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WO2019179644A1 - Verfahren sowie vorrichtung zur ermittlung einer aktuellen temperatur - Google Patents

Verfahren sowie vorrichtung zur ermittlung einer aktuellen temperatur Download PDF

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Publication number
WO2019179644A1
WO2019179644A1 PCT/EP2018/081816 EP2018081816W WO2019179644A1 WO 2019179644 A1 WO2019179644 A1 WO 2019179644A1 EP 2018081816 W EP2018081816 W EP 2018081816W WO 2019179644 A1 WO2019179644 A1 WO 2019179644A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature
measuring
dependent
line
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/081816
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Hofmann
Bernd Janssen
Heiko Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leoni Kabel GmbH
Original Assignee
Leoni Kabel GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leoni Kabel GmbH filed Critical Leoni Kabel GmbH
Publication of WO2019179644A1 publication Critical patent/WO2019179644A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/34—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using capacitative elements
    • G01K7/343—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using capacitative elements the dielectric constant of which is temperature dependant

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining a current temperature by means of a measuring line.
  • the measuring line has a conductor and a temperature-dependent dielectric surrounding it with a temperature-dependent permittivity (dielectric constant).
  • the object of the invention is to specify a method and a device which makes it possible to determine a current temperature with the aid of a measuring line, in particular also with short measuring lengths, with high accuracy.
  • the object is achieved according to the invention by a method for determining the temperature using a measuring line, wherein the measuring line has a predetermined measuring length and a temperature-dependent dielectric with a temperature-dependent permittivity,
  • the measuring line is connected to a measuring unit and the measuring unit emits a measuring signal with a signal amplitude into the measuring line, which feeds in at a starting time,
  • the measuring signal is reflected at a predetermined reflection point, in particular at one end of the line, and a reflected measuring signal runs back,
  • the reflected measurement signal is received at a receiving location, and a reception time is determined as the time at which the reflected
  • Measuring signal at the receiving point exceeds a threshold value
  • the current temperature is determined from the running time taking into account the measuring length, whereby at least one of the two following measures is taken
  • the measurement signal is reflected several times at the reflection point and the transit time of the multiply reflected measurement signal is determined
  • the threshold value is set constant to a value which corresponds to an amplitude of the incoming signal to be expected at the receiving location if at least 30%, preferably at least 40% and more preferably at least 50% or at least 60% of the theoretically maximum reflected Share arrived at the receiving location.
  • An improvement in the accuracy in the determination of the temperature is generally achieved by the fact that the longest possible duration of the measurement signal is reached. For this purpose, at least one of the following two measures is taken: a) the measurement signal is reflected several times at the reflection point,
  • a high threshold is given.
  • a material with the highest possible permittivity at 20 ° C.
  • the permittivity is preferably greater than 8.
  • the measuring signal passes through the measuring line several times, so it is at least partially reflected again at the feed point. By this measure, therefore, the path length of the measurement signal is quasi multiplied by the measurement line, whereby the measurement accuracy is increased.
  • a reflected measurement signal this is understood to mean a reflected amplitude component of the measurement signal.
  • a high threshold is set.
  • the reception time, and therefore the runtime depends - especially on short measurement lengths - also on the set threshold value, above which the reception time is determined.
  • the reflected signal component of the measurement signal generally exhibits an amplitude which increases in magnitude, that is to say a signal level increasing in magnitude.
  • the theoretically maximally reflected measuring signal is understood as meaning a feeding amplitude, that is to say the signal amplitude of the measuring signal provided by the measuring unit for feeding into the measuring line.
  • the reflected measuring signal shows a rising edge (signal level increases absolutely over time) or a falling edge (signal level decreases with time).
  • the threshold value is exceeded, it is generally understood that the threshold value is exceeded in absolute terms on a rising edge and falls below it in absolute terms when a falling edge occurs. In the following, when the threshold is exceeded, this generally means exceeding the amount.
  • the signal level of the reflected signal component and additionally the signal level of the applied measuring signal are present at the receiving point at the receiving time.
