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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Ermittlung der Temperatur in einem Raum mit einer zumindest
in Teilen für
Sonnenstrahlung durchlässigen Begrenzungswand,
und insbesondere eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur
im Innenraum eines Fahrzeuges.
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Es existiert eine Vielzahl von Anwendungsfällen, in
denen die (Luft-)Temperatur in einem Raum messtechnisch erfasst
werden muss. Hierzu wird ein Temperaturfühler eingesetzt, der in einem
Messbereich des Raums, d.h. in dem den Temperaturfühler umgebenden
Bereich des Raums, die Temperatur messtechnisch ermittelt.
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Ein weiterer Anwendungsfall für eine Vorrichtung
zur Ermittlung der Temperatur in einem Raum ist beispielsweise ein
mit einer Klimaanlage ausgestattetes Fahrzeug. Derartige Fahrzeuge
verfügen über einen
Innenraum-Temperaturfühler,
der aus Design-Gründen
versteckt, zumeist im Klimaanlagen-Steuergerät angeordnet ist. Damit der
Innenraum-Temperaturfühler
die Temperatur der Luft im Fahrgastraum messen kann, streicht an
dem Innenraum-Temperaturfühler
ein Luftstrom vorbei, der von einem ebenfalls im Steuergerät angeordneten
Belüftungsmotor
erzeugt wird. Zu diesem Zweck ist der Innenraum-Temperaturfühler innerhalb
eines Kanals angeordnet, in den über
eine zum Fahrgastraum hin angeordnete Öffnung durch den Belüftungsmotor Luft
angesaugt wird.
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Dieses Konzept der messtechnischen
Ermittlung der Innenraumtemperatur hat sich in der Praxis grundsätzlich bewährt. Es
ist allerdings anzumerken, dass die bekannten Systeme nicht frei
von Fehlern sind. So ist das System beispielsweise durch das Vorhandensein
des Belüftungsmotors
gegen Störungen
anfäl lig,
und zwar einerseits was die Elektrik und andererseits die Aufrechterhaltung
des Luftstroms anbelangt. Wenn nämlich
beispielsweise der Strömungswiderstand
auf Grund einer zugesetzten Lufteinlassöffnung des Kanals steigt, so
ist der Innenraum-Temperaturfühler
nicht mehr im ausreichenden Maße
belüftet
und kann daher keine die Innenraumtemperatur im ausreichend genauen
Maße repräsentierenden
Messsignale liefern. Darüber
hinaus kann der Innenraum-Temperaturfühler auf Grund von in der Strömungsluft
mitgeführten
Partikeln verschmutzen und dadurch Messungenauigkeiten aufweisen. Diese
Gefahr besteht insbesondere in Fahrzeugen, in denen geraucht wird.
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Es ist schon mehrfach versucht worden,
die Temperaturerfassung im Innenraum eines Fahrzeuges mittels eines
Temperatursensors zu realisieren, der "unbelüftet" ist.
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So beschreibt beispielsweise die
DE 37 22 000 C2 eine
Vorrichtung zur Innenraumtemperaturmessung, bei der zwei Temperatursensoren
eingesetzt werden. Während
der eine Temperatursensor in der Nähe einer den Innenraum begrenzenden
Wand angeordnet und von der Luft des Innenraums umgeben ist, ist
ein zweiter Temperatursensor direkt an der Oberfläche der
Wand angeordnet. Über
eine Differenzmessung der Ausgangssignale beider Temperatursensoren
bei zusätzlicher
Berücksichtigung
eines Entkopplungsfaktors wird dann die tatsächliche Innenraumtemperatur
ermittelt. Eine weitere Vorrichtung zur Innenraumtemperaturmessung
ist in
DE 41 30 063
A1 beschrieben.
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Ferner ist aus
DE 100 49 979 A1 eine weitere Vorrichtung
zur Ermittlung der Innenraumtemperatur eines Fahrzeuges ohne Verwendung
eines Belüftungsmotors
bekannt. Diese bekannte Vorrichtung weist einen Temperatursensor
auf, der thermisch mit einem wärmeleitenden
Element gekoppelt ist, das bis in den Innenraum des Fahrzeuges hineinragt.
Der Temperatursensor ist hinter beispielsweise der Frontblende des
Klimasteuergeräts
angeordnet. Zur Kompensation von aufgrund von Sonneneinstrahlung
verfälschten
thermischen Bedingungen um das wärmeleitende
Element herum ist bei der bekannten Vorrichtung ein Sonnensensor
vorgesehen. Ferner weist die bekannte Vorrichtung einen weiteren
Kompensationssensor auf, bei dem es sich um einen weiteren Temperatursensor
handelt, der weit beabstandet vom zuvor genannten Temperatursensor
im Steuergerät
angeordnet ist und thermische Einflüsse, die sich negativ auf die
eigentliche Temperaturmessung auswirken, kompensieren soll.
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Aus
DE 198 13 093 C1 ist es bekannt, den Innenraum-Temperatursensor
einer Fahrzeugklimaanlage zusammen mit einem Sonnensensor an einem gemeinsamen
Gehäuse
anzuordnen. Während
der Sonnensensor innerhalb des das Gehäuse bildenden Materials angeordnet
ist, befindet sich der Temperatursensor, als einziger Innenraum-Temperaturfühler der
Klimaanlage außerhalb
dieses Gehäuses,
wobei er jedoch durch einen Überstand
des Gehäuses
des Sonnensensors vor Sonneneinstrahlung geschützt angeordnet ist. Diese Kombination
von Sensoren wird oben auf der Instrumententafel eines Fahrzeugs nahe
der Windschutzscheibe angeordnet.
