DE69510514T2

DE69510514T2 - Diagnosesystem für einen kapazitiven Sensor

Info

Publication number: DE69510514T2
Application number: DE69510514T
Authority: DE
Inventors: Franco Salerno
Original assignee: Magneti Marelli SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: ITTO940764A0; IT1268099B1; ITTO940764A1; ES2135640T3; DE69510514D1; EP0704706B1; EP0704706A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Diagnosesystem für einen kapazitiven Sensor vom Typ, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
Ein solches System ist in J. Tapson und J. R. Greene: "Improved capacitance measurement by means of resonance locking", Measurement Science and Technology, Band 5, Nr. 1, 1994, Bristol, GB, Seiten 20-26, geoffenbart. Dieser Artikel beschreibt ein LC-Verfahren zur Kapazitanzmessung, bestehend aus einer Synthese von LC-Resonanz- und LC- Schwingungsverfahren. Ein LC-Resonanzkreis wird durch einen spannungsgeregelten Oszillator (VCO) angetrieben und ist in einem analogen Phasenregelkreis inkludiert, welcher so ausgelegt ist, daß er ohne Unterschied zwischen Stromfluß und Steuerspannung im Resonanzkreis verriegelt. Das System folgt dem Resonanzhöchstwert bei einer Veränderung der Kapazitanz und ermöglicht somit die automatische Messung der Kapazitanz durch die Überwachung der VCO-Eingangsspannung oder -Ausgangsfrequenz.
Bei derzeit produzierten Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Motoren zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, nimmt der Einsatz von Kapazitanz-Detonationssensoren immer mehr zu.
Daher ist die Notwendigkeit, an solchen Sensoren Diagnosen durchführen zu können, gestiegen. Es ist im Stand der Technik bekannt, Diagnosen durch direkte Messung der den Sensor betreffenden Impedanz durchzuführen. Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil erhöhter Kosten und der Kompliziertheit des Systems selbst auf.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Diagnosesystems, welches die Lösung aller oben angeführten Probleme auf zufriedenstellende Weise ermöglicht. Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch ein Diagnosesystem mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen erreicht.
Weitere Vorteile und Charakteristika der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Zuhilfenahme der angeschlossenen, nur beispielhaft und nicht einschränkend gedachten Zeichnungen hervor, worin:
- Fig. 1 eine blockschematische Darstellung eines Diagnosesystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
- Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen des Systems der Fig. 1 in zwei verschiedenen Betriebsbedingungen sind;
- Fig. 4 und 5 Diagramme zur Darstellung des Betriebs des Systems der Fig. 1 sind;
- Fig. 6 und 7 schematische Schaltungsdarstellungen von Teilen des Systems der Fig. 1 sind.
Das erfindungsgemäße System wurde entwickelt, um den Zustand der Eingangsverbindung einer Vorrichtung zur Erfassung von Detonationen (auch Klopfen genannt) unter Verwendung eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors vom kapazitiven Typ zu diagnostizieren.
Insbesondere löst das System folgendes Problem:
Bei einem System zur Detektion von Detonationen ist ein Verfahren zu finden, welches folgende Bedingungen am Eingang der Vorrichtung erfolgreich diagnostizieren kann:
- Sensor angeschlossen;
- Sensor nicht angeschlossen (das heißt, Verbindung nur der Sensorkabeln);
- Sensor zur Netzspannung kurzgeschlossen;
- Sensor zur Masse kurzgeschlossen.
Das System verwendet einen Oszillator, welcher während der Diagnose zwischen dem Sensor und einer Detektionsvorrichtung oder einem Detektor (siehe in diesem Zusammenhang das Blockdiagramm der Fig. 1) geschaltet ist. Die Frequenz des Oszillators hängt von der Kapazitanz ab, welche an der Eingangsklemme des Systems selbst vorhanden ist. Ist der Sensor angeschlossen, fällt die Oszillatorfrequenz in den Wellenlängenbereich des Detektors, weshalb am Detektorausgang ein eine Selektionsschwelle überschreitendes Signal entsteht; ist der Sensor nicht angeschlossen, steigt die Oszillatorfrequenz so weit an, daß sie außerhalb des Wellenlängenbereichs des Detektors fällt, weshalb sie am Ausgang ein unterhalb der Selektionsschwelle liegendes Signal hat, welches am Limit bei der Nullschwelle liegt.
