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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 9 zur kontinuierlichen Überprüfung des Dynamikverhaltens von Sensoranordnungen, wobei die Sensoren bei Verschlechterung der Dynamik zunehmendes Tiefpassverhalten aufweisen.
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Im Kraftfahrzeugbau und in vielen anderen Bereichen werden Sensoren zur Erfassung von zu messenden physikalischen Größen eingesetzt. Bei den Messgrößen kann es sich um Größen handeln, die einer hohen Dynamik unterliegen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Sensoren zur Erfassung von sich rasch verändernden Drücken verwendet werden, wie dies beispielsweise bei Fahrdynamikregelungen oder Motorregelungen in Kraftfahrzeugen der Fall ist. Viele der Anwendungen unterliegen dabei hohen Anforderungen hinsichtlich der Funktionssicherheit, so dass bereits eine Verschlechterung des Messwerterfassungsverhaltens sicher erkannt werden muss. Hier kann beispielhaft der Einsatz eines Drucksensors im EPS-System eines Kraftfahrzeugs genannt werden.
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Um bei solchen Anwendungen das geforderte Dynamikverhalten eines Sensors sicherstellen zu können, wurden bereits unterschiedliche Wege beschritten. So kann die Erfassung der Messgröße redundant ausgeführt sein, das heißt die Messgröße wird parallel über zwei Sensoren erfasst und die ausgewerteten Sensorsignale werden miteinander verglichen. Diese Vorgehensweise ist jedoch aufwändig und fehlerbehaftet, wenn Sensoren zum Beispiel einem gleichen oder ähnlichen Alterungsverhalten unterliegen.
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Weiter ist es geläufig, das Sensorverhalten durch Beaufschlagung der Sensoranordnung mit definierten Messgrößen bzw. Sensorsignalen vor jeder Inbetriebnahme zu testen. Das Abweichen des ausgewerteten Signals von einem Referenzwert signalisiert dabei einen Defekt der Sensoranordnung. Zur Ermittlung der dynamischen Eigenschaften wird in der Regel als Eingangsfunktion eine Sprungfunktion auf den Sensor geschaltet, und im Rahmen der Ausweitung der Sprungantwort wird das dynamische Verhalten ermittelt. Nicht gelöst wird dabei aber das Problem des Auftretens eines Defekts während des Betriebs, darüber hinaus stellt das Aufschalten der Sprungfunktion eine Störung des Systems dar.
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Aus der
DE 10 2009 046 450 A1 ist eine Anordnung bekannt, die eine permanente Überwachung der Sensoranordnung ermöglicht. Dabei ist ein Modulator vorgesehen, mittels dem das Signal des Sensors während des Messens mit einem vom Sensorsignal unabhängigen, periodischen Testsignal moduliert ist. Auch bei dieser Vorgehensweise ist ein erhöhter Aufwand erforderlich, weil das periodische Testsignal im Bereich der Auswerteeinheit wieder vom Messsignal getrennt werden muss.
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Weiter ist es aus der
DE 10 2011 088 296 A1 bekannt, dass Gas-Sensoren abhängig von Geometrie, Messprinzip, Alterung oder Verschmutzung ein Tiefpassverhalten aufweisen. Zu Dynamiküberwachung solcher Sensoren wird vorgeschlagen, dass das Ausgangssignal des Gas-Sensors mit einem Hochpassfilter gefiltert und bei einer Änderung der zu messenden Gaszustandsgröße, wie auch einer Gaskonzentration, höherfrequente Signalanteile ausgewertet werden. Eine Änderung kann dabei durch eine Anregung der Brennkraftmaschine erfolgen. Mit diesem Verfahren lassen sich Änderungen hinsichtlich der Dynamik bei Gas-Sensoren nachweisen und quantifizieren. Nachteilig hierbei ist, dass durch eine Anregung der Brennkraftmaschine eine Änderung des Ausgangssignals des Sensors initiiert werden muss, um dann höherfrequente Signalanteile auszuwerten. Dies ist aufwändig und stellt eine Störung des Systems dar.
