DE102016226004A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur mittels Schallwellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur der Umgebung, das folgende Schritte umfasst: Zuerst erfolgt ein Ermitteln einer Schallgeschwindigkeit aus wenigstens einem eine Schallwelle (10) charakterisierenden Merkmal. Im Anschluss erfolgt ein Bestimmen der Temperatur der Umgebung aus der Schallgeschwindigkeit mittels eines den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Temperatur der Umgebung charakterisierenden Modells.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur der Umgebung durch Ermittlung einer Schallgeschwindigkeit von Schallwellen. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung wenigstens einer physikalischen Größe der Schallwellen durch das Verfahren. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
• Stand der Technik
• Heutzutage kommt in Fahrzeugen, Robotern und ähnlichem eine Vielzahl von Messsystemen auf Basis von Schall, insbesondere von Ultraschall, zum Einsatz. Zu diesen auf Ultraschall basierenden Messsystemen gehören unter anderem Fahrerassistenzsysteme in Fahrzeugen, Systeme zur Hinderniserkennung und Navigation bei Robotern sowie Messsysteme und Sicherheitstechniksysteme, beispielsweise zur Abstandsmessung und zur Überwachung. Um eine einwandfreie Arbeitsweise dieser Messsysteme zu ermöglichen, ist eine genaue Kenntnis der korrekten Schallgeschwindigkeit für das umgebende Medium notwendig. Die Schallgeschwindigkeit ist von verschiedenen Größen abhängig, am Beispiel von Luft als umgebendes Medium hauptsächlich von der Temperatur. Formel 1 repräsentiert eine gute Näherung der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit für einen Temperaturbereich zwischen -20°C und 40°C: $$\text{c}\left(\text{T}\right)=\left(\mathrm{331,5}+\mathrm{0,6}\text{T}/\left[°\text{C}\right]\right)\left[\text{m/s}\right]$$

  
• Dabei ist c(T) die temperaturabhängige Schallgeschwindigkeit, die bei einer Temperatur von 0°C bei 331,5 m/s liegt, und T die Temperatur, die in °C angegeben ist. Im Bereich zwischen 0°C und 40°C resultiert daraus eine Abweichung von bis zu 10%, der bei den vorstehend erwähnten Systemen als Fehler einfließt.
• Im Falle eines Messsystems, das den Abstand zu einem Hindernis über Ultraschall misst, wird ein Ultraschallsignal ausgegeben und, nachdem es vom Hindernis reflektiert wurde wieder aufgenommen. Der Abstand wird dann als Produkt aus einer (aufgrund von Hin- und Rückweg) halbierten gemessenen Zeit und der Schallgeschwindigkeit berechnet. Die Abweichung der Schallgeschwindigkeit von bis zu 10% spiegelt sich direkt als Fehler von bis zu 10% im Abstand wider.
• Darüber hinaus hat die Feuchtigkeit der Umgebung ebenfalls Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit, wobei die dadurch entstehenden Abweichungen bei bis zu ca. 1% liegen.
• Es sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zur Kompensation der Umgebungstemperatur bei der Ermittlung der Schallgeschwindigkeit bekannt. Typischerweise wird ein Temperatursensor, in seltenen Fällen in Kombination mit einem Feuchtigkeitssensor, verwendet, um die Temperatur und gegebenenfalls die Feuchtigkeit der Umgebung zu messen und diese dann in die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit einfließen zu lassen. Solche Temperatursensoren sind jedoch anfällig gegenüber Umwelteinflüssen und reagieren bei schnell eintretenden Temperaturunterschieden, die beispielsweise auftreten, wenn ein Fahrzeug aus einer warmen Umgebung, wie z.B. einem Warenlager, abrupt in eine kalte Umgebung, wie z.B. in einen Außenbereich, fährt, nur langsam. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Abstandssensoren ist eine genaue und schnelle Ermittlung, vorzugsweise in weniger als 100 ms, des Temperatureinflusses auf die Schallgeschwindigkeit zur präzisen Abstandsmessung wichtig.
• Aus der DE 41 20 397 ist es bekannt, die Schallgeschwindigkeit durch eine Laufzeitmessung eines Ultraschallsignals über eine vorgegebene Referenzstrecke zu ermitteln. Diese Referenzstrecke wird von zwei nebeneinander angeordneten Ultraschallsensoren gebildet. Hierbei muss allerdings die Referenzstrecke exakt bekannt sein, beispielsweise mit Hilfe einer Kalibrierung. Um Fehler zu minimieren, wird die Referenzstrecke möglichst groß gewählt, vorzugsweise mind. ca. 10% des zu messenden Abstands. Außerdem erfolgt eine Synchronisation zwischen den beiden Ultraschallsensoren, um die Laufzeit korrekt zu ermitteln.
• Offenbarung der Erfindung
• Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur der Umgebung durch Ermitteln einer Schallgeschwindigkeit von Schallwellen - bevorzugt Ultraschall vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zu Beginn wird die Schallgeschwindigkeit aus wenigstens einem eine Schallwelle charakterisierenden Merkmal ermittelt. Vorzugsweise sind solche charakteristischen Merkmale die Schallfrequenz und die Wellenlänge der Schallwelle. Anschließend wird aus dieser ermittelten Schallgeschwindigkeit die Temperatur der Umgebung bestimmt. Dabei wird ein Modell verwendet, das einen Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Temperatur der Umgebung charakterisiert.
• Ein solches Modell kann beispielsweise in Form einer Funktion vorliegen. Zudem kann sich das Modell nur auf einen relevanten Bereich der Temperatur und/oder der Schallgeschwindigkeit beschränken. Vorzugsweise kann der Temperatureinfluss einer solchen Funktion linear sein. Eine solche Funktion ist beispielsweise für einen Temperaturbereich zwischen -20°C und 40°C durch Formel 1 gegeben: $$\text{c}\left(\text{T}\right)=\left(\mathrm{331,5}+\mathrm{0,6}\text{T}/\left[°\text{C}\right]\right)\left[\text{m/s}\right]$$