Wenn die Eingangsklemme zur Masse bzw. zur Netzspannung kurzgeschlossen ist, bleibt der Oszillator (vom digitalen Typ) auf niedrigem bzw. hohem logischem Pegel angeklemmt, während der Detektorausgang in beiden Fällen unter der Selektionsschwelle, am Limit Null, liegt.
Das System ist allgemein und kann bei Detonationsdetektionsvorrichtungen mit einem oder mehreren Abstimmkanälen angewendet werden. Das System wird nunmehr für den Fall einer Zweikanalvorrichtung näher beschrieben.
Das erfindungsgemäße Diagnosesystem basiert auf einem Blockdiagramm von dem in Fig. 1 gezeigten Typ. Das Diagnosesystem DIAGNOST ist während der Diagnosephase, welche mittels eines digitalen "Hoch"-Signals DIA aktiviert wird, zwischen einem Sensor SENS und einer Auswerteschaltung RIV geschaltet.
Die Auswerteschaltung RIV umfaßt einen an den Eingang INA der Auswerteschaltung RIV angeschlossen Schnittstellenverstärker INPUT. Der Ausgang des Schnittstellenverstärkers INPUT ist an zwei Abstimmkanäle CHA und CHB angeschlossen. Die Ausgänge der beiden Abstimmkanäle CHA und CHB vereinigen sich beim Summierknoten SUM, welcher wiederum an einen Integrator INT mit einer Integrationszeit Tg angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Ausgang OUT der Auswerteschaltung RIV verbunden ist. Jeder der beiden Abstimmkanäle CHA, CHB besteht jeweils aus einem Bandpaßfilter BPF und einem doppelten Halbwellengleichrichter FWR.
Das Diagnosesystem DIAGNOST ist andererseits durch die folgenden Grundblöcke gebildet:
- Schaltblock A: Dieser besteht aus drei Schaltern S1, S2, S3. Wird eine Diagnose durch den hohen Pegel des Signals DIA freigegeben, so sind die Schalter S2 und S3 geschlossen, während S1 offen ist; unter diesen Bedingungen ist ein Oszillator OSC zwischen dem Sensor SENS und der Auswerteschaltung RIV geschaltet. Diese Situation ist in Fig. 2 dargestellt. Bei Normalbetrieb mit dem Signal DIA auf niedrigem Pegel sind die Schalter S2 und S3 offen, während S1 geschlossen ist, also ist das Diagnosesystem DIAGNOST nicht angeschlossen, und der Sensor SENS ist direkt an den Eingang INA der Auswerteschaltung RIV angeschlossen. Diese Situation ist in Fig. 3 dargestellt.
- Oszillator OSC, bereits genannt. Dieser entsendet ein periodisches Signal, dessen Frequenz von der Kapazitanz abhängt, welche an den Ausgang eines Teilblocks B1 (Eingang des Oszillators OSC) angelegt ist. Teilblock B2 stellt die Ausgangsstufe des Oszillators OSC dar, welcher ein symmetrisches Rechtecksignal mit der Amplitude Vod erzeugt. Der Ausgang ist über einen Pegelverschieber K mit dem Eingang der Auswerteschaltung RIV verbunden.
- Oszillatorausgangspegelverschieber K, bereits genannt. Diese Schaltung ist für das System DIAGNOST nicht wesentlich, wurde aber aus Gründen der Vollständigkeit eingeführt und dient zur Anregung der Eingangsstufe der Auswerteschaltung RIV mit einem Pegel, welcher kompatibel ist mit der erlaubten Dynamik des Systems. Alternativ können die Pegel der Signale im Detektor RIV durch das Signal DIA geregelt werden, und daher kann der Faktor k in eine Eingangsstufe INPUT des Detektors eingebunden werden.
