WO2008101785A2 - Verfahren zum betreiben eines piezoelektrischen wandlers und wandlervorrichtung - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method of operating a piezoelectric transducer and a transducer device for air mass measurement on an internal combustion engine.
  • the basis of a solution according to the invention is the recognition that a decay of the piezoelectric transducer used plays a decisive role in an air mass measurement based on ultrasound.
  • An improvement of the measurement accuracy according to the invention therefore has an influence on the swinging out of the goal.
  • a decay behavior and thus also a decay time depend on the mechanical properties of the respective piezoelectric element. electrical converter.
  • a decay time must be kept as low as possible to form the most characteristic reception signals possible. Since the converters are operated alternately in receive and transmit mode, the settling time also significantly influences the receiving behavior of the converter. If the converter oscillates too long during transmission, the decay behavior also negatively influences the reception characteristics of the converter.
  • Each transducer can be represented as a second-order oscillatory system and therefore considered as a spring-mass system.
  • a swing-out behavior of a piezoelectric transducer could therefore in principle e.g. be influenced by a change in the geometry or mechanical properties of the piezoelectric body.
  • this approach leads to relatively complex development steps, which could significantly increase the cost of a particular end product by abandoning a use of standard components.
  • a piezoelectric transducer in a device according to the invention is therefore connected to a voltage input with connected logic circuit for driving.
  • a method according to the invention is characterized in that a voltage signal is applied to the piezoelectric transducer, by means of which oscillation of the piezoelectric transducer is actively influenced with the aim of a shortened or delayed ringing.
  • a constant voltage is applied as such a signal.
  • phase jump in the applied excitation signal is preferably realized.
  • this phase jump is realized as early as possible in the excitation signal, since this leads to the i.d.R. very strong temperature dependence of the converter frequency-based negative effects are largely suppressed.
  • Such a phase jump is very advantageous in a received signal, especially for the evaluation of strongly noisy received signals, since the recognizability of a start of a former excitation signal on the basis of the phase curve can be carried out more reliably even under these unfavorable conditions.
  • the phase jump in the excitation signal in particular during the calibration of a corresponding device, is designed in such a way that it can also be detected in a received signal.
  • logic is used in analyzing a decay behavior of the piezoelectric transducer to adjust its driving.
  • the settling time of the transducer is considerably shortened according to the invention. If such converters are alternately operated as a transmitter and receiver, the minimization of the settling time in addition to the generation of sharper signals, for example, in a rapid change of the transmission and reception direction of great importance. Reducing the settling time minimizes the disturbances that occur as a result of the transducer's normal swing-out behavior when it is switched from transmit to receive mode.
  • the active damping during a settling time of the transducer offers the possibility of the
  • Swinging behavior of the transducer to be influenced by variations of additionally applied voltage signals targeted and especially to improve.
  • the waveform of a transmission signal can be influenced, for example under control by a logic in the reception branch for influencing an excitation signal.
  • FIG. 1 a an actuation signal V (t) according to the invention
  • FIG. 1b shows an output signal A (t) with the associated envelope ends
  • FIG. 1c shows a sketched phase response ⁇ (t) of the drive signal V (t) according to FIG.
  • FIG. 2b shows an output signal A (t) with an envelope belonging to the known excitation V (t).
  • FIG. 2 a shows a known excitation signal V (t) that is shown in FIG.
  • V (t) Essentially sinusoidally over the time t between a maximum and a minimum voltage value V (t) is performed.
  • the minimum value is approximately equal to 0 V.
  • FIG. 2b shows a time profile of a corresponding reaction signal A (t) of a piezoelectric transducer, such as FIG it would result in the excitation V with the excised by dashed lines of a signal Kontinium excitation signal.
  • An envelope E has been applied via this response signal A (t), which has a time width Z when a decision amplitude a is applied.
  • FIG. 1 a shows a modified excitation signal V (t) according to the present invention, in which an active signal suppression with a second signal has been carried out directly after the application of a starting pulse.
  • V (t) has been shown only a sum signal in Figure Ia for simplicity of illustration.
  • FIG. 1 b shows that the response signal A (t) has a lower maximum amplitude than that of FIG. 2 b, but is also narrower overall as a response signal. Furthermore, a response signal A (t) according to FIG. 1b also has steeper signal drops or edges of a new envelope N.
