WO2017097469A1 - Verfahren und vorrichtung zum erkennen eines eisbelegten elektroakustischen sensors - Google Patents

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ice
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Michael Schoenherr
Marcus Schneider
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting an ice-covered electroacoustic sensor. In another aspect, the invention relates to an electroacoustic sensor.
  • an electro-acoustic sensor which is part of a driver assistance system, for example as a distance sensor, is covered with ice or snow if the weather is appropriate.
  • the electroacoustic sensor has an outwardly directed membrane for emitting and / or receiving sound waves, an ice or snow layer on the membrane of the electroacoustic sensor can cause the membrane of the sensor no longer to oscillate freely and thus less energy is converted into sound.
  • a transmitted pulse in this case would be weaker than designed and an incoming sound would stimulate the membrane to vibrate weaker than without a coating.
  • an ice coating on the membrane the sound waves are also absorbed and consequently no longer reach the sensor membrane completely.
  • An ice or snow cover of the membrane of the electro-acoustic sensor can thus lead to a reduction in the sensitivity of the sensor or, in the worst case, to its failure.
  • Temperature gradient of a sensor surface is detected and evaluated.
  • the temperature gradient is detected directly on the membrane and compared with a setpoint. This can be due to the blocking of the surface Eg ice are closed. Furthermore, a heater for ultrasonic sensors for removing overlying ice is described.
  • the invention provides a method for detecting a covered with snow or ice membrane of
  • electroacoustic sensor in particular an ultrasonic sensor proposed on a vehicle.
  • the method comprises the following steps: a. ) A temporal temperature profile of an interior of the electroacoustic sensor, in particular an ultrasonic sensor proposed on a vehicle.
  • Temperature sensor which is arranged in the interior of a housing of the sensor, determined.
  • the temperature of the sensor interior is below 0 ° C at the beginning of the sensor operation.
  • a chronologically second region of the determined temperature profile is detected by a computing unit in which the temperature increase decreases significantly compared to a chronologically preceding first region.
  • a computing unit in which the temperature increase decreases significantly compared to a chronologically preceding first region.
  • Snow or ice is used, a warning is issued to the driver.
  • a temperature sensor is arranged in the interior of the housing of the sensor, on the basis of which a temporal temperature profile of Interior can be determined so as to be able to detect an icy or snow-covered sensor.
  • the invention is based on the recognition that a deposit of snow or ice on the membrane of the sensor causes a characteristic time profile of the temperature in the interior of the sensor housing. This is due to the melting process of the water when the ice / mud / snow surface has reached a temperature of 0 ° C.
  • a deposit of snow or ice on the membrane of the sensor causes a characteristic time profile of the temperature in the interior of the sensor housing. This is due to the melting process of the water when the ice / mud / snow surface has reached a temperature of 0 ° C.
  • the temperature at the membrane is still below 0 ° C, there is initially an approximately linear increase in temperature of the sensor interior, as well as the membrane of the sensor. This linear increase in temperature is due to the fact that contacts on the circuit board of a sensor have a resistance and thereby electrical energy is converted into heat energy when current flow.
  • resistive electronic components are present in the sensor, which also convert electrical energy into heat energy.
  • Heat capacity increases thereby the temperature of the sensor interior, as well as, heated by the waste heat, components of the electro-acoustic sensor initially linear. Subsequently, there is a time range in which there is a significant drop in temperature increase. This is due to the incipient melting of the ice on the membrane when the melting temperature of the ice is reached there. The temperature at the membrane remains constant during the melting process at about 0 ° C and does not increase further. The heat is considered as heat of fusion completely for the
  • the inventive method can in particular for the detection of an ice or snow-covered membrane of an ultrasonic sensor, as he to
  • the reference temperature curve at the beginning of the comparison has the same temperature as the sensor interior at the beginning of the sensor operation.
  • the slope of a curve in a point is a meaningful feature of a curve, with which you can compare exactly the course of two curves.
  • the reference temperature curve at the beginning of the comparison has the same temperature as the sensor interior at the beginning of the sensor operation.
  • the second derivative, and thus the determination of changes in direction of the curve or turning points within the curve is a characteristic feature of a Curve course, which makes the comparison of the course of two curves well possible.
  • the driver is presented with the affected sensor, e.g. on a display. This is particularly advantageous if several sensors on the
  • an electroacoustic sensor in particular an ultrasonic sensor is proposed, wherein this
  • the electroacoustic sensor e.g. is designed as part of a driver assistance system and serves for distance measurement.
  • the electroacoustic sensor comprises a housing, a temperature sensor and a membrane for receiving acoustic vibrations.
  • the membrane can serve to emit acoustic vibrations.
  • the membrane can be applied to both principles.
  • the membrane is arranged on the housing such that it closes the housing to the outside.
  • the temperature sensor which is arranged according to the invention in the interior of the housing, detects the temporal temperature profile of the interior of the electro-acoustic sensor after the start of the sensor operation. With this implemented function, it is thus possible to carry out the first step of the method, namely the determination of the temporal temperature profile of the sensor interior.
  • the inventively embodied electroacoustic sensor also comprises a computing unit which is configured to detect a temporally second region of the temperature profile, in which the temperature increase compared to a temporally preceding first region significantly drops, and when a such time range is detected, to recognize that the membrane is covered with snow or ice.