Die an einem Eingang IN des Systems DIAGNOST vorhandene Ladung wird vermutlich durch eine Kapazitanz CC, die für die Kabelverbindung und mögliche parasitäre Kapazitanzen am Eingangsknoten IN steht, und den Sensor SENS gebildet. Der Sensor SENS ist schematisch dargestellt durch die Parallelverbindung einer Kapazitanz CS und eines Widerstands RS und durch einen Spannungsgenerator VS, welcher die Beschleunigung in Spannung umwandelt. Zum Zweck der folgenden theoretischen Überlegungen werden zur Darstellung des Betriebs des Diagnosesystems DIAGNOST die folgenden Bedingungen vorausgesetzt:
- der Verlustwiderstand RS ist sehr hoch, größer als 1 MΩ, wofür nachfolgend 1/RS = 0 steht;
- die Diagnose des Sensors SENS ist freigegeben, wenn die Meßwandlerspannung VS bezüglich des Oszillatorsignals OSC klein ist, wofür nachfolgend VS = 0 steht;
- die Kapazitanz des Sensors CS ist größer als die parasitäre Kapazitanz CC, das heißt:
CS > CC, (1)
Das System DIAGNOST beruht auf der Tatsache, daß bei der Diagnosekonfiguration der Detektor RIV auf das Oszillatorsignal OSC wirkt, dessen Frequenz von der am Eingang IN vorhandenen äquivalenten Kapazitanz abhängt, wobei ein Ausgangssignal bestimmt wird, aus welchem es möglich ist, den angeschlossenen, nicht angeschlossenen oder kurzgeschlossenen Zustand des Sensors SENS zu diagnostizieren, wie nachfolgend erklärt wird.
Das periodische Signal, welches die Eingangsschnittstelle INPUT des Detektors RIV speist, siehe Fig. 2, ist eine Rechteckwelle mit einer vorbestimmten relativen Einschaltdauer (im allgemeinen 50%), mit einer derartigen Amplitude, daß der maximal verfügbare Dynamikbereich der Eingangsschnittstelle INPUT und der Verstärker genutzt wird. Der Pegelverschieber K schafft eine Ausgangsspannungsanpassungsstufe des Oszillators OSC gemäß der Beziehung:
= VOSC = kVod (2)
worin VOSC der Wert der Spitzen-Spitzenspannung der Rechteckwelle, welche die Eingangsstufe INPUT des Detektors RIV speist, Vod die Spitzen-Spitzenspannung der Rechteckwelle am Ausgang des Oszillators OSC (im allgemeinen auf logischen Pegeln), und k die Anpassungskonstante (Dämpfung oder Verstärkung) des Verschiebers (K) ist.
Die Frequenz Fo des Oszillators OSC ist eine Funktion der am Eingang IN vorhandenen Kapazitanz Ci gemäß der Beziehung:
Fo = Ko/CiRDIA
worin RDIA, ein Kalibrierungswiderstand und Ko eine Konstante abhängig von der Art der Implementierung des Oszillators OSC ist, wie nachfolgend beschrieben wird.
In Abhängigkeit von den Bedingungen der Eingangsladung ist es möglich, unter den folgenden Fällen betreffend die Frequenz Fo des Oszillators OSC und die Ausgangsspannung Vout des Systems zu unterscheiden:
a) Sensor angeschlossen. In diesem Fall Ci = CS + CC, so daß die Frequenz des Oszillators OSC den Wert FS annimmt, der gegeben ist durch:
Fo (CS +CC) = FS = Ko / (CS + CC) RDIA
Die Konstanten 4 und RDIA können derart ausgewählt sein, daß bei Veränderung der Kapazitanz des Sensors SENS innerhalb eines errichteten Intervalls Csmin und Csmax die Frequenz FS innerhalb des nützlichen Wellenlängenbereichs des Detektors RIV bleibt; in diesem Fall nimmt die nach einer Integrationsphase der Dauer Tg»1/FS erhaltene Ausgangsspannung des Detektors RIV, das heißt Vout(FS), einen Wert an, der größer als oder gleich der Selektionsschwelle Vts ist und somit definiert ist als:
Vout (F&sub1;) ≥ Vtx = min{Vout(F&sub1;)} (5)
worin min{Vout(FS)} der Minimalwert des Ausgangs bei der durch die vorhergehende Beziehung (4) definierten Frequenz ist.
b) Sensor nicht angeschlossen. In diesem Fall Ci = CC, so daß die Frequenz des Oszillators OSC einen Wert Fcb annimmt, der gegeben ist durch:
Fo(CC) = Fcb = Ko/CCRDIA (6)
In diesem Fall sind die Konstanten Ko und RDIA derart dimensioniert, daß die Frequenz des Oszillators OSC außerhalb der Bandbreite des Detektors RIV fällt, so daß die Ausgangsspannung kleiner als oder gleich einer Selektionsschwelle Vtc ist:
Vout(Fch) ≤ Vtc = max{Vout(Fch)} (7)
worin max {Vout(Fcb)} der Maximalwert des Ausgangs bei der durch die vorhergehende Beziehung (6) definierten Frequenz ist.
