DE102013200871A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Diagnose eines kapazitiven Sensors - Google Patents

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Antoni Ferre Fabregas
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Abstract

In wenigstens einer Ausführung wird eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustandes eines kapazitiven Sensors geschaffen. Die Vorrichtung enthält eine Steuereinheit, die funktional mit einer Entkopplungseinrichtung, die einen Drift-Zustand aufweist, und dem kapazitiven Sensor gekoppelt werden kann. Die Steuereinheit ist so konfiguriert, dass sie eine Impedanz des kapazitiven Sensors bestimmt und eine Charakteristik des kapazitiven Sensors wenigstens auf Basis der Impedanz bestimmt. Die Steuereinheit ist des Weiteren so konfiguriert, dass sie eine Charakteristik der Entkopplungseinrichtung auf Basis der Charakteristik des kapazitiven Sensors bestimmt und eine geschätzte Kapazität auf Basis der Charakteristik der Entkopplungseinrichtung bereitstellt, wobei die geschätzte Kapazität den Zustand des kapazitiven Sensors anzeigt.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 20. Januar 2012 eingereichten vorläufigen Anmeldung Nr. 61/588,969, deren Offenbarung hiermit in ihrer Gesamtheit durch Verweis einbezogen wird.
  • Technisches Gebiet
  • Hier offenbarte Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Diagnose eines kapazitiven Sensors.
  • Hintergrund
  • Es kann der Wunsch bestehen, Diagnose eines kapazitiven Sensors durchzuführen. Ein Beispiel für die Durchführung von Diagnose an einem kapazitiven Sensor ist in US-Veröffentlichung Nr. 2010/0043531 von Garrard et al. offenbart.
  • Mit der oben genannten Veröffentlichung wird eine Detektorschaltung zum Erfassen des Vorhandenseins eines entfernten kapazitiven Sensors mit wenigstens zwei Anschlüssen geschaffen, die über eine Schutzschaltung verbunden ist, die einen oder mehrere Kondensatoren enthält. Die Erfassungs- bzw. Detektorschaltung umfasst eine Stromzufuhr zum Ändern der Ladung an dem Sensor und der Schutzschaltung sowie einen Detektor zum Messen der Spannung an einem oder mehreren der Anschlüsse. Das Vorhandensein des Sensors wird bestimmt, indem die Ladung an dem kapazitiven Sensor und dem einen oder den mehreren Kondensator/en der Schutzschaltung auf vorgegebene Weise so geändert wird, dass sich die Spannungsmessung an dem einen Anschluss bzw. den mehreren Anschlüssen beim Vorhandensein des Sensors erheblich von der beim Nichtvorhandensein des Sensors unterscheidet.
  • Zusammenfassung
  • In wenigstens einer Ausführung wird eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustandes eines kapazitiven Sensors geschaffen. Die Vorrichtung enthält eine Steuereinheit, die funktional mit einer Entkopplungseinrichtung, die einen Drift-Zustand aufweist, und dem kapazitiven Sensor gekoppelt werden kann. Die Steuereinheit ist so konfiguriert, dass sie eine Impedanz des kapazitiven Sensors bestimmt und eine Charakteristik des kapazitiven Sensors wenigstens auf Basis der Impedanz bestimmt. Die Steuereinheit ist des Weiteren so konfiguriert, dass sie eine Charakteristik der Entkopplungseinrichtung auf Basis der Charakteristik des kapazitiven Sensors bestimmt und eine geschätzte Kapazität auf Basis der Charakteristik der Entkopplungseinrichtung bereitstellt, wobei die geschätzte Kapazität den Zustand des kapazitiven Sensors anzeigt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den beigefügten Ansprüchen ausführlich dargelegt. Andere Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen werden jedoch unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich und am besten verständlich, wobei:
  • 1 eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines kapazitiven Sensors gemäß einer Ausführungsform darstellt;
  • 2 eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines kapazitiven Sensors gemäß einer Ausführungsform darstellt;
