JP4615599B2 - 内燃機関におけるシリンダ圧を測定するための測定システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関におけるシリンダ圧を測定するための測定システムに関する。

本発明の測定システムは、複数の交換可能で、測定特徴で識別する圧電素子の圧力センサを持つ内燃機関におけるシリンダ圧を測定するためのものである。測定システムは、接続ケーブルを経由して負荷増幅器を動作中で接続する解析ユニットを持ち、そして、前記圧力センサは、SAW（表面音響波）要素を持つ統合識別ユニットを備え、当該SAW（表面音響波）要素は、接続ケーブルを介して試問ユニットで読み込み可能である識別データの識別ユニットを持ち、前記試問ユニットは、FSCWレーダを含む。

このような型式の測定システムは、基本的には、例えば、オーストリア連邦共和国特許公開公報（AT5.042 U2、特許文献１）から公知で、以下の利点を提供するものである。一部が非常に嵩張ったセンサ従来のデータのメモリは、その高温度、振動、及び他の障害の状況と共にセンサの直接の近隣から離間して格納される。その際、少ない数の識別データだけを持つ唯一の識別ユニットは、そのセンサの内又は上に、例えば、センサ自身上に、センサ従来データ用のメモリを持つ共に、訂正可能なセンサ認識を持っている。厳しい周囲条件下において左右されない簡単な要素が、センサに接続され、記憶可能な識別データ（例えば、簡単な２進コード）が物理的に堅固に残存する。他方、他のセンサ従来のデータ（例えば、感度曲線、較正データのようなもの）は、外側の記憶ユニットにおいて存在する。その際、従来性に関する簡単なセンサ認識の試験だけは、記憶ユニット及びセンサの近い関係を保証する必要がある。

異なる単純なものから見ると、オーストリア連邦共和国特許公開公報（AT5.042 U2、特許文献１）で議論されているように、センサへの識別ユニットには、最初に記述されている公知のSAW要素を持つ。センサや識別マーク（IDマーク）として表面音響波（SAW）要素の使用は、時間がかかることが知られている。新しい文献（ブルンカー他、２００３年IEEE Freq.Countr.シンポジウム、９４２ｆｆ）で示されているのは、IDタグとして現存する技術システムにインストールし、物理的又は化学的なパラメータのモニタ用に上記システムが特に適している。そのため、システムが完全に受動的に動作され得ることで、エネルギー供給手段が、例えば、IDタグ又はセンサの領域内のバッテリが、必要とされないということが、特に、効果がある。その上、SAW要素は、熱的及び機械的に堅固で大きさを最小限に大いに減少可能であり、特定の応用に型式及び設計が適用される。

例えば、SAWシステムの適性は、容量的な内部シリンダ圧センサで受動的な試問可能なIDタグに設置されるように説明されている。それにより、SAW要素は、高い温度及び振動でも長い期間従属可能に機能し得る。監視や識別されるべき他の受動的なシステム用のアナログ使用が可能である。例えば、物理的値を検知するSAW要素の使用もまた可能で、例えば、温度、電磁界力や化学的なパラメータ、例えば、熱分解がある。

全てこのような使用は、SAWシステムが現存するシステムの完璧性を表すという共通点を有する。これは、SAWシステム全体がホストシステムに統合されるべきであり、それによって、SAWシステム全体は、監視されるべきシステムの電気的な又は設置／構成の特徴に変化しない規則で送信／受信ユニット（「SAW読み込み装置」）及び実際のSAW要素から成ることを意味する。これら限定のために、高周波信号の伝送を必要とする操作におけるSAW要素の操作用に最適なシステムの設計に多く使用することは、できない。適合の可能性が限定され又は欠如しているのは問題で、この場合、MHｚ−GHｚ範囲におけるSAW操作に必要なHF信号の使用がこの目的のために適用されないシステムにおける妨害反射を生じることとなり、それによって、妨害反射は、削除されるべき有益な信号より数倍大きい。このような妨害は、単純で費用効果のあるSAW読み込み装置の使用のための禁止規則にある。同時に、より複雑なSAW読み込み装置の使用によって前記課題を回避するこの要件だけでなく、そして、典型的には、より大きな構成の大きさのために可能でないしばしばの回数もこのユニットを統合する要件だけでなく、できるだけ低い、特に、（全）コストを保持する要件もある。