Aus den Beziehungen (4) und (6) kann unmittelbar abgeleitet werden, daß der Unterscheidungsfaktor abhängt vom Verhältnis der Frequenz mit und ohne Sensor SENS, FS und Fcb:
Fcb/FS = 1 + CS/CC > 2 (8)
dem die Ausgangsspannungen des Detektors RIV Vout(FS) und Vout(Fcb) gemäß dem Verhältnis.
Vout(FS)/Vout(Fcb) ≥ Vts/Vtc
entsprechen.
Somit ermöglicht das System DIAGNOST die Unterscheidung zwischen angeschlossenem und nicht angeschlossenem Zustand des Sensors SENS durch einen Vergleich der Spannung am Ausgang OUT des Detektors RIV bezüglich der Unterscheidungsspannungen Vts und Vtc in Abhängigkeit von der Spannung des Oszillators OSC und den Charakteristika der Bandpaßfilter BPF des Detektors RIV. Auf Basis der Beziehung (8) wird unten ersichtlich, daß die Beziehung (9) immer um mindestens 6 dB größer ist, da die Empfindlichkeit der Filter BPF im nützlichen Signal-Wellenlängenbereich auf optimale Weise verwertet wird, ebenso wie das sogenannte "roll-off" (Dämpfung) der Filter BPF außerhalb des nützlichen Wellenlängenbereichs.
c) Kurzschluß zur Masse. In diesem Fall ist der Ausgang des Oszillators OSC unabhängig von der Eingangskapazitanz bei einem feststehenden Wert angeklemmt, z. B. bei Null oder auf einem niedrigen logischen Pegel, wogegen der Ausgang OUT des Detektors RIV Null ist, da die Beschaffenheit des Bandpasses der Filter BPF den Durchgang von Gleichstrom-Eingangsspannungen nicht zuläßt; daher gilt:
Vout CCo ≤ Vtc (10)
Vod = konstant = VLOW
d) Kurzschluß zur Versorgung. Wie in Bedingung (10) liegt der Ausgang des Detektors RIV auch in diesem Fall unter der Schwelle Ver, da der Ausgang des Oszillators OSC bei einem feststehenden Wert, z. B. auf hohem logischem Pegel, angeklemmt ist, daher gilt:
Vout CCa ≤ Vtc (11)
Vod = konstant = VHIGH

Berechnung der Schwellenspannung

Die Schwellenspannungen der Beziehungen (5) und (7) werden nun als Funktion der Parameter des Oszillators OSC und des Systems DIAGNOST erklärt.
Es wird angenommen, daß der Detektor RIV mit den jeweiligen Zentralfrequenzen FA und FB, Verstärkungsfaktoren GA und GB und Qualitätsfaktoren QA und QB auf die Kanäle CHA und CHB eingestellt ist; im allgemeinen wird das Modul der Übergangsfunktion (in der Folge kurz FDT genannt) der Bandpaßfilter BPF als zugehörig betrachtet zum Typ:
Kanal CHA:
Kanal CHB:
Zwecks Vereinfachung der nachfolgenden Behandlung und in Anbetracht der Bandpaß- Beschaffenheit der Filter BPF des Detektors RIV wird die Annäherung so durchgeführt, daß der Ausgang der Filter BPF nur die erste Harmonische des am Eingang (Ausgang des Oszillators OSC) vorhandenen Rechtecksignals erzeugt; da die oberen Harmonischen im allgemeinen über der Maximalfrequenz, die bearbeitet werden kann, liegen. Die Amplitude der ersten Harmonischen des Oszillators OSC wird daher als zugehörig betrachtet zum Typ:
Voscl = VoscKal (14)
worin Kal der erste Koeffizient der Entwicklung der Fourierschen Reihe der Rechteckwelle ist, und zwar gleich 2/π im Fall einer symmetrischen Rechteckwelle mit idealen Flanken.
Im allgemeinen ist die Spannung am Eingang des Integrators des Detektors RIV daher gegeben durch:
VI(Fo,t) = VoscKal[MA(Fo) + MB(Fo)] sin(2πtFot) (15)
worin die Annäherung so durchgeführt wurde, daß die Signale am Ausgang des doppelten Halbwellengleichrichters FWR eine Nullphasenverschiebung haben; eine typische Skizze der Signale des Systems ist z. B. in Fig. 4 gezeigt.
