DE102017222845A1

DE102017222845A1 - Sensoreinrichtung zum Erfassen von elektrisch leitfähigen Medien, Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102017222845A1
Application number: DE102017222845.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph van der Smissen; Stefan Kottmann; Stefan Walz; Frederik Morlok; Nestor Mbogni; Michael Johannes Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-06-19
Also published as: US20200300684A1; CN111527401A; JP2021505902A; US11761808B2; WO2019115369A1; JP7143416B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung (1) zum Erfassen von Flüssigkeit, insbesondere in einem Steuergerät eines Lenksystems eines Fahrzeugs, mit zumindest einem Sensorelement (WS1-WSn) und mit einer Prüfeinheit (2), wobei das Sensorelement (WS1-WSn) mit der Prüfeinheit (2) elektrisch verbunden ist, wobei die Prüfeinheit (2) einen mit dem Sensorelement (WS1-WSn) verbundenen Signalgeber (3) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Testsignal zu erzeugen, sowie einen mit dem Sensorelement (WS1-WSn) verbundenen Signalempfänger (4), der dazu ausgebildet ist, ein Reaktionssignal auf das elektrische Testsignal zu erfassen, wobei der Signalgeber (3) und der Signalempfänger (4) jeweils hochohmig mit dem zumindest einen Sensorelement (WS1-WSn) verbunden sind, und wobei die Prüfeinheit (2) dazu ausgebildet ist, das Reaktionssignal zumindest zu einem Zeitpunkt (t2) als erstes Reaktionssignal zu erfassen, zu dem das elektrische Testsignal erzeugt ist, um auf ein Vorhandensein des Mediums zu schließen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von elektrisch leitfähigem Medium, insbesondere Flüssigkeit, insbesondere in einem Steuergerät eines Lenksystems eines Fahrzeugs, mit einer Prüfeinheit und mit zumindest einem Sensorelement, das mit der Prüfeinheit elektrisch verbunden ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuergerät, ein Lenksystem sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Sensoreinrichtung.
Stand der Technik
Sensoreinrichtungen und Verfahren zum Betreiben dieser sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Zur Detektion von Wasser ist es bekannt, mittels zweier elektrisch leitfähiger Sensorelemente zu erfassen, ob diese durch das Wasser in eine elektrische Verbindung gebracht werden. Werden die beiden Sensorelemente beispielsweise von dem Wasser überflutet und ist eines der Sensorelemente auf ein vorgegebenes elektrisches Potential gelegt, so kann an dem anderen Sensorelemente erfasst werden, ob dieses das elektrische Potential des anderen Sensorelements annimmt. Damit die Sensorelemente eine verringerte Oxidation beziehungsweise Migration erfahren, wird die Messung üblicherweise zeitlich begrenzt, Kontaktmaterialien durch Edelmetalle ersetzt oder eine Wechselspannung an die Sensorelemente angelegt. So wird beispielsweise durch das wechselseitige Umschalten der Kontakte als SensorEingang und als Sensor-Ausgang eine Wechselspannung erzeugt. Wird hier das bekannte Potential am jeweils anderen Kontakt detektiert, so wird dies als Wasserkontakt gewertet. Eine weitere bekannte Methode sieht vor, ein erstes Sensorelement mit Masse zu verbinden und ein zweites Sensorelement hochohmig mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen. Sobald das Ausbleiben des Wechselspannungssignals detektiert wird, wird dies als Wasserkontakt gewertet.
Auch ist es bekannt, die Kapazität an den Sensorelementen auszuwerten, um eine Oxidation der Sensorelemente auszuschließen. Dies erfolgt üblicherweise durch Anlegen einer meist freischwingenden Wechselspannung, deren Frequenz sich ändert und so als Detektionskriterium herangezogen wird. Ebenso kann durch Anlegen von Signalpulsen eine Detektion stattfinden, indem eine Ladekurve ausgewertet wird. Eine Detektion von destilliertem Wasser, also von eigentlich elektrisch nicht leitfähigem Wasser, wird dadurch ebenso möglich, da hier nicht der Leitwert, sondern das Dielektrikum des Wassers ausschlaggebend ist.