  

  c(T) ist die temperaturabhängige Schallgeschwindigkeit, die bei einer Temperatur von 0°C bei 331,5 m/s liegt, und T die Temperatur, die in °C angegeben ist.
• Alternativ kann ein solches Modell aus einer Tabelle ausgelesen werden, die den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Temperatur darstellt. Die Tabelle kann dabei aus einer Funktion oder empirisch vorzugsweise für den relevanten Temperaturbereich ermittelt werden.
• Die Schallgeschwindigkeit kann in vorteilhafter Weise wie folgt ermittelt werden: Schallwellen, die von einer Schallquelle aus einer festgelegten Richtung ausgesendet werden, treffen unter schrägem Einfall in einem festgelegten Winkel auf wenigstens zwei in einem Abstand nebeneinander angeordnete Sensoren. Diese Sensoren können die Schallwellen aufnehmen und das wenigstens eine charakteristische Merkmal der Schallwelle erfassen. Vorzugsweise ist dieses charakteristische Merkmal eine Schallfrequenz und eine Phasendifferenz zwischen mehreren Schallwellen bzw. eine daraus ermittelbare Wellenlänge der Schallwellen.
• Hierfür werden vorzugsweise die folgenden Schritte ausgeführt: Zuerst wird eine erwartete Schallfrequenz der Schallwellen ermittelt. Daneben wird eine Phasenverschiebung der durch die beiden Sensoren erfassten Signale der Schallwellen ermittelt. Bevorzugt wird dafür die Phase von den beiden Sensoren aufgenommen, die unterscheidbar sein soll, und daraus die Phasenverschiebung ermittelt. Aus der Phasenverschiebung und dem bekannten festgelegten Winkel, aus dem die Schallwellen auf die Sensoren treffen, kann eine erwartete Wellenlänge ermittelt werden. Mittels der erwarteten Schallfrequenz und der erwarteten Wellenlänge kann gemäß Formel 2 die zu erwartende Schallgeschwindigkeit berechnet werden. $${\text{c}}_{\text{est}}={\mathrm{\lambda }}_{\text{est}}\cdot {\text{f}}_{\text{est}}$$