  • 3 die Vorrichtung aus 1 in Form eines Blockschaltbildes darstellt;
  • 4 eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Wertes einer Kapazität gemäß einer Ausführungsform darstellt;
  • 5A–5B jeweils einen Wert eines Widerstandes als eine Funktion der Kapazität gemäß einer Ausführungsform darstellen;
  • 6 einen relativen Fehler des Widerstandes für verschiedene Werte innerhalb eines Bereiches darstellt; und
  • 7 ein Verfahren zum Durchführen von Diagnose des kapazitiven Sensors darstellt, mit dem Drift an einer Entkopplungsvorrichtung kompensiert wird.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden, wie erforderlich, ausführlich offenbart, es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele für die Erfindung sind, die in verschiedenen alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, einige Strukturen können vergrößert oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, anhand der einem Fachmann verschiedene Einsatzmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung vermittelt werden.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sehen im Allgemeinen eine Vielzahl von Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen vor. Alle Verweise auf die Schaltungen und anderen elektrischen Einrichtungen sowie die Funktionalität, die jeweils erbracht wird, sollen nicht darauf beschränkt sein, dass sie nur das hier Dargestellte und Beschriebene umschließen. Obwohl den verschiedenen offenbarten Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen bestimmte Kennzeichnungen zugewiesen werden, sollen diese Kennzeichnungen den Funktionsumfang für die Schaltungen und die anderen elektrischen Einrichtungen nicht beschränken. Diese Schaltungen und anderen elektrischen Einrichtungen können auf Basis des speziellen Typs der gewünschten elektrischen Implementierung auf beliebige Weise miteinander kombiniert und/oder voneinander getrennt werden. Es ist klar, dass jede beliebige hier offenbarte Schaltung oder andere elektrische Einrichtung eine Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichereinrichtungen (beispielsweise FLASH, RAM, ROM, EPROM, EEPROM oder andere geeignete Varianten derselben) sowie Software enthalten kann, die miteinander zusammenwirken, um eine oder mehrere offenbarte Funktion/en zu erfüllen.
  • Mit verschiedenen hier angeführten Aspekten werden im Allgemeinen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Diagnostizieren eines kapazitiven Sensors oder mehrerer kapazitiver Sensoren geschaffen, der/die über eine Entkopplungseinrichtung mit einer Messschaltung verbunden ist/sind. Zu verschiedenen Charakteristiken der vorliegenden Offenbarung können gehören:
    • a) Diagnose, die über Methoden zur digitalen Signalverarbeitung (digital signal processing – DSP) in der Frequenz-Domäne durchgeführt wird. Dadurch kann größere Flexibilität ermöglicht werden, da jede beliebige Frequenz (oder Kombinationen von Frequenzen) in dem Betriebsbereich der Messschaltung genutzt werden kann, und
    • b) der Einsatz von Kalibrierung der Entkopplungseinrichtung während der Lebensdauer nicht erforderlich ist, und gewährleistet werden kann, dass ein Fehler bei der Diagnose des kapazitiven Sensors innerhalb eines vordefinierten Bereiches liegt.
  • Gemäß einem Aspekt kann ein Parallelwiderstand bestimmt werden, den ein Sensor (und/oder Element) mit einem kapazitiven Verhalten aufweist, um den Leckverlust aufgrund von Änderung eines derartigen Parallelwiderstandes zu diagnostizieren. Es können verschiedene Ausführungsformen eingesetzt werden, um Fehler in Systemen zu überwachen, so beispielsweise, ohne dass dies eine Einschränkung darstellt, bei Insassenerfassung mit kapazitiven Sensoren (beispielweise Kraftfahrzeugindustrie) oder Systemen, bei denen große Entkopplungskondensatoren (beispielsweise als Cy-Kondensatoren in Hochspannungssystemen von Kraftfahrzeugen (oder Fahrzeugen)) eingesetzt werden.