Nachteilig bei den bekannten Messverfahren ist es, dass die Messumgebung frei von Störquellen beziehungsweise elektrischen Störfeldern, fremden Potentialen und anderen Umwelteinflüssen sein muss, um eine eindeutige Auswertung zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine störungsunempfindliche Erkennung beziehungsweise Detektion von leitfähigem Medium ermöglicht wird, also auch in Umgebungen mit elektromagnetischen Störfeldern oder dergleichen. Außerdem wird eine potentialunabhängige Erfassung der Medien gewährleistet, die einen geringen Energieaufwand sowie einen geringen vorrichtungstechnischen Aufwand benötigt. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung, insbesondere die Prüfeinheit, in einem Mikrokontroller oder einer anwenderspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) kostengünstig realisierbar. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass die Prüfeinheit einen mit dem zumindest einen Sensorelement verbundenen Signalgeber aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Testsignal, insbesondere einen Testimpuls, zu erzeugen, sowie einen mit dem Sensorelement verbundenen Signalempfänger, der dazu ausgebildet ist, ein durch das Testsignal erzeugtes oder bewirktes Reaktionssignal zu erfassen, wobei der Signalgeber und der Signalempfänger jeweils hochohmig, insbesondere durch jeweils einen Widerstand mit dem zumindest einen Sensorelement verbunden sind, und wobei die Prüfeinheit dazu ausgebildet ist, das Reaktionssignal mittels des Signalempfängers zumindest zu einem Zeitpunkt als erstes Reaktionssignal zu erfassen, zu dem das Testsignal erzeugt ist, um auf ein Vorhandensein des Mediums, insbesondere Flüssigkeit, zu schließen. Die Prüfeinheit ist also dazu ausgebildet, ein erstes Reaktionssignal an einem Zeitpunkt zu erfassen, der sich dadurch auszeichnet, dass das Testsignal bereits erzeugt ist und daher von dem Signalempfänger ein dem Testsignal entsprechendes Reaktionssignal erfasst werden können müsste. Unter dem Zeitpunkt, an welchem das Testsignal erzeugt ist, ist somit der Zeitpunkt zu verstehen, zu welchem der Ist-Wert des Testsignals einem vorgegebenen Soll-Wert entspricht. Insbesondere handelt es sich bei dem Testsignal um einen Testimpuls, insbesondere in Form eines Spannungsimpulses. In einer ersten Phase der Impulserzeugung steigt zunächst die Spannung an, bis ihr Ist-Wert den gewünschten Soll-Wert erreicht. Dies ist der Zeitpunkt, zu welchem die Prüfeinheit das erste Reaktionssignal erfasst, also zu einem Zeitpunkt, zu welchem das Testsignal den gewünschten Wert erreicht hat. Anschließend, wenn der Testimpuls oder das Testsignal beendet werden, nimmt der Spannungswert wieder ab. Aufgrund des vorteilhaften Aufbaus der Sensoreinrichtung ist damit bereits eine eindeutige Aussage über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines leitfähigen Mediums möglich, weil die Auswertung des ersten Reaktionssignals zu einem eindeutigen Ergebnis führt. Bevorzugt wird die hochohmige Anwendung von Signalempfänger und Signalgeber an das zumindest eine Sensorelement durch elektrische Widerstände erreicht. So ist insbesondere zwischen dem Signalgeber und dem Sensorelement ein erster Widerstand und zwischen dem Signalempfänger und dem Sensorelement ein zweiter Widerstand geschaltet. In Signallaufrichtung ist somit der erste Widerstand dem Signalgeber nach- und der zweite Widerstand dem Signalempfänger vorgeschaltet. Insbesondere weist die Sensoreinrichtung mehrere Sensorelemente auf, die jeweils mit dem Signalempfänger und dem Signalgeber hochohmig verbunden sind. Vorzugsweise sind dabei nur ein erster Widerstand und nur ein zweiter Widerstand vorhanden, die beide mit den mehreren Sensorelementen verbunden sind.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das mindestens eine Sensorelement, oder, wenn mehrere Sensorelemente vorhanden sind, das jeweilige Sensorelement, mit einem positiven oder mit einem negativen elektrischen Spannungspotential verbunden ist, um eine eindeutige Zuordnung des Sensorelements zu gewährleisten, sodass das erfasste Reaktionssignal eindeutig auswertbar ist und sich bei Vorhandensein und/oder Nichtvorhandensein von elektrisch leitfähigem Medium erwartungsgemäß verhält.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung, insbesondere das zumindest eine oder das jeweilige Sensorelement, mit einer sogenannten schwebenden Masse verbunden ist, die insbesondere mithilfe eines elektrischen Widerstands und/oder eines Kondensators gebildet ist. Damit wird die Potential-Unabhängigkeit der Sensoreinrichtung um eine weitere Anwendung ergänzt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das zumindest eine oder das jeweilige Sensorelement durch jeweils einen Kondensator mit einer externen Masse oder mit einem Masseanschluss der Sensoreinrichtung verbunden ist. Hierdurch wird eine ESD-behaftete Störquelle aus der Sensoreinrichtung ausgekoppelt und beeinflusst somit nicht das Messergebnis beim Erfassen des Reaktionssignals.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass mehrere Sensorelemente durch jeweils einen Kondensator mit Masse oder der externen Masse verbunden sind, wobei die Kondensatoren insbesondere unterschiedliche Kapazitäten aufweisen. Weist die Sensoreinrichtung also mehrere Sensorelemente auf, so sind diese jeweils durch einen zugeordneten Kondensator mit einem Masseanschluss verbunden, sodass für jedes Sensorelement eine ESD-behaftete Störquelle sicher ausgekoppelt ist. Bevorzugt weisen die Kondensatoren unterschiedliche Kapazitäten auf mit dem Erfolg, dass das erfasste Reaktionssignal in Abhängigkeit davon, welches der Sensorelemente mit elektrisch leitfähigem Medium in Kontakt ist, unterschiedlich verhält und dadurch durch die Prüfeinheit feststellbar ist, welches der Sensorelemente mit dem Medium in Kontakt gekommen ist. Dadurch ist eine eindeutige Diagnostik auch bei mehreren Sensorelementen gewährleistet.