  • the arithmetic unit may be provided either inside the housing or separately therefrom.
  • the temperature sensor is attached to a circuit board of the sensor, wherein the circuit board is arranged in the interior of the housing.
  • the PCB ensures the contacting of the necessary electronics of the
  • electroacoustic sensor is present.
  • the attachment of the temperature sensor to the circuit board also provides the advantage that no additional
  • Power supply for the temperature sensor must be provided as an electronic component.
  • the temperature sensor may be mounted both as a single component on the circuit board, as well as a part of an integrated circuit which is located in the electro-acoustic sensor.
  • the mounting on the circuit board or the integration as part of an integrated circuit has, inter alia, the advantage that no additional component is to be attached to the membrane itself. As a result, the production of the membrane is not more expensive compared to an electro-acoustic sensor without the inventive design.
  • electroacoustic sensor formed as a bottom surface of a diaphragm pot.
  • the vibration of the membrane can be almost completely decoupled from possible vibrations of other surrounding parts, such as a bumper.
  • Figure la shows a first embodiment of the invention.
  • Figure lb shows typical temperature curves of the sensor interior with and without Eisbelag the membrane.
  • Figure 2 shows an example of the implementation of the output of a warning to the driver, upon detection of a ice or snow-cleared distance sensor.
  • FIG. 3 shows a method sequence according to an embodiment of the invention for detecting a membrane occupied by snow or ice.
  • FIG. la is an electro-acoustic sensor 1 comprising a housing 10, a membrane 20 for receiving and / or emitting acoustic
  • a temperature sensor 80 in the sensor interior 15 and a computing unit 95 shown.
  • a decoupling ring 60 is shown, which may be mounted between diaphragm pot 25 and bumper 40, on the one hand to seal the sensor and on the other hand to decouple the sensor 1 and the bumper 40 with respect to mechanical vibrations.
  • the arithmetic unit 95, as well as the temperature sensor 80, can be contacted on a printed circuit board 70 in the sensor interior, as shown in this first embodiment.
  • the printed conductors of the printed circuit board 70 are supplied with power, for example, by a power cable 90.
  • the electrically supplied energy is primarily converted into heat during the operation of the sensor at the contacts of the printed circuit board 70, wherein the heat can be dissipated into the bumper 50, for example via the membrane 20, the housing 10 or the side wall of the diaphragm pot 25.
  • the temperature sensor 80 can this heating by a
  • the membrane 20, which is formed in this example as a bottom surface of the diaphragm pot 25 is occupied in this example at an outside temperature 100 of -3 ° C with ice 40 or snow.
  • the temperature of the water begins to rise due to the heat storage, whereupon the temperature at the membrane 20 increases.
  • the air of the sensor interior 15 begins to heat up faster again.
  • the temperature-time profile of the sensor interior 15 measured during this time by the temperature sensor 80 is detected by a computer unit 95 and compared with a stored reference profile of a second ice-free sensor, as shown in the following figure lb by the arithmetic unit 95. If, in the ascertained temperature curve 150, a temporally second region 170 with a substantially lower gradient than in the reference curve is detected, then a membrane 20 covered with snow or ice 40 can thereby be detected
  • the arithmetic unit 95 can send a warning to an output device 110 through a data connection 120, and this, as well as, for example, the affected electro-acoustic sensor 1, can be displayed to the driver there.
  • on the Y-axis 190 is the temperature with the unit degrees Celsius and on the x-axis 180 the time in seconds applied.
  • the temperature of the sensor interior 15 rises approximately linearly.
  • the slope of this first temporal region 165 is approximated by the slope of the first tangent 140.
  • the first temporal region 165 of the reference temperature curve 200 of an ice-free sensor on the right side 185 of FIG. 1b runs with approximately the same slope as the first temporal region 165 of the curve on the left side 175.
  • the linear increase in temperature in this temporally first region 165 is due to the fact that contacts on the printed circuit board 70 have an electrical resistance and thereby electrical energy is also converted into thermal energy when current flows. Depending on the specific heat capacity thereby increases the temperature of the sensor interior 15, as well as, by the
  • Waste heat heated, components of the electro-acoustic sensor 1 linear.
  • the chronologically first region 165 is followed on the left side 175 by a temporally second region 170 of the determined temperature profile 150 of the sensor interior 15 at the time t.sub.1, which has a characteristically different course compared to its temporally first region 165.
  • the temperature increase in this temporally second region 170 for example, a period of 10
  • Seconds has dropped significantly compared to the temporally first region 165, which is also recognized by the significantly flatter course of the second tangent 160 in comparison to the first tangent 140.
  • the slope of the second tangent 170 approximately describes the slope within the temporally second region 170, which reaches up to the time t2.
  • the second temporal region 170 of the reference temperature curve 200 of an ice-free sensor on the right side 185 of FIG. 1b continues to run approximately unchanged with a linear increase in temperature
  • Speed indicator 240 of the associated vehicle are displayed.
  • the warning 210 to the driver may, as shown in this figure 2, be done by displaying a symbol on a display 225.
  • the presence of an iced sensor is made immediately clear to the driver in the direct field of vision on the dashboard 220.