  • 1 stellt eine Vorrichtung 10 zum Diagnostizieren eines kapazitiven Sensors 12 gemäß einer Ausführungsform dar. Die Vorrichtung 10 enthält eine Messschaltung 14 zum Diagnostizieren des kapazitiven Sensors 12. Die Messschaltung 14 enthält eine Mikrocontroller-Einheit (MCU) 16, die so konfiguriert ist, dass sie ein Befehlsignal in der digitalen Domäne (z. B. x[n]) erzeugt, eine Impedanz des kapazitiven Sensors bestimmt, indem sie Signale (z. B. r[n], ein Bezugssignal) und (z. B. v[n], ein Spannungssignal) misst, und dass sie eine DSP-Methode zum Messen derselben anwendet. Ein Digital-Analog-Wandler (DAC) 18 ist so konfiguriert, dass er eine digitale Version des Befehlssignals x[n] in ein entsprechendes analoges Signal x(t) umwandelt. Ein erster Analog-Digital-Wandler (ADC) 20 ist so konfiguriert, dass er das analoge Grundsignal des Bezugssignals (z. B. r(t)) in ein entsprechendes digitales Signal r[n] umwandelt. Ein zweiter Analog-Digital-Wandler 22 ist so konfiguriert, dass er das analoge Grundsignal v(t) in ein entsprechendes digitales Signal v[n] umwandelt.
  • Ein erster Spannungssensor 24 ist im Allgemeinen so konfiguriert, dass er das Signal r(t) in der analogen Domäne erfasst. Des Weiteren ist ein zweiter Spannungssensor 26 im Allgemeinen so konfiguriert, dass er das Signal v(t) in der analogen Domäne misst. Diese Signale können von dem ersten Spannungssensor 24 und dem zweiten Spannungssensor 26 mit einer starken Impedanzisolierung erfasst werden, um zu verhindern, dass Fehler bei der gemessenen Impedanz auftreten. Eine Entkopplungseinrichtung 28, wie beispielsweise ein Kondensator (Cx), ist vorhanden, um den kapazitiven Sensor 12 von der Messschaltung 14 zu entkoppeln. Die Entkopplungseinrichtung 28 ist beispielsweise im Allgemeinen so eingerichtet, dass sie eine Übertragung von Energie von der Messschaltung 14 zu der kapazitiven Einrichtung 12 verhindert. Die Entkopplungseinrichtung 28 in 1 ist im Allgemeinen als eine Halb-Entkopplungsschaltung eingerichtet, wobei eine gemeinsame Erde zwischen dem kapazitiven Sensor 12 und der Messschaltung 14 verwendet wird.
  • 2 stellt allgemein eine Vorrichtung 10' dar, die der Vorrichtung 10 in 1 gleicht. Die Vorrichtung 10' verfügt jedoch über eine Entkopplungseinrichtung 28a–28b (”28”) in Form einer Voll-Entkopplungsschaltung, bei der der kapazitive Sensor vollständig gegenüber der Messschaltung 14 isoliert ist. Im Allgemeinen ist vorgesehen, dass während der Lebensdauer der Entkopplungseinrichtung 28 keine Kalibrierung erforderlich ist. Es ist des Weiteren klar, dass ein Fehler bei der Diagnose des kapazitiven Sensors 12 im Allgemeinen innerhalb eines vordefinierten Bereiches liegt. Der kapazitive Sensor 12 ist im Allgemeinen als ein Widerstand modelliert, der parallel zu einem Kondensator Cx ist.
  • Die Vorrichtungen 10 und 10' können so konfiguriert sein, dass sie folgende Vorgänge durchführen:
    • a) Messen einer Gesamtimpedanz des kapazitiven Sensors 12 zusätzlich zu der Entkopplungseinrichtung 28, und
    • b) Bestimmen eines Wertes von Ry und Cy des kapazitiven Sensors 12 im Rahmen eines vordefinierten Fehlers, ohne dass die Entkopplungseinrichtung 28 kalibriert werden muss. Im Allgemeinen wird der Wert von Ry und Cy von der MCU 16 berechnet, indem das Ohm'sche Gesetz auf Basis der Signale x[n], y[n] und v[n] angewendet wird.
  • 3 stellt die Vorrichtung 10 aus 1 in Form eines Blockschaltbilds dar. Um die Gesamtimpedanz zu messen, erzeugt die Vorrichtung 10 das Signal (z. B. x[n]), das aus einem oder mehreren Zwischenträger/n besteht, bei gewünschten Frequenzen und führt eine Frequenzdomänen-Analyse der Spannungs- und Stromsignale (z. B. v(t) bzw. r(t)) vor der Entkopplungseinrichtung 28 durch. Das heißt, die gemessene Gesamtimpedanz wird unter Verwendung der Werte von Spannung (z. B. wie in 3 gezeigt, V) und Strom (z. B. wie in 3 gezeigt, I), wie links von Cy (z. B. Entkopplungsschaltung 28) gezeigt berechnet.