Der Ausgang des Detektors RIV wird erhalten durch die Integration der Beziehung (15) für eine Zeit Tg, welche durch den hohen Pegel eines Signals GATE bestimmt wird, wie in Fig. 4 gezeigt; für Tg > > 1/Fo ist die Ausgangsspannung wie folgt:
worin τ die Zeitkonstante des Integrators INT und Vav(Fo) die mittlere Spannung am Eingang des Integrators INT ist, welche aus der Beziehung (15) gleich ist:
Vav(Fo) = (2/π). VoscKalMA,B(Fo) (17)
worin der Faktor 2/π den Mittelwert der gleichgerichteten Sinuskurve berücksichtigt und MA,B(Fo) die Summe der Module des FDT der Kanäle CHA und CBH bei der Frequenz des Oszillators OSC ist.
Damit das Verfahren effizient ist, ist es notwendig, daß die mittleren Frequenzen der Bandpaßfilter BPF genügend weit voneinander entfernt sind, damit gewährleistet ist, daß die Oszillationsfrequenz bei Nennladebedingungen in das zwischen fa1 und fb1 (unter der Annahme, daß FB > FA) liegende Intervall fällt. Es könnte z. B. angenommen werden, daß FA und FB wie in Fig. 5 gesetzt sind.
In dieser Figur sind das FDT-Modul der Kanäle CHA und CHB (strichlierte Linie) und das am Eingang des Integrators INT gesehene FDT-Modul schematisch gezeigt (Summe der Module der beiden FDTs).
Aufgrund der angestellten Überlegungen fällt die Oszillationsfrequenz in ein zwischen fal und fb1 liegendes Intervall, wenn der Sensor SENS angeschlossen ist, so daß das Eingangssignal des Integrators INT um höchstens einen Faktor 2as abgeschwächt wird. Andererseits ist die Oszillationsfrequenz so hoch, größer als fc, wenn der Sensor nicht angeschlossen ist, so daß das Signal um mindestens einen Faktor ac < 2as abgeschwächt wird. Die in beiden Fällen unterschiedliche Abschwächung stellt den Spielraum zur Unterscheidung zwischen angeschlossenem und nicht angeschlossenem Sensor SENS her, wie nachfolgend erklärt wird.
Wenn der Sensor SENS angeschlossen ist, fällt die Oszillationsfrequenz in das Intervall:
fal ≤ FS ≤ fb1 (18)
und unter Bezugnahme auf Fig. 5 und basierend auf der Beziehung (17) ist die mittlere Spannung am Eingang des Integrators INT bei angeschlossenem Sensor SENS größer als die Schwelle VIts:
Vav(Fo) > VIts = 2/π VoscKal2as (19)
worin as die maximale Verkleinerung der Summe der Module MA,B(f) im Intervall fa1 und fb1 ist, welche eine derartige Frequenz fas liefert, daß die zwei Module gleich sind:
Im speziellen Fall von GA = GB = G und QA = QB = Q wird die Frequenz von fas zum geometrischen Mittel der Zentralfrequenzen FA und FB, das heißt:
fas = FAFB (21)
Bei nicht angeschlossenem Sensor SENS ist die Frequenz des Oszillators OSC größer als die Frequenz fc derart, daß:
Fcb ≥ fc fb1 (22)
so daß bei der Frequenz Feb die mittlere Spannung am Eingang des Integrators INT gegeben ist durch:,
Vav(Fch) = Vtc ≤ (2/π) VoscKalac (23)
worin ac die minimale Verkleinerung der Summe der Module bei fc ist:
ac = MA,B(fc) (24)
Im speziellen Fall von GA = GB = G und QA = QB = Q, und FB> > FA, reduziert sich die Beziehung (24) auf
Die durch die Integration der Beziehungen (19) und (23) für eine Zeit Tg> > 1/FS erhaltenen Unterscheidungsspannungen am Ausgang des Detektors RIV sind gegeben durch:
a) Sensor SENS angeschlossen
Vts = VIts Ts/τ = 2Tg/πτ) VoscKal2as (26)
b) Sensor SENS nicht angeschlossen
Vtc = VItc Tg/τ (2Tg/πτ)VoscKal2ac (27)
Der Unterscheidungsfaktor hängt daher ab vom charakteristischen Merkmal der BPF-Filter gemäß der Beziehung:
Aus dieser Beziehung ist zu erkennen, daß der Unterscheidungsfaktor mindestens 6 dB ist, wenn die Beziehungen (18) und (22) erfüllt sind und die Filter (oder der Filter) BPF wenigstens zur zweiten Ordnung gehören.