  
• Hierbei bezeichnet λ_est die erwartete Wellenlänge und f_est die erwartete Schallfrequenz. c_est bezeichnet die erwartete Schallgeschwindigkeit und gibt die tatsächliche Schallgeschwindigkeit für die aktuellen Umfeldbedingungen und ein umgebendes Medium an.
• In dieser Weise erfolgt das Ermitteln der erwarteten Schallgeschwindigkeit direkt und es werden keine zusätzlichen Sensoren benötigt. Darüber hinaus ist bei diesem Verfahren lediglich eine minimale Verzögerung von unter 10 ms zu erwarten, bis sich die erwartete Schallgeschwindigkeit auf die veränderten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen einstellt. Externe Temperatursensoren reagieren im Allgemeinen deutlich träger, typischerweise im zweistelligen Sekundenbereich; externe Feuchtigkeitssensoren sogar im Minutenbereich. Auf Ultraschall basierende Sicherheitssensoren müssen jedoch oftmals innerhalb von weniger als 100 ms korrekt reagieren.
• Optional kann die ermittelte Temperatur der Umgebung mit einer Referenz-Temperatur verglichen werden. Die Referenz-Temperatur kann bevorzugt durch einen zusätzlichen Temperatursensor für die Umgebung ermittelt werden. Besonders bevorzugt wird ein bereits im System vorhandener Temperatursensor zur Ermittlung der Referenz-Temperatur verwendet. Es können auch in der Umgebung angeordnete Temperatursensoren zur Ermittlung der Referenz-Temperatur verwendet werden. Alternativ kann die Referenz-Temperatur über Wetterdaten für die Umgebung, die durch eine Internetverbindung übertragen werden, abgerufen werden. Aus dem Vergleich der erwarteten Temperatur und der tatsächlichen Temperatur kann auf die Luftfeuchtigkeit geschlossen werden. Die Luftfeuchtigkeit kann somit innerhalb von Sekunden ermittelt werden, sodass sehr schnell auf bestimmte Situationen, wie z.B. Nebel, reagiert werden kann.
• Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zur Ermittlung physikalischer Größen mittels Schallwellen durch ein vorstehend beschriebenes Verfahren vorgeschlagen, wobei die Schallgeschwindigkeit eine der physikalischen Größe ist. Die Vorrichtung umfasst wenigstens zwei in einem Abstand nebeneinander angeordnete Sensoren, die in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die beiden Sensoren sind beispielsweise als (MEMS-)Mikrofone oder als Alutöpfe mit Piezoelektronik, die häufig schon in Fahrzeugen verbaut sind, ausgebildet und erweisen sich als empfindlich für die verwendeten Schallwellen. Die Schallwellen treffen unter schrägem Einfall in einem festgelegten Winkel auf die wenigstens zwei Sensoren auf, wobei der festgelegte Winkel bekannt ist. Aus den schräg, im festgelegten Winkel auf die Sensoren auftreffenden Schallwellen werden charakteristische Merkmale der Schallwellen durch die Sensoren erfasst und vorteilhaft an ein elektronisches Steuergerät weitergeleitet. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Steuerungseinrichtung, bevorzugt als Teil des elektronischen Steuergeräts, die eingerichtet ist, aus dem wenigstens einen charakteristischen Merkmal auf die wenigstens eine physikalische Größe zu schließen und damit aus der ermittelten Schallgeschwindigkeit auf den Temperatureinfluss zu schließen.
• Für die Ermittlung der physikalischen Größen muss der festgelegte Winkel, mit dem die Schallwellen auf die Sensoren treffen, und folglich eine Richtung, aus der die Schallwellen ausgesendet werden, möglichst genau bekannt sein. Dies wird erreicht, indem die Vorrichtung eine Schallquelle umfasst, welche die Schallwellen aussendet und diese Schallquelle in festgelegter Richtung zu den Sensoren angeordnet ist, sodass die von der Schallquelle ausgesendeten Schallwellen im festgelegten Winkel auf die Sensoren treffen. Durch diese feste Anordnung der Schallquelle und der Sensoren wird in vorteilhafter Art und Weise erreicht, dass der festgelegte Winkel, mit dem die Schallwellen auf die Sensoren treffen, hinreichend bekannt ist. Die Schallquelle kann eine bereits vorhandene Schallquelle, wie z.B. eine im Fahrzeug oder im Roboter bereits zur Abstandsmessung verwendete Schallquelle, sein. Dabei muss jedoch dafür Sorge getragen werden, dass deren Richtung zu den Sensoren bekannt ist, beispielsweise indem deren Positionen vermessen werden.
