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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Druckmessverfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine optische Druckmessvorrichtung gemäß Oberbegriff von Anspruch 6.
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Mit zunehmenden Ansprüchen an die Feinfühligkeit der Regelung von Kraftfahrzeugbremsanlagen, insbesondere im Bereich auch kleinster Hydraulikdrücke, ist es erforderlich, die jeweils vorherrschenden Druckverhältnisse in Kraftfahrzeugbremsanlagen möglichst exakt zu bestimmen. Zum Bestimmen der Druckverhältnisse sind im Stand der Technik dabei im Wesentlichen zwei unterschiedliche Ansätze bekannt: Zum Einen die Verwendung von direkt messenden Drucksensoren, zum Anderen die indirekte Druckerfassung, z. B. über das vordruckbelastete Auslaufverhalten des elektrischen Motors eines Motorpumpenaggregats. Die Verwendung von direkt messenden Drucksensoren ermöglicht dabei in der Regel eine vergleichsweise genauere Druckbestimmung, ist allerdings auch mit höherem Herstellungs- und Kostenaufwand verbunden.
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Die
DE 10 2011 085 329 A1 beschreibt einen optischen Druckfühler, welcher eine sich nach Maßgabe eines wirkenden Drucks reversibel verwölbende Membran aufweist, wobei die Membran optische Strahlung reflektiert und eine zunehmende Membranverwölbung eine zunehmende Reflexionsverwölbung bewirkt. Der Druckfühler umfasst dafür einen optischen Sender, der die Membran bestrahlt und einen optischen Sensor, welcher eine von der Membran auf den optischen Sensor reflektierte Lichtintensität sensiert.
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Die zum Zeitpunkt der vorliegenden Erfindung nicht veröffentlichte ältere Patentanmeldung
DE 10 2013 210 349.2 betrifft eine artverwandte optische Druckmessvorrichtung, wobei diese weiterhin einen Referenzempfänger umfasst, welcher ebenfalls eine von einer Membran reflektierte Lichtleistung empfängt und ein elektrisches Referenzsignal nach Maßgabe dieser reflektierten Lichtleistung erzeugt.
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Im Automotivebereich steht einem Bedarf nach Steigerung der Robustheit von Fahrzeugkomponenten gegenüber Störeinflüssen ein erheblicher Kostendruck auf jedes Bauelement gegenüber. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und/oder eine Messvorrichtung bereitzustellen, mittels dem bzw. der, bei möglichst geringem Mittel- und Materialeinsatz, eine Verringerung von Störeinflüssen auf die Druckerfassung realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein optisches Druckmessverfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine optische Druckmessvorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst.
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Optisches Druckmessverfahren, bei welchem eine in Abhängigkeit eines Drucks verwölbbare und reflektierend ausgebildete Membran einen von der Verwölbung abhängigen Teil einer mittels einer Lichtquelle ausgesandten Strahlungsleistung auf einen Lichtempfänger reflektiert und der Lichtempfänger nach Maßgabe der empfangenen Strahlungsleistung ein elektrisches Signal erzeugt, wobei die Lichtquelle mit verschiedenen Abstrahlwinkeln betrieben wird und die aus den sich für die verschiedenen Abstrahlwinkel ergebenden elektrischen Signale des Lichtempfängers zur Bestimmung des Drucks herangezogen werden. Unter Licht im Sinne dieser Beschreibung wird bevorzugt der sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung sowie Infrarot- und Ultraviolettstrahlung verstanden.
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In vorteilhafter Weise kann somit eine Verringerung von Störeinflüssen, wie beispielsweise einem Dunkelstrom der Empfangsdiode, von Eingangsströmen der Signalverarbeitungselektronik oder von Fremdlicht, erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Lichtquelle zur Erzeugung der unterschiedlichen Ab-strahlwinkel mit verschiedenen, alternierenden Strömen und/oder Spannungen betrieben. Da keine zusätzlichen Komponenten für bestehende Systeme vorgesehen werden müssen, wird in vorteilhafter Weise kostengünstige Realisierung ermöglicht.
