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Dokumentenidentifikation DE4006885C2 13.04.1995
Titel Auswerteverfahren für einen Sensor zur Messung der Temperatur eines bewegten, vorzugsweise rotierenden Körpers, insbesondere einer rotierenden Bremsscheibe
Anmelder Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München, DE
Erfinder Kleinschmidt, Peter, Dipl.-Phys., 81669 München, DE;
Lampe, Uwe, Dr., 85435 Erding, DE
DE-Anmeldedatum 05.03.1990
DE-Aktenzeichen 4006885
Offenlegungstag 11.10.1990
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.1995
IPC-Hauptklasse G01K 13/08
IPC-Nebenklasse G01K 7/38   G01K 7/34   F16D 66/00   B60T 17/22   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Auswerteverfahren für einen Sensor zur berührungslosen Messung der Temperatur von bewegten, vorzugsweise rotierenden Körpern, wie z. B. Scheiben, insbesondere von Bremsscheiben an Kraftfahrzeugen.

Es ist bekannt, berührungslose Temperaturmessung an bewegten Körpern mit Hilfe einer Thermografiekamera durchzuführen. Zum Beispiel ist dieses Verfahren auch zur Messung der Temperatur von rotierenden Bremsscheiben eines im Betrieb befindlichen Fahrzeugs verwendet worden. Kraftfahrzeug-Bremsscheiben werden im Betrieb auf Temperaturen über 200° und bis 800° C aufgeheizt. Diese obere Temperatur ist eine Temperaturgrenze, oberhalb derer eine zuverlässige Bremswirkung nicht mehr gewährleistet ist.

Aus der US 2 575 922 ist eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur von bewegten Körpern bekannt. Dazu wird an dem bewegten Körper ein temperaturempfindlicher Kondensator und eine Spule angebracht. An einem feststehenden Teil wird ein Kondensator und eine weitere Spule angebracht, die induktiv mit der ersten gekoppelt ist. Die Impedanz der Spule und des Kondensators wird gemessen und ist eine Funktion der Temperatur des rotierenden Körpers.

Aus der DE 34 16 340 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung von rotierenden Körpern bekannt. Die Meßvorrichtung weist eine von einer hochfrequenten Wechselspannung gespeiste Spule auf. Die Spule umgibt konzentrisch eine Meßzone aus leitfähigen Material geeigneter Permeabilität, die an einem rotationssymmetrischen Teil des Körpers angebracht ist. Die Spule ist in einer Meßbrücke angeordnet, in deren Brückenzweig ein Differenzverstärker zur Ansteuerung einer Temperaturanzeigevorrichtung eingeschaltet ist.

In der DE-AS 11 02 613 wird eine Fernmeßeinrichtung zur Übertragung von Meßwerten von einem bewegten zu einem feststehenden Teil mittels durch die Meßwerte modulierter Hochfrequenz, die von einem auf den bewegten Teil angebrachten Sender abgestrahlt und von einem ortsfesten Empfänger aufgenommen wird, beschrieben.

W. Erdmann, Elektro-Anzeiger, 21. Jahrgang, Ausgabe für die ges. Industrie, Nr. 18, vom 25. Sept. 1968, Seite 376 bis 378 beschreibt ein neues Verfahren zur berührungslosen Meßwertübertragung. Als Meßfühler dienen zwei Widerstände, welche die zu messende Größe in einen elektrischen Widerstand umwandeln. Die Meßwiderstände sind in den beiden komplexen Brückenzweigen einer Wienbrücke angeordnet, die restlichen beiden Zweige der Wienbrücke stellen einen Spannungsteiler dar. Die Brücke wird über eine feststehende Übertragerwicklung und eine mit ihr magnetisch verkettete Übertragerwicklung von einem Frequenzgenerator mit einer Wechselspannung gespeist. Einem der Meßwiderstände der Wienbrücke ist ein Kondensator parallel und einem Meßwiderstand ein Kondensator nachgeschaltet. Bei einem festen Wert der Kondensatoren wird jedem Wert der Meßwiderstände eine bestimmte Frequenz zugeordnet. Eine Widerstandsänderung, und damit ist eine Temperaturänderung erbunden, ergibt eine Frequenzänderung, welche als Meßgröße ausgewertet werden kann.

