DE3211644C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aus­ fallerkennung eines Sensors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei vielen Maschinen, bei denen Sensoren zur Regelung oder Steuerung bestimmter Funktionen eingesetzt sind, ist die ordnungsgemäße Funktion dieser Sensoren von besonderer Bedeutung, da ein Ausfall des Sensors zu erheblichen Betriebsstörungen oder Zerstörungen dieser Maschinen führen kann. So kann beispielsweise der Aus­ fall eines an einer Brennkraftmaschine angeordneten Klopfsensors, über dessen Ausgangssignal die Zündkenn­ linie dem Verlauf der Klopfgrenze nachgeführt wird, zu einer schnellen Zerstörung der Brennkraftmaschine führen.

Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der DE-OS 29 42 250 beschrieben; sie dient einerseits zum Erfassen der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auf­ tretenden Schwingungen und andererseits zum Erkennen eines Ausfalls des Sensors. Zu diesem Zweck ist jeder Motorzyklus in eine Maß- und eine Prüfphase aufgeteilt. Während der Meßphase wird das Sensorausgangssignal mit einem von diesem abgeleiteten Referenzsignal, der "Klopf­ schwelle", in einem Komparator verglichen. Dieser Teil berührt jedoch nicht den Gegenstand der Erfindung.

Während der Prüfphase wird das Sensorausgangssignal bzw. das Referenzsignal mit einem Schwellwert oder mit einem Toleranzband verglichen und bei Überschreiten der Grenz­ werte ein Signal abgegeben. Da das Referenzsignal infolge der Tiefpaßwirkung sich im Vergleich zum Sensorausgangs­ signal sehr langsam ändert und das Sensorausgangssignal bei steigender Unempfindlichkeit sich seinem innerhalb des Toleranzbandes befindlichen Mittelwert nähert, kann ein Sensorausfall nur relativ spät erkannt werden. Anderer­ seits kann es bei Einengung des überwachten "Fensters" zu ungewünschten Fehlsignalen kommen.

Aus der DE-OS 30 23 013 ist eine Anordnung zur Ausfaller­ kennung eines optischen Sensors bekannt, dessen inte­ griertes Ausgangssignal mit einem der Einspritzdauer zuge­ ordneten Signal in einem Komparator verglichen wird, an dessen Ausgang eine monostabile Kippstufe angeschlossen ist, welche vom ausbleibenden Sensorausgangssignal ge­ setzt wird, während ihrer Standzeit gezieltes Motor­ klopfen zur Reinigung des Sensors erzeugt und nach Rück­ kehr in den stabilen Zustand über ein NOR-Glied zusammen mit weiterhin ausbleibendem Sensorausgangssignal ein Alarmsignal erzeugt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Ausfallerkennung eines Sensors zu schaffen, welche in der Lage ist, im Fehlerfall möglichst schnell ein Alarmsignal abzugeben bzw. die zu überwachende Maschine so einzustellen, daß ein Folgeschaden nicht auftreten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patent­ anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Danach wird aus dem Sensorausgangssignal, welches eine von der Last und der Drehzahl der rotierenden Maschinenteile abhängige Kurvenform aufweist, bei Brennkraftmaschinen bei­ spielsweise der Verlauf des Kompressionsdruckes eines Zy­ linders, des Körperschalls, oder der Zündspannung, ein gleichgerichtetes und geglättetes Referenzsignal gebildet und soweit abgeschwächt, daß es in jeder Periode - mit "Periode" sei hier und im folgenden der mittlere zeitliche Abstand der Spitzenwerte des Sensorausgangssignals bei der jeweiligen Drehzahl m verstanden - wenigstens von einem Spitzenwert des Sensorausgangssignals überschritten wird. Diese Überschreitungen werden in einem Komparator festgestellt, dessen Ausgangssignal zum Triggern einer retriggerbaren monostabilen Kippstufe verwendet wird, so daß bei ordnungsgemäß funktionierendem Sensor die Kipp­ stufe immer getriggert ist und ein Dauersignal abgibt. Fällt der Sensor aus, bleiben auch die Triggerimpulse aus und die Kippstufe fällt nach Ablauf der Kippzeit ab. Das Null-Signal am Ausgang der Kippstufe wird als Ausfall­ signal betrachtet und für die Abgabe eines Alarmes bzw. einer Verstellung der zu überwachenden Maschine herangezogen.

Eine erhöhte Störsicherheit kann erreicht werden, wenn zum Referenzsignal ein drehzahlabhängiges Signal addiert wird, da damit nicht nur ein Totalausfall, sondern auch eine deutliche Verminderung der Sensorempfindlichkeit erkannt werden kann, die dem Totalausfall meistens vorangeht.