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem zweiten Widerstand und dem Signalempfänger ein Kondensator gegen Masse angeschlossen ist. Hierdurch werden Hochfrequenz-Störquellen/-Störfelder durch den Kondensator kurzgeschlossen und damit für die Auswertung des Testsignals entkoppelt. Dieser Kondensator kann als zusätzliches Bauteil oder als von der Messeinrichtung parasitär vorhandener Kondensator ausgebildet sein.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem ersten Widerstand und dem Signalgeber ein dritter Widerstand gegen Masse angeschlossen ist. Der dritte, insbesondere hochohmige Widerstand wird zur Ableitung von möglichen Querströmen direkt an dem Signalgeber beziehungsweise dessen Logikausgang gegen Masse angeschlossen. Wird durch den Signalgeber eine logische Null herausgeschrieben, so werden die sich ergebenden Querströme durch den dritten Widerstand gegen die Schaltungsmasse oder die externe Masse abgeleitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Widerstand und er zweite Widerstand durch eine gemeinsame Signalleitung mit dem zumindest einen Sensorelement verbunden sind. Dadurch ist ein einfacher Schaltungsaufbau gewährleistet und ein sicheres Rücklesen des Reaktionssignals durch den Signalempfänger gewährleistet. Insbesondere sind der erste Widerstand und/oder der zweite Widerstand durch die gemeinsame Signalleitung direkt mit dem ersten Sensorelement verbunden, das heißt ohne Zwischenschaltung eines weiteren elektrischen/elektronischen Bauteils, wie insbesondere eines Kondensators.
Die Prüfeinheit ist dabei insbesondere dazu ausgebildet, ein zweites Reaktionssignal zu einem Zeitpunkt zu erfassen, bevor das Testsignal erzeugt ist, das erste Reaktionssignal zu dem Zeitpunkt, zu dem das Testsignal erzeugt ist und ein drittes Reaktionssignal zu einem Zeitpunkt, nach dem das Testsignal abgeschlossen ist. Zusätzlich zu dem eingangs bereits genannten Zeitpunkt zum Erfassen des ersten Reaktionssignals, der so gewählt ist, dass das Testsignal bereits erzeugt ist und somit auf das Sensorelement wirkt, ist in diesem Fall also vorgesehen, dass ein Reaktionssignal außerdem noch vor Erzeugen des Testsignals und nach Abschließen des Testsignals erfasst wird. Dadurch wird ein Reaktionssignal an, insbesondere nur, den drei Signalzeitpunkten hochohmig zurück gemessen beziehungsweise gelesen und insbesondere zu jedem dieser Zeitpunkte anders bewertet. Aus Zusammenschau der drei erfassten Reaktionssignale beziehungsweise des Reaktionssignals zu den drei genannten Zeitpunkten ist unterscheidbar, ob das eine Sensorelement fehlerhaft oder funktionsfähig ist, und ob das Sensorelement mit dem elektrisch leitfähigen Medium in Kontakt steht oder nicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in der gemeinsamen Signalleitung ein Kondensator angeordnet beziehungsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand einerseits und den Sensorelementen andererseits zwischengeschaltet ist. Durch den zusätzlichen Kondensator wird ein RC-Glied in der Sensoreinrichtung gebildet, das es erlaubt, die Messung des Reaktionssignals auf einen einzigen Zeitpunkt zu reduzieren und trotzdem ein eindeutiges Messergebnis zu erhalten. Insbesondere hier ist die Prüfeinheit dazu ausgebildet, nur das erste Reaktionssignal zu dem Zeitpunkt zu erfassen, zu dem der Testimpuls erzeugt ist. Während in der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform ein Gleichspannungs-gekoppeltes System vorgeschlagen ist, sieht diese Ausführungsform ein Wechselspannungsgekoppeltes System vor. Dabei ist es auch hier möglich, potentialunabhängig die Detektion des leitfähigen Mediums durchzuführen. Dies wird dadurch erreicht, dass der hochohmige Signaleingang der Prüfeinheit beziehungsweise der Signalempfänger mit dem vorgeschalteten zweiten Widerstand über den in Serie geschalteten Kondensator zu den Sensorelementen hin entkoppelt ist.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Prüfeinheit dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer gewünschten Sensor-Sensitivität unterschiedliche Testsignale, beispielsweise Testimpulse mit unterschiedlich hohen Spannungsniveaus oder unterschiedlicher Impulslänge zu erzeugen. Hierdurch ist die Prüfeinheit auf Umgebungsbedingungen und/oder Anwendungsfälle anpassbar. Auch ist es möglich, durch eine Variation der Pulslänge beziehungsweise -breite einen Widerstandsmessbereich der Messspannung zu verändern, um beispielsweise zwischen Tauwasser (Ionen-arm), eindringendem Wasser (Ionen-reich) und Salzwasser (Salz-Ionen) zu unterscheiden. Ist jedem der Sensorelemente ein Kondensator, wie zuvor beschrieben, zugeordnet, durch welchen das Sensorelement mit Masse oder externer Masse verbunden ist, so kann außerdem durch Variation der Ladezeit der angeschlossenen Sensoren ein Fehlen oder eine Fehlfunktion eines der Sensorelemente erkannt werden. Darüber hinaus ist durch einen überlangen Testimpuls die Sensoreinrichtung dazu in der Lage, sich selbst zu diagnostizieren und zu erkennen, ob die elektrischen Widerstände in der Messschaltung, insbesondere der erste, der zweite und der dritte Widerstand, vorhanden sind. Durch einen sehr kurzen Testimpuls kann außerdem erkannt werden, ob der Entkoppel-Kondensator in der gemeinsamen Signalleitung vorhanden ist. Außerdem können durch die Variation des Testsignals durch Störpulse verursachte Fehlmessungen durch eine wiederholte Abfrage und Bewertung des Reaktionssignals plausibilisiert werden.