  • the display on a display the position of the affected sensor 215. If several sensors are attached to the vehicle, it is thus possible for the driver independently to free the affected sensor from ice or snow. If the sensor has been damaged by the ice or snow cover, it is not necessary to separately determine which sensor is defective for a repair. In addition, the driver can do it himself assess which maneuvers are still safe to perform with the functioning sensors and which he should better control manually.
  • FIG. 3 shows, according to the invention, a method sequence for detecting a membrane of an electroacoustic sensor covered with snow or ice.
  • the temporal temperature profile of the sensor interior is determined.
  • a temporally second region of the previously determined temperature profile of the sensor interior is replaced by a
  • this second area can advantageously be done by the computer through the comparison with a reference temperature profile, which at the beginning of the comparison has the same temperature as the sensor interior at the beginning of the sensor operation.
  • a reference temperature profile which at the beginning of the comparison has the same temperature as the sensor interior at the beginning of the sensor operation.
  • the slope and / or the second derivative of the two temperature profiles can be compared.
  • a membrane of the electroacoustic sensor covered with snow or ice is detected.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung einer mit Schnee oder Eis (40) belegten Membran (20) eines elektroakustischen Sensors (1), insbesondere eines Ultraschallsensors, an einem Fahrzeug vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: a. ) Ein zeitlicher Temperaturverlauf eines Innenraums (15) des elektroakustischen Sensors (1) wird nach Beginn des Sensorbetriebs durch einen Temperatursensor (80), welcher im Innenraum (15) eines Gehäuses (10) des Sensors angeordnet ist, ermittelt. Die Temperatur des Sensor- Innenraums (15) beträgt zu Beginn des Sensorbetriebs unter 0 °C. b. ) Es wird ein zeitlich zweiter Bereich des ermittelten Temperaturverlaufs durch eine Recheneinheit (95) erkannt, in dem die Temperaturzunahme gegenüber einem zeitlich vorangehenden ersten Bereich signifikant abfällt. c. ) Falls ein solcher zeitlicher Bereich erkannt wird, wird daraus geschlossen, dass die Membran (20) des elektroakustischen Sensors (1) mit Schnee oder Eis (40) belegt ist. d. ) Wurde erkannt, dass eine Membran (20) des elektroakustischen Sensors (1) mit Schnee oder Eis (40) belegt ist, wird eine Warnung an den Fahrer ausgegeben.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines eisbelegten elektroakustischen Sensors
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines eisbelegten elektroakustischen Sensors. Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen elektroakustischen Sensor.
Im Winter kann es bei im freien abgestellten Fahrzeugen dazu kommen, dass ein elektroakustischer Sensor, der beispielsweise als Abstandssensor Teil eines Fahrerassistenzsystems ist, bei entsprechender Witterung mit Eis oder Schnee belegt ist. Weist der elektroakustische Sensor eine nach außen gerichtete Membran zum Abstrahlen und/oder zum Empfangen von Schallwellen auf, so kann ein Eis- oder Schneebelag auf der Membran des elektroakustischen Sensor dazu führen, dass die Membran des Sensors nicht mehr frei schwingen kann und dadurch weniger Energie in Schall umgewandelt wird. Ein ausgesendeter Puls wäre in diesem Fall schwächer als ausgelegt und ein ankommender Schall würde die Membran schwächer als ohne Belag zum Schwingen anregen. Durch einen Eisbelag auf der Membran werden die Schallwellen zudem absorbiert und erreichen folglich nicht mehr vollumfänglich die Sensormembran. Ein Eis- oder Schneebelag der Membran des elektroakustischen Sensors kann damit zu einer Verringerung der Empfindlichkeit des Sensors oder im schlimmsten Fall zu dessen Ausfall führen.
DE 10 2010 028 009 AI beschreibt einen Ultraschallsensor zur
Abstandsmessung bei dem mittels eines Temperatursensors der
Temperaturgradient einer Sensoroberfläche erfasst und ausgewertet wird.
Hierbei wird der Temperaturgradient direkt an der Membran erfasst und mit einem Sollwert verglichen. Damit kann auf die Blockierung der Oberfläche durch z.B. Eis geschlossen werden. Des Weiteren wird eine Heizeinrichtung für Ultraschallsensoren zu Entfernung von aufliegendem Eis beschrieben.
Aus dem Stand der Technik ist damit bekannt, durch Temperatursensoren an der Membran auf einen eisbelegten Sensor schließen zu können, jedoch ist die dafür nötige membrannahe Zusatzsensorik sehr teuer und aufwendig anzubringen.
Offenbarung der Erfindung
Um diesem Problem zu begegnen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erkennung einer mit Schnee oder Eis belegten Membran eines
elektroakustischen Sensors, insbesondere eines Ultraschallsensors, an einem Fahrzeug vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: a. ) Ein zeitlicher Temperaturverlauf eines Innenraums des elektroakustischen
Sensors wird nach Beginn des Sensorbetriebs durch einen
Temperatursensor, welcher im Innenraum eines Gehäuses des Sensors angeordnet ist, ermittelt. Die Temperatur des Sensor-Innenraums beträgt zu Beginn des Sensorbetriebs unter 0 °C. b. ) Es wird ein zeitlich zweiter Bereich des ermittelten Temperaturverlaufs durch eine Recheneinheit erkannt, in dem die Temperaturzunahme gegenüber einem zeitlich vorangehenden ersten Bereich signifikant abfällt. c. ) Falls ein solcher zeitlicher Bereich erkannt wird, wird daraus geschlossen, dass die Membran des elektroakustischen Sensors mit Schnee oder Eis belegt ist. d. ) Wurde erkannt, dass eine Membran des elektroakustischen Sensors mit
Schnee oder Eis belegt ist, wird eine Warnung an den Fahrer ausgegeben.