Im Rahmen der heutigen Sicherheitsstandards für Kraftfahrzeuge wird angestrebt, auch die Betriebstemperatur der Bremsscheiben zu überwachen. Insbesondere kann eine solche Überwachung auch dazu dienen, das Schleifen der einen oder anderen Bremse, z. B. wegen eines zum Festsitzen neigenden Kolbens der Bremszange oder infolge einer zu starken Verunreinigung der Bremse zu signalisieren. Dies dient letztendlich auch der Energieeinsparung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein, insbesondere für den serienmäßigen Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignetes Auswerteverfahren für einen Sensor zur Temperaturüberwachung, insbesondere der Bremsscheibe, anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Temperatur von Bremsscheiben ist für Versuchszwecke im Betrieb des Fahrzeugs bereits mit Hilfe einer wie oben erwähnten Thermografiekamera durchgeführt worden, die die Wärmestrahlung der heißen Bremsscheibe optisch aufnimmt und auswertet. Aufgrund des hohen Aufwandes kommt dieses Prinzip für einen Serieneinsatz nicht in Frage. Für einen einfach aufgebauten optischen Temperatursensor besteht das Problem, die die optische Wirksamkeit des Eintrittsfensters behindernde Verschmutzung desselben dauerhaft auszuschließen. Problematisch ist dabei zusätzlich, Streulicht als Störquelle auszuschließen. Auch steht der Anwendung dieses Prinzips die physikalische Tatsache entgegen, daß der thermooptische Emissionsgrad der metallischen Oberfläche der Bremsscheibe nicht genügend zuverlässig definiert ist. Dies gilt sowohl für den blanken Flächenanteil der Bremsscheibe, auf dem die Bremsklötze reiben, als auch für die umliegenden Oberflächenteile, die zwangsläufig starke Verzunderung aufweisen. Es hat sich auch als schwierig erwiesen, die zur Verwendung kommenden Fotodioden auf solchen niedrigen Temperaturen zu halten, daß der exponentiell mit der Temperatur der Diode ansteigende Dunkelstrom sich nicht zu störend bemerkbar macht. Solche Fotodioden müßten auf Temperaturen deutlich unter 100°C gehalten werden, was zwangsläufig zu Schwierigkeiten führt, da diese Diode natürlich im Rahmen der obigen Aufgabenstellung relativ nahe der heißen Bremsscheiben angeordnet werden müssen. Für die Lösung der gestellten Aufgabe ist daher ein ganz anderer Weg eingeschlagen worden, als er bisher in der Praxis beschritten worden ist.

Erfindungsgemäß wird zur Messung der Temperatur der rotierenden Bremsscheibe an dieser eine passive LC-Kombination angebracht, deren Resonanzfrequenz eine relativ starke Temperaturabhängigkeit besitzt.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer solchen in Planartechnologie aufgebauten LC-Kombination in einer Aufsicht.

Von einer nicht mitrotierenden, lediglich relativ kalten Stelle der Bremse aus wird drahtlos/kontaktlos das LC- Resonanzverhalten der LC-Kombination festgestellt, und zwar als Maß für die Temperatur der Meßstelle, an der sich diese LC-Kombination an der rotierenden Bremsscheibe befindet.

Zu einem Sensor zur berührungslosen Messung der Temperatur eines rotierenden Körpers, insbesondere der hier besonders interessierenden Bremsscheibe, gehören somit die mit dem rotierenden Körper mitrotierende LC-Kombination und eine am Statorteil angebrachte, d. h. räumlich feststehende Einheit, die einen Hochfrequenzsender hat. Im Betrieb wird dieser Hochfrequenzsender durch die abhängig von der Temperatur variierende Resonanzeigenschaft der LC-Kombination beeinflußt. Diese Beeinflussung wird elektronisch ausgewertet.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Sensors ist die, die LC-Kombination in Planartechnologie auszuführen. Dies hat gegenüber der Verwendung von diskreten Bauelementen für die LC-Kombination die Vorteile, daß für das Substrat und die LC-Schaltung dieser Planarausführung Materialien verwendet werden können, die hohe Temperaturen vertragen, ohne daß sie ihr Betriebsverhalten in unerwünschter Weise verändern. Die Induktivität L und die Kapazität C der LC-Kombination können entsprechend der Planartechnologie auf einem einzigen Substrat integriert werden. Die LC-Kombination der vorliegenden Erfindung ist eine rein passive Schaltung und bedarf keiner galvanischen Speisespannung. Die Bestimmung der Resonanzfrequenz der LC-Kombination erfolgt induktiv.