Das erfindungsgemäße Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung aus. Damit ist es möglich, Flüssigkeit im oder am Steuergerät sicher und einfach zu erfassen. Insbesondere ist zumindest eines der Sensorelemente der Sensoreinrichtung im Inneren eines Gehäuses des Steuergeräts angeordnet, um das Eindringen von Wasser in das Steuergerät zu überwachen.
Das erfindungsgemäße Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zeichnet sich durch zumindest eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung aus. Es ergeben sich dadurch die bereits genannten Vorteile. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung einem Steuergerät des Lenksystems zugeordnet, um beispielsweise in das Steuergerät eindringendes Wasser zu erkennen, wobei hierzu insbesondere zumindest eines der Sensorelemente im Inneren des Gehäuses des Steuergeräts angeordnet ist. Auch kann die Sensoreinrichtung oder eine weitere Sensoreinrichtung einem Lenkgetriebe-Gehäuse oder einem Aktuator des Lenksystems zugeordnet sein, um dieses auf eindringendes Wasser oder Wasser in der Umgebung zu überwachen. Vorzugsweise weisen das Steuergerät und/oder das Lenksystem mehrere erfindungsgemäße Sensoreinrichtungen auf, die als Pegel-Messeinrichtung ausgebildet beziehungsweise miteinander verschaltet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 zum Betreiben der Sensoreinrichtung beziehungsweise des Lenksystems zeichnet sich dadurch aus, dass der Signalgeber dazu angesteuert wird, ein Testsignal, insbesondere einen Testimpuls, zu erzeugen, und wobei mittels des Signalempfängers ein erstes Reaktionssignal zumindest zu einem Zeitpunkt erfasst wird, zu dem das Testsignal erzeugt ist, und wobei in Abhängigkeit von dem erfassten Reaktionssignal die Funktionsfähigkeit und/oder das Vorhandensein des elektrisch leitfähigen Mediums, insbesondere Flüssigkeit, durch das zumindest eine Sensorelement bestimmt wird. Insbesondere wird in Abhängigkeit von der Reaktionszeit des erfassten Reaktionssignals das Fehlen eines Sensors ermittelt, wobei in diesem Fall dem Sensor vorzugsweise ein Kondensator zugeordnet ist, durch welchen der Sensor mit einer Schaltungsmasse oder einer externen Masse verbunden ist. Besonders bevorzugt wird das Reaktionssignal zu drei Zeitpunkten erfasst, nämlich zu einem ersten Zeitpunkt, zu welchem das Testsignal noch nicht erzeugt ist, zu einem zweiten Zeitpunkt, zu dem das Testsignal erzeugt ist, und zu einem dritten Zeitpunkt, zu welchem das Testsignal abgeschlossen ist, sodass insgesamt drei Reaktionssignale erfasst werden. In Abhängigkeit der Signalwerte zu den drei Zeitpunkten ist die Funktionsfähigkeit des zumindest einen Sensorelements sowie das Vorhandensein des elektrisch leitfähigen Mediums bestimmt.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 eine vorteilhafte Sensoreinrichtung zum Erfassen eines elektrisch leitfähigen Mediums gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 die vorteilhafte Sensoreinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 die Sensoreinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
4A bis 4F beispielhafte Kennlinien der Sensorvorrichtung in Abhängigkeit unterschiedlicher Anwendungsfälle, und
5 eine Pegelmesseinrichtung, welche mehrere der vorteilhaften Sensoreinrichtungen aufweist.

1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Sensoreinrichtung 1 zum Detektieren elektrisch leitfähiger Medien, insbesondere einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, in einem hier nicht näher dargestellten Steuergerät 6 eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs.
