DE102019219460A1

DE102019219460A1 - Drucksensoranordnung und Verfahren zur Überwachung einer Druckmesszelle

Info

Publication number: DE102019219460A1
Application number: DE102019219460.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Bunse; Dimitri Zimanovic
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drucksensoranordnung (1) mit mindestens einer Druckmesszelle (3), welche eine Membran (5) und eine Messbrücke (7) mit mehreren Brückenwiderständen (R1, R2, R3, R4) umfasst, und einer Auswerte- und Steuereinheit (10), welche die Messbrücke (7) mit Energie versorgt und eine elektrische Brückenquerspannung (Ud) der Messbrücke (7) erfasst und als aufbereitetes Messsignal (MS) ausgibt, sowie ein Verfahren zur Überwachung einer Druckmesszelle (3) einer solchen Drucksensoranordnung (1). Hierbei weist die Auswerte- und Steuereinheit (10) mindestens eine Überwachungsfunktion (ÜF1, ÜF2, ÜF3, ÜF4) auf, welche geeignet ist mindestens eine fehlerrelevante Messgröße der Druckmesszelle (3) zu erfassen und zur Fehlererkennung auszuwerten.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Drucksensoranordnung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Überwachung einer Druckmesszelle einer solchen Drucksensoranordnung.
Aus dem Stand der Technik sind Fahrzeuge mit mindestens einer hochautomatisierten oder autonomen Fahrfunktion bekannt, welche zumindest teilweise eine tatsächliche Fahraufgabe übernehmen können. Dadurch können die Fahrzeuge hochautomatisiert oder autonom fahren, indem die Fahrzeuge beispielsweise den Straßenverlauf, andere Verkehrsteilnehmer oder Hindernisse selbständig erkennen und die entsprechenden Ansteuerbefehle im Fahrzeug berechnen sowie diese an die Aktuatoren im Fahrzeug weiterleitet, wodurch der Fahrverlauf des Fahrzeugs korrekt beeinflusst wird. Der Fahrer ist bei einem solchen hochautomatisierten oder autonomen Fahrzeug in der Regel nicht am Fahrgeschehen beteiligt. Solche Fahrzeuge verwenden hochsichere elektromechanische oder elektrohydraulische Bremssysteme. Eine Komponente eines solchen elektrohydraulischen Bremssystems ist eine Drucksensoranordnung, welche mindestens eine Druckmesszelle, welche mindestens einen Druck einer Bremsflüssigkeit im Bremssystems erfasst, und eine Auswerte- und Steuereinheit umfasst, welche den erfassten Druck als Messsignal an ein übergeordnetes Steuergerät ausgibt. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass der erfasste Druck aufgrund von Fehlern der Druckmesszelle verfälscht wird, und unerkannt über das Messsignal an das übergeordnete Steuergerät weitergeleitet wird.
Aus der DE 10 2007 031 980 A1 ist eine gattungsgemäße Drucksensoreinheit mit mindestens einer Druckmesszelle, die insbesondere einen Druck innerhalb eines Hydraulikblocks erfasst, und mindestens einem Schaltungsträger bekannt auf dem zumindest ein elektronisches Bauteil und/oder eine Leiterplatte mit elektronischem Bauteil angeordnet ist. Die Druckmesszelle weist zumindest einen Anschlusspunkt auf, über den zumindest ein elektrisches Ausgangssignal der Druckmesszelle abgreifbar ist. Der Schaltungsträger weist zur Kontaktierung des Anschlusspunkts mit dem elektronischen Bauteil zumindest eine Leiterbahn auf, wobei zumindest ein Kontaktmittel vorgesehen ist, über welches ein Ausgangssignal des elektronischen Bauteils abgreifbar und an ein übergeordnetes Steuergerät übertragbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Drucksensoranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein fehlerhafter Zustand der mindestens einen Druckmesszelle erkannt werden kann. Da ein erkannter Fehler angezeigt werden kann, ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine unerkannte Verfälschung des ausgegebenen Messsignals zu verhindern und dadurch eine erhöhte Anforderungen der funktionalen Sicherheit zu erfüllen. Dadurch kann eine höhere ASIL-Klassifikation (nach ISO-26262) erreicht werden, ohne eine zweite Druckmesszelle als Redundanz zu verwenden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Drucksensoranordnung mit mindestens einer Druckmesszelle, welche eine Membran und eine Messbrücke mit mehreren Brückenwiderständen umfasst, und einer Auswerte- und Steuereinheit zur Verfügung, welche die Messbrücke mit Energie versorgt und eine elektrische Brückenquerspannung der Messbrücke erfasst und als aufbereitetes Messsignal ausgibt. Hierbei weist die Auswerte- und Steuereinheit mindestens eine Überwachungsfunktion auf, welche geeignet ist, mindestens eine fehlerrelevante Messgröße der Druckmesszelle zu erfassen und zur Fehlererkennung auszuwerten.
Zudem wird ein Verfahren zur Überwachung einer Druckmesszelle einer solchen Drucksensoranordnung vorgeschlagen, welches mittels mindestens einer Überwachungsfunktion mindestens eine fehlerrelevante Messgröße der Druckmesszelle erfasst und zur Fehlererkennung auswertet.
Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend eine elektrisches Schaltung verstanden werden, welche erfasste Sensorsignale verarbeitet bzw. auswertet und ein aufbereitete Messsignal an ein übergeordnetes Steuergerät ausgibt. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. So kann die Auswerte- und Steuereinheit verschiedene geeignete Kommunikationsprotokolle ausführen, um mit dem übergeordneten Steuergerät zu kommunizieren. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von der Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt wird.
Unter einer Druckmesszelle wird vorliegend eine Baugruppe verstanden, welche eine Membran und eine Messbrücke mit mehreren Brückenwiderständen umfasst. Die Membran besteht beispielsweise aus einem Substrat, wie beispielsweise aus einem Siliziumsubstrat, oder aus einem Metall, wie beispielsweise Stahl, welche elastische Eigenschaften aufweisen und durch Druck verformt werden. An Stellen mit besonders starker Biegung ist mindestens eine Funktionsschicht auf die Membran aufgebracht und bildet die Brückenwiderstände der Messbrücke aus. Der durch die Messbrücke erfasste Druck wird von der Auswerte- und Steuereinheit ausgewertet und in das Messsignal umgewandelt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Drucksensoranordnung und des im unabhängigen Patentanspruch 11 angegebenen Verfahrens zur Überwachung einer Druckmesszelle möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens eine Überwachungsfunktion bei einem erkannten Fehler eine entsprechende zugeordnete Statusmeldung als Messsignal an ein übergeordnetes System ausgeben kann. Dadurch können erkannte Fehler beispielsweise einfach an ein übergeordnetes Steuergerät ausgegeben werden. Bei einem Bremssystem für ein Fahrzeug können die Statusmeldungen beispielsweise an ein Bremsensteuergerät ausgegeben werden. So kann das Messsignal bzw. die korrespondierenden Statusmeldung beispielsweise als spannungsmoduliertes oder strommoduliertes Signal von der Auswerte- und Steuereinheit an das übergeordnete Steuergerät übertragen werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Drucksensoranordnung kann die mindestens eine fehlerrelevante Messgröße einer elektrischen Messspannung oder einem elektrischen Messstrom entsprechen. Dies ermöglicht eine einfache Erfassung und Weiterverarbeitung bzw. Auswertung der fehlerrelevanten Messgröße.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Drucksensoranordnung kann die Druckmesszelle mehrere elektrische Anschlüsse aufweisen, welche elektrisch mit der Auswerte- und Steuereinheit verbunden sind. So kann die Auswerte- und Steuereinheit im Normalbetrieb oder während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle, beispielsweise über interne Schaltelemente, eine elektrische Versorgungsspannung an einen ersten Anschluss und ein elektrisches Massepotential an einen zweiten Anschluss der Druckmesszelle anlegen. Die Brückenquerspannung kann die Auswerte- und Steuereinheit zwischen einem dritten Anschluss und einem vierten Anschluss der Druckmesszelle messen. Zudem kann ein mit der Auswerte- und Steuereinheit elektrisch verbundener fünfter Anschluss ein elektrisches Membranmassepotential aufweisen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Drucksensoranordnung kann eine erste Überwachungsfunktion der Auswerte- und Steuereinheit einen Kurzschlussfehler und/oder einen Nebenschlussfehler in der Druckmesszelle zwischen der Membran und mindestens einer auf die Membran aufgebrachten Funktionsschicht erkennen, welche die Brückenwiderstände der Messbrücke ausbildet. Ein Kurzschluss oder Nebenschluss in der Druckmesszelle bzw. zwischen dem Substrat und der mindestens einen Funktionsschicht führt zu einer signifikanten Widerstandsänderung zwischen dem am fünften elektrischen Anschluss der Druckmesszelle anliegenden Membranmassepotential und den anderen Anschlüssen der Druckmesszelle. An der daraus folgenden Änderung der Spannungsverhältnisse kann die erste Überwachungsfunktion diesen Fehler erkennen und mit einer entsprechenden Statusmeldung an das übergeordnete System ausgegeben.
Zusätzlich oder alternativ zur ersten Überwachungsfunktion kann eine zweite Überwachungsfunktion der Auswerte- und Steuereinheit einen Kurzschlussfehler zwischen dem dritten Anschluss und dem vierten Anschluss der Druckmesszelle erkennen. Ein solcher Kurzschluss bedeutet, dass keine Brückenquerspannung erfasst und ausgewertet werden kann, da der ohmsche Widerstand zwischen dem dritten Anschluss und dem vierten Anschluss der Druckmesszelle bei einem Kurzschluss immer den Wert „Null“ aufweist.
Zusätzlich oder alternativ zur ersten und/oder zweiten Überwachungsfunktion kann eine dritte Überwachungsfunktion der Auswerte- und Steuereinheit eine Veränderung eines der Brückenwiderstände der Messbrücke erkennen. Eine solche Veränderung eines der Brückenwiderstände kann beispielsweise durch Erosion an diesem Brückenwiderstand verursacht werden, welche zu einer Änderung des Widerstandswerts des betroffenen Brückenwiderstands führen kann.