Das vorliegende Verfahren erlaubt also, einen eisbelegten Sensor zu erkennen ohne dass eine teure, membrannahe Zusatzsensorik angebracht werden muss. Erfindungsgemäß ist dazu ein Temperatursensor im Innenraum des Gehäuses des Sensors angeordnet, anhand dessen ein zeitlicher Temperaturverlauf des Innenraums ermittelt werden kann, um so einen vereisten oder mit Schnee belegten Sensor erkennen zu können.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Belag mit Schnee oder Eis auf der Membran des Sensors einen charakteristischen zeitlichen Verlauf der Temperatur im Innenraum des Sensorgehäuses verursacht. Dies ist begründet durch den Schmelzvorgang des Wassers, wenn der Eis/Matsch/Schnee-Belag eine Temperatur von 0°C erreicht hat. Zu Beginn des Sensorbetriebs, wenn die Temperatur an der Membran noch unter 0°C liegt, kommt es zunächst zu einer annährend linearen Temperaturzunahme des Sensor-Innenraums, wie auch der Membran des Sensors. Diese lineare Temperaturzunahme kommt dadurch zustande, dass Kontaktierungen auf der Leiterplatte eines Sensors einen Widerstand besitzen und dadurch bei Stromfluss elektrische Energie auch in Wärmeenergie umgewandelt wird. Üblicherweise sind auch widerstandsbehaftete elektronische Bauteile im Sensor vorhanden, welche ebenfalls elektrische Energie auch in Wärmeenergie umwandeln. Je nach spezifischer
Wärmekapazität steigt dadurch die Temperatur des Sensor-Innenraums, sowie der, durch die Abwärme aufgeheizten, Bauteile des elektroakustischen Sensors zunächst linear an. Darauf folgend kommt es zu einem zeitlichen Bereich, in der es zu einem deutlichen Abfall der Temperaturzunahme kommt. Dies ist auf den beginnenden Schmelzvorgang des Eises auf der Membran zurückzuführen, wenn dort die Schmelztemperatur des Eises erreicht ist. Die Temperatur an der Membran bleibt während des Schmelzvorgangs bei konstant ca. 0°C und steigt nicht weiter an. Die Wärme wird als Schmelzwärme vollständig für den
Phasenwechsel benötigt und deshalb kann es dort während des
Schmelzvorgangs zu keiner weiteren Temperaturerhöhung kommen. Die Membran wird dadurch zu einer isothermen Wärmesenke, welche die Luft des Sensor-Innenraums kühlt und damit dessen Erwärmung durch die Abwärme verlangsamt. Nach einer gewissen Zeit kommt es wieder zu einem linearen Anstieg der Temperatur des Sensor-Innenraums, da sich auf der Membran durch das schmelzende Eis ein Wasserfilm aufbaut. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Temperatur des Wasserfilms infolge der Wärmespeicherung beginnt zu steigen, woraufhin sich die Luft des Sensor-Innenraums ebenfalls wieder erwärmt. Analoge Überlegungen gelten auch für andere Bauformen bzw. Einbauformen von elektroakustischen Sensoren.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Erkennung einer eis- oder schneebelegten Membran eines Ultraschallsensors, wie er zur
Abstandsmessung und/oder Umfelderfassung an einem Fahrzeug eingesetzt wird, eingesetzt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
Vorzugsweise erfolgt im zweiten Schritt des Verfahrens die Erkennung des zeitlich zweiten Bereiches, in dem die Steigung des ermittelten
Temperaturverlaufs im Sensor-Innenraum mit der Steigung eines in der
Recheneinheit hinterlegten Referenz-Temperaturverlaufs durch die
Recheneinheit verglichen und dabei ein Unterschied in den Kurvenverläufen erkannt wird. Um aus dem Vergleich und aus dem Unterschied in den
Kurvenverläufen plausibel urteilen zu können, weist der Referenz- Temperaturverlauf zu Beginn des Vergleichs dieselbe Temperatur auf, wie der Sensor-Innenraum zu Beginn des Sensorbetriebs. Die Steigung einer Kurve in einem Punkt ist ein aussagekräftiges Merkmal eines Kurvenverlaufs, mit welchem man genau den Verlauf zweier Kurven vergleichen kann.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung erfolgt im zweiten Schritt des Verfahrens die Erkennung des zeitlich zweiten Bereiches, in dem die zweite Ableitung des ermittelten Temperaturverlaufs im Sensor-Innenraum mit der zweiten Ableitung eines in der Recheneinheit hinterlegten Referenz- Temperaturverlaufs durch die Recheneinheit verglichen und dabei ein