Die Induktivität L wird als eine flache spiralförmige Induktionsspule auf dem Substrat 2 realisiert. Zum Beispiel hat diese Spule etwa 10 Windungen und eine Leiterbahnbreite von 200 µm. Die zugehörige Kapazität C der LC-Kombination wird entweder als Plattenkondensator in Sandwich-Form oder als Interdigitalkondensator mit Kammstruktur aufgebaut, wie die Fig. 2 zeigt.

Die zu verwendende LC-Kombination soll eine möglichst hohe Temperaturabhängigkeit der LC-Resonanzfrequenz haben. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß für den Kondensator ein Dielektrikum verwendet wird, das eine stark temperaturabhängige Permitivität, d. h. eine stark temperaturabhängige Dielektrizitätskonstante hat. Damit die Resonanzfrequenz der LC-Kombination bei in Grenzen vorgegebener Größe der Induktivität L einen nicht allzu hohen Wert hat, empfiehlt es sich, ein Dielektrikum mit außerdem hoher Permitivität zu verwenden. Damit können außerdem die Abmessungen des Kondensators C verhältnismäßig klein gehalten werden. Besonders vorteilhaft erfüllen diese Bedingungen Ferroelektrika als Dielektrikum. Solche Ferroelektrika sind Keramiken aus Bleititanat und aus Bleizirkonat-Titanat, deren Permitivität und deren Temperaturkoeffizient dieser Permitivität bekanntermaßen groß sind.

Wird eine kontinuierliche Messung der Temperatur über einen größeren Meßbereich, z. B. 200 bis 800° C wie dies bei Bremsscheiben der Fall ist, gewünscht, so ist ein Ferroelektrikum wie Bariumtitanat besonders vorteilhaft. Bei diesem Material liegt der gesamte genannte Meßbereich oberhalb der Curietemperatur Tc des Materials. Aus dem Curie-Weiß&min;schen Gesetz und der Formel für einen LC-Schwingkreis folgt, daß oberhalb der Curietemperatur Tc des Materials des Dielektrikums das Quadrat der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises mit einem Kondensator mit Bariumtitanat proportional (T - Tc) ist, worin T die zu messende Temperatur ist. Dadurch ist außerdem eine einfache Temperaturauswertung möglich, sobald man die von der Betriebstemperatur T abhängige Resonanzfrequenz der erfindungsgemäß verwendeten LC-Kombination festgestellt hat. Die Fig. 3 zeigt die Veränderung der Resonanzfrequenz einer verwendeten LC-Kombination nach Fig. 1 mit Bariumtitanat-Kondensator, aufgetragen über der Temperatur. Diese LC-Kombination hatte die folgenden Werte:

a) Induktivität: Zahl der Windungen n = 9 Leiterbahnbreite s = 0,2 mm Gesamtfläche A = 8×13 mm b) Kapazität: Fläche A = 4×13 mm Dicke (Dielektrikum) d = 2 µm Curiekonstante c = 10&sup5; k Curietemperatur Tc = 120°C


Wenn nur das Erreichen bzw. Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturschwelle detektiert werden soll, ist es sogar noch vorteilhafter, ein solches Dielektrikum für den Kondensator C zu verwenden, dessen materialspezifische Curietemperatur in der Nähe dieser Temperaturschwelle liegt. Zum Beispiel eignet sich Bleititanat mit einer Curietemperatur Tc = 550° C für diesen Anwendungsfall hervorragend, da eine solche Temperatur für eine Bremsscheibe bereits im Bereich der oberen Zulässigkeitsgrenze liegt. Dieses Prinzip anzuwenden, ist deshalb besonders vorteilhaft, weil die materialspezifische Curietemepratur 550°C eine Änderungs-invariante Naturkonstante ist.

Vorzugsweise kann auch eine Komponente der LC-Kombination in Planartechnologie und die andere in SMD-Technik ausgeführt sein. Beispielsweise wird die Spule als planare Spirale realisiert und der Kondensator als ferroelektrischer Sperrschichtkondensator in SMD-Technik. Der Kondensator verbindet dann gleichzeitig kreuzungsfrei die beiden Spulenenden.

Die voranstehenden Ausführungen bezogen sich im wesentlichen auf Merkmale und Ausgestaltungen des am rotierenden Körper befindlichen Teils des Sensors.