  • the threshold value is set constant to a value which corresponds to an amplitude to be expected at the receiving point when at least x% of the theoretically maximum reflected measuring signal has arrived at the receiving location
  • a threshold value which corresponds to a signal level It is composed of the signal level of the measuring signal fed in by the measuring unit (supply amplitude) - provided that this signal level is present when the reflected component is received - plus x% of the signal
  • Feed-in amplitude where the x% of the feed-in amplitude is positive in the case of a rising edge and negative in the case of a falling edge of the reflected measuring signal.
  • the threshold is either at the feed-in amplitude plus x% of the feed-in amplitude when the injected measurement signal is applied and at x% of the feed-in amplitude when the injected measurement signal is no longer present (and only the signal level of the reflected measurement signal is applied).
  • the reception time is defined by the time when the signal level exceeds the absolute threshold.
  • the threshold is either at
  • the reception time is defined by the time when the signal level falls below the absolute threshold.
  • the threshold value is also kept constant over the period for determining the temperature. In general, a single measurement is sufficient for the determination of the temperature and therefore also for the determination of the transit time. however, it is also possible to carry out a plurality of individual measurements and, for example, to average the measured transit times to determine the transit time. In both cases, the threshold is kept constant.
  • This second measure with the setting of a high threshold value is based on the knowledge that, as a result of the variation of the permittivity with the temperature, besides the signal speed, which decisively determines the transit time, the attenuation of the measuring line as well as the impedance of the measuring line, ie the characteristic impedance , change.
  • the measuring line expediently has an impedance which is not adapted to the measuring unit. This applies to normal conditions, ie in particular at ambient temperature of 20 ° C.
  • reflection onslope Generally occurs in the waveform of the reflected measurement signal per reflection at the reflection point on a stage, which is hereinafter referred to as reflection onstress.
  • the reception time is shifted in the range of such a further reflection stage with double, triple, etc. runtime.
  • This first measure with the evaluation of the multiple reflections is used in particular for short measuring lines which, for example, have a measuring length of a maximum of 10 m or a maximum of 5 m or even a maximum of 2 m.
  • the test lead has an impedance that is at least 25% different from the input impedance of the test lead.
  • the impedance deviates by 50% or more, or by 75% or more percent from the input impedance.
  • the impedance of the measuring line is smaller than the input impedance.
  • the greater the deviation and thus the size of the mismatch the greater the proportion reflected at the measuring connection. In the case of greater mismatch, correspondingly more reflection levels are present in the signal course, which can be evaluated.
  • adapted impedance is understood to mean that the impedance of the measuring line corresponds exactly to the input impedance of the measuring terminal or at least within a tolerance range of +/- 10% and preferably of +/- 5%.
  • Distinguish impedances or differ by at least 5% or at least by 1 0%.
  • the setting of the threshold value is of particular importance for the transit time to be detected and also depends on whether a measurement signal reflected several times at the reflection point is to be evaluated.
  • the value x for setting the threshold is in the range between 60% and 80% if the measuring cable has an impedance adapted to the measuring unit.
  • the value x for setting the threshold value is on the other hand in the range between 80% and 90%, specifically in the range between 85% and 90%.
  • the determination of the mean temperature using the measuring line with a temperature-dependent dielectric is based in principle on the fact that with a change in the permittivity, the propagation speed and thus the transit time of the measuring signal is changed within the measuring line.
  • the propagation velocity is inversely proportional to the root of the permittivity.
  • the propagation speed of the measurement signal therefore decreases as the permittivity increases, which leads to an increase in the propagation time for a fixed measurement length.
  • a Tempereaturver can be determined with respect to a reference. In principle, it is possible to deduce the absolute runtime to an absolute temperature.
  • the changed capacity leads to a changed impedance of the measuring line.
  • the relation holds that the increase of the capacity, thus a Increased permittivity, leading to a reduction in impedance.
  • the correlation holds that the impedance is inversely proportional to the root of the
  • the reduced impedance typically reduces the amplitude of the measurement signal.