Die Sensoreinrichtung 1 weist mehrere Sensorelemente WS1, WS2, WS3 bis WSn auf, die elektrisch mit einer Prüfeinheit 2 verbunden sind. Bei den Sensorelementen WS1 bis WSn handelt es sich beispielsweise um elektrisch leitfähige Prüfkontakte. Die Prüfeinheit 2 weist bevorzugt einen Mikrocontroller oder eine ASIC-Schaltung (Anwender-spezifische integrierte Schaltung) auf, oder wird durch eine solche gebildet. Die Prüfeinheit 2 weist einen Signalgeber 3 auf, der dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Testsignal zu erzeugen und gegebenenfalls zu variieren. Außerdem weist die Prüfeinheit 2 einen Signalempfänger 4 auf, der dazu ausgebildet ist, zumindest ein elektrisches Reaktionssignal in der Sensoreinrichtung 1, das sich aus dem von dem Signalgeber 3 erzeugten Testsignal ergibt, zu erfassen. Die Prüfeinheit 2 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit des erfassten Reaktionssignals zu bestimmen, ob die Sensoreinrichtung 1 funktionsfähig ist und/oder ob durch eine oder mehrere der Sensorelemente WS1 bis WSn elektrisch leitfähiges Medium erfasst wird. Dazu sind der Signalgeber 3 und der Signalempfänger 4 durch eine gemeinsame Signalleitung 5 mit den Sensorelementen WS1 bis WSn verbunden. Vor dem Zusammenführen der Signalleitungen 5 ist dem Signalgeber 3 ein erster Widerstand R1 nachgeschaltet und dem Signalempfänger 4 ein zweiter elektrischer Widerstand R2 vorgeschaltet. Die Widerstände R1 und R2 sind hochohmig ausgebildet, sodass das jeweilige Testsignal von dem Signalgeber 3 hochohmig auf die Sensorelemente WS1 bis WSn ausgegeben und hochohmig durch den Signalempfänger 4 zurückgelesen wird.
Jedes der Sensorelemente WS1 bis WSn ist einerseits an die gemeinsame Signalleitung 5 angeschlossen und andererseits durch einen Kondensator C1 bis Cn gegen Masse der Sensoreinrichtung 1 oder gegen eine externe Masse angeschlossen, sodass Störungen und/oder Störquellen, die auf elektrostatischen Entladungen beruhen, gegen Masse ausgekoppelt werden.
Der Signalempfänger 4 ist außerdem über einen weiteren Kondensator Cp gegen Masse angeschlossen, sodass Hochfrequenz-Störquellen am Sensoreingang kurzgeschlossen und damit ausgekoppelt werden. Der Kondensator Cp kann als zusätzliches Bauteil oder aber durch den vom Logikeingang des Signalempfängers 4 parasitär vorhandenen Kondensators gebildet werden.
Weiterhin ist ein hochohmiger Widerstand R3 zur Ableitung von möglichen Querströmen direkt am Logikausgang beziehungsweise am Ausgang des Signalgebers 3 gegen Masse angeschlossen. Wird eine logische Null durch den Signalgeber 3 herausgeschrieben, so werden die sich ergebenden Querströme durch diesen gegen Masse abgeleitet. Signalgeber 3 und Signalempfänger 4 sind insbesondere als Digitalbausteine ausgebildet, um ein einfaches Prüfverfahren zu ermöglichen.
4A zeigt in einem vereinfachten Diagramm Kennlinien der Sensoreinrichtung 1 im Testbetrieb. Eine erste durchgezogene Kennlinie K₃ zeigt das von dem Signalgeber 3 erzeugte Testsignal über die Zeit t. Eine gestrichelte Linie K₄ zeigt das von dem Signalempfänger 4 empfangene Reaktionssignal aus der Schaltung beziehungsweise der Signalleitung 5. Eine Linie Lp zeigt den zu erreichenden Logikpegel für das Testsignal K₃ an. Ein schraffierter Bereich B markiert einen undefinierten Pegel beziehungsweise einen Hysteresepegel, innerhalb dessen das Rücklesen des Reaktionssignals K₄ zu keinem eindeutigen Ergebnis führen würde.
Zu einem Zeitpunkt t1 wird eine Wasseranfrage gestartet, indem der Signalgeber 3 das Testsignal K₃ in Form eines Testimpulses erzeugt. In Reaktion darauf entsteht das Reaktionssignal K₄ , wenn keiner der Sensoren WS1 bis WSn mit elektrisch leitfähigem Medium in Kontakt ist. Das Reaktionssignal K₄ erreicht nahezu den Level des Testsignals K₃ zu einem Zeitpunkt t2, zu welchem das Testsignal K₃ sicher erzeugt ist, insbesondere kurz bevor das Testsignal beziehungsweise der Testimpuls zu einem Zeitpunkt t3 beendet und damit abgeschlossen wird.
Die Feuchtigkeitsanfrage erfolgt somit durch Abgabe und Abfrage des Testsignals. Der Signalgeber ist zunächst dauerhaft auf „low“ gesetzt. Noch bevor er das Testsignal erzeugt, wird er beziehungsweise das Testsignal hochohmig durch den Signalempfänger 4 ausgelesen. Wird ein low-Pegel erfasst, so kann Wasser vorhanden sein. Da aber zu diesem Zeitpunkt ein „low“ erwartet wird, wird dies als das Nichtvorhandensein von Wasser gewertet. Ist der eingelesene Pegel jedoch auf „high“, so ist ein Fremdpotential W+, wie beispielsweise das elektrisch leitfähige Wasser, das mit einem positiven Potential verbunden ist, vorhanden. Dieser Zustand wird dann zu diesem Zeitpunkt t1 als „Wasser vorhanden“ detektiert beziehungsweise gewertet.
Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 wird das Reaktionssignal ebenfalls durch den Signalempfänger 4 ausgelesen, noch bevor das Testsignal wieder abgeschaltet beziehungsweise der High-Pegel des Testsignals auf den Low-Pegel umgeschaltet wird. Wird zu diesem Zeitpunkt t2 ein High-Pegel gelesen, so wird dies als „kein Wasser“ gewertet. Ist das Reaktionssignal jedoch auf „low“, so wird dies zu diesem Zeitpunkt t2 als „Wasser vorhanden“ gewertet, wobei hier das Fremdpotential des Wassers ein negatives ist.
Anschließend wird zu dem Zeitpunkt t3 wieder durch Abschließen des Testsignals ein Low-Pegel durch den Signalgeber geschrieben beziehungsweise hochohmig ausgegeben. Erneut erfolgt zu dem Zeitpunkt t3 ein Auslesen mittels des Signalempfängers 4. Wird nun ein Low-Pegel (es könnte Wasser vorhanden sein) gelesen, so wird dies als ein „Nichtvorhandensein von Wasser“ gewertet. Ist das Reaktionssignal jedoch „high“, so wird auf „Wasser vorhanden“ erkannt. Hier liegt dann ein positives Fremdpotential des Wassers (W+) an. Dieser letzte Schreib- und Lesevorgang zwingt die Logik, einen Hysteresesprung mitzumachen, wobei sowohl ein positives Fremdpotential als auch ein negatives Fremdpotential vorhanden sind. Ohne diesen Sprung könnte eine Entdeckungslücke entstehen. Jedoch tritt dieser Fall sehr selten auf. Durch Verlängern und Verkürzen des Testsignals kann der Hysterese-Sprung bestimmt werden.
Somit ist durch das Messen beziehungsweise Auslesen der drei Reaktionssignale oder des Reaktionssignals zu den drei vorgegebenen Zeitpunkten t1 (bevor das Testsignal erzeugt wird), t₂ (wenn das Testsignal erzeugt ist) und t3 (wenn das Testsignal abgeschlossen ist) das Vorhandensein von Flüssigkeit sicher potentialunabhängig ermittelbar.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung 1, wobei aus 1 bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen werden.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel sieht die Sensorvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vor, dass in der gemeinsamen Signalleitung 5 ein Kondensator Cr in Serie zu den Sensorelementen WS1 bis WSn und dem Signalgeber 3 beziehungsweise dem Signalempfänger 4 Gleichspannungs-mäßig geschaltet ist. Dadurch wird ein RC-Glied gebildet, mit dem Vorteil, dass ein entkoppeltes System entsteht, bei welchem die Messzeitpunkte t1 und t3 nicht mehr relevant sind, es kommt nur noch der Zeitpunkt t2 zum Tragen. Es wird davon ausgegangen, dass jeder Spannungsquelle wie ein Kondensator wirkt, sodass im Mess-Pulsmoment dieser gegen 0 Ohm geht. Es ist daher egal, ob die Messung gegen ein negatives oder ein positives Potential (beispielsweise Masse- oder Plus-Potential) erfolgt, weil der Mess-Pulsmoment zum Zeitpunkt t2, wenn das Testsignal erzeugt ist, nur der Schluss nach Masse beziehungsweises zum negativen Potential gesehen wird. Durch das Hinzufügen des Kondensators Cr ist somit eine noch einfachere und dennoch eindeutige Bestimmung der Feuchtigkeit beziehungsweise eines elektrisch leitfähigen Mediums an einem der Sensorelemente WS1 bis WSn ermöglicht.
Während in den 1 und 2, die Widerständer R1, R2, R3 und der Kondensator Cp außerhalb der Prüfeinheit 2 liegen, ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass diese durch die Prüfeinheit 2 mit gebildet werden beziehungsweise in dieser liegen. Dies wird in den 1 und 2 durch einen gestrichelten Rahmen gezeigt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung 1, das sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dadurch unterscheidet, dass der Kondensator Cr noch vor der gemeinsamen Signalleitung 5 dem Widerstand R1 beziehungsweise dem hochohmigen Ausgang des Signalgebers 3 nachgeschaltet ist. Es handelt sich somit um eine Kombination aus den ersten beiden Ausführungsbeispielen. Auch hiermit ist eine vorteilhafte Messung sicher gewährleistet.
4A bis 4F zeigen unterschiedliche Messzyklen, die mit der vorteilhaften Sensoreinrichtung 1 durchführbar sind. 4A wurde oben stehend bereits erläutert, wobei in 4B bis 4F die gleichen Bezugszeichen verwendet werden und insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird.