Zur Auswerteschaltung bzw. Auswerteelektronik des Sensors ist als erstes vorteilhaft, daß bei der Erfindung diese Elektronik ohne Schwierigkeiten an einer solchen Stelle z. B. der Bremse angebracht werden kann, die den wechselnden Betriebstemperaturen der Bremsscheibe höchstens in ganz untergeordnetem Maße ausgesetzt ist.

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Sensors. Mit 2 ist wieder die LC-Kombination bezeichnet. Mit 12 ist eine prinzipiell verwendbare bei einer festen Frequenz arbeitende Sender-Schaltung bezeichnet, die eine Induktionsspule 13 umfaßt. Die induktive Kopplung zwischen der LC-Kombination 2 und der Schwingkreisinduktivität 13 des Senders ist die oben erwähnte drahtlose Übertragung zwischen der rotierenden Bremsscheibe 11 und dem feststehenden Sender 12.

Ist die Sensoreinrichtung an allen z. B. vier Rädern des Fahrzeugs vorgesehen, so kann ein einziger gemeinsamer Frequenzzähler zeitsequentiell für diese vier Sensoreinrichtungen verwendet werden.

Fig. 5 zeigt die Prinzipdarstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Rückkopplungsschaltung 22, deren Erregerspule 31 induktiv mit der auf dem rotierenden Körper befindlichen LC-Kombination 2 gekoppelt ist. Mit 14 ist ein Frequenzzähler bezeichnet. Die Bremsscheibe 11 ist ausschnittweise schematisch dargestellt. Die weiteren Bauelemente dieser Senderschaltung 22 sind den verwendeten Symbolen entsprechend dem Fachmann bekannt und bedürfen keiner weiteren Erläuterung.

Für die Auswertung kommen insbesondere die drei nachfolgend beschriebenen Verfahren als besonders vorteilhaft in Betracht.

Ein erstes Verfahren besteht darin, den an einer nicht mitrotierenden Stelle der Bremse befestigten, oben bereits erwähnten Sender mit konstanter Frequenz zu betreiben. Sobald bei sich ändernden Temperaturen der auf der Bremsscheibe befindlichen LC-Kombination deren LC-Resonanzfrequenz die Frequenz des voranstehend erwähnten Senders erreicht, wird der an der Bremse feststehend angebrachte Sender in dem Moment maximal belastet, in dem die auf der Bremsscheibe befestigte, mitrotierende LC-Kombination an dem Sender vorbeiläuft. Liegt die LC-Resonanzfrequenz unterhalb dieser vorgegebenen Resonanzfrequenz des Senders, so wird dieser Sensor induktiv (Phase +90°) belastet. Liegt die LC-Resonanzfrequenz darüber, tritt kapazitive Belastung (Phase -90°) gegenüber dem Resonanzfall ein. Mit Hilfe eines Verfahrens dieses Prinzips kann durch Amplituden- und ggf. Phasenauswertung das Erreichen derjenigen Temperatur T als Temperaturschwelle detektiert werden, bei der die Resonanzfrequenz der LC-Kombination und die vorgebbare Senderfrequenz übereinstimmen. Über diese Schwellenwertmessung hinausgehend können aber auch die Temperaturwerte über einen größeren Temperaturbereich unterhalb und oberhalb dieser Temperaturschwelle nach dem vorgenannten Prinzip bestimmt bzw. gemessen werden.

Ein zweites Verfahren zur Auswertung bei dem Sensor ist, die Frequenz des Senders entsprechend einem Sweep-Verfahren periodisch zu verändern. Empfehlenswert ist z. B. eine Periode zwischen z. B. 100 µs und 1 ms. Aus der Bestimmung der zeitlichen Lage des Dämpfungsmaximums und/oder des Phasennulldurchgangs während des Sweeps läßt sich die augenblickliche, temperaturabhängige Betriebs-Resonanzfrequenz der LC-Kombination auf der Bremsscheibe bestimmen.

Die Fig. 6a bis 6c enthalten eine Erläuterung dieses zweiten Auswerteverfahrens, bei dem die Senderfrequenz gesweept wird. Die Frequenz des Senders 12 wird im Sweepverfahren periodisch verändert (Fig. 6a). Festgestellt wird die zeitliche Lage des Dämpfungsmaximums Fig. 6b (= minimale Amplitude) und/oder des Phasen-Nulldurchganges (Fig. 6c). Die zu diesem Zeitpunkt gehörige Frequenz entspricht der LC-Resonanzfrequenz.