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Aus den sich für unterschiedliche Abstrahlwinkel ergebenden elektrischen Signalen des Lichtempfängers wird bevorzugt ein vom Druck abhängiges Differenzsignal gebildet. Vorteilhafterweise kann somit ein differentielles Messverfahren mit der entsprechend damit verbundenen Robustheit gegenüber Störungen realisiert werden.
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Einer besonders bevorzugten Ausführungsform entsprechend, wird für einen Referenzempfänger, welcher eine von der Verwölbung der Membran abhängige reflektierte Strahlungsleistung empfängt und ein elektrisches Referenzsignal nach Maßgabe der empfangenen Strahlungsleistung erzeugt, ebenfalls ein vom Druck abhängiges Differenzsignal aus den sich für die unterschiedliche Abstrahlwinkel ergebenden elektrischen Signale des Referenzempfängers gebildet. Vorzugsweise wird der Druck mittels der Differenzsignale und auf Grundlage einer während einer Kalibrierung gebildeten Regressionsfunktion und/oder aus der Regressionsfunktion abgeleiteter Werte ermittelt. Es ergibt sich der Vorteil, dass Fluktuationen der emittierten Strahlungsleistung und/oder Intensität kompensiert werden können, welche sich beispielsweise aus Alterungseffekten der Lichtquelle ergeben und/oder durch Änderungen des Reflexionsverhaltens, z.B. in Folge von Verschmutzung der Reflexionsfläche, ergeben. Dadurch kann die Genauigkeit der Messung verbessert und die Störanfälligkeit weiter vermindert werden. Daneben steht somit eine Vergleichsgröße zur Verfügung, welche eine Überwachung der Funktionsfähigkeit und des Zustands der optischen Druckmessvorrichtung erlaubt.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine optische Druckmessvorrichtung, umfassend eine Lichtquelle, einen Lichtempfänger sowie eine in Abhängigkeit eines Drucks verwölbbare und reflektierend ausgebildete Membran, wobei die Membran einen von der Verwölbung abhängigen Teil einer mittels der Lichtquelle ausgesandten Strahlungsleistung auf den Lichtempfänger reflektiert und der Lichtempfänger nach Maßgabe der empfangenen Strahlungsleistung ein elektrisches Signal erzeugt, wobei die Druckmessvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Lichtquelle mit verschiedenen Abstrahlwinkeln betrieben wird.
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Bevorzugt ist die Lichtquelle ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement, insbesondere eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, mit einem vom Absolutwert eines zugeführten Stromes und/oder einer angelegten Spannung abhängigem Ab-strahlwinkel. Dies ermöglicht eine vorteilhaft kostengünstige Realisierung der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung, da lediglich eine Lichtquelle vorgesehen werden braucht.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung sind der Lichtempfänger und ein Referenzempfänger bezogen auf die Lichtquelle in der Weise angeordnet, dass aus unterschiedlichen Abstrahlwinkeln gebildete Differenzsignale des Lichtempfängers und des Referenzempfängers komplementäre Vorzeichen und/oder Verläufe aufweisen. Dies ermöglicht eine hohe Genauigkeit der Druckbestimmung sowie eine vorteilhafte Fehlererkennung.
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Vorzugsweise führt die erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren aus.
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Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Druckmessverfahrens und/oder der erfindungsgemäßen optischen Druckmessvorrichtung in einer Kraftfahrzeugbremsanlage.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
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In Prinzipdarstellung zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel der optischen Druckmessvorrichtung 1,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Druckmessvorrichtung 1 mit zweiter Infrarot-Fotodiode 6‘ bzw. Referenzdiode,
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3 einen proportionalen Zusammenhang des Differenzstroms Id6 von Infrarot-Fotodiode 6 bzw. Referenzdiode 6‘ und dem Druck p,
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4 einen komplementären Verlauf der Differenzströme dI6 und dI6‘ der Infrarot-Fotodiode und der Referenzdiode 6‘ in Abhängigkeit von Druck p und
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5 eine auf Basis der Differenzströme dI6 und dI6‘ erhaltene Regressionsfunktion zur Kalibrierung des Drucksensors.