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Die bekannten Innenraum-Temperaturmesssysteme
mit unbelüfteten
Fühlern
sind leider noch nicht so weit ausgereift, dass die Innenraumtemperatur
in jedem Temperaturzustand, in dem sich der Fahrgastraum und die
an diesen angrenzenden Fahrzeugkomponenten befinden, genau ermittelt werden
kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu
Grunde, eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur in einem
Raum, insbesondere der Innenraumtemperatur eines Fahrzeuges zu schaffen,
mit der die Temperatur genau gemessen bzw. ermittelt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit
der Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur in
einem Raum, insbesondere zur Innenraum-Temperaturermittlung bei
einem Fahrzeug vorgeschlagen, die versehen ist mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Die Unteransprüche
betreffen einzelne Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist unter anderem darin zu sehen, dass der Temperaturfühler und
ein Sonnensensor gemeinsam in dem das Gehäuse bildende Material eingebettet
sind. Über
die Gehäusewand
ist der Temperaturfühler
thermisch an den Messbereich des Raumes angekoppelt, der das Gehäuse umgibt.
Aus dem Gehäuse
heraus führen
Anschlusselemente (beispielsweise ein Leadframe). Mit den Anschlussenden
ist eine Verarbeitungseinheit elektrisch verbunden, die die Messsignale
vom Temperaturfühler
und vom Sonnensensor empfängt
und daraus ein die Temperatur im Raum repräsentierendes Ausgangssignal
erzeugt.
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Das den Temperaturfühler und
den Sonnensensor beinhaltende Gehäuse ragt zumindest mit einer
seiner Außenflächen in
den Raum hinein, wobei diese Außenfläche des
Gehäuses
vorzugsweise in der Begrenzungswand des Raumes angeordnet ist bzw.
geringfügig
gegenüber
der Begrenzungswand vorsteht. Das Gehäuse und die Begrenzungswand sind
zweckmäßigerweise
thermisch entkoppelt, was beispielsweise durch Schaffung eines Abstandes zwischen
dem Gehäuse
und der Begrenzungswand realisiert wird. Hinter der an den Raum
angrenzenden Außenfläche des
Gehäuses
befindet zweckmäßigerweise
der Temperaturfühler,
der damit lediglich durch eine dünne
Materialschicht (Schicht aus dem Material des Gehäuses) vom
Raum getrennt ist. Dadurch ist der Temperaturfühler zum Raum hin gut thermisch
angebunden, was die Temperaturmessungsgenauigkeit erhöht.
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Hinter der an den Innenraum angrenzenden Außenfläche des
Gehäuses
befindet sich ferner der Sonnensensor zur Erfassung von Sonneneinstrahlung.
Durch die messtechnische Erfassung dieser Sonneneinstrahlung kann
die thermische Erwärmung der
das Gehäuse
umgebenden Komponenten in Folge von Sonneneinstrahlung erfasst und
damit eine Verfälschung
des Messsignals des Temperatursensors kompensiert werden. Ideal
wäre es,
wenn die strahlungssensitive Fläche
des Sonnensensors direkt die Außenfläche des
Gehäuses
bildet. Dies ist jedoch aufgrund mechanischer Randbedingungen nicht
möglich.
So ist es zwingend erforderlich, dass der Sonnensensor durch transparentes
Material abgedeckt ist, da anderenfalls der Sonnensensor bzw. seine
Bedrahtung (Bonddraht) beschädigt
würde. Während auf
die sensitive Fläche
des Sonnensensors, so diese denn frei liegen würde, Licht auch unter Einfallswinkeln
von nahezu 90° auftreffen
würde, ist
dies so ohne weiteres bei einer Überdeckung
des Sonnensensors mit einer Materialschicht, wie es im Falle des
Gehäuses
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gegeben ist, wegen der Lichtbrechungs- und Reflektionseigenschaften
der Materialschicht nicht mehr möglich.
Um die Cosinus-förmige
Lichteinfalls- und Intensitätsverteilung
des Sonnenlichts auf einer Fläche
nachbilden zu können,
bedarf es einer speziellen Ausgestaltung des Gehäuses im Bereich von dessen
an den Innenraum angrenzenden Außenfläche. Hier spielen diverse Krümmungsradien und/oder
Materialbeschaffenheiten und/oder die Einbaulage des Sonnensensors
relativ zur Außenfläche eine
gewisse Rolle, worauf im Folgenden noch näher eingegangen wird.
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So hat es sich beispielsweise als
zweckmäßig erwiesen,
wenn als Gehäuseform
von der Form einer 5 mm-Standard-LED (bedrahtet) ausgegangen wird.
Dieses Standardgehäuses
wird dergestalt verändert,
dass es erfindungsgemäß an seinem
abgerundeten vorderen Ende Krümmungsbereiche
mit unterschiedlichen Krümmungsradien
aufweist. Erfindungsgemäß schließt sich
die zylindrische Umfangsfläche
des Gehäuses
eine erste relativ stark gekrümmte
Fläche
an, deren Radius zwischen 0,8 bis 1,5 mm und insbesondere 1,2 bis
1,4 mm beträgt. Diese
relativ stark gekrümmte
Fläche
erstreckt sich, bei Betrachtung des Gehäuses auf deren dem Raum ausgesetzten
Vorderseite innerhalb eines etwa 0,5 bis 1,5 mm breiten Außenringbereichs,
der insbesondere 1,3 bis 1,4 mm breit ist. Bezogen auf den Gesamtdurchmesser
des Gehäuses
beträgt
die Breite dieses Außenringbereichs
vorzugsweise 1/6 bis 1/4 des Durchmessers.