  • FIG. 1c shows a sketched phase response ⁇ (t) of the drive signal V (t) according to FIG.
  • the excitation signal or drive signal V (t) has at least one phase jump.
  • a first phase jump is realized as early as possible in the excitation signal A (t).
  • negative effects can be largely suppressed in particular based on the usually very strong temperature dependence of the converter frequency.
  • the sketched phase jump in the phase response ⁇ (t) is also designed such that it can be reliably detected in a receive signal even at a signal amplitude of only about 1 mV which is very small and very susceptible to noise compared to an excitation signal amplitude of about 100 V.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Wandlers und eine Wandlervorrichtung zur Luftmassenmessung an einer Verbrennungskraftmaschine. Um ein Verfahren und eine entsprechende Sensoranordnung zu schaffen, die eine verbesserte Messgenauigkeit aufweist, wird vorgeschlagen, ein Ausschwingen des eingesetzten piezoelektrischen Wandlers dadurch zu verbessern, dass an den piezoelektrischen Wandler ein Spannungssignal gelegt wird, durch das ein Aus- oder Nachschwingen des piezoelektrischen Wandlers aktiv mit dem Ziel eines zeitlich verkürzten Aus- oder Nachschwingens beeinflusst wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Wandlers und Wandlervorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Wandlers und eine Wandlervorrichtung zur Luftmassenmessung an einer Verbrennungskraftmaschine .
In Kraftfahrzeugen werden zur Ermittlung einer von einer Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luftmasse neben sog. Heißfilm-Anemometern, wie sie z.B. aus der DE 44 07 209 Al bekannt sind, auch Durchflussmessungen auf Basis von Ultraschall-Messungen eingesetzt, wie beispielsweise in der DE 33 31 519 C2 oder der DE 103 44 895 Al offenbart. In bekannten Vorrichtungen finden hier breitbandige Ultraschall- Wandler geringer Güte auf Basis piezoelektrischer Bauteile Einsatz .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine entsprechende Sensoranordnung zu schaffen, die eine verbesserte Messgenauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Basis einer erfindungsgemäßen Lösung bildet dabei die Erkenntnis, das bei einer Luftmassenmessung auf Ultraschallbasis ein Ausschwingen des eingesetzten piezoelektrischen Wandlers eine entscheidende Rolle spielt. Eine Verbesserung der Messgenauigkeit hat erfindungsgemäß also eine Beeinflussung des Ausschwingens zum Ziel.
Ein Abklingverhalten und damit auch eine Ausschwingzeit hängen von den mechanischen Eigenschaften des jeweiligen piezo- elektrischen Wandlers ab. Eine Ausschwingzeit muss zur Ausbildung möglichst charakteristischer Empfangssignale so gering wie möglich gehalten werden. Da die Wandler wechselseitig im Empfangs- und Sendebetrieb betrieben werden, beein- flusst die Ausschwingzeit maßgeblich auch das Empfangsverhalten des Wandlers. Schwingt der Wandler beim Senden zu lange nach, so beeinflusst das Ausschwingverhalten auch die Empfangseigenschaften des Wandlers negativ.
Jeder Wandler lässt sich als schwingungsfähiges System zweiter Ordnung darstellen und daher auch als Feder-Masse-System betrachten. Ein Ausschwingverhalten eines piezoelektrischen Wandlers könnte daher prinzipiell z.B. durch eine Veränderung der Geometrie oder mechanischer Eigenschaften des piezoelekt- rischen Körpers beeinflusst werden. Diese Vorgehensweise führt jedoch zu vergleichsweise aufwändigen Entwicklungsschritten, die durch Abkehr eines Einsatzes von Standardkomponenten ein jeweiliges Endprodukt auch wesentlich verteuern könnten .