特に、臨界が要求されるのは、負荷増幅器の入力までの圧電素子からの測定列が高抵抗（典型的には１０^１４オーム）に保持されなくてはいけない。圧電圧力センサ自身の接続が、目的処理に選択され、共通接続ケーブルを介して統合識別ユニットに対して行われるのを意味しており、そして、ドリフトの発生が誤測定を確実に招いてしまうので、測定が時間間隔を超えてより長いのは、あまり正確であるはずはない。従って、SAW読み込み装置の結合及び接続ケーブルの共通信号ラインについての負荷増幅器が大変重要である。
オーストリア連邦共和国実用新案登録明細書（AT5.042 U2） ブルンカー他、２００３年IEEE Freq.Countr.シンポジウム、９４２ｆｆ）

本発明の課題は、SAW読み込み装置の要求された結合及び共通信号ラインへの増幅器が、測定シーケンス（測鎖）全体のために前記引き合いに出された要求を満足し、正確で時間間隔を超えてより長くてもセンサ使用で測定可能となるような上述した型式の測定システムを改良することである。

本発明によれば、前記課題が次のように達成される。解析ユニット及び試問ユニットは、接続ケーブルへの共通結合ユニットで接続され得る。それにより、結合ユニットは、接続ケーブルの信号ラインに平行接続され得る結合容量（カップリングキャパシタンス）及び結合誘導（カップリングインダクタンス）を持つ。試問ユニットは、接続ケーブルの信号ラインに高周波数で結合（カップリング）される。他方、解析ユニットの負荷増幅器が、接続ケーブルの信号ラインへのカプリングインダクタンスの手段によって低周波数で結合される。これにより、一方では、この結合ユニットは、統合された識別ユニットの識別信号から圧力センサの有効信号を分離するように作用する。他方、圧電圧力センサと負荷増幅器との間の測定シーケンス（測鎖）の高いオーム特性を維持するように作用する。それにより、センサの測定特徴の限定は、回避(防止)され、同時に、センサの上述された識別が簡単にできるのが保持される。

上述したように、課題は、以下の点でこの組み合わされた測定及び識別プロセスと共に存在する。システム全体は、全く設計されないか又は少なくとも高周波数信号の伝送を行うSAW要素の操作用に最適でない。それにより、反射を起源とする妨害信号は、何度も、大きな測定で、識別プロセスで検知用に意図された有益な信号より、大きくなり得る。この状況下で本発明で追加された実施例が特に有利である。一般に公知のSFCW（切換周波数階段状波）レーダは、試問ユニットに配置され、圧力センサにおけるSAW要素の不十分なインピーダンス調整を補償する。

更なる特徴及び達成され得る利点は、以下、添付図面を参照して詳細に説明する。

（従来技術）
図１は、従来技術による前記型式の測定システムの原理図を示しており、図２は、対応する本発明による装置を示す。

図１は、本発明の周波数階段状レーダシステム（周波数階段状波レーダ、FSCW）の原理図を示す。試問信号は、外部の適合可能な、周波数安定化HF伝送モジュール１０で生成される。ある（小）量の信号が参照目的のためにHF結合器（カップラ）２０で結合（カップリング）されず、当該励起信号の残りは、ライン６１を介してSAW要素６０に供給される。それにより、前記信号ラインへのSAW要素の結合は、その適用に依存するガルバニ電気接続を介して、又は電磁近傍磁界結合を介して非接触でも起こる。電磁波は、SAW要素上の音響表面波上に変換され、それにより、前記音響表面波は、SAW要素の表面の構造に連続して内部反応し、それは、IDコード及びセンサ値も含む特徴信号を供給する。例えば、この信号は、ライン６１及びHFカプラ２０を介してHF混合器に供給され、それにより、前記HF混合器は、増幅器４１で伝送され制御解析ユニット５０についてのA/Dトランスジューサー（コンバーター）４２でディジタル化された参照信号及びSAW信号から測定信号を計算する。FSCWレーダの原理により、この工程は、SAW要素用に効果のある周波数範囲、典型的にはMHｚ−GHzの範囲で周波数帯域内の多くの異なる周波数用に繰り返される。そして、センサ応答は、総データから再構築される。