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Um eine kurze und einfache Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu ermöglichen, werden gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der optischen Druckmessvorrichtung 1 anhand dessen die die Funktionsweise bzw. das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wird. Druckmessvorrichtung 1 umfasst in an sich bekannter Weise Membran 4 und Verbindungsstück 2, welche zur Erfassung des Drucks innerhalb eines Kraftfahrzeugbremssystems mittels einer druckdichten Verbindung mit Hydraulikblock 3 eines elektrohydraulischen Steuergeräts des Kraftfahrzeugbremssystems verbunden sind. Membran 4 besteht bevorzugt aus Federstahl und ist mittels einer Schweißverbindung mit Verbindungsstück 2 mechanisch verbunden. Durch in Verbindungsstück 2 dargestellte Aussparung 11 wirkt ein innerhalb des Kraftfahrzeugbremssystems vorhandener Druck p direkt auf Membran 4. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist Membran 4 druckbeaufschlagt, weshalb diese einer druckabhängigen Verwölbung unterliegt. Leiterplatte 7 ist Membran 4 gegenüberliegend angeordnet. Auf Leiterplatte 7 sind Infrarot-Leuchtdiode 5 und Infrarot-Fotodiode 6 angeordnet. Infrarot-Leuchtdiode 5 wird als optischer Sender genutzt und Infrarot-Fotodiode 6 wird als optischer Sensor verwendet. Membran 4, Leiterplatte 7, Infrarot-Leuchtdiode 5 und Infrarot-Fotodiode 6 sind bevorzugt von einer nicht dargestellten Einhausung umgeben. Infrarot-Leuchtdiode 5 bestrahlt Membran 4 mit Infrarotstrahlung, wobei beim Auftreffen auf Membran 4 ein optischer Reflexionsvorgang stattfindet und ein reflektierter Teil der von Infrarot-Leuchtdiode 5 emittierten Strahlungsleistung auf Infrarot-Fotodiode 6 trifft. Infrarot-Fotodiode 6 erzeugt in Folge dessen einen zur empfangenen Strahlungsleistung proportionalen Fotostrom. Es können sich jedoch auch andere Verhältnisse ergeben. Anhand des mittels einer nicht dargestellten Auswerteelektronik ausgewerteten Fotostroms wird somit auf den Druck p innerhalb des Kraftfahrzeugbremssystems geschlossen. Aufgrund der druckabhängigen Verwölbung von Membran 4 verlagert sich das reflektierte Intensitätsprofil ebenfalls druckabhängig, was mittels Infrarot-Fotodiode 6 erfasst und durch entsprechende Kalibrierung einem Druckwert p zugeordnet werden kann.
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Eine Eigenschaft von Leuchtdioden bzw. Laserdioden ist, dass sich der Abstrahlwinkel in Abhängigkeit des zugeführten Stromes ändert. In 1 repräsentieren die Randstrahlen 8 ein mit Abstrahlwinkel (bzw. Raumwinkel) a emittiertes Strahlenbündel, welches nach Maßgabe eines ersten Ansteuerstroms I1 erzeugt wird. Das durch die Randstahlen 8‘ repräsentierte Strahlenbündel wird dabei nach Maßgabe eines zweiten Ansteuerstroms I2 emittiert. Die jeweiligen reflektierten Strahlenbündel sind mittels Randstrahlen 9 sowie 9‘ repräsentiert. Alternativ zu unterschiedlichen Ansteuerströmen kann auch eine weitere Infrarot-Leuchtdiode (nicht dargestellt) mit einem von Infrarot-Leuchtdiode 5 abweichenden Abstrahlwinkel vorgesehen sein. Da die Randstrahlen 9‘ einen größeren Abstrahlwinkel a‘ aufweisen und somit eine größere bestrahlte Fläche vorliegt als für die Randstrahlen 9, ist – für im Wesentlichen gleiche emittierte Strahlungsleistungen von Infrarot-Leuchtdiode 5 für die Ansteuerströme I1 und I2 – die auf Infrarot-Fotodiode 6 reflektierte Strahlungsleistung des durch die Randstrahlen 9‘ repräsentierten Strahlenbündels geringer als die reflektierte Strahlungsleistung des durch die Randstrahlen 9 repräsentierten Strahlenbündels. Dementsprechend ist auch der von Infrarot-Fotodiode 6 erzeugte Fotostrom für Ansteuerstrom I2 geringer. Unterschiedliche Strahlungsleistungen für die verschiedenen Ansteuerströme können insbesondere mittels Kalibrierung jedoch ebenfalls Berücksichtigung finden.