Erfindungsgemäß ist ein piezoelektrischer Wandler in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung daher mit einem Spannungseingang mit angeschlossener Logikschaltung zur Ansteuerung verbunden. Durch die Ansteuerung mit einer konstanten Spannung wird ein Nachschwingen des Wandlers in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeitlich eng begrenzt. Demgemäß zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch aus, dass an den piezoelektrischen Wandler ein Spannungssignal gelegt wird, durch das ein Aus- oder Nachschwingen des piezoelektrischen Wandlers aktiv mit dem Ziel eines zeitlich verkürzten Ausoder Nachschwingens beeinflusst wird. In einer Ausführungsform wird als ein solches Signal eine konstante Spannung angelegt. Unter Vermittlung einer entsprechenden Logikschaltung kann während der Ausschwingphase des Wandlers auch mindestens ein zusätzliches Signal an den Wandler gesendet werden, um die mechanische Schwingung des Wandlers nach der Anregung zu verringern und dadurch auch das Ausschwingsignal quasi zu dämpfen .
Vorzugsweise wird hierzu ein Phasensprung in dem angelegten Anregungssignal realisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dieser Phasensprung zeitlich möglichst früh im Anregungssignal realisiert, da hierdurch auf der i.d.R. sehr starken Temperaturabhängigkeit der Wandlerfrequenz beruhende negative Effekte weitgehend unterdrückt werden. Ein derartiger Phasensprung ist in einem Empfangssignal gerade für die Auswertung von stark verrauschten Empfangssignalen sehr von Vorteil, da die Erkennbarkeit eines Starts eines vormaligen Anregungssignals anhand des Phasenverlaufes auch unter diesen ungünstigen Verhältnissen zuver- lässiger durchführbar ist. Vorzugsweise wird daher der Phasensprung im Anregungssignal insbesondere bei der Kalibrierung einer entsprechenden Vorrichtung derart ausgebildet, dass er auch in einem Empfangssignal detektierbar ist. Zu diesem Zweck wird in einer Ausführungsform der Erfindung eine Logik bei Analyse eines Ausschwingverhaltens des piezoelektrischen Wandlers zur Einstellung dessen Ansteuerung verwendet.
Durch die aktive Quasi-Dämpfung eines piezoelektrischen Wand- lers wird erfindungsgemäß die Ausschwingzeit des Wandlers erheblich verkürzt. Werden derartige Wandler abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben, so ist die Minimierung der Ausschwingzeit neben der Erzeugung von schärferen Signalen auch beispielsweise bei einem schnellen Wechsel der Sende- und Empfangsrichtung von großer Bedeutung. Durch die Reduzierung der Ausschwingzeit werden die Störungen minimiert, die Infolge des normalen Ausschwingverhaltens des Wandlers auftreten, wenn dieser vom Sende- auf einen Empfangsbetrieb umgeschaltet wird. Die aktive Dämpfung während einer Ausschwingzeit des Wandlers bietet die Möglichkeit, das
Ausschwingverhalten des Wandlers durch Variationen zusätzlich beaufschlagter Spannungssignale gezielt zu beeinflussen und insbesondere zu verbessern. Hierdurch kann auch die Kurvenform eines Sendesignals beeinflusst werden, z.B. unter Ansteuerung durch eine Logik im Empfangszweig zur Beeinflussung eines Anregungssignals.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung eines Ausführungsbeispieles mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter Darstellung:
Figur Ia: ein erfindungsgemäßes Ansteuersignal V(t);
Figur Ib: ein Ausgangssignal A(t) mit der zugehörigen Einhül- lenden;
Figur Ic: ein skizzierter Phasengang φ(t)_des Ansteuersignal V(t) gemäß Figur Ia;
Figur 2a: ein bekanntes Ansteuersignal V(t) und
Figur 2b: ein zu der bekannten Anregung V(t) gehörendes Ausgangssignal A(t) mit einer Einhüllenden.
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Größen verwendet.
Figur 2a zeigt ein bekanntes Anregungssignal V(t), dass im
Wesentlichen sinusförmig über der Zeit t zwischen einem maximalen und einem minimalen Spannungswert V(t) geführt wird. Im vorliegenden Fall entspricht der minimale Wert ungefähr dem Wert 0 V.
Figur 2b zeigt einen zeitlichen Verlauf eines entsprechenden Reaktionssignals A(t) eines piezoelektrischen Wandlers, wie es sich auf die Anregung V mit dem durch gestrichelte Linien aus einem Signalkontinium herausgeschnittenen Anregungssignal ergeben würde. Über dieses Antwortsignal A(t) ist eine Einhüllende E gelegt worden, die unter Anlegung einer Entschei- deramplitude a eine zeitliche Breite Z aufweist.