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Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen bekannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur kontinuierlichen Überprüfung des dynamischen Verhaltens einer Sensoranordnung anzugeben, ohne in das System eingreifen zu müssen. Weiter gehört es zur Aufgabe, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Gelöst wird die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und hinsichtlich der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des darauf gerichteten Nebenanspruchs.
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Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Erkenntnis zunutze, dass dann, wenn sich bei einer bestimmten Gruppe von Sensoren das dynamische Verhalten des Sensors verschlechtert, der Sensoreingangswert durch den Sensor quasi einer Tiefpassfilterung unterliegt.
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Basierend auf dieser Erkenntnis lässt sich die Aufgabe einer kontinuierlichen Überprüfung des Dynamikverhaltens von Sensoranordnungen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne Eingriffe in das System mit einfachen Mitteln und damit vorteilhaft lösen. Das Verfahren sieht vor, das vom Sensor abgegebene Signal zunächst einer Hochpassfilterung zu unterziehen und daran anschließend das hochpassgefilterte Signal einer Tiefpassfilterung zuzuführen. Im nächsten Schritt wird das hochpassgefilterte Sensorsignal mit dem hochpass-tiefpassgefilterten Sensorsignal verglichen. Optional kann das hochpassgefilterte Sensorsignal mit einem hochpass-tiefpassgefilterten (das heißt bandpassgefilterten) Modellwert verglichen werden. Da ein in seinem Dynamikverhalten beeinträchtigter Sensor ein Tiefpassverhalten zeigt, verändert die der Hochpassfilterung nachgeordnete Tiefpassfilterung das Signal betragsmäßig nur wenig, so dass mit zunehmender Verschlechterung der Sensordynamik das hochpassgefilterte Sensorsignal und das hochpasstiefpassgefilterte Sensorsignal (oder der hochpass-tiefpassgefilterte Modellwert) sich betragsmäßig einander annähern. Der Vergleich ermöglicht es, bei Unterschreiten eines vorgegebenen Unterschiedes zwischen hochpassgefiltertem Sensorsignal und hochpass-tiefpassgefiltertem Sensorsignal (oder Modellwert) den Sensor sicher als defekt zu erkennen.
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Wie oben beschrieben ist, wird das hochpassgefilterte Sensorsignal mit dem hochpass-tiefpassgefilterten Sensorsignal oder optional mit einem hochpasstiefpassgefilterten (das heißt bandpassgefilterten) Modellwert verglichen. Nachfolgend sind die Erfindungsaspekte im Sinne einer einfacheren Lesbarkeit nur im Zusammenhang mit einem Vergleich des hochpassgefilterten Sensorsignals mit dem hochpass-tiefpassgefilterten (das heißt bandpassgefilterten) Sensorsignal beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindungsaspekte ebenso auf ein Ausführungsbeispiel zu lesen sind, bei dem anstelle des hochpass-tiefpassgefilterten Sensorsignals der hochpasstiefpassgefilterte Modellwert verwendet wird.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorteilhaft, dass das hochpassgefilterte Sensorsignal und das hochpass-tiefpassgefilterte Sensorsignal einer Betragsbildung unterzogen werden, bei der die zeitlichen Signalverläufe des hochpassgefilterten Signals und des bandpassgefilterten Signals im Betrag wiedergegeben werden.
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Um eine höhere Sicherheit beim Erkennen eines in seinem Dynamikverhalten beeinträchtigten Sensors zu erhalten, ist es von Vorteil, wenn die im Betrag wiedergegebenen zeitlichen Signalverläufe des hochpassgefilterten Signals und des bandpassgefilterten Signals einer Mittelwertbildung unterworfen werden, bei der ein erster mittlerer Signalgradient (das heißt mittlere Steigung) des im Betrag wiedergegebenen zeitlichen Signalverlaufs des hochpassgefilterten Signals und ein zweiter mittlerer Signalgradient des im Betrag wiedergegebenen zeitlichen Signalverlaufs des hochpass-tiefpassgefilterten Signals ermittelt wird. Diese Mittelwertbildung dient dazu, bei kurzzeitigen Störungen des abgetasteten Signals fehlerhafte Ergebnisse zu vermeiden, das heißt kurzzeitige „Ausreißer” fallen nicht ins Gewicht.