Eine dritte Methode der Auswertung besteht darin, die LC-Kombination, die sich auf dem rotierenden Teil befindet, zum Bestandteil einer Rückkopplungsschaltung gemäß Fig. 4 zu machen. Befindet sich die rotierende LC-Kombination noch außerhalb der Reichweite der Erregerspule 31, so ist gemäß vorgegebener Wahl der Einstellparameter die Rückkopplungsbedingung dieser Rückkopplungsschaltung gerade noch nicht erfüllt. Kommt die LC-Kombination bei ihrer Rotation dann in Reichweite der Erregerspule 31, so führt die auftretende Kopplung zu einer Erhöhung bzw. zum Erreichen der Rückkopplungsbedingung für die auftretende Resonanzfrequenz der LC-Kombination. Dadurch wird die Resonanzschwingung angeregt und der sich einstellende Frequenzwert mit einem Zähler oder einer entsprechenden Frequenzmeßeinrichtung ermittelt.

Die oben beschriebenen Verfahren 2 und 3 ermöglichen eine kontinuierliche Temperaturmessung über einen großen Meßbereich, d. h. über einen großen Temperaturbereich.

Es sei darauf hingewiesen, daß man bei Auswertung gemäß den Verfahren 2 und 3 ohne zusätzlichen Aufwand außerdem auch noch die momentane Drehzahl der Bremsscheibe geliefert erhält, d. h. daß bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Sensors mit Auswertung nach den Verfahren 2 oder 3 der bisher verwendete Tachometerantrieb entbehrlich wird, insbesondere der mechanische Antrieb in zeitgemäßer Weise durch ein elektronisches Prinzip ersetzt wird, das abgesehen von kleinen Unterschieden in dem dynamischen Umfang des rollenden Reifens genaue Geschwindigkeits- und Wegstreckenmeßwerte liefert.


Anspruch[de]
  1. 1. Auswerteverfahren für einen Sensor zur Messung der Temperatur eines bewegten, vorzugsweise rotierenden Körpers (11), insbesondere einer rotierenden Bremsscheibe, wobei an dem bewegten Körper (11) eine LC-Kombination (2) angebracht ist, die wärmemäßig mit diesem Körper (11) gekoppelt ist, wobei eine Sendeeinrichtung (12) vorgesehen ist, die an einem dem bewegten Körper (11) gegenüber feststehenden Ort angeordnet ist, und wobei eine Induktionsspule (31) dieser Sendeeinrichtung (12) vorgesehen ist, die für eine Meß-Zeitdauer mit der Induktivität (21) der LC-Kombination (2) des bewegten Körpers (11) induktiv gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Sendeeinrichtung (12) und die Resonanzfrequenz der LC-Kombination (2) für eine Temperatur im vorgesehenen Meßbereich derart aufeinander abgestimmt sind, daß bei der Temperatur der Frequenzübereinstimmung die Sendeeinrichtung (12) beim Vorbeilauf der LC-Kombination (2) an der Induktivität (13) der Sendeeinrichtung (12) maximale Belastung erfährt, wobei bei abweichenden Temperaturen entsprechend induktive oder kapazitive Belastung der Sendeeinrichtung (12) auftritt.
  2. 2. Auswerteverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Sendeeinrichtung (12) entsprechend einem Sweep-Verfahren im Frequenzbereich der Resonanzfrequenzen der LC-Kombination (2), die im vorgegebenen Temperaturbereich auftreten können, periodisch verändert wird und aus der Bestimmung der zeitlichen Lage des Dämpfungsmaximums und/oder des Phasennulldurchgangs der Sendeeinrichtung (12) die augenblickliche Resonanzfrequenz der LC-Kombination (2) ermittelt wird.
  3. 3. Auswerteverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am rotierenden Körper (11) angebrachte LC-Kombination (2) Bestandteil einer Rückkopplungsschaltung (22) ist, bei der die Induktionsspule (31) die Erregerspule ist, wobei diese Rückkopplungsschaltung (22) hinsichtlich ihrer Einstellparameter so bemessen ist, daß die Rückkopplungsbedingung erst bei nächster Annäherung der LC-Kombination (2) an die Induktionsspule (31) erfüllt ist und dann sich eine Schwingung mit einer Frequenz aufbaut, deren Frequenzwert durch die augenblickliche temperaturabhängige Resonanzfrequenz der LC-Kombination (2) bestimmt ist.






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