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Der von dem zuvor genannten Außenringbereich
umschlossene kreisförmige
zentrale Bereich der Vorderseite ist konvex gewölbt und weist einen Krümmungsradius
auf, der um mindestens eine Größenordnung
größer ist
als der Krümmungsradius
im Außenringbereich,
also mehr als das 10-fache dieses Krümmungsradius beträgt. Zweckmäßig ist
dieser Krümmungsradius
größer als
10 mm und vorzugsweise größer als
30 mm.
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Durch die zuvor beschriebene spezielle
konvex gewölbte
Ausbildung der in den Raum hineinragenden Außenfläche des Gehäuses, die stetig differenzierbar
ist, an den Übergängen der
unterschiedlich gewölbten
Abschnitte also keine Kanten aufweist, wird erreicht, dass auch
bei Einfallswinkeln nahe 90° noch
in ausreichendem Maße
einfallende Sonnenstrahlung auf die lichtsensitive Fläche des Sensors
auftrifft.
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Ein weiteres nicht uninteressantes
Kriterium ist die Einbaulage des Gehäuses relativ zu seiner Umgebung
(beispielsweise Frontblende). Hier ist es zweckmäßig, wenn das Gehäuse um etwa
1 mm vorsteht.
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In weiterer vorteilhafter Weiterbildung
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Chiphöhe des Sonnensensors zwischen
0,05 mm und 0,5 mm beträgt, wobei
der Leadframe, also die Kontaktanschlüsse, an ihren in das Gehäuse hineinragenden
Enden einen Abstand von der Außenfläche des
Gehäuses
von etwa 0,3 bis 1,5 mm aufweisen. Der Berechnungsindex des für das Gehäuse zur
Anwendung kommenden Materials liegt zwischen 1,0 und 1,8. Dieses
Material kann einen Transmissionsfilter aufweisen, so dass es lediglich
Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich
hindurch lässt.
Zusätzlich
kann dieses Material mit Diffusorpartikeln (beispielsweise Glaskügelchen)
vermischt sein, so dass sich mikroskopisch betrachtet eine Diffusionswirkung
einstellt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung ist ferner vorgesehen, dass der Temperaturfühler und der
Sonnensensor in ein das Gehäuse
bildendes Material eingebettet sind. Bei diesem Material handelt
es sich beispielsweise um ein Kunststoffmaterial und insbesondere
ein Harz. Das Gehäuse
hat vorteilhafterweise die Form eines Diodengehäuses, das durch einen Tauchvorgang
gebildet ist. Hier kann man sich der Herstellungstechniken zur Herstellung
herkömmlicher
LED-Gehäuse
(3 oder 5 mm im Durchmesser) bedienen. Eine alternative Herstellungstechnik
für das
den Temperaturfühler
und den Sonnensensor aufnehmende Gehäuse ist beispielsweise die
Kunststoff-Spritzgusstechnik.
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Zur Verringerung der Einflüsse auf
den Temperaturfühler
auf Grund von Wärmeleitungseffekten über die
Anschlusselemente ist gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass
der Temperaturfühler über seine
elektrischen Anschlusselemente elektrisch entkoppelt zu den mit
den Anschlusselementen verbundenen Einheiten ist. Diese thermische
Entkopplung kann entweder durch Ausbildung der Leitungen (dünn und lang)
oder durch Wahl des Materials der Anschlusselemente (nämlich schlecht
wärmeleitendes
Material, wie beispielsweise Stahl) realisiert werden.
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Zur weiteren Kompensation von thermischen Einflüssen aus
der Umgebung um den Temperaturfühler,
beispielsweise hervorgerufen durch an den Messbereich angrenzende
wärmeerzeugende
Komponenten, ist es von Vorteil, diese durch einen weiteren Temperaturfühler zu
ermitteln, wobei dieser weitere Temperaturfühler mit der Verarbeitungseinheit verbunden
ist und diese Verarbeitungseinheit aus den Messsignalen der beiden
Temperaturfühler
und dem Ausgangssignal des Sensors ein die Innenraumtemperatur repräsentierendes
Ausgangssignal ermittelt.
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Als Temperaturfühler kommt insbesondere ein
NTC-Widerstandselement in Frage, das zweckmäßigerweise in Form eines SMD-Bauteils
vorliegt. Alternativ zu einem NTC-Widerstandselement kommen auch
ein PTC-Widerstandselement oder ein Thermoelement, jeweils zweckmäßigerweise
ebenfalls in SMD-Bauteilausführung in
Frage. Bei dem Sonnensensor handelt es sich vorzugsweise um eine Fotodiode.
Beide Bauelemente sind an den stirnseitigen Enden von drei einen
so genannten Drei-Pin Standard-Leadframe bildenden stabför urigen
Anschlusselementen angeordnet, die bis in die Nähe einer Außenfläche des Gehäuses reichen. Das mittlere der
drei Abschlusselemente führt
ein für
den Temperaturfühler
und den Sonnensensor gemeinsames elektrisches Potenzial, ist also
mit jeweils einem elektrischen Anschluss von Temperaturfühler und
Sonnensensor verbunden, während
die beiden anderen Anschlusselemente mit den jeweils anderen elektrischen
Anschlüssen
von Temperaturfühler
und Sonnensensor verbunden sind.