• Optional kann ein zusätzlicher Temperatursensor vorgesehen sein. Durch diesen wird das vorstehend beschriebene Verfahren zur Ermittlung der Luftfeuchtigkeit ermöglicht.
• Die Vorrichtung kann sehr kompakt ausgestaltet sein, da keine Mindestlänge für eine etwaige Referenzstrecke benötigt wird. Der Abstand zwischen den Sensoren kann beliebig klein bis zu einer Auflösungsgrenze gewählt werden. Andererseits soll die Entfernung zwischen Schallquelle und Sensoren möglichst groß sein, in einer Größenordnung von 10- bis 100-mal dem Abstand zwischen den Sensoren, sodass die beiden Sensoren im Fernfeld der Schallwellen betrachtet werden können. Demzufolge treffen die Schallwellen nahezu parallel und mit der gleichen Wellenfront auf beide Sensoren auf.
• Des Weiteren ist keine Synchronisierung zwischen der Schallquelle und den Sensoren notwendig, lediglich die beiden Sensoren müssen synchronisiert werden. Vorzugsweise kann dies erreicht werden, indem die Verbindung zwischen den Sensoren und dem elektronischen Steuergerät jeweils gleich lang sind, beispielsweise indem eine parallele Schaltung zwischen den Sensoren und dem elektronischen Steuergerät auf einer gemeinsamen Platine realisiert wird.
• Darüber hinaus bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass zumindest die Schallgeschwindigkeit direkt ermittelt werden kann, ohne auf Informationen von zusätzlichen Sensoren, wie beispielsweise eines Thermometers oder eines Feuchtigkeitssensors, angewiesen zu sein. Diese Sensoren sind oft störanfällig gegenüber äußeren Einflüssen und reagieren nur mit Verzögerung auf sich ändernde Größen.
• Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
• Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, das Verfahren zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit zu steuern.
• Figurenliste
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 3 zeigt ein Diagramm von zwei durch die Sensoren aufgenommenen Signalen der Schallwellen über der Zeit.
• 4 zeigt ein Diagramm einer Fourier-Transformation eines der aufgenommenen Signale aus 3 im Frequenzraum.
• Ausführungsbeispiel der Erfindung
• 1 zeigt Schallwellen 10, die im Fernfeld als erster Schalllaufweg 11 und zweiter Schalllaufweg 12 zusammen mit ihrer Wellenform 13 dargestellt sind. Die Schallwellen 10 werden von einer Schallquelle 20, die sich weit entfernt befindet, ausgesendet und treffen auf zwei Sensoren 21 und 22, die im Abstand a nebeneinander angeordnet sind. Dabei treffen die Schallwellen 10 entlang des ersten Schalllaufwegs 11 auf einen ersten Sensor 21 und simultan entlang des zweiten Schalllaufwegs 12 auf einen zweiten Sensor 22. Die Sensoren 21 und 22 sind Mikrosystem(Microelectromechanical Systems, MEMS)-Mikrofone oder Alutöpfe mit Piezoelektronik, welche die Schallwellen 10 zusammen mit Informationen über Ihre Phase erfassen. Hierbei sind die Wellenlänge λ und die Phase der Schallwellen 10 in 1 durch die Wellenform 13 dargestellt.
• Die Schallquelle 20 ist in einer festgelegten Richtung R zu den Sensoren 21 und 22 angeordnet, die weder senkrecht noch parallel zu den Sensoren 21 und 22 ist. Daraus folgt, dass die Schallwellen 10 entlang des ersten Schalllaufwegs 11 und entlang des zweiten Schalllaufwegs 12 jeweils unter schrägem Einfall in einem festgelegten Winkel α auf die jeweiligen Sensoren 21 und 22 auftreffen. Die festgelegte Richtung R und damit auch der festgelegte Winkel α sind bekannt. In diesem Ausführungsbeispiel beschreibt der erste Schalllaufweg 11 aufgrund des schrägen Einfalls einen längeren Weg als der zweite Schalllaufweg 12, der als Gangunterschied d bezeichnet wird, bevor sie auf den Sensoren 21 und 22 auftreffen. Der Zusammenhang zwischen dem Gangunterschied d, dem festgelegten Winkel α und dem Abstand der beiden Sensoren 21 und 22 zueinander wird durch die Formel 3 ausgedrückt: $$\text{d}=\text{a}\cdot cos(\mathrm{\alpha })$$