In dem Ausführungsbeispiel von 4A ist ein Messzyklus potentialfrei durchgeführt, wobei an keinem der Sensorelemente WS1 bis WSn Wasser erfasst wird.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 4B handelt es sich um einen Zustand, bei welchem zumindest eines der Sensorelemente WS1 bis WSn mit Wasser beziehungsweise elektrisch leitfähiger Flüssigkeit in Kontakt ist. Das Reaktionssignal K₄ unterscheidet sich eindeutig von dem Testsignal K₃ und erreicht nicht den High-Level.
4C zeigt einen Messzyklus bei vorhandenem Wasser und bei einem Mischpotential aus Versorgungsspannung und Masse. Es ergibt sich zum Zeitpunkt t2 ein erhöhtes High-Reaktionssignal, außerhalb dieses Bereichs liegt jedoch das Reaktionssignal K₄ im undefinierten Pegelbereich B.
Bei einer Messung mit vorhandenem Wasser gegen eine Versorgungsspannung ergibt sich ein Messzyklus, wie er in 4D gezeigt ist.
4E zeigt einen Messzyklus bei vorhandenem Wasser gegen ein erhöhtes positives Potential und 4F einen Messzyklus bei vorhandenem Wasser gegen ein erhöhtes negatives Potential.
Es zeigt sich, dass die Sensorvorrichtung 1 in ihren unterschiedlichen Ausgestaltungen stets dazu in der Lage ist, potentialunabhängig eindeutig das Vorhandensein von Wasser oder einer anderen elektrisch leitfähigen Flüssigkeit zu erkennen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem mehrere der Sensoreinrichtungen 1 zu einer Pegelmesseinrichtung zusammengefügt sind, wobei bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Es zeigt sich, dass das Zusammenschalten mehrerer derartiger Sensoreinrichtungen 1 zu einer vorteilhaften Pegelmesseinrichtung führt, mittels derer eindeutig ein Füllstandspegel, beispielsweise in einem Wasser- oder Kraftstofftank, ermittelbar ist.
Durch eine Variation des Testsignals beziehungsweise dessen Pulsbreite kann der Widerstandsmessbereich der Messspannung verändert werden, sodass beispielsweise zwischen Tauwasser (Ionen-arm), eindringendem Wasser (Ionen-reich) und Salzwasser (Salz-Ionen) unterschieden werden kann. Je breiter der Testimpuls ist, desto höher ist die Mess-Puls-Spannung und desto unempfindlicher das Messsystem, und umgekehrt. Außerdem ist durch Bestimmung der Ladezeit der angeschlossenen Sensorelemente WS1 bis WSn ein Fehlen eines der Sensorelemente WS1 bis WSn erkennbar, denn jedes Sensorelement WS1 bis WSn erhält einen eigenen ESD-Kondensator C1 bis Cn. Vorteilhafterweise weisen die Kondensatoren C1 bis Cn unterschiedliche Kapazitäten auf, um eine eindeutige Zuordnung zu ermöglichen. Durch einen überlangen Testimpuls kann außerdem die Sensoreinrichtung 1 selbst diagnostiziert werden, beispielsweise indem erkannt wird, ob die Widerstände R1, R2 und gegebenenfalls R3 vorhanden sind. Durch einen sehr kurzen Testimpuls hingegen ist erkennbar, ob der Entkoppel-Kondensator Cr bei der Sensorvorrichtung 1 gemäß dem zweiten oder dem dritten Ausführungsbeispiel vorhanden ist.
Durch die oben genannte Variation der Testimpulse kann die Schaltung sich selbst auf ihre Funktionsfähigkeit überwachen. Außerdem ist durch die Variation der Testimpulse beziehungsweise des Testsignals möglich, durch Störpulse (periodisch oder stochastisch) verursachte Fehlmessungen durch wiederholte Abfrage und Bewertung zu plausibilisieren.
Die jeweilige Sensoreinrichtung 1 arbeitet außerdem vorzugsweise mit sogenannten floatenden (schwebenden) Massen (GND_GP), wie in 1 bis 3 beispielhaft gezeigt, was ihre Potential-Unabhängigkeit um eine zusätzliche Funktion erweitert. Die schwebende Masse GND_GP wird insbesondere mithilfe eines Widerstands RGP und/oder eines Kondensators CGP gebildet.
Durch die Sensoreinrichtung 1 ist eine störungsunempfindliche Wassererkennung von ionisiertem oder verschmutztem Wasser an einem Prozessor-/ASIC-/Logik-Eingang (Signalempfänger 4) möglich. Diese Störunempfindlichkeit bezieht sich sowohl auf elektrisch-statische Entladungen sowie auf elektromagnetische Störfelder oder externe Spannungspotentiale. Es können sowohl positive, negative als auch Misch-Potentiale zur Wasserdetektion verwendet werden. Der anliegende Widerstand wird potentialunabhängig ermittelt. Dies wird durch die dreimalige Signalauswertung im Fall des ersten Ausführungsbeispiels, die zu jedem Signalzeitpunkt anders bewertet wird, erreicht.