Unterschied in den Kurvenverläufen erkannt wird. Um aus dem Vergleich und aus dem Unterschied in den Kurvenverläufen plausibel urteilen zu können, weist der Referenz-Temperaturverlauf zu Beginn des Vergleichs dieselbe Temperatur auf, wie der Sensor-Innenraum zu Beginn des Sensorbetriebs. Die zweite Ableitung und damit die Bestimmung von Richtungsänderungen der Kurve bzw. von Wendepunkten innerhalb der Kurve ist ein charakteristisches Merkmal eines Kurvenverlaufs, welches das Vergleichen des Verlaufs zweier Kurven gut möglich macht.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird dem Fahrer während dem letzten Schritt des Verfahrens der betroffene Sensor, z.B. auf einem Display, angezeigt. Dies ist besonders vorteilhaft, falls mehrere Sensoren an dem
Fahrzeug angeordnet sind. Der Fahrer kann in Folge den betroffenen Sensor falls möglich vom Eis oder Schnee befreien. Sollte es gar zu einer Beschädigung des Sensors durch den Eis- oder Schneebelag gekommen sein, muss für eine Reparatur nicht gesondert ermittelt werden, welcher Sensor defekt ist. Zudem kann der Fahrer damit selbst einschätzen, welche Manöver noch sicher mit den funktionierenden Sensoren durchzuführen sind und welche er besser manuell steuern sollte. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektroakustischer Sensor, insbesondere ein Ultraschallsensor vorgeschlagen, wobei dieser
elektroakustische Sensor z.B. als Teil eines Fahrerassistenzsystems ausgebildet ist und zur Abstandsmessung dient. Der elektroakustische Sensor umfasst ein Gehäuse, einen Temperatursensor und eine Membran zum Empfangen von akustischen Schwingungen. Alternativ kann die Membran zum Aussenden von akustischen Schwingungen dienen. In einer weiteren Alternative kann die Membran für beide Prinzipien angewendet werden. Die Membran ist derart am Gehäuse angeordnet, dass sie das Gehäuse nach außen hin abschließt. Der Temperatursensor, welcher erfindungsgemäß im Innenraum des Gehäuses angeordnet ist, erfasst den zeitlichen Temperaturverlauf des Innenraums des elektroakustischen Sensors nach Beginn des Sensorbetriebs. Mit dieser implementierten Funktion ist es also möglich den ersten Schritt des Verfahrens, nämlich die Ermittlung des zeitlichen Temperaturverlaufs des Sensor- Innenraums, durchzuführen.
Der erfindungsgemäß ausgebildete elektroakustische Sensor umfasst außerdem eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, einen zeitlich zweiten Bereiches des Temperaturverlaufs, in dem die Temperaturzunahme gegenüber einem zeitlich vorangehenden ersten Bereich signifikant abfällt, zu erkennen, und wenn ein solcher zeitlicher Bereich erkannt wird, zu erkennen, dass die Membran mit Schnee oder Eis belegt ist.
Die Recheneinheit kann entweder im Inneren des Gehäuses oder separat davon vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist der Temperatursensor an einer Leiterplatte des Sensors befestigt, wobei die Leiterplatte im Innenraum des Gehäuses angeordnet ist. Die Leiterplatte sorgt für die Kontaktierung der nötigen Elektronik des
elektroakustischen Sensors. Das heißt, dass dort die nötige
Spannungsversorgung für die elektronischen Komponenten des
elektroakustischen Sensors vorliegt. Die Anbringung des Temperatursensors an der Leiterplatte erbringt zudem den Vorteil, dass keine zusätzliche
Stromversorgung für den Temperatursensor als elektronische Komponente vorgesehen werden muss.
Der Temperatursensor kann sowohl als einzelnes Bauteil auf der Leiterplatte befestigt sein, als auch als ein Teil eines integrierten Schaltkreises welcher sich im elektroakustischen Sensor befindet ausgeführt sein. Die Anbringung auf der Leiterplatte oder die Integration als Teil eines integrierten Schaltkreises hat unter anderem den Vorteil dass an der Membran selbst kein zusätzliches Bauteil anzubringen ist. Dadurch wird die Herstellung der Membran nicht teurer im Vergleich zu einem elektroakustischen Sensor ohne die erfindungsgemäße Ausführung.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Membran des
elektroakustischen Sensors als Bodenfläche eines Membrantopfs ausgebildet. Dadurch können die Schwingung der Membran fast vollständig von möglichen Schwingungen anderer umgebenden Teile, wie beispielsweise eines Stoßfängers entkoppelt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur la zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung.
Figur lb zeigt typische Temperaturverläufe des Sensor-Innenraums mit und ohne Eisbelag der Membran.
Figur 2 zeigt ein Beispiel für die Umsetzung der Ausgabe einer Warnung an den Fahrer, bei Erkennung eines eis- oder schneebelegten Abstandssensors.
Figur 3 zeigt einen Verfahrensablauf gemäß einer Ausführung der Erfindung zur Erkennung einer mit Schnee oder Eis belegten Membran.