  
• Da die Schallwellen 10 hierbei im Fernfeld betrachtet werden, weisen sie entlang des ersten Schalllaufwegs 11 und des zweiten Schalllaufwegs 12 die gleiche Wellenfront auf. Betrachtet man gleichzeitig die Wellenform 13, so stellt man fest, dass sich die Phase der Schallwellen 10 zwischen dem Auftreffen des zweiten Schalllaufwegs 12 auf den zweiten Sensor 22 und dem Auftreffen des ersten Schalllaufwegs 11 auf den ersten Sensor 21 verschoben hat. Diese Phasenverschiebung µ hängt mit der Wellenlänge λ und dem Gangunterschied d gemäß folgender Formel 4 zusammen: $$\mathrm{\lambda =2\pi }\cdot \frac{\text{d}}{\mathrm{\mu }}$$

  
• Ein elektronisches Steuergerät 23 ist mit den beiden Sensoren 21 und 22 in solch einer Weise verbunden, dass die Verbindung zwischen dem ersten Sensor 21 und dem elektronischen Steuergerät 23 gleich lang ist wie die Verbindung zwischen dem zweiten Sensor 22 und dem elektronischen Steuergerät 23. Dies wird realisiert, indem eine parallele und gleichartige Schaltung der Verbindungen auf einer gemeinsamen Platine ausgebildet wird. Des Weiteren ist in diesem Ausführungsbeispiel ein zusätzlicher Temperatursensor 24 vorgesehen, der nicht zwingend notwendig ist und in anderen Ausführungsbeispielen weggelassen werden kann.
• 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der in 1 dargestellten Vorrichtung. In einem ersten Schritt erfolgt eine Ansteuerung 100 der Schallquelle 20, die daraufhin pulsförmig Schallwellen 10 entlang der festgelegten Richtung R zu den Sendern 21 und 22 hin aussendet. Die Schallwellen 10 werden durch die Sensoren 21 und 22 über einen Zeitraum t aufgenommen 101, wobei der Zeitraum t so zu wählen ist, dass der auszuwertende Schallpuls vollständig aufgenommen wird. Außerdem gilt dabei zu beachten, dass das Abtasttheorem, welches besagt, dass ein Signal mit einer im Vergleich zu der Frequenz des Signals doppelt so hohen Frequenz abgetastet werden muss, um es aus einem zeitdiskreten Signal wieder exakt rekonstruieren zu können, erfüllt ist. Typischerweise wird der Zeitraum t größer als für die Auswertung benötigt gewählt. Als nächster Schritt folgt eine Eingrenzung 102 des relevanten Signalausschnitts t_eval durch anwendungsspezifisches Wissen, wie in Verbindung mit 3 beschrieben.
• In 3 sind zwei Signale 31 und 32 der Schallwellen 10 in einem Diagramm ihrer Amplituden A über der Zeit t in Millisekunden dargestellt. Die Schallwellen 10 wurden in diesem Beispiel mit einer Schallfrequenz f von 48 kHz ausgesendet und treffen direkt seitlich mit einem angenommenen festgelegten Winkel α von 0°, der in der Praxis nicht umgesetzt wird, auf die Sensoren 21 und 22 auf, deren Abstand a etwa ein Viertel der Wellenlänge der Schallwellen 10 beträgt. Ein erstes Signal 31 wurde vom ersten Sensor 21 aufgenommen und entspricht dem ersten Schalllaufweg 11 der Schallwelle 10 und ein zweites Signal 32 wurde vom zweiten Sensor 22 aufgenommen und entspricht dem zweiten Schalllaufweg 12 der Schallwelle 10. Das zweite Signal 32 läuft dem ersten Signal 31 voraus, wobei die Phasendifferenz µ zwischen beiden $\frac{\mathrm{\pi }}{2}$