Ebenfalls eine größere Störsicherheit und eine schnellere Ausfallerkennung kann erreicht werden, wenn die Standzeit der monostabilen Kippstufe, die, wenn sie konstant ist, länger als die Periodenzeit bei der langsamsten Drehzahl dauern muß, ebenfalls von der Drehzahl des rotierenden Maschinenteils abhängig variierbar ist, so daß sie je­ weils nur etwas länger als die Periodenzeit bei der augenblick­ lichen Drehzahl bzw. der aus ihr abgeleiteten Funktion ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels einer Ausfallerkennung eines Klopfsensors er­ läutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Vorrichtung und

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der einzelnen Signale.

In Fig. 1 ist der zu überwachende Klopfsensor 1 einer sogenannten Antiklopfregelung AKR für eine Brennkraft­ maschine schematisch als Kreis dargestellt. Er kann bei­ spielsweise ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor sein, wie er bei solchen Regelungen eingesetzt wird. Sein Ausgangssignal, welches infolge der rotierenden Maschinen­ teile oder der von ihnen abgeleiteten Funktionen (Zünd­ spannungs- oder Verbrennungsdruckverlauf bei Brennkraft­ maschinen) einen periodisch zwischen Impulsen mit großen und kleinen Amplituden wechselnden Verlauf aufweist, ge­ langt nach einer eventuellen Verstärkung und Filterung in einer schematisch als Kasten 2 angedeuteten Schaltung als Sensorausgangssignal u _s zu der nicht dargestellten, durch einen Pfeil angedeuteten Antiklopfregelung AKR.

Dieses Sensorausgangssignal u _s wird einer Referenz­ schaltung 3 zugeführt, in welcher aus ihm ein gleichge­ richtetes und geglättetes Referenzsignal U _R gewonnen und soweit abgeschwächt oder verstärkt wird, daß es laufend nur von den periodisch erscheinenden Spitzenwerten des normalen, also nicht gestörten Sensorausgangssignals u _s überschritten wird. Zu dem am Ausgang der Referenz­ schaltung 3 erscheinenden Referenzsignal U _R wird in einer analogen Addierschaltung 8 ein von der Drehzahl des rotierenden Maschinenteils abhängiges Drehzahlsignal U _n in Form einer Gleichspannung addiert. Das Summensignal U _R +U _n wird dem einen Eingang eines Komparators 4 zu­ geführt, an dessen anderem Eingang das Sensorausgangs­ signal u _s angelegt wird. Der Komparator gibt einen Aus­ gangsimpuls I _K ab, wenn das Sensorausgangssignal u _s das Summensignal U _R +U _n überschreitet. Von diesen Ausgangs­ impulsen I _K wird eine retriggerbare monostabile Kipp­ stufe 5 angestoßen, deren Standzeit ebenfalls abhängig von der Drehzahl des rotierenden Maschinenteils variierbar ist und beispielsweise das 1,5fache der Periodendauer des Sensorausgangssignals u _s beträgt. Damit ist gewährleistet, daß jeder der wenigstens einmal pro Periode auftretenden Impulse die monostabile Kippstufe triggert, solange deren vom vorherigen Triggerimpuls aus­ gelöster Ausgangsimpuls noch vorhanden ist. Somit ergibt sich bei intaktem Sensor ein konstantes digitales Ausgangssignal U _MF , welches zur Auslösung einer Alarmeinrichtung 7 und einer Stelleinrichtung 6 - beispielsweise für den Zünd­ zeitpunkt - dient, Alarm wird dann ausgelöst, wenn das Ausgangssignal U _MF verschwindet.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der einzelnen Signale über der Zeit. Das Sensorausgangssignal u _s ist als Wechsel­ spannungssignal mit wechselnden Amplituden dargestellt, aus welchen unschwer der "periodische Verlauf" des Signals zu er­ sehen ist. Der jeweilige Beginn der aufeinanderfolgenden Perioden ist durch die eingekreisten Ziffern 1 bis 7 fest­ gelegt. Die Perioden und sind einer bestimmten Dreh­ zahl n₁ zugeordnet, die folgenden kürzeren Perioden einer etwa um das 1,5fache höheren Drehzahl n₂. In den Perioden bis sei das Sensorsignal "normal", in den Perioden und infolge geringerer Empfindlichkeit des Sensors als Zeichen eines beginnenden Ausfalls vermindert und ab Periode infolge Ausfalls des Sensors nicht mehr vor­ handen.