この型式のシステムは、経費効果があり、現存するシステム制御ユニットに統合され得るべき十分なコンパクト設計で実現可能である。例えば、この原理に基づいた読み込み装置は、SAW信号がその反射とは十分強く異なっており、ノイズ及び他の背景が影響する状況下で、実際の使用では大変良く適している。上述したように、これは、常に保証されているのではない。それにより、付加的な問題が負荷増幅器１を含む解析ユニット２の接続において見られる。これは、統合識別ユニット（SAW要素６０）と共に解析ユニット２及びセンサ４だけでなく試問ユニット３もまた、接続ケーブルまたは信号ライン６１経由で接続されるからである。

（実施例）
図２の本発明の測定システムは、図１に対して付加しているものが図示されている。間に置かれる共通のカップリングユニット５を経由する解析ユニット２及び試問ユニット３は、接続ケーブル６１と接続可能である。このカップリングユニット５は、少なくとも、カップリング容量６及びカップリングインダクタンス７を持ち、これらは、前記接続ケーブル６１の階段信号と平行に接続され、これにより、前記試問ユニット３は、高周波のカップリング容量６を用いて前記接続ケーブル６１の階段信号にカップリングされる。それは、簡単な方法によって、圧力センサ４と負荷増幅器１の入力との間の測鎖（測定シーケンス）に高抵抗を維持させるだけでなく、有効信号及び識別信号からの必要な分離を生じる。

さらに、図２のように、公知のFSCW(周波数階段状継続波)の原理は、特に、２つのアクティブにスイッチング動作を行うHF切換要素を備えることによって、妨害信号を排除するために、妨害信号とSAW有効信号との異なる伝播時間を活用する機能が拡張される。このような理念を背景として、電気磁気（妨害）信号は、電気伝導的に光の速度で伝送される。それとは反対に、音響効果の表面波は、約３０００ｍ／秒の速度だけを有する。これは、例えば、周波数の正しくない伝送距離の端末からの妨害信号、或いは、伝送中の反射点からの妨害信号は、時間的により早く現れる一方で、たびたび非常に弱くなる、ある遅延時間を持ってSAW有効信号が検出されるため導出される。

費用効果があり、かつ、具体的な適用例のために特に有利な原則の技術の解決手段が対象適用例が図２に図示されている。従来技術により、HF送信装置１０によって、安定周波数を持つ信号が伝送される。この信号から、HFカップラ２０を用いて参照信号としての一部が分離され、この一部は、必要ならば、増幅部２１で増幅され得る。送信信号の主要部は高周波数スイッチ３０、任意の増幅段３１、HF有効送信／受信スイッチ３２を通過し、かつ、SAW要素６０の接続ケーブル６１に供給される。この場合、好ましくは、HFスイッチ及び増幅段は、共通の部材に配置されている。試問を開始のため、HFスイッチ３０が閉じられ、送信／受信スイッチ３２が送信位置になる。信号の送信後、HFスイッチ３１の装置制御部５０のアクティブな制御信号に基づいて制御され、所定時間を介して開放される。その際、この状態の「開ける」接触が抵抗を介して終了する。システムに依存した選択可能な時間間隔後に、装置制御部５０のアクティブ制御信号によって、送信／受信装置は、切り換わる。その際、その切換前の妨害信号及びSAW要素の有効信号が、切換により受信されるように前記時間間隔が選択される。このようにして妨害信号から分離された有効信号は、必要ならば、増幅段３３の通過後、従来技術に従ったシステムに類似するHF混合器４０に参照信号と結合され、その結果信号は、４１で増幅され、４２でディジタル化され、更に、装置制御部５０、例えば、マイクロコントローラまたはディジタル信号処理装置（DSP）で処理される。この過程は、各周波数段に対して繰り返される。異なるHF増幅部（HF増幅器段）２１、３１、３３、４１のために、必要に応じて、一定の増幅係数を持つ低ノイズ段、又は、可変の増幅部（可変利得増幅器VGA）を持つ低ノイズ増幅段が選択的に設けられる。