  

  beträgt. Um den relevanten Signalausschnitt t_eval zu erhalten, wird der Zeitraum auf eine Anfangszeit t₁, bei welcher die Signale 31 und 32 auftreten, und eine Endzeit t₂, bei welcher die Signale 31 und 32 enden, eingegrenzt 102, wobei hierfür eine Pulslänge t_b bekannt sein muss. Der relevante Signalausschnitt t_eval muss dabei nur grob, in der Größenordnung mehrerer Schwingungen, bestimmt werden. Hierfür wird ermittelt, wann die Amplitude A eines der Signale 31 oder 32 ihr Maximum erreicht hat, und dem Maximum eine Maximums-Zeit t_max zugeordnet. Nun wird die Anfangszeit t₁ festgelegt, indem die halbe Pulslänge t_b von der Maximums-Zeit t_max abgezogen wird, und es wird die Endzeit t₂ festgelegt, indem die halbe Pulslänge t_b zur Maximums-Zeit t_max hinzuaddiert wird.
• Optional werden die Anfangszeit t₁ und die Endzeit t₂ über eine Laufzeit t_tof zwischen der Schallquelle 20 und den Sensoren 21 und 22 ermittelt. Hierfür wird zur Startzeit, bei der die Schallquelle 20 die Schallwellen 10 aussendet, die Laufzeit t_tof hinzuaddiert und dann entsprechend die halbe Pulslänge t_b abgezogen oder hinzuaddiert.
• Alternativ kann t_eval auch ohne Vorkenntnisse bestimmt werden, indem Signalausschnitt t_eval so gewählt wird, dass eine Signalenergie eines der Signale 31 oder 32 über einem festlegbaren Schwellwert liegt.
• In einem darauffolgenden Schritt des Ablaufdiagramms in 2, wird eine Ermittlung 103 der erwarteten Schallfrequenz f_est durchgeführt. Im Falle eines schmalbandigen Signalpulses wird die erwartete Schallfrequenz f_est direkt als Frequenz f_b des Signalpulses festgesetzt. Andernfalls wird die erwartete Schallfrequenz f_est innerhalb des relevanten Signalausschnitts ermittelt 103, indem die Signale 31 und 32 durch eine Fourier-Transformation in den Frequenzraum überführt werden und dort deren Amplitudenspektrum |s(f)| ausgewertet wird. Dies ist in 4 dargestellt, die ein Diagramm der Fourier-Transformation eines der Signale 31 oder 32 der Schallwellen 10 zeigt, wobei in dem Diagramm das Amplitudenspektrum |s(f)| über der Schallfrequenz f in Kilohertz dargestellt ist. Da die Schallfrequenz f für alle Schalllaufwege 11 oder 12 identisch ist, entsprechen sich auch die Fourier-Transformationen der beiden Signale 31 und 32. Die erwartete Schallfrequenz f_est wird in diesem Fall als Maximum des Amplitudenspektrums |s(f)| festgelegt. Wie eingangs beschrieben liegt die erwartete Schallfrequenz f_est für dieses Beispiel bei 48 kHz.
• Es folgt eine Ermittlung 104 der Phasenverschiebung µ mittels Auswertung der Fourier-Transformation der beiden Signale 31 und 32 bei der erwarteten Schallfrequenz f_est. Dabei wird das Amplitudenspektrum |s(f)| als komplexwertig betrachtet, woraufhin die Phasenverschiebung µ zwischen den beiden Signalen 31 und 32 aus Formel 4 berechnet wird: $$\mathrm{\mu =}angle({\text{s}}_1({\text{f}}_{\text{est}})\cdot {\text{s}}_2({\text{f}}_{\text{est}})°)$$

  
• Hierbei ist s₁(f_est) die komplexwertige Amplitude des ersten Signals 31 bei der erwarteten Schallfrequenz f_est und s₂(f_est)° der hermitesche Wert der komplexwertigen Amplitude des zweiten Signals 32 bei der erwarteten Schallfrequenz f_est, wobei beide multipliziert werden und der Winkel der resultierenden komplexen Zahl zur Phasenverschiebung µ berechnet wird.
• Alternativ kann die Phasenverschiebung µ durch andere Verfahren, wie beispielsweise einem Vergleich der Nulldurchgänge, Maxima und/oder Minima der Signale 31 und 32, ermittelt 104 werden.
• Nachdem die Phasenverschiebung µ ermittelt 104 wurde, erfolgt eine Ermittlung 105 der erwarteten Wellenlänge λ_est gemäß Formel 6, die eine Kombination aus Formel 3 und Formel 4 ist: $${\mathrm{\lambda }}_{\text{est}}=2\mathrm{\pi }\cdot \frac{\text{a}\cdot cos(\mathrm{\alpha })}{\mathrm{\mu }}$$

