einem ebenfalls von der Auswerteeinheit 12 umfassten Speicher 18 in Verbindung steht. Insbesondere ist die Auswerteeinheit 12 eingerichtet, die Werte des von dem Sensor 14 erzeugten Sensorsignals über eine nicht-bezifferte elektrische Verbindung zu empfangen und in dem Speicher 18 abzuspeichern. Weiterhin ist die Auswerteeinheit 12 bevorzugt eingerichtet, die empfangenen Werte des Sensorsignals oder die in dem Speicher 18 abgespeicherten Werte mit der Datenverarbeitungseinrichtung 16 zu verarbeiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- onrad Reif: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 92–97 [0002]