Ausführungsbeispiele
In den folgenden Ausführungsbeispielen sind identische Merkmale mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
In Figur la ist ein elektroakustischer Sensor 1 umfassend ein Gehäuse 10, eine Membran 20 zum Empfangen und/oder Aussenden von akustischen
Schwingungen, einen Temperatursensor 80 im Sensor-Innenraum 15 und eine Recheneinheit 95, gezeigt. Zusätzlich ist ein Entkopplungsring 60 gezeigt, der zwischen Membrantopf 25 und Stoßfänger 40 angebracht sein kann, um einerseits den Sensor abzudichten und andererseits den Sensor 1 und den Stoßfänger 40 bezüglich mechanischer Schwingungen zu entkoppeln. Die Recheneinheit 95, wie auch der Temperatursensor 80 können wie in dieser ersten Ausführungsform gezeigt, auf einer Leiterplatte 70 im Sensor-Innenraum kontaktiert sein. Die Leiterbahnen der Leiterplatte 70 werden beispielsweise durch ein Stromkabel 90 mit Strom versorgt. Die elektrisch zugeführte Energie wird während des Betriebs des Sensors an den Kontaktierungen der Leiterplatte 70 vorrangig in Wärme umgesetzt, wobei die Wärme beispielsweise über die Membran 20, das Gehäuse 10 oder über die Seitenwand des Membrantopfs 25 in den Stoßfänger 50 abgeführt werden kann. Der Temperatursensor 80 kann diese Erwärmung durch eine
Temperaturerhöhung erfassen. Die Membran 20, welche in diesem Beispiel als Bodenfläche des Membrantopfs 25 ausgebildet ist, ist in diesem Beispiel bei einer Außentemperatur 100 von -3°C mit Eis 40 oder Schnee belegt.
Beim Sensorbetrieb kommt es ab einer Temperatur von 0°C der Membran 20 zu einem Schmelzvorgang des Eises 40, was nach einer gewissen Zeit zur Bildung eines Wasserfilms 30 auf der Membran 20 führt. Die abgeführte Wärmeenergie 35 wird, soweit sie über die Membran 20 abgeführt wird, für diesen
Schmelzvorgang verwendet. Die Temperatur an der Membran verbleibt während des Schmelzvorgangs bei ca. 0°C, was zu einer Verlangsamung der Erwärmung der Luft des Sensor-Innenraums 15 führt. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Sensor-Innenraums 15 für eine gewisse Zeit nicht mehr so stark, die
Steigung des ermittelten Temperaturverlaufs verringert sich also. Mit
wachsendem Wasserfilm 30 auf der Membran 20 beginnt die Temperatur des Wassers infolge der Wärmespeicherung an zu steigen, woraufhin sich auch die Temperatur an der Membran 20 erhöht. In der Folge beginnt sich die Luft des Sensor-Innenraums 15 wieder schneller zu erwärmen.
Der währenddessen durch den Temperatursensor 80 gemessene Temperatur- Zeit-Verlauf des Sensor-Innenraums 15 wird durch eine Recheneinheit 95 erfasst und mit einem gespeicherten Referenzverlauf eines zweiten eisfreien Sensors, wie in der folgenden Figur lb dargestellt, durch die Recheneinheit 95 verglichen. Wird in dem ermittelten Temperaturverlauf 150 ein zeitlich zweiter Bereich 170 mit einer wesentlich geringeren Steigung als in der Referenzkurve erkannt, so kann dadurch eine mit Schnee oder Eis 40 belegte Membran 20 des
elektroakustischen Sensors 1 erkannt werden. Daraufhin kann die Recheneinheit 95 durch eine Datenverbindung 120 eine Warnung an ein Ausgabegerät 110 senden und diese, sowie beispielsweise den betroffenen elektroakustischen Sensor 1 dem Fahrer dort anzeigen lassen.
Auf der linken Seite der Figur lb ist beispielhaft ein gemessener
Temperaturverlauf 150 des Sensor-Innenraums 15 über der Zeit für den in Figur la dargestellten elektroakustischen Sensor 1 nach Beginn des Sensorbetriebs dargestellt. Hierbei ist auf der Y-Achse 190 die Temperatur mit der Einheit Grad Celsius und auf der X-Achse 180 die Zeit in Sekunden aufgetragen. In einem zeitlich ersten Bereich 165, welcher vom Beginn der Messung (t = 0) bis zum Zeitpunkts ti dauert und einem Zeitraum von beispielsweise 10 Sekunden entspricht, steigt die Temperatur des Sensorinnenraums 15 annährend linear an. Die Steigung dieses ersten zeitlichen Bereiches 165 wird durch die Steigung der ersten Tangente 140 angenähert. Der erste zeitliche Bereich 165 des Referenz- Temperaturverlaufs 200 eines eisfreien Sensors auf der rechten Seite 185 der Figur lb verläuft mit annähernd derselben Steigung wie der erste zeitliche Bereich 165 der Kurve auf der linken Seite 175.
Die lineare Temperaturzunahme in diesem zeitlich ersten Bereich 165 kommt dadurch zustande, dass Kontaktierungen auf der Leiterplatte 70 einen elektrischen Widerstand besitzen und dadurch bei Stromfluss elektrische Energie auch in Wärmeenergie umgewandelt wird. Je nach spezifischer Wärmekapazität steigt dadurch die Temperatur des Sensor-Innenraums 15, sowie der, durch die
Abwärme aufgeheizten, Bauteile des elektroakustischen Sensors 1 linear an.