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Aus Design-Gründen wird als Material für das Gehäuse ein
dunkles bzw. schwarzes Material verwendet. Hierdurch kann das Gehäuse optisch
wenig auffallend in einer Begrenzungswand des Raums angeordnet werden.
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Im Falle der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
für die
Innenraumtemperaturmessung von mit Klimaanlagen ausgestatteten Fahrzeugen
wird man das Gehäuse
in einer Öffnung
einer an den Innenraum des Fahrzeuges angrenzenden Frontblende des
Klimasteuergeräts
unterbringen.
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Neben der zuvor beschriebenen messtechnischen
Erfassung thermischer Einflüsse
(durch einen weiteren Temperaturfühler wie oben beschrieben) können diese
thermischen Einflüsse
zusätzlich
oder alternativ auch anhand von Rechenmodellen bzw. anhand von Betriebsparametern
der angrenzenden Fahrzeugkomponenten oder Bauteile ermittelt werden.
Aus diesen Betriebsparametern lässt
sich dann eine Eigenerwärmung
rechnerisch ermitteln. Verantwortlich für eine solche Eigenerwärmung sind
insbesondere Lichtquellen, die die Fahrzeugkomponente (Klimasteuergerät) zur Hinterleuchtung
einer Frontblende, eines Displays o.dgl. aufweist. Wenn die Betriebsspannung
dieser gegebenenfalls dimmbaren Hinterleuchtung zu Grunde gelegt
wird, so kann auf die zu erwartende Eigenerwärmung geschlossen werden (Rechenmodell).
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In vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit ein
Differenzierglied mit einer Zeitkonstanten zur Langzeitdifferenzierung
des Messsignals des Temperaturfühlers
aufweist. Die gleich bleibende oder vorteilhafterweise auch veränderbare
Zeitkonstante des Differenziergliedes liegt vorzugsweise zwischen einigen
Minuten und einigen 10 Minuten (z.B. 10 bis 30 Minuten) und insbesondere
zwischen 2 Minuten und 15 Minuten. Erfindungsgemäß werden das Messsignal des
Temperaturfühlers
und das differenzierte Messsignal, d.h. das Ausgangssignal des Differenziergliedes
in der Verarbeitungseinheit addiert. Die Addition beider Signale
repräsentiert
die Temperatur im Fahrgastraum des Fahrzeuges. Hierdurch kann die
thermische Trägheit
von den Temperaturfühler
umgebenden Bauteilen o.dgl. kompensiert werden. Anstelle der Differenzierung
des Ausgangssignals des Temperaturfühlers kann auch die Differenz
zwischen dem Soll- und dem Istwert der Innenraumtemperatur einer
Differenzierung unterzogen werden. Insoweit soll unter dem Begriff "Verarbeitungseinheit" im Rahmen dieser
Erfindungsbeschreibung auch beispielsweise der Innenraumtemperaturregler
einer Fahrzeugklimaanlage verstanden werden. Mit "Messsignal des Temperaturfühlers" ist also dann auch
die Regelabweichung des Regelkreises gemeint.
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In vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung ist in der Verarbeitungseinheit neben dem Differenzierglied
auch noch ein Verstärkungsglied
mit einem Verstärkungsfaktor
angeordnet. Dieses Verstärkungsglied
verstärkt
das differenzierte Messsignal, also das Ausgangssignal des Differenziergliedes. Zweckmäßigerweise
wird die Zeitkonstante des Differenziergliedes und/oder der Verstärkungsfaktor
des Verstärkungsgliedes
konstant gehalten oder verändert.
Die Veränderung
erfolgt insbesondere in Abhängigkeit
von dem gegebenenfalls kompensierten Messsignal des Temperaturfühlers selbst,
der Standzeit und/oder der Umgebungstemperatur des Fahrzeuges, der
Abweichung zwischen dem Ist- und dem Sollwert der Fahrgastraumtemperatur
oder zwischen dem Ist- und dem Sollwert der Temperatur der in den Fahrgastraum
einströmenden
Luft und/oder der Kühlwassertemperatur.
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Die wesentlichen Eigenschaften und
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind:
- – Die
Integration des SMD-Bauteils als Temperaturfühler und des Sonnensensors
in ein gemeinsames Gehäuses.
Es ergibt sich somit ein Bauteil mit zwei Funktionen (Temperaturmessung
und Messung der Sonneneinstrahlung).
- – Die
Anordnung des Sensors in eine den Innenraum eines Fahrzeugs begrenzenden
Wand in der Form, dass der Temperaturfühler über die Oberfläche des
Sensors unmittelbaren Kontakt mit der Temperatur der Innenraumluft
an der den Innenraum begrenzenden Wand hat.
- – Die
Anordnung des Temperaturfühlers
in das Gehäuse
des Sensors in unmittelbarer Nachbarschaft zur Oberfläche des
Sensorgehäuses, durch
die der Sonnensensor die Sonneneinstrahlung misst und die in Kontakt
mit der Innenraumluft steht.
- – Eine
direkte thermische Kopplung zwischen der Innenraumluft an der Oberfläche der
Wand und dem Temperaturfühler
durch das Gehäusematerial
des Sensors. Dadurch entfällt
ein Wärmeleitungselement
zwischen Innenraum und Temperaturfühler.