  • the temperature dependence of the impedance thus leads quasi to an increasing mismatch when feeding the Messsig- signal in the measuring line, so that a part of the signal to be fed at the feed point reflected, so it is not fed into the measuring line.
  • the impedance / the characteristic impedance of the test lead for the normal state at e.g. 20 ° C is adapted to the feed point.
  • the measured transit time is composed of a main component determined by the temperature-dependent propagation velocity of the measurement signal and of an additive secondary component, which is determined by the temperature-dependent attenuation and temperature-dependent impedance.
  • the determination of the current temperature is carried out, for example, partially computationally taking into account the measured transit time and the known measurement length as well as the known relation between the propagation velocity and the permittivity.
  • the permittivity can therefore be determined in a first approximation from the transit time.
  • the temperature is then determined, for example, by comparison with temperature-dependent dielectric values stored in a table. It is possible to associate a respective value of the permittivity with a temperature.
  • the secondary component of the propagation time is also calculated by calculation.
  • the measured transit time is compared with stored reference transit times, which were carried out, for example, in the context of reference measurements on a measuring line with the same structure (same type of test lead). In this case, the temperature can therefore be determined simply by comparison with the stored reference values.
  • the runtime in particular the minor part of the runtime, is influenced by the choice of the threshold value.
  • the threshold value and thus the threshold-dependent transit times are also taken into account.
  • threshold-dependent reference transit times are therefore also stored, i. the stored temperature-dependent reference delays are only valid for a certain threshold.
  • a set of temperature-dependent reference running times is stored or at least provided for different threshold values. If the measuring unit is only set to a threshold value, then it is sufficient to select the associated set of reference transit times and store them for the evaluation by the measuring unit. If, in principle, a variation of the threshold value, e.g. is possible by way of parameterization, it is preferable to deposit several sets of reference transit times.
  • the reflection point is preferably formed by an open end of the measuring line, so that essentially a total reflection takes place at the end of the measuring line. In this case, the reflection leads to a reflected measurement signal with a "positive" amplitude and the waveform shows a rising edge.
  • the measuring line ie the end of the measuring line in particular, is short-circuited, so it is specifically at ground potential.
  • the reflected measurement signal shows a "negative" amplitude and the waveform a falling edge.
  • the material is, for example, a special PVC material or even an FRNC material (Flame).
  • an open end of the measuring line is preferably selected.
  • Partial materials exhibit an abnormal behavior of permittivity, in which the permittivity decreases with increasing temperature.
  • the short-circuited variant is selected.
  • the measurement signal is preferably a measurement pulse for example with a predefined signal duration.
  • the measuring pulse generally has a rising edge until a predetermined signal level (amplitude) is reached, which is then constant for at least a predetermined signal duration.
  • Rising edge is as steep as possible in order to achieve a measurement result defined as possible. Under as steep as possible here is understood in particular that the Increase from 10% to 90% of the amplitude of the measurement signal within a maximum of 2,000 ps (pico second) and preferably within 100 ps and more preferably within 50 ps.
  • the measuring pulse is a step signal, in particular a square wave signal.
  • the rising edge is designed as a jump function with steep rise as described above.
  • the falling edge of the square wave signal is less critical.
  • the signal duration is selected such that the measurement signal is still present when the preferably multiply reflected signal arrives again at the feed point, so that the amplitude of the reflected measurement signal received by the measuring unit is composed of the injected and the reflected amplitude.
  • the signal duration is therefore greater than an expected run time selected.
  • the method is used in particular for determining the average temperature of a component of a motor vehicle.
  • the measuring line is therefore routed inside a motor vehicle. It is integrated according to a variant in a cable with multiple line components.
  • the component to be monitored is then, for example, the cable.
  • the integration of the measuring cable offers the simple possibility of monitoring the cable with regard to a temperature load.
  • the method can generally be used for monitoring the temperature loading of cables and wires or other components in the vicinity of the measuring line.