Der Bereich zwischen den zwei Schwellen hängt auch von der Integrationszeit ab und ist gegeben durch:
Vch = Vts - Vtc = TgVoscKal/πτ (2as ac) (29)
Aus der Beziehung (29) ist zu erkennen, daß der Unterscheidungsspielraum nach Erstellen des Oszillatorfrequenzvariationsintervalls des Oszillators OSC auf Basis der Spannung des Oszillators OSC, der Selektivität as und der Dämpfung ac der BPF-Filtereingestellt werden kann.
Ein Konzept für ein elektrisches Diagramm zur Verwirklichung des Diagnosesystems DIAGNOST ist anhand eines Beispiels in Fig. 6 schematisch gezeigt.
Der Oszillator OSC ist durch Transistoren Q1-Q6, einen Verstärker O1, einen Komparator O2, Widerstände RDIA R1, R2 und R3, MOS-Schalter S7, S8 und S9 und Wechselrichter I2, I3 und I4 gebildet.
Der Schaltblock ist durch die Wechselrichter I1 und die durch das Signal DIA gesteuerten MOS-Schalter S1, 52, S3, S4 und S5 realisiert. Zwei Wechselrichter I3 und I4 am Ausgang eines Komparators O2 bilden das digitale Rechtecksignal des Oszillators OSC.
Der Verschieber K, welcher das analoge Signal des den Detonationsdetektor RIV versorgenden Oszillators OSC bereitstellt, ist durch einen Operationsverstärker O3, Widerstände RA1, RA2, RA3 und einen MOS-Schalter 56 gebildet. Wie nachfolgend erklärt, bilden diese Komponenten einen variablen Verstärkungsfaktor-Verstärker, dessen Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit vom Signal DIA variiert, und realisieren daher die oszillierende Signalanpassungskonstante K. Dieser variable Verstärkungsfaktor-Verstärker kann die Eingangsschnittstelle INPUT des Detektors RIV ersetzen.
Bei Normalbetrieb mit dem Signal DIA auf niedrigem logischem Pegel ist das Diagnosesystem DIAGNOST vom Detektor RIV getrennt (mit Ausnahme des Verriegelungswiderstands der Schalter S3 und S5 und des Öffnens der Schalter S1, S2 und S4), und die Eingangsladung ist direkt mit dem Schnittstellenverstärker INPUT verbunden.
Während der Diagnosephase mit dem Signal DIA auf hohem logischem Pegel ist das Diagnosesystem DIAGNOST zwischen der Eingangsladung und dem Eingang INA des Detektors RIV geschaltet.
Die einzelnen Blöcke werden nunmehr analysiert.
Oszillator und Schalter. Der hohe Pegel des Signals DIA gibt eine Diagnose durch das Schließen der Schalter S1, S2 und S4 und das Öffnen der Schalter S3 und S5 frei; die Funktion des Schalters S4 besteht darin, eine Kreuzkopplung zwischen der Verbindung des Sensors SENS und dem Eingang INA des Detektors RIV zu verhindern.
Der Oszillator OSC wird durch das Öffnen des Rückstellschalters S7 mittels des Wechselrichters I2 aktiviert. Unter diesen Bedingungen wird die Eingangskapazität angelegt an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators O2, dessen Ausgang über den Widerstand RA1 und die Wechselrichter I3 und I4 mit dem Eingang des Verstärkers O3 verbunden ist.
Die Oszillationsfunktion wird auf klassische Weise durch Laden und Entladen einer Eingangskapazitanz Ci mit einem Dauerstrom vom Wert IS = Vref/RDIA, erhalten. Dieser Strom 15, erzeugt von einem aus O1, Q6 und RDIA gebildeten Stromspannungswandler, spiegelt sich in dem den Ladestrom erzeugenden Transistor Q3 und in den einen Strom I2 = 2IS erzeugenden Transistoren Q2, Q4 und Q5 wider.
Der stromerzeugende Transistor Q5 wird zyklisch durch den Schalter S9, welcher durch den Ausgang des Komparators O2 über den Wechselrichter I3 gesteuert wird, aktiviert und deaktiviert; die Schwelle zur Veränderung nach oben des Komparators wird mit offenem Schalter S8 erhalten und durch VH = Vcc(R2 + R3)/(R1 + R2 + R3) gegeben, während die Schwelle zur Veränderung nach unten (Schalter S8 geschlossen) durch VL = VCCR2/(R1 + R2) gegeben ist.