  
• Die erwarteten Wellenlänge λ_est wird aus der Phasenverschiebung µ, dem Abstand a der beiden Sensoren 21 und 22 und dem festgelegten Winkel α aus dem die Schallwellen 10 auf die beiden Sensoren 21 und 22 auftreffen ermittelt 105, wobei die beiden letztgenannten Parameter Abstand a und festgelegter Winkel α durch die Vorrichtung vorgegeben sind.
• Bei der Ermittlung 105 der erwarteten Wellenlänge λ_est werden zusätzliche Randbedingungen getroffen. Die Phasenverschiebung µ darf nicht null werden, was auch aus Formel 6 ersichtlich ist, da andernfalls eine Division durch null erfolgen würde. Dies wäre beispielsweise für einen senkrechten Einfall der Schallwellen 10 bei einem festgelegten Winkel von 90° auf die Sensoren 21 und 22 oder bei ungünstigen periodischen Überlagerungen der beiden Signale 31 und 32 der Fall.
• Die Schritte 103, 104 und 105 stellen die mathematische korrekte Formulierung für den exakt bestimmten Fall dar. In der Praxis und aus Robustheitsgründen wird man häufig ein überbestimmtes System mit mehr als zwei Sensoren 21 und 22 verwenden. Hierbei nutzt man häufig ein korrelationsbasiertes Verfahren (z. B. Varianten von Beamforming) welches die Schritte 103, 104 und 105 in einem integrierten Schritt durchführt und gleichzeitig sowohl die erwartete Frequenz f_est als auch die erwartete Wellenlänge λ_est ermittelt. In einer möglichen Ausführungsform werden dazu die gemessenen Signale 31 und 32 der Sensoren 21 und 22 in einen ersten Spalten-Vektor S überführt, wobei jeder Eintrag einem Kanal und einem Zeitpunkt entspricht. Ferner wird ein zweiter Spalten-Vektor M(f_est, λ_est.) für jede mögliche Kombination der Frequenz und Wellenlänge gebildet, der in jedem Eintrag die zu erwartende Phasenverschiebung µ in Abhängigkeit von der Frequenz f, der erwarteten Wellenlänge λ, des Kanals und der Zeit in komplexer Notation zu dem zugehörigen Eintrag aus dem ersten Spalten-Vektor S enthält. Die Korrelation erfolgt gemäß Formel 7 durch komplexe Multiplikation des ersten Spalten-Vektors S und des hermiteschen zweiten Spalten-Vektors M(f, λ). Anschließend wird der zweite Spalten-Vektor M(f_est, λ_est.) mit dem höchsten Korrelationsergebnis ermittelt, welcher dann gleichzeitig die erwartete Frequenz f_est als auch die erwartete Wellenlänge λ_est liefert. $$\text{S}\cdot \text{M}(\mathrm{\lambda })°=\left(\begin{array}{l}{\text{s}}_1({\text{f}}_1)\hfill \\ {\text{s}}_2({\text{f}}_2)\hfill \\ ⋮\hfill \end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{l}exp(\text{i }{\mathrm{\mu }}_1)\hfill \\ exp(\text{i }{\mathrm{\mu }}_2)\hfill \\ ⋮\hfill \end{array}\right)$$

  
• Ist sowohl die erwartete Frequenz f_est als auch die erwartete Wellenlänge λ_est bestimmt, wird die erwartete Schallgeschwindigkeit c_est gemäß eingangs aufgeführter Formel 2 aus der erwarteten Wellenlänge λ_est und der erwarteten Schallfrequenz f_est berechnet 108: $${\text{c}}_{\text{est}}={\mathrm{\lambda }}_{\text{est}}\cdot {\text{f}}_{\text{est}}$$