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Eine einfache und damit vorteilhafte Möglichkeit des Vergleichens besteht darin, den ersten mittleren Signalgradienten des im Betrag wiedergegebenen zeitlichen Signalverlaufs des hochpassgefilterten Signals durch den zweiten mittleren Signalgradienten des im Betrag wiedergegebenen zeitlichen Signalverlaufs des hochpass-tiefpassgefilterten Signals zu dividieren. Bei einem in seinem Dynamikverhalten beeinträchtigten Sensor würde sich der Quotient dem Wert 1 annähern. Es ist daher weiter von Vorteil, das Ergebnis der Division auf seinen Abstand zum Wert 1 zu überprüfen und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Abstandes zum Wert 1 den Sensor als defekt zu deklarieren.
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Anders verhält es sich bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem anstelle des hochpass-tiefpassgefilterten (das heißt bandpassgefilterten) Sensorsignals der hochpass-tiefpassgefilterter Modellwert verwendet wird: In diesem Fall würde sich bei einem in seinem Dynamikverhalten beeinträchtigten Sensor der Quotient nicht 1 annähern, sondern kleiner als 1 werden.
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Um zu verhindern, dass das Verfahren bei nicht mit einer ausreichend dynamischen Messgröße beaufschlagtem Sensor falsche Ergebnisse liefert, ist vorteilhaft vorgesehen, dass dem Vergleich des hochpassgefilterte Sensorsignals mit dem hochpass-tiefpassgefilterten Sensorsignal eine Überprüfung einer Einschaltbedingung vorgeschaltet ist. Dies stellt sicher, dass eine Überwachung des Sensors nur dann erfolgt, wenn die Auswertungsergebnisse zuverlässig sind.
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Zur Detektion, ob die Einschaltbedingung vorliegt, ist vorteilhaft vorgesehen, das hochpass-tiefpassgefilterte Signal auf das Übersteigen eines vorgegebenen Wertes hin zu überwachen. Wird der Wert überstiegen ist die Einschaltbedingung erfüllt und die Auswertung zuverlässig. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, den absoluten Wert des Signalpegels am Sensorausgang zu überwachen. Übersteigt dieser einen vorgegebenen Wert ist die Einschaltbedingung erfüllt und die Auswertung zuverlässig. Beispielhaft liegt die Einschaltbedingung vor, wenn ein hochpassgefiltertes Abgasvolumenstromsignal eine Schwelle überschreitet.
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Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Anordnung vorgesehen, bei der einem Sensor ein Hochpassfilter und diesem ein Tiefpassfilter nachgeschaltet ist. Das Sensorsignal wird nach dem Hochpassfilter von einer ersten Betragbildungseinheit und nach dem Tiefpassfilter von einer zweiten Betragbildungseinheit abgegriffen. Mittels der beiden Betragbildungseinheiten werdendie zeitlichen Signalverläufe des hochpassgefilterten Sensorsignals und des bandpassgefilterten Sensorsignals jeweils im Betrag wiedergegeben. Die von der ersten Betragbildungseinheit gebildeten Beträge werden mittels einer Divisionseinheit durch die von der zweiten Betragbildungseinheit gebildeten Beträge dividiert. Eine der Divisionseinheit nachgeschaltete Vergleichseinheit vergleicht den Ausgangswert der Divisionseinheit mit vorgegebenen Werten und löst bei Unterschreiten eines vorgegebenen Wertes eine Signalgabe aus.
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Die Betragsbildungseinheiten können Analog-Digitalwandler enthalten, so dass der nachgeschaltete Vergleich auf digitalem Weg durchgeführt werden kann.
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Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der ersten Betragsbildungseinheit eine erste Mittelwertbildungseinheit zur Bildung eines ersten mittleren Signalgradienten (das heißt mittlere Steigung) des im Betrag wiedergegebenen zeitlichen Signalverlaufs des hochpassgefilterten Signals und der zweiten Betragsbildungseinheit eine zweite Mittelwertbildungseinheit zur Bildung eines zweiten mittleren Signalgradienten des im Betrag wiedergegebenen zeitlichen Signalverlaufs des hochpass-tiefpassgefilterten Signals nachgeschaltet ist. Mittels der oben erwähnten Divisionseinheit wird der erste Signalgradient durch den zweiten Signalgradienten dividiert. Wie bereits oben ausgeführt, lassen sich auf diesem Weg Fehler in der Erkennung, die durch kurzeitige Störungen verursacht sind, weitgehend eliminieren.