  • Im Allgemeinen wird ein Mehrfachträgersignal erzeugt, um die Gesamtimpedanz bei verschiedenen Frequenzen zu bestimmen, so dass die Vorrichtung 10, 10' feststellen kann, welches die geeignetsten Frequenzen zur Verwendung beim Bestimmen des Wertes der Elemente Ry und Cy sind. Dies kann einschließen, dass a) diejenigen Frequenzen verworfen werden, bei denen Interferenz vorliegt (beispielsweise kann, wenn ein Wechselstromsignal vorliegt, die Vorrichtung 10, 10' erfassen, dass bei 50 Hz (oder 60 Hz) Interferenz vorliegt, und diese Frequenz automatisch verwerfen), oder b) Frequenzen verworfen werden, bei denen unerwünschtes Schaltungsverhalten auftreten kann, das möglicherweise erhebliche Fehler bei den Messungen verursacht.
  • Das erzeugte Signal x(t) umfasst, wie im Folgenden gezeigt, N orthogonale Zwischenträger:
    Figure 00050001
    wobei Xk die Amplitude des Zwischenträgers bei Frequenz fk = k/Ts ist und Ts die Dauer des Signals ist. Die Amplitude jedes Zwischenträgers kann ermöglichen, dass a) Xk den Wert 0 annimmt, wenn der Zwischenträger nicht genutzt wird, und {–1,1}, wenn der Zwischenträger genutzt wird, oder b) damit das Signal x(t) ein reeller Wert ist, sollten die Amplituden der Zwischenträger symmetrisch sein, d. h. Xk = X–k (hermitisch symmetrisch), wobei der Asterisk eine komplex Konjugierte bezeichnet.
  • Da das Signal x[n] von der MCU 16 erzeugt wird, kann eine diskrete (digitale) Formel anstelle der kontinuierlichen (analogen) verwendet werden, wie sie direkt oben angegeben ist. Beispielsweise kann x[n] dazu dienen, das Zeitdomänen-Signal x{t) in der digitalen Domäne Xk zu bezeichnen, und Xk kann dazu dienen, das Frequenzdomänen-Signal in der digitalen Domäne zu bezeichnen. Es kann gezeigt werden, dass x[n] ermittelt werden kann, indem die N/Ns-skalierte inverse diskrete Fourier-Transformation (IDFT) des aus {Xk}:[X0, X1, ..., XN-1] bestehenden Vektors gebildet wird:
    Figure 00060001
    wobei Ns die Anzahl aktiver Zwischenträger (z. B. mit einer Amplitude, die von 0 verschieden ist) ist und N die IDFT-Größe ist.
  • Um einen Anfangs-Einschwingzustand möglicherweise zu vermeiden und so zu gewährleisten, dass die Impedanz in dem stationären Zustand berechnet wird, wird ein zyklisches Präfix der Länge Ncp am Anfang des Signals hinzugefügt. Dies kann bewerkstelligt werden, indem einfach die letzten Abtastwerte (samples) des erzeugten Zeitdomänen-Signals an den Anfang kopiert werden. Die Länge des zyklischen Präfix Ncp sollte so gewählt werden, dass Ncp·Ts größer ist als die anfängliche Transiente.