Über die Klemmen der Eingangskapazitanz Ci ist eine symmetrische Dreieckswelle mit durch VHL = VH - VL gegebener Doppelamplitude gebildet, während sich am Ausgang des Wechselrichters 14 eine symmetrische Rechteckwelle mit einer durch VHIGH - VLOW =Vcc gegebenen Amplitude befindet. Die Frequenz des Oszillators OSC ist daher gegeben durch:
Fo = Ko/CiRDIA = 2/CiRDIA VHL/Vref (30)
Anpassungsverstärker. Der hohe Pegel des Signals DIA schließt den Schalter 56, indem er einen Teil des Rückkopplungswiderstands des Verstärkers O3 kurzschließt. Unter diesen Bedingungen hat das Eingangssignal der BPF-Filter eine analoge Amplitude, welche definiert ist durch:
Vosc = Kvod = - RA3/RA1 Vod (31)
Diagnoselogik. Der hohe Pegel des Signals DIA aktiviert eine Logikschaltung LOG. Diese Schaltung LOG zählt n Übergänge des aus dem Ausgang des Wechselrichters I4 entnommenen Oszillationasignals und erzeugt an ihrem Ausgang zwei logische Signale OD1 und OD2, welche teilweise den Ladezustand des Eingangs diagnostizieren.
Für den speziellen Fall des Zählens von zwei Übergängen des Oszillationssignals unter Verwendung von zwei Flipflops vom D-Typ, FF1, FF2, ist in Fig. 7 eine mögliche Implementierung der Logikschaltung LOG gezeigt. In derselben Fig. 7 sind weiters die Skizzen der logischen Signale CK, OD1, OD2 und DIA unter den drei in der folgenden Tabelle zusammengefaßten Bedingungen gezeigt:
Die logischen Bedingungen der Tabelle können zwecks Erhaltung der kompletten Diagnose des Zustands der Eingangsladung mit der analogen Ausgangsspannung des Systems in Wechselbeziehung gebracht werden.
Die Diagnoseimplementierung von Fig. 6 und 7 kann nicht nur zur Bestimmung von idealen Kurzschlüssen (Widerstand Null), sondern auch zur Bestimmung von teilweisen Kurzschlüssen oder Veränderungen des Verlustwiderstands RS des Sensors SENS verwendet werden. Wenn der Ausgang des Oszillators OSC auf einem feststehenden Pegel angeklemmt ist, ist es tatsächlich möglich, die folgenden Bedingungen zu unterscheiden:
1) Ausgang des Oszillators OSC ist an der Masse angeschlossen. Zwei Fälle können unterschieden werden:
a) es besteht ein Kurzschluß zur Masse, oder
b) es besteht ein am Eingang vorhandener Widerstand zur Masse, so daß das Eingangssignal die hohe Schwelle VH des Komparators O2 nicht erreicht, das heißt, es besteht am Eingang ein Widerstand zur Masse mit einem Wert R; ccm, gegeben durch
Riccm = VH/IS = RDIA VH/Vref (32)
Der Wert Riccm kann daher zur Bestimmung von teilweisen Kurzschlußzuständen oder zur Bestimmung einer Veränderung des inneren Widerstands Rs des Sensors SENS verwendet werden. Insbesondere ist das Kurzschlußsignal sogar für Rs < Riccm gültig.
2) Der Ausgang des Oszillators OSC ist an der Netzspannung Vcc angeschlossen. Zwei Fälle können unterschieden werden:
a) es besteht ein Kurzschluß zur Zufuhr Vcc, oder
b) es liegt ein Widerstand zwischen dem Eingang und der Zufuhr Vcc (oder einer Gleichstromquelle) vor, so daß das Signal nach Erreichung der hohen Schwelle VH nicht unter die niedrige Schwelle VL des Komparators 02 fällt; das heißt, es besteht ein Widerstand zwischen dem Eingang und der Zufuhr Vcc vom Wert Ricca, gegeben durch:
Der Wert Ricca unterscheidet somit zwischen dem teilweisen Kurzschlußwiderstand und der Zufuhr Vcc.
