DE19634813A1 - Verfahren zum Filtern eines Signals, das den Flüssigkeitsstand eines Tanks darstellt - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Filtern eines Signals, das den Flüssigkeitsstand in einem Tank darstellt. Sie ist insbesondere für die Anzeige des Pegels des Kraftstoffs anzu­ wenden, der sich im Tank eines Kraftfahrzeugs befindet.

Betrachtet man ein benzinbetriebenes Fahrzeug, dann wird das Benzin tendenziell bei Störungen aufgrund von Kurven, Nei­ gungen der Fahrbahn, Beschleunigungs- und Bremsbefehlen sowie Stößen insgesamt gegen eine Wand des Tanks verschoben, wo­ durch die Messung eines Pegelsensors verfälscht wird, die das verbleibende Benzinvolumen darstellen soll.

Um diese Störungen wenigstens teilweise aufzuheben, wird be­ kanntlich eine Tiefpaßfilterung durchgeführt, wodurch rasche Meßänderungen beseitigt werden. Damit läßt sich zwar das Schlingern aufheben, aber langdauernde Störungen wie bei abfallenden Fahrspuren erfordern ein Filtern mit langer Dauer. Dann werden die Schwankungen bei dem gefilterten Signal gemessen, das die Anzeige steuert, und die Dauer oder Zeitkonstante der Tiefpaßfilterung wird verlängert, um die Entwicklung des gefilterten Signals noch weiter zu ver­ langsamen, also seine störenden Schwankungen aufzuheben.

Allerdings steht außer Frage, daß der Benzinstandsanzeiger zu lange braucht, um beim Anfahren einen korrekten Pegel anzu­ zeigen, wenn sich das Fahrzeug ursprünglich nicht in der Horizontalen befindet, z. B. wenn die Fahrbahn abfällt oder sich das Fahrzeug in Schräglage befindet.

Ebenso ist bekannt, daß das Signal gefiltert wird, um die Form des Tanks zu berücksichtigen, d. h. das Signal in Abhängigkeit von dem angezeigten Pegel zu korrigieren; allerdings ist dies nur begrenzt wirksam, und bei jedem Tanktyp muß eine Anpassung vorgenommen werden.

Kurz gesagt, es wurde ein Verfahren zum Filtern von langen und kurzen Störungen gesucht, das von der Form des Tanks unabhängig ist und nach dem Anfahren an einer Steigung oder in Schräglage einen falschen Wert sehr rasch durch einen genauen Wert ersetzt.

Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Filtern des Signals eines Sensors für den Flüssigkeitsstand in einem Tank, bei dem nach der Schätzung der Störungen des Flüssigkeitsstandes an dem Signal vor der Auswertung eine Tiefpaßfilterung mit einer Zeitkonstante vorgenommen wird, deren Wert von der Schätzung abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung der Störungen durch Analyse des ungefilterten Signals vorgenommen wird.

Da also das ungefilterte Signal zum Erstellen der Filterzeit­ konstante dient, wird eine Störung praktisch augenblicklich erfaßt, und für das ausgewertete gefilterte Signal wird dann eine höhere Filterzeitkonstante gewählt, während eine relativ kurze Beobachtung des Signals, insbesondere eine deutlich kürzere als jede Filterzeitkonstante ausreicht, um die Ab­ wesenheit einer Störung zu überprüfen, um wieder rasch zu einer niedrigeren Zeitkonstante zu kommen.

Die Erfindung ist leichter mittels der folgenden Beschreibung einer Schaltung zum Filtern des Flüssigkeitsstandes in einem Tank zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung unter Be­ zug auf die beigefügten Zeichnungen zu verstehen; darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Filterschaltung;

Fig. 2 eine Abfolge von Analyseperioden eines Flüssigkeits­ standsignals, und

Fig. 3, die aus Fig. 3A bis Fig. 3C besteht, veranschau­ lichend die Filterwirkung.

Die dargestellte Filterschaltung 1 steuert eine Anzeige 3 in Abhängigkeit von dem Meßsignal, das ihr ein Flüssigkeits­ standsensor 2 liefert, der einem Tank 25 mit einer Flüssigkeit 26 zugeordnet ist, hier mit dem Benzin eines Kraftfahrzeugs.

Der durch eine Batteriespannung +Vb versorgte Pegelsensor 2 besteht bei diesem Beispiel aus einem Konstantstromgenerator 21, der eine resistive Sonde 22 zur Erwärmung versorgt, die vertikal in den Tank 25 getaucht und dort befestigt ist.

Der Widerstandswert der Sonde 22 ändert sich kontinuierlich mit dem Benzinstand. Deshalb stellt die Spannung an den Anschlüssen der Sonde 22 den überwachten Pegel eindeutig nach einem bekannten monotonen Gesetz dar.

