DE19621354A1 - Drahtloses Reifendruck-Meßverfahren - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Druck und andere Meßwerte aus dem rotierendem Reifen zu ermitteln, in ein elek­ trisches Signal umzusetzen und anzuzeigen oder z. B. für Druck­ verlust-Warnmeldungen auszuwerten. Die Ermittlung des Drucks selber und die Umsetzung in eine elektronische Größe ist nach dem Stand der Technik völlig unproblematisch, geeignete Sensoren auf mechanischer oder kapazitiver Basis sowie integrierte Lösungen auf Halbleiterbasis sind hinlänglich bekannt.

Das eigentliche Problem beim Fahrzeug stellt die Datenüber­ mittlung und die Stromversorgung des Drucksensors da, weil die hohe und stark schwankende Drehzahl des Reifens zusammen mit den Lenk- und Fahrwerksbewegungen und der starken Verschmutzung eine drahtgebundene Übertragung, z. B. über Schleifkontakte, wie auch eine optische oder akustische Übertragung, verbietet.

In hochwertigen Fahrzeugen werden daher Systeme verwendet, die auf induktiver bzw. Funkbasis arbeiten. Zu diesem Zweck wird von einem Generator eine Speisefrequenz erzeugt, die mittels einer Spule bzw. Antenne in der Nähe des Reifens bereitgestellt wird. Diese kann dann von einem Schwingkreis oder anderem Resonator absorbiert oder verstärkt werden, wobei der Resonator von einem Druckgeber beeinflußt wird. Diese Beeinflussung der Grundfrequenz kann dann gemessen und ausgewertet werden. Eine gute Beschreibung hierzu findet sich in der EP Anmeldung Publikationsnr. 0 450 653 A2, welche in ihrem Anspruch große Nähe zum Verfahren der induktiven Zugsicherung aufweist. Ein vergleichbares System wurde von der Firma Porsche entwickelt.

Bei all diesen Verfahren ist jedoch die große Störanfälligkeit von Nachteil, die inbesondere aus der Verwendung derselben Frequenz zur Versorgung des Meßwertgebers und zur Messung resultiert. Hierdurch können auch solche Dämpfungen oder Ver­ stärkungen der Meßfrequenz als Meßwert fehlinterpretiert werden, die nicht vom Meßwertgeber verursacht sind.

Es wäre daher naheliegend, eine aktive Schaltung in dem Meßwert­ geber unterzubringen, die von einer Speisefrequenz versorgt wird und auf einer zweiten Frequenz antwortet. Leider ist die Ver­ sorgung durch die schnelle Drehung des Rades über einen akzep­ tablen Zeitraum jedoch nur dann sichergestellt, wenn die Ent­ fernung zwischen Meßwertgeber und Versorgungsspule bzw. Antenne nur wenig schwankt. Dies erzwingt die Positionierung des Meß­ wertgebers in der Nähe der Achse und damit die Verwendung einer Spezialfelge, die ihrerseits hohe Kosten verursacht.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Meßwert zu­ verlässig auch bei stark schwankenden Übertragungsverhältnissen und ohne eigene Stromversorgung des Meßwertgebers zu übermitteln.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch 1. beschriebene Meßvorrichtung gelöst, deren Funktion im folgenden erläutert wird:
Das System besteht aus einem im Reifen befindlichen Meßwertgeber ohne eigene Stromversorgung sowie einem fest im Fahrzeug mon­ tierten Meßsystem bestehend aus einer oder mehreren Antennen und einer oder mehreren Elektronikbaugruppen.

Die von einem oder vorzugsweise mehreren Generatoren erzeugte Speisefrequenz wird über eine Antenne in der Nähe des Reifens abgestrahlt. Diese wird nun von dem Meßwertgeber z. B. über einen Schwingkreis aufgenommen und an ein nichtlineares Element, z. B. eine Varaktordiode weitergeleitet. An diesem Element bilden sich nun Oberwellen bzw. bei mehreren Speisefrequenzen die Summen- und Differenzfrequenzen dieser. Des weiteren befindet sich im Meß­ wertgeber ein Resonator, der auf eine geeignete Oberwelle oder Summen- oder Differenzfrequenz abgestimmt ist und vom Meßwert beeinflußt werden kann. Bei der Messung des Reifendrucks bietet sich nun alternativ entweder eine Veränderung der Resonanz­ frequenz mittels eines kapazitiven Gebers oder eine Ein- oder Ausschaltung des Resonators mittels Schalter an.