Das hier beschriebene System wurde insbesondere zur Ermittlung des Ladezustands am Eingang einer Detonationsdetektionsschaltung entwickelt und ist anwendbar bei Motorsteuerungscomputern, welche Beschleunigungssensoren vom kapazitiven Typ als Detonationsmeßwandler verwenden. Das System ist jedoch von allgemeinem Typ und kann auf Systeme mit einem oder mehr Detektionskanälen angewendet werden, solange diese eine Frequenz-Spannungsumwandlung mit Bandpaßflltration durchführen.
Naturgemäß können die Details des Aufbaus und die Ausführungsformen unter Beibehaltung desselben Erfindungsprinzips in Bezug auf das Beschriebene und Gezeigte stark variieren, ohne dabei vom Gebiet der vorliegenden, in den angeschlossenen Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Diagnosesystem (DIAGNOST) für einen kapazitiven Sensor (SENS) mit einer zugeordneten Auswerteschaltung (RIV), die zur Erzeugung eines für eine vom Sensor (SENS) detektierte physikalische Größe stehenden Ausgangssignals (OUT) betätigbar ist, wobei die Auswerteschaltung (RIV) einen für das Filtern eines vom Sensor (SENS) erzeugten Signals gestalteten Bandpaßfilter (BPF) umfaßt; das Diagnosesystem (DIAGNOST) zwischen dem Sensor (SENS) und der Auswerteschaltung (RIV) geschaltet sein kann und eine Oszillatoreinrichtung (OSC) mit einer variablen Oszillationsfrequenz aufweist, welche von einer am Eingang (IN) des an den Sensor (SENS) anzuschließenden Systems (DIAGNOST) vorhandenen Kapazitanz abhängt, und die Oszillatoreinrichtung (OSC) derart gestaltet ist, daß für zumindest eine Fehlerbedingung des Sensors (SENS) die Oszillatoreinrichtung (OSC) die Erzeugung einer Frequenz bewirkt, so daß die Auswerteschaltung (RIV) mittels des Filters (BPF) die Unterscheidung der zumindest einen Fehlerbedingung am Ausgangssignal (OUT) zuläßt, welches System (DIAGNOST) dadurch gekennzeichnet ist, daß die Oszillatoreinrichtung (OSC) derart gestaltet ist, daß eine Ausgangsfrequenz geschaffen wird, welche:

innerhalb des Wellenlängenbereichs des Bandpaßfilters (BPF) liegt, wenn der Sensor (SENS) richtig funktioniert;

außerhalb des Wellenlängenbereichs des Bandpaßfilters (BPF) liegt, wenn der Sensor (SENS) eine Fehlerbedingung hat,

um die Fehlerbedingung mittels des Ausgangssignals (OUT) der Auswerteschaltung (RIV) zu unterscheiden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoreinrichtung (OSC) derart dimensioniert ist, daß ihre Ausgangsfrequenz größer als der Wellenlängenbereich des Bandpaßfilters (BPF) ist, wenn der Sensor (SENS) nicht angeschlossen ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoreinrichtung (OSC) derart dimensioniert ist, daß ihre Ausgangsfrequenz kleiner als der Wellenlängenbereich des Bandpaßfilters (BPF) ist, wenn der Sensor (SENS) kurzgeschlossen ist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschluß zur Masse besteht.

5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschluß zu einer Gleichstromspannungsquelle (Vcc) besteht.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoreinrichtung (OSC) ein digitaler Oszillator ist, welcher ein Rechtecksignal erzeugen kann.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoreinrichtung (OSC) so ausgelegt ist, daß sie im Fall eines Kurzschlusses des Sensors (SENS) an einem logischen Wert angeklemmt bleibt.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schaltkreis (A) inkludiert, welcher einnehmen kann.

eine erste Betriebsbedingung, in welcher der Sensor (SENS) direkt an die Auswerteschaltung (RIV) angeschlossen ist,

eine zweite Betriebsbedingung, in welcher das Diagnosesystem (DIAGNOST) zwischen dem Sensor (SENS) und der Auswerteschaltung (RIV) geschaltet ist.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (A) gezielt die erste oder die zweite Betriebsbedingung gemäß einem logischen Signal (DIA) zur Aktivierung der Diagnose annehmen kann.

10. System nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (A) drei MOS-Schalter umfaßt.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Anpassungsschaltung (K) inkludiert, welche zur Vervielfachung des von der Oszillatoreinrichtung (OSC) entsendeten periodischen Signals um einen Skalenfaktor (k) zwecks Anpassung des Signals an die Auswerteschaltung (RIV) an den Ausgang der Oszillatoreinrichtung (OSC) angeschlossen ist.