- – Ein
sehr kurzes Ansprechverhalten des Temperaturfühlers auf Temperaturänderungen
der Innenraumluft, da eine direkte thermische Kopplung zwischen
Innenraumluft und Temperaturfühler über die
Oberfläche
des Sensorgehäuses
besteht. Der Temperaturfühler
reagiert deshalb schnell und genau auf Temperaturänderungen
der Innenraumluft.
- – Eine
geringe Abweichung der durch den Temperaturfühler gemessenen Temperatur
von der Temperatur der Innenraumluft an der begrenzenden Wand auf
Grund der sehr guten thermischen Kopplung zwischen Innenraumluft
und Temperaturfühler.
- – Ein
geringer Einfluss von den Temperaturfühler umgebenden störenden Wärmequellen
(Steuergerätebeleuchtung,
Leistungsbauteile und andere Wärmequellen,
z.B. eines Steuergerätes,
in das der Sensor eingebaut ist, aber auch externe Geräte in Nachbarschaft
zum Einbauort des Sensors), da über
das schlecht wärmeleitende
Leadframe die Wärme
der thermischen Störquellen
nur sehr schlecht auf den Temperaturfühler übertragen wird.
- – Ein
geringer Korrektureinfluss des Differenziergliedes der Verarbeitungseinheit
auf Grund der kurzen Ansprechzeit des Sensors und des oben beschriebenen
geringen Einflusses störender Wärmequellen
auf den Temperatursensor. Die Zeitkonstante des Differenziergliedes
kann deshalb klein gewählt
werden, so dass eine zeitlich genau aufgelöste Temperaturmessung der Innenraumtemperatur
möglich
ist. Ebenfalls kann der Verstärkungsfaktor
des Differenziergliedes klein gewählt werden, so dass die Bestimmung
der tatsächlichen
Innenraumtemperatur verbessert wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnung näher
erläutert.
Im einzelnen zeigen:
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1 eine
Ansicht aus einem Fahrzeuginnenraum auf die Instrumententafel,
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II der 1 zur
Verdeutlichung der Anordnung der Sensoren für die Innenraumtemperaturmessung
mit unbelüftetem
Fühler,
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3 einen
Schnitt entlang der Linie III-III durch die Frontblende und die
hinter dieser angeordneten Bauteile des Klimaanlagen-Steuergeräts zur Verdeutlichung
der Ausbildung der Sensorik und
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4 ein
Blockschaltbild der Beschaltung des unbelüfteten Temperaturfühlers zur
Ermittlung der Temperatur im Fahrzeuginnenraum.
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1 zeigt
eine Ansicht auf die in Fahrtrichtung angeordnete Vorderseite eines
Fahrgastraums 10 eines Fahrzeuges 12, das über eine
Klimaanlage (Klimaautomatik) verfügt. In der Instrumententafel 14 des
Fahrzeuges 12 befindet sich das Klimaanlagen-Steuergerät 16,
das eine Frontblende 18 mit einem Display 20 sowie
einer Vielzahl von Tasten 22 aufweist. Gemäß 2 schließt die Frontblende 18 das
Steuergerät 16 zum
Innenraum 10 hin ab. Das Steuergerät 16 weist ein Gehäuse 24 auf,
das in die Instrumententafel 14 eingelassen ist. Neben
diversen Sensoren wie Außentemperaturfühler 26 und
Sonnensensor 28 weist die Klimaanlage des Fahrzeuges 12 eine
Vielzahl von Komponenten auf, auf die an dieser Stelle nicht eingegangen
werden soll, da sie für
die Erfindung nicht weiter relevant sind.
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Für
die Erfindung bedeutend ist hingegen die Art und Weise der Ermittlung
der Temperatur im Fahrgastraum 10. Zur Ermittlung dieser
Innenraumtemperatur ist eine Anordnung von Sensoren vorgesehen,
die zwei Temperaturfühler 30, 32 sowie
einen Sonnensensor 34 (Fotodiode) umfasst. Der erste Temperaturfühler 30 und
der Sonnensensor 34 sind dabei in einem gemeinsamen Gehäuse 36 angeordnet,
und zwar in dem Material dieses Gehäuses 36 eingebettet.
Dieses Gehäuse 36 befindet
sich in einer Öffnung 38 der
Frontblende 18 und steht an seinem vorderen Ende 40,
in dem der erste Temperaturfühler 30 und
der Sonnensensor 34 angeordnet sind, über die Frontblende 18 vor.
Damit erfasst der erste Temperaturfühler 30 die Temperatur
der Luft in einem Messbereich 42 um das vordere Ende 40 des
Gehäuses 36.
Der zweite Temperaturfühler 32 ist
im inneren des Gehäuses 24 des
Steuergeräts 16 angeordnet und
misst die Eigenerwärmung
des Steuergeräts 16. Auf
diese Weise lässt
sich das infolge der Eigenwärmung
des Steuergeräts 16 eventuell
verfälschte Messsignal
des ersten Temperaturfühlers 30 kompensieren.
Der Sonnensensor 34 misst die Intensität der in den Messbereich 42 einfallenden
Sonnenstrahlung, so dass sein Ausgangssignal die Erwärmung der
Frontblende 18 infolge der Sonneneinstrahlung repräsentiert.
Damit wiederum ist es möglich,
die Verfälschung
des Messsignals des ersten Temperaturfühlers 30 infolge der
thermischen Beeinflussung seitens der durch Sonneneinstrahlung erwärmten Frontblende 18 zu
kompensieren.