Auf den zeitlich ersten Bereich 165 folgt auf der linken Seite 175 zum Zeitpunkt ti ein zeitlich zweiter Bereich 170 des ermittelten Temperaturverlaufs 150 des Sensor-Innenraums 15, der gegenüber seinem zeitlich ersten Bereich 165 einen charakteristisch anderen Verlauf aufweist. Die Temperaturzunahme in diesem zeitlich zweiten Bereich 170, der beispielsweise einem Zeitraum von 10
Sekunden entspricht, ist gegenüber dem zeitlich ersten Bereich 165 deutlich abgefallen, was man ebenfalls an dem deutlich flacheren Verlauf der zweiten Tangente 160 im Vergleich zu der ersten Tangente 140 erkennt. Die Steigung der zweiten Tangente 170 beschreibt die Steigung innerhalb des zeitlich zweiten Bereiches 170, welcher bis zum Zeitpunkt t2 reicht, näherungsweise. Der zweite zeitliche Bereich 170 des Referenz-Temperaturverlaufs 200 eines eisfreien Sensors auf der rechten Seite 185 der Figur lb verläuft dagegen weiter unverändert mit einer linearen Temperaturzunahme näherungsweise
entsprechend der Steigung der ersten Tangente 140. Der Grund für diesen unterschiedlichen Temperaturverlauf ist der beginnende Schmelzvorgang des Eises 40, welches sich auf der Membran 20 aus Fig. la befindet. Die Temperatur an der Membran 20 bleibt während des Schmelzvorgangs konstant bei ca. 0°C und steigt nicht weiter an. Die Wärme wird vollständig für den Phasenwechsel benötigt und deshalb kann es dort währenddessen zu keiner weiteren
Temperaturerhöhung kommen. Die Membran 20 wird dadurch zu einer isothermen Wärmesenke, welche die Erwärmung des Sensor-Innenraums 15 verlangsamt. Bei einem eisfreien Sensor, bei welchem dieser Kühlungseffekt über einen gewissen Zeitraum nicht auftritt, steigt die Temperatur weiter linear an. Dies ist an dem Referenz-Temperaturverlauf 200 auf der rechten Seite 185 von Fig. lb zu erkennen. Dieser Unterschied im Verlauf der beiden Kurven, welcher im Falle des ermittelten Temperaturverlaufs 150 auf der linken Seite 175 von Fig.lb auf eine mit Eis 40 oder Schnee belegte Membran 20 hinweist, kann, wie schon in der Beschreibung von Fig. la dargestellt, durch eine Recheneinheit 95 erkannt werden und dann mittels eines Ausgabegerätes 110 durch eine Warnung an den Fahrer übermittelt werden.
Nach dem Zeitpunkt t2 beginnt mit wachsendem Wasserfilm 30 die
Wärmespeicherung im Wasserfilm 30, wodurch es zu einer Erwärmung des Wassers kommt und damit die Membrantemperatur wieder beginnt zu steigen. Die Erwärmung des Sensor-Innenraums 15 wird dadurch nicht mehr
verlangsamt, da das sich erwärmende Wasser beginnt die Luft des Sensor- Innenraums 15 ebenfalls zu erwärmen. In der Folge nähern sich die beiden Temperaturverläufe auf der linken Seite 175 und auf der rechten Seite 185 von Fig. lb wieder an.
In Figur 2 ist ein Lenkrad 230 und ein Armaturenbrett 220 mit Display, auf dem eine Warnung 210 an den Fahrer, die Kilometeranzeige 245, sowie die
Geschwindigkeitsanzeige 240 des zugehörigen Fahrzeugs angezeigt werden, zu erkennen. Die Warnung 210 an den Fahrer kann, wie auf dieser Figur 2 gezeigt, durch Aufzeigen eines Symbols auf einem Display 225 geschehen. Hierdurch wird dem Fahrer im direkten Blickfeld auf das Armaturenbrett 220 das Vorliegen eines vereisten Sensors unmittelbar deutlich gemacht. Zugleich kann durch die Anzeige auf einem Display die Position des betroffenen Sensors 215 angezeigt werden. Falls mehrere Sensoren am Fahrzeug angebracht sind, ist es dem Fahrer so möglich den betroffenen Sensor selbstständig vom Eis oder Schnee zu befreien. Sollte es gar zu einer Beschädigung des Sensors durch den Eis- oder Schneebelag gekommen sein, muss für eine Reparatur nicht gesondert ermittelt werden, welcher Sensor defekt ist. Zudem kann der Fahrer damit selbst einschätzen, welche Manöver noch sicher mit den funktionierenden Sensoren durchzuführen sind und welche er besser manuell steuern sollte.
Figur 3 zeigt erfindungsgemäß einen Verfahrensablauf zur Erkennung einer mit Schnee oder Eis belegten Membran eines elektroakustischen Sensors.
Im ersten Schritt des Verfahrens 250 wird nach Beginn des Sensorbetriebs durch den Temperatursensor, welcher im Innenraum des elektroakustischen Sensors angeordnet ist, der zeitliche Temperaturverlauf des Sensor-Innenraums ermittelt. Hierbei beträgt die Temperatur des Sensor-Innenraums zu Beginn des
Sensorbetriebs unter 0°C.