  • Um die Gesamtimpedanz des kapazitiven Sensors 12 zu messen, kann es notwendig sein, dass die Vorrichtung 10, 10', a) die entsprechenden Spannungs- und Stromsignale am Eingang der Entkopplungsvorrichtung 28 erfasst, b) die ersten Ncp-Abtastwerte verwirft, c) die verbleibende Signale in die Frequenzdomäne transformiert (z. B. v[n] und r[n]), und c) die Impedanz des kapazitiven Sensors 12 bei den gegebenen Frequenzen bestimmt, indem sie die entsprechenden Spannungs- und Stromwerte teilt. Beispielsweise seien r[n], n ∊ [0, N – 1] und v[n], n ∊ [0, N – 1] als das Bezugssignal (z. B. von dem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 18) bzw. das Spannungssignal (z. B. an dem Eingang der Entkopplungseinrichtung 28) innerhalb des DFT-Fensters (siehe 1 und 2) definiert. Die Impedanz des kapazitiven Sensors 12 kann wie folgt berechnet werden:
    • 1. Bestimme den Eingangsstrom als i[n] = (r[n] – v[n])/Rx
    • 2. Wandle das Spannungssignal über die Ns/N-skalierte DFT in die Frequenzdomäne um:
      Figure 00070001
      wobei Q eine Gruppe von Zwischenträger-Indizes mit einer Amplitude, die sich von 0 unterscheidet, und mit Werten im Bereich [O, N/2] ist.
    • 3. Wandle das Stromsignal über die Ns/N-skalierte DFT in die Frequenzdomäne um:
      Figure 00070002
    • 4. Bestimme eine Gesamtimpedanz für den kapazitiven Sensor 12 bei Zwischenträger k als: Z[k] = V[k] / l[k], k ∊ Q
  • Es ist klar, dass die gleichzeitig anhängige, am 31. Oktober 2011 eingereichte US-Patentanmeldung 13/286,174 ebenfalls eine Umsetzungsform zum Bestimmen der Impedanz offenbart. Die in dieser Anmeldung dargelegte Umsetzungsform wird hiermit in ihrer Gesamtheit durch Verweis einbezogen.
  • Im Allgemeinen kann die Anzahl von Zwischenträgern kleiner sein als die Größe der DFT. Daher ist es, um die Komplexität der Berechnung zu verringern, möglicherweise nicht erforderlich, die gesamte DFT (oder FFT) zu bestimmen. Vielmehr kann die komplexe Amplitude bei den gewünschten Zwischenträgern berechnet werden. Des Weiteren folgt, da die diskreten Zeitdomänen-Signale r[n] und v[n] real sind, daraus, dass die Frequenzdomänen-Signale hermitisch symmetrisch sind. Daher reicht es aus, die komplexen Amplituden der Zwischenträger mit einem Index im Bereich [O, N/2] zu berechnen. Wenn dies berücksichtigt wird, kann die Vorrichtung 10, 10' die Gesamtimpedanz des kapazitiven Sensors 12 wie folgt bestimmen:
    • 1. Bestimme den Eingangsstrom als i[n] = (r[n] – v[n])/Rx
    • 2. Bestimme eine komplexe Amplitude des Spannungssignals bei den Ns Frequenzkomponenten durch Projizieren in jeden DFT-Koeffizientenvektor wqk:
      Figure 00070003
    • 3. Bestimme eine komplexe Amplitude des Stromsignals bei den Ns Frequenzkomponenten durch Projizieren in jeden DFT-Koeffizientenvektor wqk:
      Figure 00080001
    • 4. Bestimme eine Gesamtimpedanz bei den Ns Frequenzkomponenten als:
      Figure 00080002
  • Als Alternative dazu kann die Vorrichtung 10, 10', der Linearität der Fourier-Transformation folgend, die Impedanz bestimmen als:
    Figure 00080003
    wodurch sich die Komplexität der Berechnung reduzieren lassen kann. Der Term R[qk] ist die komplexe Amplitude des Bezugssignals bei den Ns Frequenzkomponenten, die berechnet wird, indem es in den DFT-Koeffizientenvektor wqk projiziert wird.