Zusätzlich oder alternativ zur ersten und/oder zweiten und/oder dritten Überwachungsfunktion kann eine vierte Überwachungsfunktion der Auswerte- und Steuereinheit einen Kurzschlussfehler und/oder einen Nebenschlussfehler in der Druckmesszelle zwischen mindestens zwei der Brückenwiderstände der Messbrücke erkennen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Drucksensoranordnung kann die Auswerte- und Steuereinheit die von der ersten Überwachungsfunktion und/oder von der zweiten Überwachungsfunktion und/oder von der dritten Überwachungsfunktion und/oder von der vierten Überwachungsfunktion erkannte Fehler oder Veränderungen zur Erkennung von elektromagnetischen Störungen auswerten. Dadurch ist es möglich auch sporadisch auftretende durch elektromagnetische Störungen verursachte Fehler zu erkennen.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens kann die erste Überwachungsfunktion während des Normalbetriebs oder während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle eine erste Messspannung über einem ersten parasitären Widerstand zwischen dem Membranmassepotential des fünften Anschlusses und dem am zweiten Anschluss angelegten Massepotential der Druckmesszelle erfassen. Zudem kann die erste Überwachungsfunktion eine zweite Messspannung über einem zweiten parasitären Widerstand zwischen dem Membranmassepotential des fünften Anschlusses und dem vierten Anschluss der Druckmesszelle erfassen. Eine dritte Messspannung kann die erste Überwachungsfunktion über einem dritten parasitären Widerstand zwischen dem Membranmassepotential des fünften Anschlusses und dem dritten Anschluss der Druckmesszelle erfassen. Eine vierte Messspannung kann die erste Überwachungsfunktion über einem vierten parasitären Widerstand zwischen dem Membranmassepotential des fünften Anschlusses und der am ersten Anschluss angelegten Versorgungsspannung der Druckmesszelle erfassen. Die erste Überwachungsfunktion kann die erfassten Messspannungen zur Fehlererkennung auswerten und bei einem erkannten Fehler einen korrespondierenden Fehlercode ausgeben. Die erste Überwachungsfunktion erkennt einen Kurzschluss oder Nebenschluss in der Druckmesszelle aufgrund einer signifikanten Widerstandsänderung und den daraus folgenden Änderung der Spannungsverhältnisse der erfassten Messspannungen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens kann die zweite Überwachungsfunktion während eines Überwachungsbetriebs die Versorgungsspannung vom ersten Anschluss trennen und an den dritten Anschluss anlegen, und das Massepotential vom zweiten Anschluss trennen und an den vierten Anschluss anlegen. Hierbei kann die zweite Überwachungsfunktion eine Stromaufnahme der Druckmesszelle erfassen und zur Fehlererkennung auswerten, wobei die zweite Überwachungsfunktion bei einem erkannten Fehler einen korrespondierenden Fehlercode ausgeben kann. So kann die zweite Überwachungsfunktion beispielsweise einen Kurzschluss zwischen dem dritten und vierten Anschluss der Druckmesszelle erkennen, wenn der erfasste in die Messbrücke fließender Strom einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt oder die Stromaufnahme in eine Strombegrenzung der Auswerte- und Steuereinheit geht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens kann die dritte Überwachungsfunktion während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle eine fünfte Messspannung über einem ersten Brückenwiderstand zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss der Druckmesszelle erfassen und abspeichern. Eine sechste Messspannung kann die dritte Überwachungsfunktion über einem zweiten Brückenwiderstand zwischen dem ersten Anschlusses und dem vierten Anschluss der Druckmesszelle erfassen und abspeichern. Eine siebte Messspannung kann die dritte Überwachungsfunktion über einem dritten Brückenwiderstand zwischen dem vierten Anschlusses und dem zweiten Anschluss der Druckmesszelle erfassen und abspeichern. Eine achte Messspannung kann die dritte Überwachungsfunktion über einem vierten Brückenwiderstand zwischen dem dritten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Druckmesszelle erfassen und abspeichern. Während des Normalbetriebs oder während einer nachfolgenden Abgleichroutine der Druckmesszelle kann die dritte Überwachungsfunktion aktuelle Werte der fünften, sechsten, siebten und achten Messspannung erfassen und zur Fehlererkennung mit den gespeicherten Werten vergleichen, wobei die dritte Überwachungsfunktion bei einem erkannten Fehler einen korrespondierenden Fehlercode ausgeben kann. Hierbei können beispielsweise während der Abgleichroutine der Druckmesszelle Spannungsverhältnisse der erfassten Messspannungen gespeichert werden. Die dritte Überwachungsfunktion kann die Messspannungen während des Normalbetriebs beispielsweise periodisch erfassen und mit den gespeicherten Werten vergleichen. So kann beispielsweise überprüft werden, ob eine Differenzbetrag zwischen den gespeicherten und aktuelle erfassten Werten der Messspannungen einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Eine Widerstandsänderung eines der Brückenwiderstände wird auch einen Proportionsfaktor zwischen den jeweiligen elektrischen Messspannungen verändern, was durch die dritte Überwachungsfunktion erkannt werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens kann die vierte Überwachungsfunktion während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle eine Stromaufnahme der Druckmesszelle erfassen und abspeichern. Hierbei kann die vierte Überwachungsfunktion während des Normalbetriebs oder während einer nachfolgenden Abgleichroutine der Druckmesszelle einen aktuellen Wert der Stromaufnahme der Druckmesszelle erfassen und zur Fehlererkennung mit dem gespeichert Wert der Stromaufnahme vergleichen, wobei die vierte Überwachungsfunktion bei einem erkannten Fehler einen korrespondierenden Fehlercode ausgeben kann. Die vierte Überwachungsfunktion kann einen Fehler erkennen, wenn sich die Stromaufnahme der Druckmesszelle im Normalbetrieb signifikant verändert und einen vorgegebenen Grenzwerte übersteigt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung, bei welcher eine erste Überwachungsfunktion implementiert ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms der ersten Überwachungsfunktion.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung, bei welcher eine zweite Überwachungsfunktion implementiert ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms der zweiten Überwachungsfunktion.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung, bei welcher eine dritte und vierte Überwachungsfunktion implementiert sind.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms der dritten Überwachungsfunktion.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms der vierten Überwachungsfunktion.

Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus 1, 3 und 5 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele 1, 1A, 1B, 1C einer erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung 1 jeweils mindestens eine Druckmesszelle 3, welche eine Membran 5 und eine Messbrücke 7 mit mehreren Brückenwiderständen R1, R2, R3, R4 umfasst, und eine Auswerte- und Steuereinheit 10, 10A, 10B, 10C, welche die Messbrücke 7 mit Energie versorgt und eine elektrische Brückenquerspannung Ud der Messbrücke 7 erfasst und als aufbereitetes Messsignal MS ausgibt. Hierbei weist die Auswerte- und Steuereinheit 10, 10A, 10B, 10C mindestens eine Überwachungsfunktion ÜF1, ÜF2, ÜF3, ÜF4 auf, welche geeignet ist mindestens eine fehlerrelevante Messgröße der Druckmesszelle 3 zu erfassen und zur Fehlererkennung auszuwerten.
Die erfindungsgemäße Drucksensoranordnung 1 wird bevorzugt in einem elektrohydraulischen Bremssystem für Fahrzeuge mit mindestens einer hochautomatisierten oder autonomen Fahrfunktion eingesetzt. Solche hochautomatisierten oder autonomen Fahrfunktionen können zumindest teilweise eine tatsächliche Fahraufgabe übernehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung einer Druckmesszelle 3 der erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung 1 umfasst mindestens eine Überwachungsfunktion ÜF1, ÜF2, ÜF3, ÜF4, welche mindestens eine fehlerrelevante Messgröße der Druckmesszelle 3 erfasst und zur Fehlererkennung auswertet.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen gibt die mindestens eine Überwachungsfunktion ÜF1, ÜF2, ÜF3, ÜF4 bei einem erkannten Fehler eine entsprechende zugeordnete Statusmeldung als Messsignal MS an ein übergeordnetes System aus. Bei der Verwendung der Drucksensoranordnung 1 in einem Fahrzeugbremssystem entspricht das übergeordnete System beispielsweise einem Bremssteuergerät.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen entspricht die mindestens eine fehlerrelevante Messgröße einer elektrischen Messspannung UM1, UM2, UM3, UM4, UR1, UR2, UR3, UR4 oder einem elektrischen Messstrom IM1, IM2.
Wie aus 1, 3 und 5 weiter ersichtlich ist, weist die Messbrücke 7 der Druckmesszelle 3 in den dargestellten Ausführungsbeispielen vier Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4 auf. Die Membran 5 besteht in den dargestellten Ausführungsbeispielen aus einem Siliziumsubstrat, welches elastische Eigenschaften aufweist und durch Druck verformt wird. Selbstverständlich können auch andere geeignete Materialien verwendet werden. An Stellen mit besonders starker Biegung ist mindestens eine Funktionsschicht auf das Siliziumsubstrat aufgebracht und bildet die Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4 der Messbrücke 7 aus. Hierbei ist mindestens einer der Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4 als durch Verformung beeinflussbarer Widerstand bzw. als Dehnungsmessstreifen ausgeführt, welcher seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der durch den zu messenden Druck verformten Membran 3 ändert. Der durch die Messbrücke 7 erfasste Druck wird in Form der Brückenquerspannung Ud von der Auswerte- und Steuereinheit ausgewertet und in das Messsignal MS umgewandelt.
Wie aus 1, 3 und 5 weiter ersichtlich ist, weist die Druckmesszelle 3 in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils fünf elektrische Anschlüsse A1, A2, A3, A4, A5 auf, welche jeweils elektrisch mit der Auswerte- und Steuereinheit 10, 10A, 10B, 10C verbunden sind. Hierbei legt die Auswerte- und Steuereinheit 10, 10A, 10B, 10C im Normalbetrieb oder während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle 3 über nicht dargestellte Schaltelemente eine elektrische Versorgungsspannung VS an einen ersten Anschluss A1 und ein elektrisches Massepotential GND an einen zweiten Anschluss A2 der Druckmesszelle 3 an. Hierbei können die elektrische Versorgungsspannung VS und das elektrische Massepotential GND beispielsweise von einem nicht näher dargestellten Fahrzeugbordnetz zur Verfügung gestellt werden. Die Brückenquerspannung Ud misst die Auswerte- und Steuereinheit 10, 10A, 10B, 10C zwischen einem dritten Anschluss A3 und einem vierten Anschluss A4 der Druckmesszelle 3. Zudem weist ein mit der Auswerte- und Steuereinheit 10, 10A, 10B, 10C elektrisch verbundener fünfter Anschluss A5 der Druckmesszelle 3 ein elektrisches Membranmassepotential MGND auf.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Drucksensoranordnung 1A eine erste Überwachungsfunktion ÜF1 in der Auswerte- und Steuereinheit 10A implementiert, welche geeignet ist, einen Kurzschlussfehler und/oder einen Nebenschlussfehler in der Druckmesszelle 3 zwischen der Membran 3 und der mindestens einen auf die Membran 3 aufgebrachten Funktionsschicht zu erkennen.
Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, erfasst die erste Überwachungsfunktion ÜF1 während des Normalbetriebs während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle 3 in einem ersten Schritt S100 eine erste Messspannung UM1 über einem ersten parasitären Widerstand RP1 zwischen dem Membranmassepotential MGND des fünften Anschlusses A5 und dem am zweiten Anschluss A2 angelegten Massepotential GND der Druckmesszelle 3, eine zweite Messspannung UM2 über einem zweiten parasitären Widerstand RP2 zwischen dem Membranmassepotential MGND des fünften Anschlusses A5 und dem vierten Anschluss A4 der Druckmesszelle 3, eine dritte Messspannung UM3 über einem dritten parasitären Widerstand RP3 zwischen dem Membranmassepotential MGND des fünften Anschlusses A5 und dem dritten Anschluss A3 der Druckmesszelle 3, und eine vierte Messspannung UM4 über einem vierten parasitären Widerstand RP4 zwischen dem Membranmassepotential MGND des fünften Anschlusses A5 und der am ersten Anschluss A1 angelegten Versorgungsspannung VS der Druckmesszelle 3. In einem Schritt S110 wertet die erste Überwachungsfunktion ÜF1 die erfassten Messspannungen UM1, UM2, UM3, UM4 zur Fehlererkennung aus, wobei die erste Überwachungsfunktion ÜF1 bei einem erkannten Fehler in einem Schritt S120 einen korrespondierenden ersten Fehlercode ausgibt. Da ein Kurzschluss oder Nebenschluss in der Druckmesszelle 3 bzw. zwischen dem Messzellensubstrat, welches die Membran 3 ausbildet, und der mindestens einen Funktionsschicht zu einer signifikanten Widerstandsänderung zwischen dem Membranmassepotential MGND und den anderen Messpunkten bzw. Anschlüssen A1, A2, A3, A4 der Druckmesszelle 3 führt, kann die erste Überwachungsfunktion ÜF1 an den daraus folgenden Änderungen der Spannungsverhältnisse im Schritt S110 einen solchen Fehler erkennen und den korrespondierenden ersten Fehlercode im Schritt S120 ausgeben. Selbstverständlich kann zusätzlich auch noch mindestens eine weitere gestrichelt dargestellte Überwachungsfunktion ÜF2, ÜF3, ÜF4 in der dargestellten Auswerte- und Steuereinheit 10A implementiert werden.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, ist im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Drucksensoranordnung 1B eine zweite Überwachungsfunktion ÜF2 in der Auswerte- und Steuereinheit 10B implementiert, welche geeignet ist, einen Kurzschlussfehler zwischen dem dritten Anschluss A3 und dem vierten Anschluss A4 der Druckmesszelle 3 zu erkennen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit 10B im Normalbetrieb die Brückenquerspannung Ud zwischen dem dritten Anschluss A3 und dem vierten Anschluss A4 der Druckmesszelle 3 misst.
Wie aus 3 und 4 weiter ersichtlich ist, trennt die zweite Überwachungsfunktion ÜF2 während eines Überwachungsbetriebs in einem ersten Schritt S200 über nicht dargestellte Schaltelemente die Versorgungsspannung VS vom ersten Anschluss A1 und legt diese an den dritten Anschluss A3 der Druckmesszelle 3 an. Zudem trennt die zweite Überwachungsfunktion ÜF2 in dem ersten Schritt S200 über nicht dargestellte Schaltelemente das Massepotential GND vom zweiten Anschluss A2 und legt es an den vierten Anschluss A4 der Druckmesszelle 3 an. Im Schritt S210 erfasst die zweite Überwachungsfunktion ÜF2 eine Stromaufnahme der Druckmesszelle 3 und wertet diese zur Fehlererkennung aus. Bei einem erkannten Fehler gibt die zweite Überwachungsfunktion ÜF2 im Schritt S220 einen korrespondierenden zweiten Fehlercode aus. So kann die zweite Überwachungsfunktion ÜF2 im Schritt S210 einen Kurzschluss zwischen dem dritten Anschluss A3 und dem vierten Anschluss A4 der Druckmesszelle 3 erkennen, wenn ein die Stromaufnahme repräsentierender erster Messstrom IM1 einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet oder in die Strombegrenzung geht. Selbstverständlich kann zusätzlich auch noch mindestens eine weitere gestrichelt dargestellte Überwachungsfunktion ÜF1, ÜF3, ÜF4 in der dargestellten Auswerte- und Steuereinheit 10B implementiert werden.
Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, ist im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der Drucksensoranordnung 1C eine dritte Überwachungsfunktion ÜF3 und eine vierte Überwachungsfunktion ÜF4 in der Auswerte- und Steuereinheit 10C implementiert. Hierbei ist die dritte Überwachungsfunktion ÜF3 geeignet, eine Veränderung eines der Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4 der Messbrücke 7 zu erkennen. Die vierte Überwachungsfunktion ÜF4 ist geeignet, einen Kurzschlussfehler und/oder einen Nebenschlussfehler in der Druckmesszelle 3 zwischen mindestens zwei der Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4 der Messbrücke 7 zu erkennen.
Wie aus 5 und 6 weiter ersichtlich ist, erfasst die dritte Überwachungsfunktion ÜF3 während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle 3 in einem Schritt S300 eine fünfte Messspannung UR1 über einem ersten Brückenwiderstand R1 zwischen dem ersten Anschluss A1 und dem dritten Anschluss A3 der Druckmesszelle, eine sechste Messspannung UR2 über einem zweiten Brückenwiderstand R2 zwischen dem ersten Anschlusses A1 und dem vierten Anschluss A4 der Druckmesszelle 3, eine siebte Messspannung UR3 über einem dritten Brückenwiderstand R3 zwischen dem vierten Anschlusses A4 und dem zweiten Anschluss A2 der Druckmesszelle 3 und eine achte Messspannung UR4 über einem vierten Brückenwiderstand R4 zwischen dem dritten Anschluss A3 und dem zweiten Anschluss A2 der Druckmesszelle 3. In einem Schritt S310 speichert die dritte Überwachungsfunktion ÜF1 die erfassten Messspannungen UR1, UR2, UR3, UR4 beispielsweise in einem EEPROM der Auswerte- und Steuereinheit 10C ab. Zudem kann die dritte Überwachungsfunktion ÜF3 auch vorgegebenen Spannungsverhältnisse, wie beispielsweise ein erstes Spannungsverhältnis C12=UR1/UR2 und ein zweites Spannungsverhältnis C34=UR3/UR4 abspeichern. Die Abgleichroutine der Druckmesszelle 3 kann beispielweise einmalig nach der Montage der Drucksensoranordnung 1, 1A, 1B, 1C oder bei jedem Fahrzeugstart ausgeführt werden. Während des Normalbetriebs oder während einer nachfolgenden Abgleichroutine der Druckmesszelle 3 erfasst die dritte Überwachungsfunktion ÜF3 in einem Schritt S320 die aktuellen Werte der fünften Messspannung UR1, der sechsten Messspannung UR2, der siebten Messspannung UR3 und der achten Messspannung UR4 und vergleicht im Schritt S330 die aktuellen Werte der erfassten Messspannungen UR1, UR2, UR3, UR4 zur Fehlererkennung mit den gespeicherten Werten der Messspannungen UR1, UR2, UR3, UR4. Bei einem erkannten Fehler gibt die dritte Überwachungsfunktion ÜF3 im Schritt S340 einen korrespondierenden dritten Fehlercode aus. Die Erfassung der aktuellen Werte der Messspannungen UR1, UR2, UR3, UR4 während des Normalbetriebs kann beispielsweise periodisch wiederholt werden. Hierbei erkennt die dritte Überwachungsfunktion ÜF3 eine beispielsweise durch Erosion verursachte Wertänderung eines der Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4 an einem veränderten Proportionsfaktor zwischen den jeweiligen elektrischen Messspannungen UR1, UR2, UR3, UR4 bzw. an den im Vergleich zu den gespeicherten Spannungsverhältnissen C12, C34 veränderten Spannungsverhältnissen C12, C34.
Wie aus 5 und 7 weiter ersichtlich ist, erfasst eine vierte Überwachungsfunktion ÜF4 während der Abgleichroutine der Druckmesszelle 3 in einem Schritt S400 eine Stromaufnahme der Druckmesszelle 3. Hierbei wird die Stromaufnahme der Druckmesszelle 3 durch einen zweiten Messstrom IM2 repräsentiert. Im Schritt S410 speichert die vierte Überwachungsfunktion ÜF4 die erfasste Stromaufnahme bzw. den erfassten Wert des zweiten Messstroms IM2 beispielsweise in einem EEPROM der Auswerte- und Steuereinheit 10C ab. Während des Normalbetriebs oder während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle 3 erfasst die vierte Überwachungsfunktion ÜF4 in einem Schritt S420 einen aktuellen Wert der Stromaufnahme der Druckmesszelle 3 bzw. des zweiten Messstroms IM2 und vergleicht im Schritt S430 den aktuellen Wert der erfassten Stromaufnahme der Druckmesszelle 3 bzw. des zweiten Messstroms IM2 zur Fehlererkennung mit dem gespeichert Wert der Stromaufnahme der Druckmesszelle 3 bzw. des zweiten Messstroms IM2. Bei einem erkannten Fehler gibt die vierte Überwachungsfunktion ÜF4 im Schritt S440 einen korrespondierenden vierten Fehlercode aus. Die Erfassung des aktuellen Werts der Stromaufnahme der Druckmesszelle 3 bzw. des zweiten Messstroms IM2 während des Normalbetriebs kann beispielsweise periodisch wiederholt werden. Die vierte Überwachungsfunktion ÜF4 erkennt einen Kurzschluss oder Nebenschluss in der Druckmesszelle 3 zwischen mindestens zwei der Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4 der Messbrücke 7, wenn sich die Stromaufnahme der Druckmesszelle 3 bzw. der zweite Messstrom IM3 im Vergleich mit dem gespeicherten Wert signifikant ändert. Selbstverständlich kann zusätzlich auch noch mindestens eine weitere gestrichelt dargestellte Überwachungsfunktion ÜF1, ÜF2 in der dargestellten Auswerte- und Steuereinheit 10C implementiert werden. Zudem können in nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Drucksensoranordnung 1 auch andere Kombinationen der Überwachungsfunktionen ÜF1, ÜF2, ÜF3, ÜF4 oder alle Überwachungsfunktionen oder nur die dritte Überwachungsfunktion ÜF3 oder nur die vierte Überwachungsfunktion ÜF4 in einer Auswerte- und Steuereinheit 10 implementiert werden. Zudem wertet die Auswerte- und Steuereinheit 10 in einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Drucksensoranordnung 10 die von der ersten Überwachungsfunktion ÜF1 und/oder von der zweiten Überwachungsfunktion ÜF2 und/oder von der dritten Überwachungsfunktion ÜF3 und/oder von der vierten Überwachungsfunktion ÜF4 erkannten Fehler oder Veränderungen zur Erkennung von sporadisch auftretenden elektromagnetischen Störungen aus.