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Wie anhand von 3 zu erkennen ist, ragen zur Rückseite
der Frontblende 18 hin aus dem Gehäuse 36 drei Anschlusselemente 44, 46, 48 heraus,
die in dem Material des Gehäuses 36 eingebettet
sind. Die vorderen Enden dieser Anschlusselemente befinden sich
in unmittelbarer Nähe
hinter der Stirnfläche 50
am vorderen Ende 40 des Gehäuses 36. An diesen
Enden der Anschlusselemente 44 bis 48 befindet
sich ein als SMD-Bauteil ausgeführtes NTC-Widerstandselement 52 als
erster Temperaturfühler 30 und
eine Halbleiterfotodiode 54 mit Lichteinfallfläche 55 als
Sonnensensor 34. Das mittlere Anschlusselement 46 ist
mit beiden diesen Bauteilen elektrisch verbunden, während die
jeweils anderen Anschlussenden dieser Bauteile elektrisch mit den beiden
anderen Anschlusselementen 44 und 48 verbunden
sind. Demzufolge befindet sich also das NTC-Widerstandselement 52 und
die Halbleiterfotodiode 54 unmittelbar hinter der Stirnseite 50 des
Gehäuses 36,
wodurch das NTC-Widerstandselement 52 die
Temperatur der Luft im Messbereich 42 nahezu direkt erfasst.
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Wie bereits zuvor dargelegt, dient
der Sonnensensor 34 zur Erfassung einfallender Strahlungsintensität, um daraus
die Oberflächenerwärmung in Folge
des Strahlungseinfalls ermitteln zu können. Die auf eine Oberfläche auftreffende
Strahlungsintensität hängt nach
dem bekannten Cosinus-Gesetz (auch Lambent-Gesetz genannt) von der
Ausrichtung des Oberflächenelements
zur Strahlungsrichtung, also vom Strahlungseinfallwinkel ab. Dadurch,
dass die Lichteinfallfläche 55 des
Sonnensensors 34 von (Kunststoff-) Material des Gehäuses 36 überdeckt
ist, kann aus dem Messsignal der Bestrahlungsintensität des Sensors
nicht mehr auf den Einfallswinkel der Strahlung rückgeschlossen
werden. Insbesondere bei Einfallswinkeln von nahe 90° zum Lot
der Lichteinfallfläche 55 des
Sonnensensors 34 ist dessen Messsignal nicht mehr repräsentativ
für den
Einfallswinkel.
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Dies wird erfindungsgemäß durch
die spezielle Ausgestaltung der Stirnseite 50 des Gehäuses 36 kompensiert.
Diese Stirnseite 50 weist einen Außenringbereich 49 auf,
der einen vergleichsweise kleinen Krümmungsradius aufweist und einen
kreisförmigen
Innenbereich 51 umschließt, dessen Krümmungsradius
wesentlich größer als
der Krümmungsradius
im Außenringbereich 49 ist
und mehr als 10,0 mm, vorzugsweise mehr als 30,0 mm, beträgt.
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Die beiden zuvor genannten Teilbereiche 49 und 51 der
Stirnseite 50 gehen stetig differenzierbar ineinander über.
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Die zuvor genannten Krümmungsradien
gelten in diesem Ausführungsbeispiel
für eine
Standard-LED-Gehäuseform
(bedrahtet) mit einem Durchmesser von ca. 5,0 mm und einer axialen
Erstreckung von 3,0 bis 10,0 mm.
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Ferner von Bedeutung ist die Einbauhöhe des Sonnensensors 34 und
der Abstand der Lichteinfallfläche 55 von
der Stirnseite 50 des Gehäuses 36, der in diesem
Ausführungsbeispiel
ca. 1,0 mm beträgt.
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Damit der Sonnensensor aus sämtlichen Raumwinkeln
einfallende Strahlung erfassen kann, ist das NTC-Widerstandselement 52 bezogen
auf die Stirnseite 50 des Gehäuses gegenüber dem Sonnensensor 50 zurückversetzt
angeordnet. Während
der Sonnensensor 50 an der Stirnseite des mittleren Anschlusselements 46 angeordnet
ist, befindet sich das NTC-Widerstandselement 52 an
den Seitenflächen der
Anschlusselemente 46 und 48.
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Zur Unterdrückung von thermischen Einflüssen durch
einen Wärmefluss
aus dem Gehäuse 24 des
Klimaanlagen-Steuergeräts 16 über die
Anschlusselemente 48 und 46 sind diese aus einem
relativ schlecht wärmeleitenden
Material, beispielsweise Stahl gefertigt. Die drei Anschlusselemente 44 bis 48 sind
durch eine hinter der Frontblende 18 im Gehäuse 24 des
Klimaanlagen-Steuergeräts angeordnete
Leiterplatine 56 hindurchgeführt und mit (nicht dargestellten
Leiterbahnen) elektrisch verbunden. Auf der Leiterplatine 56 befindet
sich neben einer Vielzahl von elektrischen und elektronischen Komponenten
auch eine Verarbeitungseinheit 58, die unter anderem mit
dem ersten Temperaturfühler 30 und dem
Sonnensensor 34 und auf der anderen Seite mit dem zweiten
Temperaturfühler 32 elektrisch
verbunden ist. Die Verarbeitungseinheit 58 empfängt die Messsignale
dieser Fühler
bzw. Sensoren und ver arbeitet diese in ein Signal, das die Lufttemperatur
im Messbereich 42 bzw. im Innenraum des Fahrzeuges repräsentiert.
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In 3 ist
gestrichelt ein alternativer Anbringungsort des NTC-Widerstandselements 52 innerhalb
des Gehäuses 36 dargestellt.