  • Im Allgemeinen kann die Entkopplungseinrichtung 28a (z. B. Kondensator Cx) aufgrund von Alterung oder Umwelteinflüssen mit der Zeit eine gewisse Drift aufweisen. Diese Drift kann die Fähigkeit der Vorrichtung 10, 10', die Impedanz des kapazitiven Sensors 12 zu messen, beeinflussen und damit die Art und Weise beeinflussen, wie der kapazitive Sensor 12 diagnostiziert wird. Die im Folgenden dargelegte vorliegende Offenbarung kann eine derartige Drift an der Entkopplungseinrichtung 28 kompensieren. Angenommen, der Wert des Entkopplungskondensators Cx ist bekannt. In diesem Fall kann beim Bestimmen von Ry und CY für die Messschaltung 12 und den kapazitiven Sensor 12 in einer halb entkoppelten Implementierung, wie sie in 1 dargestellt ist, die Bestimmung einschließen, dass zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten gelöst werden:
    Figure 00080004
    wobei Zcy = 1/jwCx und Zcy = 1/jwCy die Impedanzen von Cx bzw. Cy sind. Dies ergibt:
    Figure 00080005
    wobei
    Figure 00090001
    reale bzw. imaginäre Teile bezeichnen. Bei den vollständig entkoppelten kapazitiven Sensoren ergeben sich die Gleichungen:
    Figure 00090002
    wodurch sich ergibt:
    Figure 00090003
  • In der Praxis ist es möglich, dass der tatsächliche Wert des Kondensators Cx aufgrund von Toleranzen, Alterung, Temperatur-Drift usw. nicht mit einer ausreichenden Genauigkeit bekannt ist. Dadurch entstehen erhebliche Fehler bei der Schätzung von Ry und Cy zum Diagnostizieren des kapazitiven Sensors 12. Diese Implementierung schließt, wie in 4 dargestellt, Kalibrieren des Wertes Cx vor dem Messen von Ry und Cy ein. Diese Implementierung kann jedoch kostenaufwändig sein, da möglicherweise zusätzliche Hardware erforderlich ist. Es ist klar, dass die Implementierung in 4 in einigen Fällen nicht umgesetzt werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können, wie oben erwähnt, Ry und Cy anhand der Gesamtimpedanz Z bestimmt werden, ohne dass explizite Kalibrierung erforderlich ist, wobei gewährleistet ist, dass der Fehler bei der Diagnose des kapazitiven Sensors 12 innerhalb eines vordefinierten Bereiches liegt. Mathematisch kann die vorliegende Offenbarung darauf beruhen, dass die Messschaltung 14 und der kapazitive Sensor 12 in einer halb entkoppelten Anordnung implementiert sind. Es ist klar, dass die hier erfolgte Offenbarung auch auf die voll entkoppelte Anordnung ausgeweitet werden kann.
  • Die Vorrichtung 10, 10' (z. B. die MCU 16) führt eine erste Berechnung für eine untere Grenze für Ry durch und bestimmt dann Cy. Dies kann für Einssatzzwecke geeignet sein, bei denen die Schätzung von Ry innerhalb eines Bereiches eines negativen relativen Fehlers gegeben ist. Das heißt, der geschätzte Wert Ry sollte mit einer vordefinierten Genauigkeit kleiner sein als der tatsächliche Wert von Ry.
  • Die hier vorliegende Umsetzungsform kann auf der Tatsache beruhen, dass, wenn eine ausreichende niedrige Frequenz verwendet wird, der Ausdruck
    Figure 00090004
    für einen bestimmten Wert von Z und w bei dem tatsächlichen Wert von Cx ein Minimum ist und dieser Minimalwert R (min) / y = min{f(Cx)} der tatsächliche Wert von Ry (oder wenigstens eine untere Grenze mit einer vordefinierten Genauigkeit) ist. Wenn die Frequenz nicht niedrig genug ist, liegt das Minimum des Ausdrucks nicht mehr in dem genauen tatsächlichen Wert von Ry, der Fehler kann jedoch vordefiniert sein. Die 5A–5B stellen den Wert Ry = f(Cx) dar. Das Minimum des Ausdrucks (z. B. Ry = f(Cx)) stimmt, wie aus 5A zu sehen ist, mit dem tatsächlichen (analytischen) Wert von Ry überein, während in 5B der Wert von Ry = f(Cx) im Allgemeinen kleiner ist, da die verwendete Frequenz nicht niedrig genug ist.
  • 6 stellt den relativen Fehler bei der Schätzung von Ry als eine Funktion des tatsächlichen Wertes dar. Wie für niedrige Werte von Ry zu sehen ist, kann der Fehler vernachlässigt werden, und für hohe Werte ist der Fehler auf einen bestimmten Wert (z. B. –19%) beschränkt.
  • 7 stellt ein Verfahren 70 zum Durchführen von Diagnose des kapazitiven Sensors 12 dar, mit dem Drift an der Entkopplungseinrichtung 28 kompensiert wird.