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Das Vorsehen eines Einschalt-Detektors dient ebenfalls dem Zweck, eine fehlerhafte Auswertung zu verhindern. Dazu ist vorgesehen, den Signalpegel des Sensormesswertes und/oder den Signalpegel nach dem Tiefpassfilter mittels des Einschalt-Detektors abzugreifen und dahingehend auszuwerten, dass dieser bei überschreiten jeweils vorgegebener Werte ein Ausgangssignal erzeugt, dass die Mittelwertbildungseinheit und nachfolgende Einheiten in Betrieb setzt.
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Es ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass, mit Ausnahme des Sensors selbst, die vorstehend angesprochenen Funktionseinheiten mittels Programm-Routinen ausgebildet sein können, die auf Recheneinheiten implementiert sind. Dies ist heute in vielen Bereichen üblich. Insbesondere in Kraftfahrzeugen stehen üblicherweise computergestützte Steuereinrichtungen und Datenübertragungsmittel zur Verfügung, die neben vielen anderen Steuer- und Regelaufgaben das Abbilden der vorstehend beschriebenen Funktionseinheiten und ihr Zusammenspiel übernehmen können. Computergestützte Steuereinrichtungen sind allgemein bekannt, so dass sich hierzu weitergehende Ausführungen erübrigen.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Darstellung zeigt eine Prinzipdarstellung der Anordnung zur Sensorüberwachung anhand von Funktionsblöcken.
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Zunächst wird das vom Sensor 1 gelieferte Sensorsignal einem Hochpassfilter 2 zugeführt und einer Hochpassfilterung unterzogen. Der Hochpassfilter 2 lässt Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren und dämpft tiefere Frequenzen. Das nach der Hochpassfilterung gegebene Signal wird sodann einem Tiefpassfilter 3 zugeführt und einer Tiefpassfilterung unterzogen. Der Tiefpassfilter 3 lässt die Signalanteile mit Frequenzen unterhalb ihrer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren und dämpft Anteile mit höheren Frequenzen. Das hochpassgefilterte Signal wird einer ersten Betragsbildungseinheit 4 zugeführt, parallel wird das hochpass-tiefpassgefilterte Signal einer zweiten Betragsbildungseinheit 5 zugeführt. In den beiden Betragsbildungseinheiten 4, 5 werden die zeitlichen Signalverläufe des hochpassgefilterten Signals und des bandpassgefilterten Signals im Betrag wiedergegeben. Die von den beiden Betragsbildungseinheiten 4, 5 gelieferten Beträge der jeweiligen Signale werden sodann jeweils einer Mittelwertbildung unterzogen. Bei der Mittelwertbildung wird in einer ersten Mittelwertbildungseinheit 6 ein erster mittlerer Signalgradient (das heißt mittlere Steigung) des im Betrag wiedergegebenen zeitlichen Signalverlaufs des hochpassgefilterten Signals ermittelt. In einer zweiten Mittelwertbildungseinheit 7 wird ein zweiter mittlerer Signalgradient des im Betrag wiedergegebenen zeitlichen Signalverlaufs des hochpass-tiefpassgefilterten Signals ermittelt. Sinn der Mittelwertbildung ist es, wie bereits oben ausgeführt, kurzzeitige Störeinflüsse weitgehend zu eliminieren.