Die Filterschaltung 1 ist ein herkömmlicher Mikrosteuer­ baustein für die Signalverarbeitung mit einer Ver­ arbeitungskette, die in Folge aus einem Eingangs-Analog- Digital-Umsetzer (CAN) 11, einem Tiefpaßfilter 12 mit regelbarer Zeitkonstante K sowie einem Digital -Analog- Umsetzer (CNA) 13 gebildet ist, der die Anzeige 3 steuert.

Eine Analyseschaltung 14 empfängt auch das von dem CAN 11 abgegebene Signal und steuert die Regelung der Zeitkonstante K des Filters 12.

Nun wird die Funktionsweise der Filterschaltung 1 erläutert.

Die Erfindung basiert auf dem Konzept der Analyse des unge­ filterten Rohsignals Sb, das von dem Sensor 2 stammt, um über eine relativ kurze Analyseperiode die Stärke der Störungen des Signals Sb zu bestimmen, die auf die Hin- und Herbewegung des Benzins zurückzuführen sind, die durch die Verkehrs­ bedingungen verursacht wird.

So wird sofort eine starke Dämpfung (= starke Zeitkonstante K2) des Filters 12 gesteuert, wenn eine Störung auftaucht, und wenn diese verschwindet, geht man wieder zu einer schwachen Dämpfung (K1) über. Man kehrt genauer zu dem schwachen Wert K1 zurück, sobald man sich durch Überprüfung der Abwesenheit weiterer Störungen über eine Periode nach der betrachteten Störung versichert hat, daß die Verkehrsbe­ dingungen verschwunden sind, die die Ursache für die erfaßte Störung waren.

Fig. 2 veranschaulicht das in der Schaltung 14 verwendete Analyseverfahren in Abhängigkeit von der Zeit t.

Das Rohsignal Sb wird über eine Analyseperiode T0, bei diesem Beispiel von acht Sekunden analysiert, die in acht auf­ einanderfolgende Analyseschritte Pi von einer Sekunde unter­ teilt ist (i = eine ganze Zahl von 0 bis 7), die wiederum in acht Zeitintervalle ITj (j = eine ganze Zahl von 0 bis 7) von 0,125 s unterteilt sind. Die beiden ersten Schritte P0 und P1 sind auch in einem größeren Maßstab dargestellt.

Der CAN 11 liefert bei jedem Intervall ITj einen digitalen Wert des Signals Sb.

Um das Hochfrequenzmeßrauschen zu beseitigen, das kein In­ formationsträger ist, wird das Rohsignal Sb hier einer Vor­ verarbeitung unterzogen, die aus einem Tiefpaßfilter besteht. Die Grenzfrequenz ist allerdings hoch genug, um jede Kompo­ nente durchzulassen, die eine Störung mit signifikanter Energie darstellen würde.

Die oben beschriebene Filterung vor der Analyse wird durch­ geführt, indem bei jedem Analyseschritt Pi der Mittelwert Si des Benzinpegels berechnet wird, d. h. die acht Werte Sj eines Schritts Pi durch ihren Mittelwert Si ersetzt werden, um ein Quasirohsignal zu erhalten. Damit wird das Rohsignal Sb ge­ glättet, ohne allerdings Nutzinformation zu verlieren.

Durch den Vergleich der acht Mittelwerte Si der Analyse­ periode T0 wird es dann möglich, die Änderungen des Quasi­ rohsignals zu berechnen und sie mit einem Schwellenwert zu vergleichen. Dann wird die Zeitkonstante K des Filters 12 auf den Minimalwert K1, hier 40 Sekunden geregelt, falls diese Änderungen nicht einen vorbestimmten Schwellenwert über­ schreiten; ansonsten wird die Zeitkonstante K erhöht, um hier auf einen Wert K2 von sechs Minuten zu kommen.

Die Zeitkonstante K des Filters 12 könnte auch kontinuierlich und nicht diskret in Abhängigkeit von der Amplitude der Änderungen des Signals bezüglich eines bestimmten Schwellen­ wertgesetzes geregelt werden.

Die Berechnung dieser Änderungen, die zur Schätzung der Störungen bestimmt ist, kann verschiedenen Gesetzen folgen. Auf herkömmliche Weise kann eine quadratische Kombinationsbe­ rechnung durchgeführt werden, indem eine Standardabweichung der acht Mittelwerte Si bezüglich ihres Durchschnitt s be­ rechnet wird.

Nach einem anderen linearen Gesetz ohne die globale Kombi­ nation, die hier verwendet wird, werden die aufeinander­ folgenden Pegelmittelwerte Si paarweise verglichen, um die Ableitung oder die Zeitsteigung zwischen ihnen zu berechnen und diese Steigungen mit einem Schwellenwert zu vergleichen.