Das aus dem Sensorausgangssignal u _s beispielsweise durch Spitzenwertgleichrichtung gebildete Referenzsignal U _R ist durch eine strichpunktierte Linie dargestellt und so ab­ geschwächt, daß es von wenigstens ein oder zwei Spitzen des Sensorausgangssignals überschritten wird. Ist dies der Fall, gibt der Komparator 4 Ausgangsimpulse I _K ab, welche in einem zweiten, zeitlich übereinstimmenden Diagramm darge­ stellt sind. Bei allen (durchgezogenen und strichlierten) Ausgangsimpulsen I₁ bis I₆, die Indexziffern sind der ent­ sprechend bezifferten Periode zugeordnet, ist das Sensoraus­ gangssignal u _s größer als das Referenzsignal U _R . Dies trifft auch auf die Perioden und zu, bei denen mit dem Sensorausgangssignal auch das Referenzsignal vermindert ist. Wenn also das Referenzsignal als Schwellwert herangezogen wird, wird eine verminderte Sensorempfindlichkeit nicht als Fehler erkannt. Aus diesem Grund wird zu dem Referenz­ signal U _R eine von der Drehzahl abhängige Gleichspannung als Drehzahlsignal U _n addiert. Das Ergebnis U _R +U _n ist im oberen Diagramm der Fig. 2 als durchgezogene Linie dar­ gestellt, wobei die Größe U _n ₁ der Drehzahl n₁ und die Größe U _n ₂ der Drehzahl n₂ zugeordnet ist. Dadurch fallen einerseits die Doppelimpulse I _1a und I _2a weg, da sie den neuen Schwellwert U _R +U _n nicht übersteigen. Es fallen auch die Impulse I₄ und I₅ aus dem gleichen Grund weg. I₆ fällt weg, da nun auch sehr kleine Sensorausgangs­ signalspitzen, welche das gegen Null gehende Referenz­ signal noch übersteigen, den Wert U _n ₆ nicht mehr erreichen.

Der Unterschied ist am Ausgangssignal U _MF der monostabilen Kippstufe deutlich zu sehen, welches im dritten Diagramm über der Zeit aufgetragen ist. Die von der Drehzahl ab­ hängige Standzeit T der monostabilen Kippstufe, als Bei­ spiel war die 1,5fache Periodendauer bei der jeweiligen Dreh­ zahl genannt, ist für die Drehzahl n₁ mit T₁ und für die Drehzahl n₂ mit T₂ bezeichnet und jeweils als Pfeil in Richtung der Zeitachse aufgetragen, ausgelöst von den Im­ pulsen I₁ bzw. I₃.

Im Falle, daß das Referenzsignal U _R als Schwellwert dient, endet das Ausgangssignal U _MF erst nach Ablauf der durch den Impuls I₆ angestoßenen Standzeit der monostabilen Kipp­ stufe in der siebenten Periode, wobei die fehlerhafte ver­ minderte Empfindlichkeit des Sensors nicht erkannt wurde, sondern erst der totale Ausfall. Dieses Signal ist strich­ liert dargestellt.

Im anderen Fall, daß zum Referenzsignal das Drehzahlsignal U _n addiert wurde, ist der Impuls I₃ am Ausgang des Kom­ parators 4 der letzte, bevor sich die Empfindlichkeit des Sensors so verringert, daß der Schwellwert U _R +U _n nicht mehr überschritten werden kann. Das Ausgangssignal U _MF , in ausgezogener Linie dargestellt, endet bereits nach Ablauf der von I₃ angestoßenen Standzeit T₂ in der vierten Periode, so daß hier der Alarm bzw. die Verstellung bereits drei Perioden früher erfolgen können.

Die beschriebene Vorrichtung zur Ausfallerkennung kann bei allen Sensoren angewendet werden, die ein "periodisches Signal" abgeben, sie ist also nicht auf Klopfsensoren für Brennkraftmaschinen beschränkt.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Ausfallerkennung eines an einer Brennkraftmaschine angeordneten Klopfsensors, mit einem Komparator, bei dem ein vom Sensor stammendes Signal mit einem drehzahlabhängigen Referenzsignal verglichen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Referenzschaltung (3) vorgesehen ist, in der das Sensorausgangssignal (u _s ) gleich­ gerichtet und geglättet wird und zu dem das Drehzahlsignal (U _n ) hinzuaddiert wird, und daß dieses Referenzsignal (U _R +U _n ) dem einen Eingang des Komparators (4) zuge­ führt wird und dessen anderem Eingang das ungeglättete Sensorausgangssignal (U _s ) zugeführt wird,
daß die Amplitude des Referenzsignals (U _R +U _n ) so gewählt ist, daß es laufend nur von den periodisch mit den Zündungen der Brenn­ kraftmaschine erscheinenden Spitzenwerten des Sensorausgangssignals (U _s ) des ordnungsgemäß arbeitenden Sensors (1) überschritten wird,
daß am Ausgang des Komparators (4) dann ein Impuls (I _K ) erscheint, wenn das Sensor­ ausgangssignal (U _s ) das Referenzsignal übersteigt,
und daß eine von den Impulsen (I _K ) retriggerbare mono­ stabile Kippstufe (5) vorgesehen ist, von deren bei Ausbleiben der Impulse (I _K ) erscheinendem Ausgangssignal (U _MF ) die Stell- und/oder Alarmeinrichtung (6, 7) an­ steuerbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer (T₁; T₂) der Standzeit der monostabilen Kippstufe (5) abhängig von der Drehzahl (n) des rotieren­ den Maschinenteils variierbar ist.