Grundsätzlich gilt
jedoch, dass die Messung des ersten Temperaturfühlers 30 umso genauer
und unverfälschter
ist, je weiter der erste Temperaturfühler 30 zum vorderen Ende 40 des
Gehäuses 36 hin
angeordnet ist.
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Die Besonderheiten und Bestandteile
des zuvor beschriebenen und insbesondere in 3 gezeigten kombinierten Temperatur-
und Sonnensensors lassen sich kurz wie folgt zusammenfassen:
- – Als
(erster) Temperaturfühler 30 wird
ein SMD-Bauteil (NTC-Widerstandselement 52) verwendet.
- – Zur
Messung des Sonneneinflusses wird ein Sonnensensor 34 in
Form einer Fotodiode 54 verwendet.
- – Zur
elektrischen Kontaktierung des ersten Temperaturfühlers 30 und
des Sonnensensors 34 werden Anschlüsse in Form eines Drei-Pin
Standard-Leadframes
für bedrahtete
Bauelemente eingesetzt. Als elektrisch leitendes Material für den Leadframe
wird ein schlecht wärmeleitendes Material,
beispielsweise Stahl, oder andere schlecht wärmeleitende Metalle verwendet.
Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Anschlusselemente 44 bis 48 lässt sich
auch konstruktionsbedingt eine Wärmeentkopplung
realisieren.
- – Das
Gehäuse 36 liegt
in Form eines im wesentlichen üblichen
Fotodiodengehäuses
zur Integration des ersten Temperaturfühlers 30 und des Sonnensensors 34 vor.
Aber auch jede andere Gehäuseform
ist möglich.
Der Temperaturfühler 30 ist
zweckmäßigerweise
unmittelbar hinter der an den Innenraum angrenzenden Oberfläche (Stirnseite 50)
angeordnet.
- – Die
Oberfläche
des Gehäuses 36 ist
so gestaltet, dass der Einfluss der Sonneneinstrahlung auf die Temperaturerhöhung der
Oberfläche
in der Nähe
des Gehäuses
und im Gehäuse
selbst durch den Sonnensensor (indirekt) korrekt ermittelt werden
kann.
- – Bei
dem Material, aus dem das Gehäuse 36 besteht,
handelt es sich um ein Kunststoffmaterial, das optisch durchlässig ist
und den Sonnensensor 34 sowie den ersten Temperaturfühler 30 vor mechanischen
Einflüssen
schützt.
Weiterhin bietet das Gehäuse 36 durch
eine entsprechende konstruktive Gestaltung die Möglichkeit der Befestigung in
oder an einem Objekt, vorzugsweise an der Frontblende 18 oder
der Leiterplatine 56 des Klimaanlagen-Steuergeräts 16.
- – Auf
Grund der optischen Durchlässigkeit
des Materials des Gehäuses 36 können Störeinflüsse auf
das Messsignal des ersten Temperaturfühlers 30 auf Grund
der Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit
sowohl vom Einfallswinkel als auch von der Intensität der Sonnenstrahlung
erfasst werden.
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Sämtliche
Messfühler
(Temperaturfühler 30, 32 und
Sonnensensoren 28, 34) sind gemäß 4 miteinander verschaltet,
um anhand ihrer Messsignale auf die Temperatur im Fahrgastraum 10 schließen zu können. 4 zeigt das Blockschaltbild
der Verarbeitungseinheit 60.
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Das Messsignal des hinter der Frontblende angeordneten
Temperaturfühlers 30 ist
beeinflusst durch die Steuergerät-Eigenerwärmung und
die Erwärmung
der Frontblende 18 infolge von Sonneneinstrahlung. Daher
weist die Schaltung gemäß 4 eine Einheit 62 zur
Kompensation der Geräteerwärmung auf.
In dieser Einheit werden die Messsignale der beiden Temperaturfühler 30, 32 voneinander
subtrahiert und das Differenzsignal einem Tiefpassfilter 64 zugeführt. Das
Ausgangssignal des Tiefpassfilters 64 wird mit dem Messsignal
des Temperaturfühlers 30 verschaltet,
indem zwischen beiden die Differenz gebildet wird.
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Die Schaltung gemäß 3 verfügt darüber hinaus über eine Einheit 66 zur
Kompensation der Erwärmung
der Frontblende 18 infolge der Sonneneinstrahlung. Der
hierzu in der Frontblende 18 vorgesehene Sonnensensor 34 ist, wie
oben beschrieben, in unmittelbarer Nähe des Temperaturfühlers 30 angeordnet.
Grundsätzlich
reicht es aus, wenn ausschließlich
das Ausgangssignal des an der Frontblende 18 angeordneten
Sonnensensors 34 ausgewertet wird. In speziellen Situationen
kann es jedoch nützlich
sein, durch Vergleich der Ausgangssignale des Klimaanlagen-Sonnensensors 28 und
des Frontblenden-Sonnensensors 34 den
Winkel und die Intensität
der auf den Temperaturfühler 30 einwirkenden
Sonnenstrahlung zu ermitteln. Dann nämlich kann die Erwärmung der
Frontblende 18 durch die Sonne genauer bestimmt werden.
Dies gilt insbesondere in den Fällen,
in denen auf Grund platzbedingter Situationen auch seitlich auf
den Sonnensensor 34 Sonnenstrahlung einwirkt. Das Ausgangssignal
des ersten (Frontblenden-)Temperaturfühlers 30 wird um das
Ausgangssignal der Schaltungskomponente 68 zum Bewerten
der Sonnensensorsignale der Einheit 66 kompensiert, was
durch Subtraktion erfolgt.