前記妨害信号の多くを減衰させることは、一連の効果を持つことになる。妨害の一般的な減少の他に、有効信号用の信号増幅部３３は、弱いSAW発生信号でより良く同調させられる。本件の場合において、これは、前記増幅係数が、過飽和するための構成要素無しで、より高く選択され得ることを意味する。特に、この増幅器にとって、信号品質の最適化のために、可変の増幅係数を持つ増幅器の使用が好ましい。記載された構成の更なる効果としては、HF構成要素の理想的でない特性から生じる問題が明らかに減少する。これは、特に、HF結合器２０に関する。図１で図示されるような従来技術による構成の場合、HF結合器２０に、取るに足らない大きさでない、HF混合器４０への有効信号が導かれる伝送線上の励起信号の一部が結合する。有効信号は、増大した信号状態に対しても検出されなくてはいけないということに影響する。本発明の装置においては、HFカップラ２０からの有効信号は、影響を受けない。それによって、送信信号と有効信号との間のＨＦ分離は、通常、２０ｄBから、４０dＢ以上に上昇し、それによって、そのような信号状態が減少し、信号／雑音関係が改善される。

従来技術の測定システムの原理を示す。 本発明の実施の形態に係るシステムを示す。

符号の説明

１ 負荷増幅器
２ 解析ユニット（評価ユニット）
３ 試問ユニット
４ 圧力センサ
５ カップリングユニット（結合ユニット）
６ カップリング容量（結合キャパシタンス、結合容量）
７ カップリングインダクタンス（結合インダクタンス、結合誘導）
１０ HF送信装置（周波数安定化HF伝送モジュール）
２０ HFカップラ（HF結合器）
２１ HF強化部（HF増幅器段）
３０ 高周波数スイッチ（HFスイッチ）
３１ 強化段（強化部）（HFスイッチ）
３２ HF有効送信／受信スイッチ（送信／受信スイッチ）
３３ 信号強化部（強化段）
４０ HF混合器
４１ 強化部（増幅器）
４２ A/Dトランスジューサー（コンバーター）
５０ 装置制御部
６０ SAW要素（統合識別ユニット）
６１ 接続ケーブル

Claims (5)

1. 複数の交換可能で測定特徴で異なり、負荷増幅器（１）が設けられた解析ユニット(2)に接続ケーブル（６１）を経由して負荷増幅器（１）に動作中で接続される圧電素子の圧力センサ（４）を持つ内燃機関におけるシリンダ圧を測定するための測定システムであり、
   前記圧力センサは、SAW（表面音響波）要素（６０）を持つ統合識別ユニットを備え、当該SAW（表面音響波）要素（６０）は、接続ケーブル（６１）を介して試問ユニット(３）で読み込み可能である識別データの識別ユニットを持ち、前記試問ユニット(３）は、FSCW(周波数階段状継続波)レーダを含む測定システムであって、
   前記解析ユニット(2)及び前記試問ユニット(３）が、前記接続ケーブル（６１）との間に接続された共通のカップリングユニット（５）を介して接続され、前記カップリングユニット（５）は、カップリング容量（６）及びカップリングインダクタンス（７）を有し、このカップリングインダクタンス（７）は、前記接続ケーブル（６１）の信号線と並列接続が可能であり、
   前記試問ユニット(３）は、カップリング容量（６）を用いて前記接続ケーブル（６１）の信号線と高周波結合されており、
   一方で、前記解析ユニット(2)の負荷増幅器（１）は、カップリングインダクタンス（７）を用いて前記接続ケーブル（６１）の信号線と低周波結合されることを特徴とする測定システム。
2. 前記試問ユニット（３）は、妨害信号を排除するためのスイッチング素子（３０、３２）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
3. 妨害信号を排除するために、前記スイッチング素子（３０、３２）は、妨害信号とSAW（表面音響波）要素の有効信号との異なる伝播時間の差に基づいてスイッチングされる特徴とする請求項２に記載の測定システム。
4. 前記スイチッチング素子（３０、３２）は、前記試問ユニット（３）の入出力部に備えられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の測定システム。
5. 前記共通のカップリングユニット（５）は、前記SAW要素（６０）との不十分なインピーダンス整合を補償するために用いられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の測定システム。

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