  • In Vorgang 72 bestimmt die MCU 16 (oder die Messschaltung 14) die Gesamtimpedanz (Z) des kapazitiven Sensors 12 und der Entkopplungsvorrichtung 28 (wie in Verbindung mit 1 und 2 erwähnt) über die oben aufgeführte Gleichung A.
  • In Vorgang 74 stellt die MCU 16 den Wert von Ry (z. B. eine Charakteristik des kapazitiven Sensors 12) für Z und w fest, wobei unterschiedliche Werte von Cx um den Nennwert (oder den tatsächlichen bzw. Ist-Wert von Cx) herum angenommen werden: Ry = f(Cx), Cx ∊ [1 – Δ,1 + Δ]·C (nom) / x wobei Δ so gewählt wird, dass der Wert größer ist als die maximale Abweichung um den Nennwert herum, die durch Toleranzen, Altern, Temperatur-Drift usw. bei Cx (oder der Entkopplungseinrichtung 28) verursacht wird (siehe Gleichung B). Als Alternative dazu kann eine anfängliche Kalibrierung von Cx nach der Fertigung durchgeführt werden, um den Schätzbereich (Δ) zu verkleinern. Es ist zu bemerken, dass es in diesem Fall notwendig sein kann, dass für Δ die durch die Toleranz verursachte Abweichung vollständig berücksichtigt wird.
  • In Vorgang 76 bestimmt oder schätzt die MCU 16 einen Minimalwert von Ry als den Minimalwert von f(·) und Cx als das Argument, durch das die Funktion f(·) minimiert wird: Ry (est) = min{f(Cx)} Cx (est) = argmin{f(Cx)}
  • Das heißt, die MCU 16 bestimmt den Minimalwert von Ry (oder den Minimalwert von Gleichung B, wie sie oben aufgeführt ist), um Ry (est) zu ermitteln. Des Weiteren bestimmt die MCU 16 den komplexen Abschnitt (oder imaginären Abschnitt) von {f(Cx)}, um einen Schätzwert von Cx oder Cx (est) (oder eine Charakteristik der Entkopplungsschaltung 28) bereitzustellen. Im Allgemeinen kann durch die Bestimmung des Minimalwertes von Ry und Cx (est) die an der Entkopplungseinrichtung 28 auftretende Drift kompensiert werden.
  • In Vorgang 78 schätzt die MCU 16 Cy auf Basis von Cx (est), der Gesamtimpedanz (Z) und w, um Diagnose an dem kapazitiven Sensor 12 durchzuführen, wie folgt:
    Figure 00110001
  • Die MCU 16 vergleicht Cy (est) mit einem vorgegebenen Wert, um festzustellen, ob an dem kapazitiven Sensor 12 ein Fehler auftritt. Wenn Cy (est) den vorgegebenen Wert übersteigt, stellt die MCU 78 fest, dass der kapazitive Sensor 12 fehlerhaft ist und überträgt elektronisch eine Benachrichtigung, um einen Benutzer über den Fehlerzustand zu informieren. Wenn nicht, stellt die MCU 16 fest, dass der kapazitive Sensor 12 ordnungsgemäß arbeitet.
  • Es ist klar, dass das Verfahren 70 bei der Vorrichtung 10, 10' periodisch oder bei einem Fahrzeug oder einer anderen Einrichtung bei Bedarf durchgeführt werden kann.
  • Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentbeschreibung verwendeten Formulierungen beschreibende und keine beschränkenden Formulierungen, und es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Des Weiteren können die Merkmale verschiedener Umsetzungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2010/0043531 [0003]

Claims (20)

  1. Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustandes eines kapazitiven Sensors, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Steuereinheit zum funktionalen Koppeln mit einer Entkopplungseinrichtung, die einen Drift-Zustand aufweist, und dem kapazitiven Sensor, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie: eine Impedanz des kapazitiven Sensors bestimmt; eine Charakteristik des kapazitiven Sensors auf Basis wenigstens der Impedanz bestimmt; eine Charakteristik der Entkopplungseinrichtung auf Basis der Charakteristik des kapazitiven Sensors bestimmt; und eine geschätzte Kapazität auf Basis der Charakteristik der Entkopplungseinrichtung bereitstellt, wobei die geschätzte Kapazität den Zustand des kapazitiven Sensors anzeigt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Charakteristik des kapazitiven Sensors einem Widerstand des kapazitiven Sensors entspricht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Widerstand des kapazitiven Sensors einem minimalen Widerstandswert des kapazitiven Sensors entspricht.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Charakteristik der Entkopplungsvorrichtung einer Kapazität der Entkopplungseinrichtung entspricht.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Charakteristik des kapazitiven Sensors und die Charakteristik der Entkopplungseinrichtung die an der Entkopplungseinrichtung auftretende Drift kompensieren.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie die geschätzte Kapazität mit einem vorgegebenen Kapazitätswert vergleicht, um den kapazitiven Sensor zu diagnostizieren.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie feststellt, dass der kapazitive Sensor einen Fehlerzustand aufweist, wenn die geschätzte Kapazität den vorgegebenen Kapazitätswert übersteigt.
  8. Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustandes eines kapazitiven Sensors, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen einer Impedanz des kapazitiven Sensors; Bestimmen einer Charakteristik des kapazitiven Sensors auf Basis wenigstens der Impedanz; Bestimmen einer Charakteristik einer Entkopplungseinrichtung, die einen Drift-Zustand aufweist, auf Basis der Charakteristik des kapazitiven Sensors; und Bereitstellen einer geschätzten Kapazität auf Basis der Charakteristik der Entkopplungseinrichtung, wobei die geschätzte Kapazität den Zustand des kapazitiven Sensors anzeigt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Charakteristik des kapazitiven Sensors einem Widerstand des kapazitiven Sensors entspricht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Widerstand des kapazitiven Sensors einem minimalen Widerstandswert des kapazitiven Sensors entspricht.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Charakteristik der Entkopplungsvorrichtung einer Kapazität der Entkopplungseinrichtung entspricht.
  12. Verfahren nach Anspruch 8, das des Weiteren umfasst, dass die an der Entkopplungseinrichtung auftretenden Drift mit der Charakteristik des kapazitiven Sensors und der Charakteristik der Entkopplungseinrichtung kompensiert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 8, das des Weiteren umfasst, dass die geschätzte Kapazität mit einem vorgegebenen Kapazitätswert verglichen wird, um den kapazitiven Sensor zu diagnostizieren.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, das des Weiteren umfasst, dass festgestellt wird, dass der kapazitive Sensor einen Fehlerzustand aufweist, wenn die geschätzte Kapazität den vorgegebenen Kapazitätswert übersteigt.
  15. Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustandes eines kapazitiven Sensors, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Steuereinheit zum funktionalen Koppeln mit einer Entkopplungseinrichtung und dem kapazitiven Sensor, wobei die Entkopplungseinrichtung einen Drift-Zustand aufweist und so konfiguriert ist, dass sie eine Übertragung von Energie zu dem kapazitiven Sensor verhindert, und die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie: eine Impedanz des kapazitiven Sensors bestimmt; eine Charakteristik des kapazitiven Sensors auf Basis wenigstens der Impedanz bestimmt; eine Charakteristik der Entkopplungseinrichtung auf Basis der Charakteristik des kapazitiven Sensors bestimmt; und eine geschätzte Kapazität auf Basis der Charakteristik der Entkopplungseinrichtung bereitstellt, wobei die geschätzte Kapazität den Zustand des kapazitiven Sensors anzeigt.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Charakteristik des kapazitiven Sensors einem Widerstand des kapazitiven Sensors entspricht.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Widerstand des kapazitiven Sensors einem minimalen Widerstandswert des kapazitiven Sensors entspricht.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Charakteristik der Entkopplungsvorrichtung einer Kapazität der Entkopplungsvorrichtung entspricht.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Charakteristik des kapazitiven Sensors und die Charakteristik der Entkopplungseinrichtung die an der Entkopplungseinrichtung auftretende Drift kompensieren.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Steuereinheit des Weiteren so konfiguriert ist, dass sie die geschätzte Kapazität mit einem vorgegebenen Kapazitätswert vergleicht, um den kapazitiven Sensor zu diagnostizieren.
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