Die Erfassung des Wassers beziehungsweise des Mediums erfolgt dabei durch die Sensoreinrichtung 1 energiearm, da nur zum Messzeitpunkt Energie im µW-Bereich benötigt wird. Bei einer externen, also einer nicht in einen ASIC- oder mikrokontrollintegrierten Lösung, sind nur zwei Kontaktanschlüsse notwendig, einen zum Ausgeben des Testsignals und einen zum Einlesen des Rektionssignals, zwei hochohmige Widerstände R1, R2 sowie die ESD-Kondensatoren C1 bis Cn und gegebenenfalls der Entkoppel-Kondensator Cr.
Da die Schaltung der Sensoreinrichtung 1 im Wesentlichen aus den Widerständen R1, R2 und R3 besteht, kann sie im Mikrocontroller oder im ASIC mit integriert werden, wie oben stehend bereits erläutert. Dadurch entsteht ein spezialisierter Wassersensoreingang, der sowohl ein hochohmiger Lese-Eingang als auch ein hochohmiger Schreib-Ausgang ist.
Die Sensoreinrichtung 1 hat außerdem den Vorteil, durch die Testimpulse die Elektroden beziehungsweise die Sensorelemente WS1 bis WSn durch das Pulsverfahren weitgehend von Korrosion oder Migration befreit werden, sodass die Dauerhaltbarkeit der Sensoreinrichtung 1 gewährleistet ist.

Claims

Sensoreinrichtung (1) zum Erfassen von zumindest einem elektrisch leitfähigen Medium, insbesondere Flüssigkeit, insbesondere in einem Steuergerät eines Lenksystems eines Fahrzeugs, mit zumindest einem Sensorelement (WS1-WSn) und mit einer Prüfeinheit (2), wobei das Sensorelement (WS1-WSn) mit der Prüfeinheit (2) elektrisch verbunden ist, wobei die Prüfeinheit (2) einen mit dem Sensorelement (WS1-WSn) verbundenen Signalgeber (3) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Testsignal zu erzeugen, sowie einen mit dem Sensorelement (WS1-WSn) verbundenen Signalempfänger (4), der dazu ausgebildet ist, ein Reaktionssignal auf das elektrische Testsignal zu erfassen, wobei der Signalgeber (3) und der Signalempfänger (4) jeweils hochohmig mit dem zumindest einen Sensorelement (WS1-WSn) verbunden sind, und wobei die Prüfeinheit (2) dazu ausgebildet ist, ein erstes Reaktionssignal zumindest zu einem Zeitpunkt (t2) als erstes Reaktionssignal zu erfassen, zu dem das elektrische Testsignal erzeugt ist, um auf ein Vorhandensein des Mediums zu schließen.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (WS1-WSn) mit einem positiven oder mit einem negativen elektrischen Spannungspotential verbunden ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (1) mit einer schwebenden Masse (GND_GP) verbunden ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (WS1-WSn) durch einen Kondensator mit einem Masseanschluss der Sensoreinrichtung (1) oder mit einem externen Masseanschluss verbunden ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensorelemente (WS1-WSn) durch jeweils einen Kondensator (C1-Cn) mit Masse oder externen Masse verbunden/verbindbar sind, wobei die Kondensatoren (C1-Cn) unterschiedliche Kapazitäten aufweisen.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Widerstand (R2) und dem Signalempfänger (4) ein Kondensator (Cp) gegen Masse angeschlossen ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Widerstand (R1) und dem Signalgeber (3) ein dritter Widerstand (R3) gegen Masse angeschlossen ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand (R1) und der zweite Widerstand (R2) durch eine gemeinsame Signalleitung (5) mit dem zumindest einen Sensorelement (WS1-WSn) verbunden sind.
Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfeinheit (2) dazu ausgebildet ist, ein zweites Reaktionssignal zu einem Zeitpunkt (t1) zu erfassen, bevor das Testsignal erzeugt ist, das erste Reaktionssignal zu dem Zeitpunkt (t2) zu erfassen, zu dem das Testsignal erzeugt ist, und ein drittes Reaktionssignal zu einem Zeitpunkt (t3) zu erfassen, nachdem das Testsignal abgeschlossen ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der gemeinsamen Signalleitung (5) ein Kondensator (Cr) angeordnet ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfeinheit (2) dazu ausgebildet ist, nur das erste Reaktionssignal zu dem Zeitpunkt (t2) zu erfassen, zu dem das Testsignal erzeugt ist.
Steuergerät (6) mit einer Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Lenksystem mit zumindest einer Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder mit zumindest einem Steuergerät (6) nach Anspruch 12.
Verfahren zum Betreiben einer Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, einem Steuergerät (6) nach Anspruch 12 oder eines Lenksystems nach Anspruch 13, wobei der Signalgeber (3) dazu angesteuert wird, einen Testimpuls zu erzeugen, und wobei mittels des Signalempfängers (4) ein Reaktionssignal zumindest zu dem Zeitpunkt (t2) erfasst wird, zu dem der Testimpuls erzeugt ist, und wobei in Abhängigkeit von dem erfassten Reaktionssignal bestimmt wird, ob die Sensoreinrichtung (1) funktionsfähig ist und/oder zumindest ein elektrisch leitfähiges Medium, insbesondere Flüssigkeit, detektiert.