Figur Ia zeigt ein modifiziertes Anregungssignals V(t) gemäß vorliegender Erfindung, bei dem nach Anlegen eines Anregepulses direkt anschließend eine aktive Signallöschung mit einem zweiten Signal durchgeführt worden ist. Als Anregungssignal
V(t) ist zur Vereinfachung der Darstellung nur ein Summensignal in Figur Ia gezeigt worden.
Figur Ib zeigt, dass das Anwortsignal A(t) eine im Vergleich zu dem von Figur 2b geringere maximale Amplitude aufweist, jedoch als Antwortsignal insgesamt auch schmaler ausgebildet ist. Ferner weist ein Antwortsignal A(t) gemäß Figur Ib auch steilere Signalabfälle bzw. Flanken einer neuen Einhüllenden N.
Aus der Darstellung von Figur Ib lässt sich ablesen, dass durch den erfindungsgemäßen Ansatz einer aktiven Signallöschung zum Dämpfen eines Ausschwingverhaltens des verwendeten Wandlers ein insgesamt schärferes Ausgangs- bzw. System- Antwortsignal hervorgerufen wird. Das raschere Abklingen ruft bei schnellen Signalanregungen gegenseitig geringere Störungen hervor, so dass auch ein schneller Eigenschaftswechsel zwischen Sende- und Empfangsbetrieb bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geringere Störungen hervorruft, als dies bei einem Stand der Technik der Fall ist.
Figur Ic zeigt schließlich einen skizzierten Phasengang φ(t) des Ansteuersignal V(t) gemäß Figur Ia. Demnach weist das Anregungssignal bzw. Ansteuersignal V(t) mindestens einen Pha- sensprung auf. Ein erster Phasensprung wird dabei zeitlich möglichst früh im Anregungssignal A(t) realisiert. Hierdurch können negative Effekte weitgehend unterdrückt werden, die insbesondere auf der i. d. R. sehr starken Temperaturabhängigkeit der Wandlerfrequenz beruhen. Auch ist der skizzierte Phasensprung im Phasengang φ(t) derart ausgebildet, dass er in einem Empfangssignal auch bei einer gegenüber einer Anregungssignalamplitude von ca. 100 V sehr kleinen und stark rauschanfälligen Empfangssignalamplitude von nur etwa 1 mV sicher detektierbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Wandlers zur Luftmassenmessung an einer Verbrennungskraft- maschine, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an den piezoelektrischen Wandler ein Spannungssignal gelegt wird, durch das ein Aus- oder Nachschwingen des piezoelektrischen Wandlers aktiv mit dem Ziel eines zeitlich verkürzten Aus- oder Nachschwingens beein- flusst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in dem angelegten Anregungssignal (A (t)) ein Phasensprung realisiert wird.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Phasensprung im Anregungssignal (A (t) ) derart ausgebildet wird, dass er auch in einem Empfangssignal detek- tierbar ist.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dieser Phasensprung zeitlich möglichst früh im Anregungssignal realisiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass nach einer Anregung als ein solches Spannungssignal eine konstante Spannung an den piezoelektrischen Wandler angelegt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Analyse des Ausschwingverhaltens in Abhängigkeit einer jeweiligen Form einer Anregung durchgeführt wird, wobei ein Ergebnis anschließend als gegenphasiges Dämpfungs- signal in Form mindestens eines zusätzlichen Signals an den piezoelektrischen Wandler gesendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Ausschwingverhalten des piezoelektrischen Wandlers durch Variationen zusätzlich beaufschlagter Spannungssignale gezielt zu beeinflusst wird.
8. Wandlervorrichtung zur Messung einer Luftmasse an einer Verbrennungskraftmaschine, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vorrichtung (1) zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ausgebildet ist, dass ein piezoelektri- scher Wandler mit einem Spannungseingang mit angeschlossener Logikschaltung zur Ansteuerung verbunden ist .
9. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Logik zur Analyse eines Ausschwingverhaltens des piezoelektrischen Wandlers ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden An- Sprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Logik zur Ausgabe mindestens eines zusätzlichen Signals an den piezoelektrischen Wandler zu dessen aktiver Bedämpfung ausgebildet ist.
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