Im zweiten Schritt des Verfahrens 260 wird ein zeitlich zweiter Bereich des zuvor ermittelten Temperaturverlaufs des Sensor-Innenraums durch eine
Recheneinheit erkannt. Dieser zeitlich zweite Bereich ist dadurch
gekennzeichnet, dass er gegenüber einem zeitlich vorangehenden ersten Bereich signifikant abfällt. Das Erkennen dieses zweiten Bereiches kann vorteilhaft durch den Vergleich mit einem Referenz-Temperaturverlauf, welcher zu Beginn des Vergleichs dieselbe Temperatur aufweist, wie der Sensor- Innenraum zu Beginn des Sensorbetriebs, durch die Recheneinheit geschehen. Hierzu können beispielsweise die Steigung und/oder die zweite Ableitung der beiden Temperaturverläufe miteinander verglichen werden.
Falls ein solch zeitlich zweiter Bereich erkannt wurde, kommt es im dritten Schritt des Verfahrens 260 zur Erkennung einer mit Schnee oder Eis belegten Membran des elektroakustischen Sensors.
Im vierten Schritt des Verfahrens 280 kommt es daraufhin zu einer Ausgabe einer Warnung an den Fahrer.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erkennung einer mit Schnee oder Eis (40) belegten Membran (20) eines elektroakustischen Sensors (1) , insbesondere eines
Ultraschallsensors, an einem Fahrzeug, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
a. ) Ermittlung eines zeitlichen Temperaturverlaufs eines Innenraums (15) des elektroakustischen Sensors (1) nach Beginn des Sensorbetriebs durch einen Temperatursensor (80), welcher im Innenraum (15) eines
Gehäuses des Sensors angeordnet ist, wobei die Temperatur des Sensor-Innenraums (15) zu Beginn des Sensorbetriebs unter 0°C beträgt, b. ) Erkennung eines zeitlich zweiten Bereiches (170) des ermittelten
Temperaturverlaufs (150), in dem die Temperaturzunahme gegenüber einem zeitlich vorangehenden ersten Bereich (165) signifikant abfällt, durch eine Recheneinheit (95), und wenn ein solcher zeitlicher Bereich erkannt wird,
c. ) Erkennung einer mit Schnee oder Eis (40) belegten Membran (20) des elektroakustischen Sensors (1) und
d. ) Ausgabe einer Warnung (210) an den Fahrer
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt b.) die Erkennung des zeitlich zweiten Bereiches (170) erfolgt, indem die Steigung des ermittelten
Temperaturverlaufs (150) mit der Steigung eines in der Recheneinheit (95) hinterlegten Referenz-Temperaturverlaufs (200) durch die Recheneinheit (95) verglichen wird, wobei der Referenz-Temperaturverlauf (200) zu Beginn des Vergleichs dieselbe Temperatur aufweist, wie der Sensor-Innenraum (15) zu Beginn des Sensorbetriebs.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt b.) die Erkennung des zweiten Bereiches (170) erfolgt, indem die zweite Ableitung des ermittelten Temperaturverlaufs (150) mit der zweiten Ableitung eines in der
Recheneinheit (95) hinterlegten Referenz-Temperaturverlaufs (200) durch die Recheneinheit (95) verglichen wird, wobei der Referenz-Temperaturverlauf (200) zu Beginn des Vergleichs dieselbe Temperatur aufweist, wie der Sensor-Innenraum (15) zu Beginn des Sensorbetriebs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in Schritt d.) dem Fahrer der betroffene Sensor angezeigt wird.
Elektroakustischer Sensor (1), insbesondere Ultraschallsensor, wobei der Sensor umfasst
ein Gehäuse (10),
eine Membran (20) zum Empfangen und/oder Aussenden von
akustischen Schwingungen und,
einen Temperatursensor (80)
eine Recheneinheit (95)
dadurch gekennzeichnet, dass
der Temperatursensor (80) im Innenraum (15) des Gehäuses (10) angeordnet ist, wobei die Membran (20) derart an dem Gehäuse (10) angeordnet ist, dass sie das Gehäuse (10) nach außen abschließt, und wobei der Temperatursensor (80) eingerichtet ist, einen zeitlichen Temperaturverlauf eines Innenraums (15) des elektroakustischen Sensors (1) nach Beginn des Sensorbetriebs zu erfassen
und wobei die Recheneinheit (95) eingerichtet ist, einen zeitlich zweiten Bereich (170) des Temperaturverlaufs, in dem die Temperaturzunahme gegenüber einem zeitlich vorangehenden ersten Bereich (165) signifikant abfällt, zu erkennen, und wenn ein solcher zeitlicher Bereich erkannt wird, zu erkennen, dass die Membran (20) mit Schnee oder Eis (40) belegt ist.
Elektroakustischer Sensor (1) nach Anspruch 5, wobei der Temperatursensor (80) an einer Leiterplatte (70) des Sensors angebracht ist, wobei die
Leiterplatte (70) im Innenraum (15) des Gehäuses (10) angeordnet ist.
Elektroakustischer Sensor (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Membran (20) als Bodenfläche eines
Membrantopfs (25) ausgebildet ist.
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