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Infrarot-Leuchtdiode 5 wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit alternierenden Ansteuerströmen I1 und I2 betrieben, wodurch alternierende Abstrahlwinkel a und a‘ des emittierten Lichts vorliegen. Beispielsweise vergrößert sich der Abstrahlwinkel a nach a‘ mit steigendem Ansteuerstrom I1 nach I2. Insbesondere abhängig vom ausgenutzten physikalischen Effekt ist jedoch auch ein reziproker Zusammenhang möglich. Aufgrund der stromabhängigen Änderung des Abstrahlwinkels kann sich zudem das reflektierte Intensitätsprofil ebenfalls stromabhängig verändern, was mittels Infrarot-Fotodiode 6 erfasst und berücksichtigt werden kann. Die Differenz der beiden, sich aus den unter-schiedlichen Ansteuerströmen ergebenden Intensitätswerte auf Infrarot-Fotodiode 6, ist somit von einem Reflexionswinkel abhängig, welcher für gerichtete Reflexion wiederum im Wesentlichen vom druckabhängigen Anstellwinkel der Reflexionsfläche von Membran 4 sowie dem stromabhängigen Abstrahlwinkel a, a‘ von Infrarot-Leuchtdiode 5 abhängig ist.
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Für die Ansteuerströme I1 und I2 bzw. Abstrahlwinkel a und a‘ werden die Differenzen dI6 der Fotoströme von Infrarot-Fotodiode 6 gebildet, woraus sich, wie in 3 anhand beispielhafter Messwerte gezeigt, ein proportionaler Zusammenhang zwischen dem zu messenden hydraulischen Druck p und der auf einen Differenzwert des höchsten erfassten hydraulischen Drucks normierten Differenz dI6 ergibt.
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Um Fluktuationen der emittierten Strahlungsleistung und/oder Intensität zu kompensieren, welche sich beispielsweise aus Alterungseffekten von Infrarot-Leuchtdiode 5 ergeben und/oder durch Änderungen des Reflexionsverhaltens, z.B. in Folge von Verschmutzung der Reflexionsfläche, hervorgerufen werden, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 die weitere Infrarot-Fotodiode bzw. Referenzdiode 6‘ vorgesehen. Die Anordnung von Infrarot-Leuchtdiode 5 und der Infrarot-Fotodioden 6 und 6‘ erfolgt in der Weise, dass die für die Ansteuerströme I1 und I2 bzw. Abstrahlwinkel a und a‘ gebildeten Differenzen dI6 und dI6‘ der Fotoströme von Infrarot-Fotodiode 6 und Referenzdiode 6‘ zueinander komplementäre Vorzeichen und/oder Verläufe (Differenzsignale) aufweisen. Wie in 4 gezeigt, bedeutet dies, dass sich im Falle einer Verringerung der Differenz der Intensitäten dI6 auf Infrarot-Fotodiode 6, die Differenz der Intensitäten dI6‘ auf Referenzdiode 6‘ erhöht, wobei gemäß dieser Darstellung jeweils auf einen Differenzwert bei einem hydraulischen Druck von 0 bar normiert wurde.
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Die aus den Messwerten gebildeten Differenzen dI6 und dI6‘ werden zur Bestimmung eines vom hydraulischen Druck abhängigen, funktionalen Zusammenhangs gemäß Gleichung 1.1 herangezogen. (dI6 – dI6‘)/(dI6 + dI6‘) = f(p) 1.1
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Die 5 zeigt auf Grundlage beispielsgemäßer Messwerte gemäß Gleichung 1.1 erhaltene Werte sowie eine auf dieser Basis erhaltene lineare Regressionsfunktion mit den resultierenden Regressionsparametern als Kalibrierung ist ebenfalls dargestellt. Mittels dieser Funktion kann unter Heranziehung der Differenzwerte dI6 und dI6‘ der hydraulische Druck p im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugbremssystems berechnet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011085329 A1 [0003]
- DE 102013210349 [0004]