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Die Mittelwertbildung und mit ihr die nachfolgenden Abläufe sind jedoch an das Vorliegen einer Einschaltbedingung geknüpft, die sicherstellt, dass ein Sensorsignal mit ausreichender Signaldynamik erwartet werden kann. Dazu wird mittels eines Signaldetektors 8 das hochpass-tiefpassgefilterte Signal mit gespeicherten Referenzwerten verglichen. Bei Feststellen eines Mindestsignalpegels wird auf eine ausreichende Dynamik am Sensor geschlossen. Zusätzlich kann noch der absolute Pegel des vom Sensor gelieferten Sensorsignals mit gespeicherten Referenzwerten verglichen werden. Auch hier wird bei Überschreiten eines Mindestsignalpegels auf eine ausreichende Dynamik am Sensor geschlossen. Hat der Signaldetektor 8 die Einschaltbedingung als gegeben ermittelt, wird die oben erwähnte Mittelwertbildung durch ihn freigegeben. Sind der erste und der zweite arithmetische Mittelwert (d. h erster und zweiter mittlerer Signalgradient) gebildet, werden diese einer Divisionseinheit 9 zugeführt, die den ersten arithmetischen Mittelwert, der aus dem hochpassgefilterten Sensormesswert gebildet wurde, durch den zweiten arithmetischen Mittelwert, der aus dem hochpass-tiefpassgefilterten Sensormesswert gebildet wurde, dividiert. Der Divisionseinheit 9 nachgeordnet ist eine Auswerteeinheit 10, die das Ergebnis der Division auswertet. Hier wird das Divisionsergebnis einem Vergleich zugeführt, derart, dass das Divisionsergebnis mit einem gespeicherten Referenzwert verglichen wird. Der gespeicherte Referenzwert wurde im Vorfeld in einem Modellversuch mit dem verwendeten Sensor ermittelt und im Zugriff der Auswerteeinheit 10 abgelegt. Der Referenzwert repräsentiert die Grenze, ab der ein Dynamikverhalten als nicht mehr ausreichend einzustufen ist. Ist das Divisionsergebnis größer oder gleich dem Referenzwert, gilt das Sensorverhalten hinsichtlich seiner Dynamik als ausreichend, ist das Divisionsergebnis kleiner als der Referenzwert ist der Sensor als defekt zu deklarieren. Im ersten Fall wird der vorstehend beschriebene Überwachungsablauf zyklisch wiederholt, im zweiten Fall wird eine Fehlerbehandlungsroutine gestartet, die von einer einfachen Signalgabe bis zu einer betriebssicheren Rückfalllösung unterschiedlichste Eskalationsstufen initiieren kann.
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Die vorstehend angesprochene Betragsbildung kann eine Analog-Digitalwandlung des jeweiligen Signals beinhalten, um die nachfolgenden Abläufe digital durchführen zu können. Prinzipiell lassen sich aber auch der Hochpassfilter und der Tiefpassfilter mittels Programmroutinen nachbilden. In diesem Fall ist die Analog-Digitalwandlung des Sensorsignals bereits am Sensorausgang vorzunehmen.
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Einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die nachfolgende, in Ablaufschritte aufgelöste Darstellung.
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Schritt 1
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- Erste Betragserfassung des Signals nach dem Hochpassfilter und parallel zweite Betragserfassung des Signals nach dem Tiefpassfilter;
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Schritt 2
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- Abfrage, ob die Einschaltbedingung vorliegt, wenn nein weiter mit Schritt 1, wenn ja weiter mit Schritt 3;
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Schritt 3
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- Aufsummieren der ersten Beträge für einen Zyklus von „X” Betragserfassungen und Bildung des ersten arithmetischen Mittels (das heißt erster mittlerer Signalgradient) bei Erreichen von „X” und parallel Aufsummieren der zweiten Beträge für den Zyklus von „X” Betragserfassungen und Bildung des zweiten arithmetischen Mittels (das heißt zweiter mittlerer Signalgradient) bei Erreichen von „X”;
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Schritt 4
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- Division des ersten arithmetischen Mittels durch das zweite arithmetische Mittel;
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Schritt 5
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- Vergleichen des Ergebnisses mit einem gespeicherten Zahlenwert „Y”, ist das Ergebnis größer oder gleich „Y”, weiter mit Schritt 1, ist das Ergebnis kleiner „Y” weiter mit Schritt 6;
Erläuterung:
Der Zahlenwert „Y” wurde im Vorfeld experimentell ermittelt und entspricht dem Zahlenwert, der sich bei der Division ergibt, wenn das Dynamikverhalten des Sensors gerade noch ausreichend ist.
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Schritt 6
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- Starten einer Fehlerbehandlungsroutine.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009046450 A1 [0005]
- DE 102011088296 A1 [0006]