Die so im Meßwertgeber erzeugte und abgestrahlte Meßfrequenz kann nun leicht ohne Störung durch die Speisefrequenz mit einem empfindlichen Empfänger aufgenommen und zur Ermittlung des Meß­ wertes ausgewertet werden. Der Meßwert wird dann vom Empfänger zur weiteren Auswertung und Anzeige bereitgestellt.

Der Empfänger wird jetzt nicht mehr durch die Speisefrequenz beeinflußt, es sinken die Dynamikanforderungen an dessen Ein­ gangsstufe. Hierdurch wird auch die Verwendung höherer Meß- und Speisefrequenzen möglich, wodurch auch bei hohen Raddrehzahlen genügend Perioden zur sicheren Erkennung bzw. Frequenzbestimmung der Meßfrequenz pro Vorbeilauf des Meßwertgebers an den festen Antennen übertragen werden. Des weiteren erhöht sich bei den nun möglichen höheren Frequenzen die Übertragungsreichweite.

Im folgenden sei beispielhaft ein solches Meßsystem beschrieben: In Zeichnung 1 werden die Speisefrequenzen von f1=2,41 GHz und f2=2,45 GHz durch die Generatoren G1 und G2 erzeugt, über Ver­ stärker V1 und V2 verstärkt und über eine Antenne A1 dem Reifen zugeleitet.

Im Reifen befindet sich der Meßwertgeber M zum Übertragen des Zustandes eines Druckschalters. Der Meßwertgeber M ist im Detail in der Zeichnung 2 beschrieben. Wenn der Schalter S1 in Zeichnung 2 bei zu niedrigem Druck geschlossen ist, ist der Geber kurzge­ schlossen und außer Funktion. Es wird daher keine Meßfrequenz abgestrahlt. Im anderen Fall wird die Frequenz durch die Antenne A2 mit (Streifenleiter-) Schwingkreis L1/C1 aufgenommen und der Varaktordiode D1 zugeführt. Dort bildet sich die Differenz­ frequenz von f3=f2-f1 (=40 MHz), welche den Quarz Q1 anregt und danach über die Antenne A3 abgestrahlt wird.

Zeichnung 3 zeigt eine alternative Konstruktion für den Meßwert­ geber M zur Übermittlung kontinuierlicher Meßwerte. Anstelle des Kurzschlusses durch Schalter S1 tritt eine Veränderung der Resonanzfrequenz des Quarzes Q1 durch den kapazitiven Drucksensor SC1.

Die vom Meßwertgeber M abgestrahlte Meßfrequenz f3 kann nun von der Antenne A4 aufgenommen und vom Meßempfänger E1 ausgewertet werden. Der Meßwert steht dann als Signal s1 zur Verfügung.

Die Verwendung einer Varaktordiode (Kapazitätsdiode) als nicht­ lineares elektronisches Bauteil im Resonator bietet sich ins­ besondere aufgrund des sogenannten parametrischen Verstärkungs­ effektes an.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Speisefrequenzen alle durch Modulation bzw. Mischung einer einzigen Basis-Speisefrequenz mit einem geeigneten Modu­ lationssignal gleichzeitig erzeugt. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die I/Q-Modulation mittels von einem Signal­ prozessor digital erzeugter Modulationssignale. Hierdurch können gleichzeitig beliebig viele Speisefrequenzen erzeugt werden, ohne daß es einer entsprechenden Zahl Generatoren bedürfte. Durch geeignete Berechnung des Spektrums erfolgt daher bei kontinuier­ licher Meßwertübertragung (Zeichnung 3) in jedem Fall für jeden Meßwert sofort eine Resonanzantwort auf der diesem Meßwert zuge­ ordneten Meßfrequenz. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer langsamen Veränderung ("Sweep") der Speisefrequenz(en) zur Ab­ tastung der Resonanzstelle. Die Modulation kann auch durch ein gefiltertes Pseudo-Zufallssignal (Rauschsignal) erfolgen.

Ebenso bietet sich im Empfänger die Analog/Digital-Wandlung der empfangenen Meßfrequenz bzw. Empfänger-Zwischenfrequenz und digitale Demodulation bzw. Auswertung mittels DDC (Digital Down Converter) und Signalprozessor (Fourieranalyse) an. Die abge­ strahlte Meßfrequenz kann so direkt (ohne "Sweep") ermittelt werden.