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Um das Messsignal des Frontblenden-Temperaturfühlers 30 auch
während
Temperatur-Transientenvorgängen
für die
Ermittlung der Temperatur im Fahrgastraum 10 möglichst
schnell heranziehen zu können,
ist es erforderlich, dieses Messsignal grundsätzlich unabhängig davon,
ob es nun, wie vorstehend beschrieben, kompensiert ist oder nicht,
einer dynamischen Kompensation zu unterziehen. Zu diesem Zweck ist
die Schaltung gemäß 4 mit einer Dynamik-Kompensationseinheit 70 versehen.
Diese Einheit 70 weist ein Differenzierglied 72 und
ein Verstärkungsglied 74 auf,
deren Zeitkonstante τ und
Verstärkungsfaktor
k veränderbar
sind. Diese Veränderung
erfolgt in Abhängigkeit
von dem temperaturkompensierten Messsignal des Temperaturfühlers 30,
der von dem Außentemperaturfühler 26 gemessenen Außentemperatur,
der Standzeit des Fahrzeuges und der Differenz ε zwischen dem Sollwert und dem
Istwert der Temperatur im Fahrgastraum 10. Bei dem Differenzierglied 72 handelt
es sich um ein Langzeit-Differenzierglied, dessen Zeitkonstante
im Bereich von einigen wenigen Minuten bis einigen 10 Minuten liegt.
Durch die Differenzierung des gemessenen bzw. vorkompensierten Signals
des Temperaturfühlers 30 werden
Fehlmessungen ausgeglichen. Der gesamte an den Fahrgastraum 10 angrenzende Fahrzeugbereich
erwärmt
sich nämlich
wesent lich langsamer bzw. kühlt
sich wesentlich langsamer ab als die Luft im Fahrgastraum 10.
Dies muss bei der Messung der Temperatur im Fahrgastraum anhand des
nahe der Frontblende 18 angeordneten Temperaturfühlers 30 berücksichtigt
werden, was durch das Langzeit-Differenzierglied 72 erfolgt. Über das
Verstärkungsglied 74 und
insbesondere über
eine Veränderung
von dessen Verstärkungsfaktor
kann eine Wichtung dieser Einflussfaktoren auf das Messsignal des
Temperaturfühlers 30 vorgenommen
werden.
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Insgesamt ergibt sich mit der Beschaltung gemäß 4 und insbesondere mit der
Langzeit-Differenzierung der Dynamik-Kompensationseinheit 70 eine
komfortabel arbeitende Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur
im Innern eines Fahrzeuges, ohne dass ein belüfteter Innenraumtemperaturfühler eingesetzt
wird. Die Vorteile des erfindungsgemäß eingesetzten "unbelüfteten" Temperaturfühlers sind in
einer Erhöhung
der Zuverlässigkeit
der gesamten Vorrichtung zu sehen, da elektrische und mechanische
Ausfälle
von bewegbaren Komponenten nicht zu befürchten sind. Außerdem ergibt
sich eine Kostenersparnis sowie eine erhöhte Funktionstüchtigkeit und
ein Komfortvorteil, da die Gefahr akustischer Belästigungen
ausgeschlossen ist.
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Die Besonderheiten des optischen
Sensors zur Erfassung einfallender Strahlungsintensität zwecks
Ermittlung der Oberflächenerwärmung durch den
Strahlungseinfall wurden im Rahmen dieser Beschreibung anhand des
Beispiels der Integration in einen der Temperaturerfassung dienenden
Sensor beschrieben. Die Erfindung ist aber auf die Kombination des
optischen Sensors mit einem Temperatursensor nicht beschränkt und
kann auch eingesetzt werden, ohne dass in dem den Sonnensensor aufnehmenden
Gehäuse
ein Temperatursensor untergebracht ist. Die Integration des Temperatursensors in
dem Gehäuse
hat in erster Linie den Vorteil, dass dann mit ein und demselben
Element (Gehäuse)
sowohl die Temperatur als auch die Strahlung erfasst werden kann.
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- 10
- Fahrgastraum
- 12
- Fahrzeug
- 14
- Instrumententafel
- 16
- Steuergerät
- 18
- Frontblende
- 20
- Display
- 22
- Tasten
- 24
- Gehäuse
- 26
- Außentemperaturfühler
- 28
- Klimaanlagen-Sonnensensor
- 30
- Innenraumtemperaturfühler,
- 32
- Temperaturfühler
- 34
- Frontblenden-Sonnensensor
- 36
- Gehäuse
- 38
- Öffnung
- 40
- vorderes
Ende von Gehäuse 36
- 42
- Messbereich
- 44
- Anschlusselement
- 46
- Anschlusselement
- 48
- Anschlusselement
- 50
- Stirnseite
von Gehäuse 36
- 52
- NTC-Widerstandselement
- 54
- Fotodiode
- 55
- Lichteinfallflächen der
Fotodiode
- 56
- Leiterplatine
- 58
- Verarbeitungseinheit
- 60
- Verarbeitungseinheit
- 62
- Kompensationseinheit
- 64
- Tiefpassfilter
- 66
- Kompensationseinheit
- 68
- Schaltungskomponente
- 70
- Dynamik-Kompensationseinheit
- 72
- Langzelt-Differenzierglied
- 74
- Verstärkungsglied