Ein aus den beiden obengenannten Gesetzen zusammengesetztes Gesetz (Integration von mehreren Ergebnissen; Ableitung des letzten Ergebnisses) besitzt den Vorteil, acht Messungen Si zu integrieren, also überdies die relativ hochfrequenten Komponenten zu filtern (erstes Gesetz), wobei sie allerdings gleichzeitig rasch durch das zweite Gesetz berücksichtigt werden, um augenblicklich jede Störung nach der Zeitsteigung des eben empfangenen Signals und nicht durch Integration der von allen zuletzt empfangenen Signalen gelieferten In­ formationen zu erfassen.

Bei diesem Beispiel wird überprüft, ob die Zeitsteigung zwischen zwei Werten Si nicht einen Schwellenwert übersteigt, und man läßt jedesmal einen Zähler weiterlaufen, der bei Erreichen des Wertes 8 blockiert und den Übergang zum niedrigen Wert K1 steuert. Der Zähler wird bei jeder Er­ fassung einer Überschreitung des Schwellenwerts auf null gestellt; er steuert den Übergang zum hohen Wert K2. Zur Verdeutlichung der Zeichnung sind die Analyseperioden T0 nebeneinander dargestellt. Allerdings wird bei diesem Beispiel die Durchführung einer gleitenden Analyse bevorzugt, d. h. die betreffende Periode T0 wird alle Sekunden um einen Schritt Pi versetzt.

Fig. 3 veranschaulicht das Ergebnis der Filterung und stellt in Abhängigkeit von der Zeit t die Amplitude A des Rohsignals Sb (Fig. 3A), den Wert K1 oder K2 der Zeitkonstante K (Fig. 3B) und das gefilterte Signal Sf dar, das an die Anzeige 3 angelegt wird (Fig. 3C).

Das Signal Sb weist zwischen zwei Stabilitätszeitbereichen eine Störung auf, die sich in einem abrupten Abfall zeigt, auf den Schwingungen und schließlich wieder ein Anstieg folgen.

Die Störung wird, sobald sie sich zeigt, durch die Änderung der Zeitsteigung erfaßt, die sie nach einer Sekunde (T0/8) zwischen Mittelwerten Si induziert. Die Zeitkonstante k des Filters 12 nimmt dann den maximalen Wert K2 an und bleibt dort, solange die Schwingungen anhalten.

Das Ende des Anstiegs des Signals Sb wird mit einer Ver­ zögerung T0, hier von acht Sekunden erfaßt, die Zeitkonstante K nimmt wieder den minimalen Wert K1 an, so daß die leichte Abweichung des Signals Sf aufgrund der Störung rasch korrigiert wird. Zum Vergleich ist das Ergebnis einer Filterung (12) gestrichelt dargestellt, die ausgehend von der Analyse des gefilterten Signals durch Rückkopplung gesteuert würde.

Es ist festzustellen, daß die Steuerung des Filters (12) zu langsam ist, da die analysierte Information, die zum Er­ stellen dieser Steuerung dient, selbst durch die Durchquerung des Filters (12) verzögert wurde. Deshalb wird der Wert K2 verspätet erstellt, und der Impulsbeginn ist schwach ge­ filtert (K1).

Das gleiche Phänomen tritt am Impulsende auf, da die Zeit­ konstante K zu lange den Wert K2 behält und eine rasche Rückkehr zur Anzeige des korrekten Werts verhindert, der durch das Signal Sb dargestellt ist.

Claims (5)

1. Verfahren zum Filtern des Signals eines Sensors (2) für den Flüssigkeitsstand in einem Tank, bei dem nach der Schätzung der Störungen des Flüssigkeitsstandes an dem Signal vor der Auswertung eine Tiefpaßfilterung (12) mit einer Zeitkonstante (K) vorgenommen wird, deren Wert von der Schätzung abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung der Störungen durch Analyse des ungefilterten Signals vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schätzung der Störungen durchgeführt wird, indem über aufeinanderfolgende Analyseperioden die entsprechenden Änderungen des Sensor­ signals gemessen werden und ein höherer Wert (K2) für die Zeitkonstante gewählt wird, wenn diese Änderungen über einem vorbestimmten Schwellenwert bleiben.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Tiefpaßfilterung (Si) des ungefilterten Signals (Sb) des Sensors vor seiner Analyse durchgeführt wird, um seine Änderungen zu messen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem jede Analyseperiode (T0) für die Tiefpaßfilterung vor der Analyse in eine Folge von Analyseschritten (Pi) aufgeteilt wird und bei jedem Analyseschritt (Pi) ein Mittelwert (Si) des Flüssigkeits­ standes berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Zeitsteigung zwischen den Mittelwerten (Si) aufeinanderfolgender Pegel bestimmt wird, die mit dem Schwellenwert verglichen werden.