Dieses Überwachungsfunktionen ÜF1, ÜF2, ÜF3, ÜF4 können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware in der Auswerte- und Steuereinheit implementiert sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Drucksensoranordnung und ein Verfahren zur Überwachung einer Druckmesszelle einer Drucksensoranordnung zur Verfügung, welche in vorteilhafter Weise einen fehlerhaften Zustand der mindestens einen Druckmesszelle erkennen können. Dadurch kann eine erhöhte Anforderung der funktionalen Sicherheit erfüllt und eine höhere ASIL-Klassifikation (nach ISO-26262) erreicht werden, ohne eine zweite Druckmesszelle als Redundanz zu verwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007031980 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO-26262 [0038]

Claims

Drucksensoranordnung (1) mit mindestens einer Druckmesszelle (3), welche eine Membran (5) und eine Messbrücke (7) mit mehreren Brückenwiderständen (R1, R2, R3, R4) umfasst, und einer Auswerte- und Steuereinheit (10), welche die Messbrücke (7) mit Energie versorgt und eine elektrische Brückenquerspannung (Ud) der Messbrücke (7) erfasst und als aufbereitetes Messsignal (MS) ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) mindestens eine Überwachungsfunktion (ÜF1, ÜF2, ÜF3, ÜF4) aufweist, welche geeignet ist mindestens eine fehlerrelevante Messgröße der Druckmesszelle (3) zu erfassen und zur Fehlererkennung auszuwerten.
Drucksensoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Überwachungsfunktion (ÜF1, ÜF2, ÜF3, ÜF4) geeignet ist, bei einem erkannten Fehler eine entsprechende zugeordnete Statusmeldung als Messsignal (MS) an ein übergeordnetes System auszugeben.
Drucksensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine fehlerrelevante Messgröße einer elektrischen Messspannung (UM1, UM2, UM3, UM4, UR1, UR2, UR3, UR4) oder einem elektrischen Messstrom (IM1, IM2) entspricht.
Drucksensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (3) mehrere elektrische Anschlüsse (A1, A2, A3, A4, A5) aufweist, welche elektrisch mit der Auswerte- und Steuereinheit (10) verbunden sind.
Drucksensoranordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) geeignet ist, im Normalbetrieb oder während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle (3) eine elektrische Versorgungsspannung (VS) an einen ersten Anschluss (A1) und ein elektrisches Massepotential (GND) an einen zweiten Anschluss (A2) der Druckmesszelle (3) anzulegen und die Brückenquerspannung (Ud) zwischen einem dritten Anschluss (A3) und einem vierten Anschluss (A4) der Druckmesszelle (3) zu messen, wobei ein mit der Auswerte- und Steuereinheit (10) elektrisch verbundener fünfter Anschluss (A5) ein elektrisches Membranmassepotential (MGND) aufweist.
Drucksensoranordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Überwachungsfunktion (ÜF1) der Auswerte- und Steuereinheit (10) geeignet ist, einen Kurzschlussfehler und/oder einen Nebenschlussfehler in der Druckmesszelle (3) zwischen der Membran (3) und mindestens einer auf die Membran (3) aufgebrachten Funktionsschicht zu erkennen, welche die Brückenwiderstände (R1, R2, R3, R4) der Messbrücke (7) ausbildet.
Drucksensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Überwachungsfunktion (ÜF2) der Auswerte- und Steuereinheit (10) geeignet ist, einen Kurzschlussfehler zwischen dem dritten Anschluss (A3) und dem vierten Anschluss (A4) der Druckmesszelle (3) zu erkennen.
Drucksensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Überwachungsfunktion (ÜF3) der Auswerte- und Steuereinheit (10) geeignet ist, eine Veränderung eines der Brückenwiderstände (R1, R2, R3, R4) der Messbrücke (7) zu erkennen.
Drucksensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Überwachungsfunktion (ÜF4) der Auswerte- und Steuereinheit (10) geeignet ist, einen Kurzschlussfehler und/oder einen Nebenschlussfehler in der Druckmesszelle (3) zwischen mindestens zwei der Brückenwiderstände (R1, R2, R3, R4) der Messbrücke (7) zu erkennen.
Drucksensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) geeignet ist, die von der ersten Überwachungsfunktion (ÜF1) und/oder von der zweiten Überwachungsfunktion (ÜF2) und/oder von der dritten Überwachungsfunktion (ÜF3) und/oder von der vierten Überwachungsfunktion (ÜF4) erkannten Fehler oder Veränderungen zur Erkennung von elektromagnetischen Störungen auszuwerten.
Verfahren zur Überwachung einer Druckmesszelle (3) einer Drucksensoranordnung (1), welche nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgeführt ist, gekennzeichnet durch mindestens eine Überwachungsfunktion (ÜF1, ÜF2, ÜF3, ÜF4), welche mindestens eine fehlerrelevante Messgröße der Druckmesszelle (3) erfasst und zur Fehlererkennung auswertet.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Überwachungsfunktion (ÜF1) während des Normalbetriebs oder während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle (3) eine erste Messspannung (UM1) über einem ersten parasitären Widerstand (RP1) zwischen dem Membranmassepotential (MGND) des fünften Anschlusses (A5) und dem am zweiten Anschluss (A2) angelegten Massepotential (GND) der Druckmesszelle (3), eine zweite Messspannung (UM2) über einem zweiten parasitären Widerstand (RP2) zwischen dem Membranmassepotential (MGND) des fünften Anschlusses (A5) und dem vierten Anschluss (A4) der Druckmesszelle (3), eine dritte Messspannung (UM3) über einem dritten parasitären Widerstand (RP3) zwischen dem Membranmassepotential (MGND) des fünften Anschlusses (A5) und dem dritten Anschluss (A3) der Druckmesszelle (3), und eine vierte Messspannung (UM4) über einem vierten parasitären Widerstand (RP4) zwischen dem Membranmassepotential (MGND) des fünften Anschlusses (A5) und der am ersten Anschluss (A1) angelegten Versorgungsspannung (VS) der Druckmesszelle (3) erfasst und zur Fehlererkennung auswertet, wobei die erste Überwachungsfunktion (ÜF1) bei einem erkannten Fehler einen korrespondierenden Fehlercode ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Überwachungsfunktion (ÜF2) während eines Überwachungsbetriebs die Versorgungsspannung (VS) vom ersten Anschluss (A1) trennt und an den dritten Anschluss (A3) anlegt und das Massepotential (GND) vom zweiten Anschluss (A2) trennt und an den vierten Anschluss (A4) anlegt, wobei die zweite Überwachungsfunktion (ÜF2) eine Stromaufnahme der Druckmesszelle (3) erfasst und zur Fehlererkennung auswertet, wobei die zweite Überwachungsfunktion (ÜF2) bei einem erkannten Fehler einen korrespondierenden Fehlercode ausgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Überwachungsfunktion (ÜF3) während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle (3) eine fünfte Messspannung (UR1) über einem ersten Brückenwiderstand (R1) zwischen dem ersten Anschluss (A1) und dem dritten Anschluss (A3) der Druckmesszelle (3), eine sechste Messspannung (UR2) über einem zweiten Brückenwiderstand (R2) zwischen dem ersten Anschlusses (A1) und dem vierten Anschluss (A4) der Druckmesszelle (3), eine siebte Messspannung (UR3) über einem dritten Brückenwiderstand (R3) zwischen dem vierten Anschlusses (A4) und dem zweiten Anschluss (A2) der Druckmesszelle (3) und eine achte Messspannung (UR4) über einem vierten Brückenwiderstand (R4) zwischen dem dritten Anschluss (A3) und dem zweiten Anschluss (A2) der Druckmesszelle (3) erfasst und abspeichert, wobei die dritte Überwachungsfunktion (ÜF3) während des Normalbetriebs oder während einer nachfolgenden Abgleichroutine der Druckmesszelle (3) aktuelle Werte der fünften Messspannung (UR1), der sechsten Messspannung (UR2), der siebten Messspannung (UR3) und der achten Messspannung (UR4) erfasst und zur Fehlererkennung mit den gespeicherten Werten vergleicht, wobei die dritte Überwachungsfunktion (ÜF3) bei einem erkannten Fehler einen korrespondierenden Fehlercode ausgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Überwachungsfunktion (ÜF4) während einer Abgleichroutine der Druckmesszelle (3) eine Stromaufnahme der Druckmesszelle (3) erfasst und abspeichert, wobei die vierte Überwachungsfunktion (ÜF4) während des Normalbetriebs oder während einer nachfolgenden Abgleichroutine der Druckmesszelle (3) einen aktuellen Wert der Stromaufnahme der Druckmesszelle (3) erfasst und zur Fehlererkennung mit dem gespeichert Wert der Stromaufnahme vergleicht, wobei die vierte Überwachungsfunktion (ÜF4) bei einem erkannten Fehler einen korrespondierenden Fehlercode ausgibt.