Nach einmal ermitteltem Meßwert kann zudem das Spektrum ener­ getisch, z. B. durch geeignete Filterung, auf den Erwartungswert des nächsten Meßwertes konzentriert werden, um die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Sehr vorteilhaft ist aus Kostengründen auch die Integration des Meßwertgebers bestehend aus dem (Druck-)sensor zusammen mit dem nichtlinearen elektronischem Bauteil und dem Resonanzelement auf einem hybriden oder integrierten Schaltkreis, wobei anstelle eines Schwingkreises oder Quarzes z. B. auch ein Oberflächen­ wellenresonator (SAW) Verwendung finden kann, der direkt durch den Meßwert abgestimmt bzw. geschaltet wird.

Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind die Zu­ führung der Speisefrequenz und der Empfang der Meßfrequenz über nur ein (Koaxial-)Kabel zwischen dem festen Steuergerät und den im Radkasten angebrachten Antennen und Trennung der Frequenzen mittels Hoch-, Tief- oder Bandpaß.

Des weiteren kann im Meßwertgeber auch ein weiterer Referenz-Resonator untergebracht werden, der unabhängig vom Meßwert immer konstant auf einer zweiten Meßfrequenz ein Signal zurückstrahlt. Hierdurch können Frequenzverschiebungen z. B. durch den Doppler­ effekt etc. im Empfänger wieder herausgerechnet werden. Weitere Meßfrequenzen können z. B. zur Übertragung weiterer Meßwerte wie Reifentemperatur oder strukturelle Beanspruchung (Kräfte) ver­ wendet werden.

Natürlich kann durch Relais- oder elektronische Umschaltung von mehreren Antennen auf eine Elektronikeinheit dieselbe Elektronik­ einheit im Multiplexverfahren zum Messen an unterschiedlichen Reifen verwendet werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Messung des Reifendrucks beschränkt, sondern kann generell zur zuverlässigen Ermittlung von Meßwerten im Bereich schnell bewegter Teile ver­ wendet werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung oder System zur drahtlosen Übertragung von Meß­ werten aus bewegten Teilen, insbesondere System zur Messung des Reifendrucks in Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem Meßwertgeber, insbesondere Druckmesser im Reifen, und einem Meßsystem, welches seinerseits aus einer oder mehreren Antennen in der Nähe des Meßwertgebers sowie einer oder mehreren Elektronikbaugruppen besteht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß (1) der Meßwertgeber aus mindestens einem Resonator gekoppelt mit mindestens einem nichtlinearen elektronischem Bauteil besteht und der Resonator vom zu messenden Wert beeinflußt wird, daß (2) im Meßsystem eine oder mehrere Speisefrequenzen erzeugt und an den Meßwert­ geber abgestrahlt und von diesem empfangen werden, daß (3) durch Mischung oder Oberwellenbildung sich in dem nicht­ linearen elektronischen Bauteil Vielfache der Speisefrequenz oder Summen- oder Differenzfrequenzen mehrerer Speise­ frequenzen bilden, daß (4) diese im Meßwertgeber gebildeten Frequenzen den Resonator anregen, woraufhin dieser auf seiner Meßfrequenz, die unterschiedlich von den Speise­ frequenzen ist, die Meßwertinformation an einen Empfänger im Meßsystem sendet, der seinerseits die Meßwertinformation zur weiteren Auswertung zur Verfügung stellt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Speisefrequenzen durch Modulation einer gemeinsamen Basis-Speisefrequenz mit einem geeigneten Modulationssignal erzeugt werden.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßfrequenzen durch Analog/Digital-Wandlung und nachfolgende digitale Signalverarbeitung gleichzeitig empfangen und ausgewertet werden.

4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Modulationssignal aus einem gefilterten (Pseudo-) Zu­ fallssignal ableitet, wobei das resultierende Spektrum ener­ getisch auf die dem Erwartungswert der Meßfrequenz ent­ sprechenden Speisefrequenzen konzentriert wird.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare elektronische Bauteil im Meßwertgeber eine Varaktordiode (Kapazitätsdiode) ist, wobei hierdurch der Effekt der parametrischen Verstärkung genutzt werden kann.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem nichtlinearen elektronischen Bauteil die Differenzfrequenz zweier Speisefrequenzen als neue Meßfrequenz gebildet wird.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonator im Meßwertgeber ein Quarz Verwendung findet, der kapazitiv verstimmt wird.

8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonator im Meßwertgeber ein Oberflächenwellenfilter Ver­ wendung findet.

9. System nach Anspruch 1, sowie wahlweise Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßfrequenzen zum Übertragen weiterer Meß- oder Referenzwerte verwendet werden.

10. System nach Anspruch 1, sowie wahlweise Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung Rechenwerke oder Mikrocomputer verwendet werden und die in den Patentansprüchen beschriebenen Funktionen ganz oder teil­ weise mittels eines Computerprogramms (Software) realisiert werden.