  
• Schließlich wird ein Bestimmen109 einer erwarteten Temperatur T_est durchgeführt, indem aus der ermittelten Schallgeschwindigkeit c_est auf die erwartete Temperatur T_est geschlossen wird. Zu diesem Zweck wird sowohl auf die eingangs aufgeführte Formel 1 als auch auf Tabellen zurückgegriffen. Die erwartete Temperatur T_est weist im Vergleich zur tatsächlichen Temperatur einen Fehler aufgrund der Luftfeuchtigkeit F_est auf, der jedoch unter 1% liegt.
• Zusätzlich wird in einem weiteren Schritt aus einem Temperaturunterschied zwischen der erwarteten Temperatur T_est und einer Referenz-Temperatur T_ref die Luftfeuchtigkeit F_est ermittelt 110. Dabei wird eine Tabelle verwendet, aus der die Luftfeuchtigkeit F_est für die aktuelle, tatsächliche Referenz-Temperatur T_ref und dem Temperaturunterschied ausgelesen wird. Die Referenz-Temperatur T_ref wird durch den in 1 dargestellten, zusätzlichen Temperatursensor 24 - der bereits im Fahrzeug vorhanden sein kann - ermittelt. In weiteren Ausführungsformen werden andere in der Umgebung vorhandene Temperatursensoren verwendet und/oder die Referenz-Temperatur T_ref aus übertragenen Wetterdaten ausgelesen.
• 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 4120397 [0007]

Claims (12)

1. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur (T_est) der Umgebung, umfassend folgende Schritte: - Ermitteln (108) einer Schallgeschwindigkeit (c_est) aus wenigstens einem eine Schallwelle (10) charakterisierenden Merkmal; und - Bestimmen (109) der Temperatur (T_est) der Umgebung aus der Schallgeschwindigkeit (c_est) mittels eines den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit (c_est) und Temperatur (T_est) der Umgebung charakterisierenden Modells.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit (c_est) und Temperatur (T_est) der Umgebung charakterisierende Modell für die Temperaturabhängigkeit der erwarteten Schallgeschwindigkeit (c_est) eine Funktion der Schallgeschwindigkeit (c_est) ist.
3. Verfahren nach Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit (c_est) und Temperatur (T_est) der Umgebung charakterisierende Modell für die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit (c_est) aus einer Tabelle ausgelesen wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches zur Ermittlung (108) einer erwarteten Schallgeschwindigkeit (c_est) folgende Schritte umfasst: - Verwenden von Schallwellen (10), die von einer Schallquelle (20) aus einer festgelegten Richtung (R) ausgesendet werden und unter schrägem Einfall in einem festegelegten Winkel (a) auf wenigstens zwei in einem Abstand (a) nebeneinander angeordnete Sensoren (21, 22) treffen; - Ermitteln (103) einer erwarteten Schallfrequenz (f_est) der Schallwellen (10); - Ermitteln (104) einer Phasenverschiebung (µ) der Schallwellen (10); - Ermitteln (105) einer erwarteten Wellenlänge (λ_est) der Schallwellen (10) aus der Phasenverschiebung (µ) und dem festegelegten Winkel (a); und - Ermitteln (108) der erwarteten Schallgeschwindigkeit (c_est) aus der erwarteten Schallfrequenz (f_est) und der erwarteten Wellenlänge (λ_est).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Temperatur (T_est) der Umgebung mit einer Referenz-Temperatur (T_ref) der Umgebung verglichen wird und daraus auf eine Luftfeuchtigkeit (F_est) der Umgebung geschlossen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Temperatur (T_ref) der Umgebung durch einen zusätzlichen Temperatursensor (24) gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Temperatur (T_ref) der Umgebung über Wetterdaten abgerufen wird.
8. Vorrichtung zur Ermittlung wenigstens einer physikalischen Größe mittels Schallwellen (10) mittels des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schallgeschwindigkeit eine der physikalischen Größen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schallquelle (20), die in einer festgelegten Richtung (R) zu wenigstens zwei in einem Abstand (a) nebeneinander angeordneten Sensoren (21, 22) angeordnet ist und Schallwellen (10) aussendet, welche unter schrägem Einfall in einem festgelegten Winkel (a) auf die Sensoren (21, 22) treffen, wobei die Sensoren (21, 22) wenigstens ein charakteristisches Merkmal der schräg, im festgelegten Winkel (a) auftreffenden Schallwellen (10) erfassen, und eine Schaltungseinrichtung, die eingerichtet ist aus dem wenigstens einen charakteristischen Merkmal der Schallwellen (10) auf die wenigstens eine physikalisch Größe zu schließen und aus der erwarteten Schallgeschwindigkeit (c_est) der Schallwellen (10) auf den Temperatureinfluss zu schließen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen zusätzlichen Temperatursensor (24) umfasst.
10. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
11. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.
12. Elektronisches Steuergerät (23), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 physikalische Größen unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9 mittels Schallwellen (10) zu ermitteln.

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