  • the measuring line has a double function and, for example, is also used for data transmission as well as for power transmission.
  • the determination of the temperature then takes place, for example, during transmission pauses, that is to say when no signal and / or power is transmitted via the measuring line.
  • the measuring line is preferably generally at most some 10 meters long and is for example less than 20 meters and in particular less than 10 meters.
  • the object is also achieved according to the invention by a device for determining a current temperature, wherein the device has a measuring unit and a measuring line connected to the measuring unit.
  • the measuring line has a predetermined length and a temperature-dependent dielectric with a temperature-dependent permittivity.
  • the measuring unit is designed to carry out subsequent steps.
  • the measuring unit determines the transit time of a measurement signal which is multiply reflected at the reflection point and determines therefrom the current temperature
  • a temperature-dependent variation of the transit time due to a temperature-dependent propagation velocity of the measurement signal is taken into account and additionally a temperature-dependent variation of the transit time due to at least one of the following variables is taken into account, namely a temperature-dependent attenuation of the measurement line or a temperature-dependent one Impedance of the Measurement line.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of the device for determining the temperature with a measuring unit and a measuring line connected thereto
  • FIG. 2 shows a block diagram of the measuring unit for explaining the method
  • FIG. 3 shows an illustration of different courses of measuring signals as a function of different temperatures during a reflection of the measuring signal at an open end of the measuring line
  • FIG. 4 shows a representation of different signal profiles of measuring signals as a function of different temperatures during reflection of the measuring signal at a short-circuited end of the measuring line
  • FIG. 5 shows a simplified illustration of a signal curve of a measuring signal which has been reflected several times at a reflection point.
  • Figure 1 shows a device 2, which is designed as a measuring arrangement for determining a temperature.
  • the device 2 has a measuring line 4 which comprises a measuring conductor 6, which is surrounded by an insulation which forms a dielectric 8.
  • Dielectric 8 is a temperature-dependent dielectric, ie a dielectric whose dielectric constant or permittivity varies as a function of the temperature.
  • the measuring line 4 is, for example, a line conductor, in which therefore the measuring conductor 6 is surrounded concentrically by the dielectric 8 as a wire jacket. Basically, other structures of the measuring line 4 are also possible. borrowed.
  • the measuring conductor 6 is the inner conductor of a coaxial line, in which the dielectric 8 is surrounded by an outer conductor, for example formed as a braid, which is formed concentrically with the measuring conductor 6.
  • the measuring conductor 6 is generally associated with a return conductor, which is not shown explicitly in FIG. 1 and in FIG.
  • the return conductor may be formed, for example, by the outer conductor or by the conductor of another wire.
  • the return conductor defines a reference potential, for example ground potential. Measuring conductors and return conductors are formed, for example, by the conductors of a pair of wires.
  • the measuring line 4 is, for example, part of a line not shown here, for example a cable, which has a plurality of line elements next to the measuring line 4.
  • the line can be surrounded by a common outer jacket or be designed as a line bundle.
  • the measuring line 4 is laid in or near a component to be monitored.
  • the measuring line 4 forms a temperature sensor.
  • the measuring line 4 is generally connected to a measuring terminal 10 of a measuring unit 14.
  • the measuring line 4 has a defined, fixed length, which is referred to below as the measuring length L. This is for example in the range of 1 to 20 meters.
  • the measuring line 4 also has an open line end 12.
  • an open line end is understood to mean that the measuring conductor 6 is not connected to the line end 12 and, in particular, no terminating resistor is connected.
  • For temperature measurement is generally in the measuring line to a
  • FIG. 2 shows a simplified block diagram representation of the measuring unit 14 with the measuring line 4 connected thereto.
  • the measuring unit 14 comprises a signal generator 16, a microcontroller 18, a time measuring element 20 and a comparator 22.
  • the microcontroller 18 serves to control and feedthrough of the procedure.
  • the microcontroller 18 outputs a start signal S1 for performing a respective measurement.
  • This start signal S1 is transmitted both to the signal generator 16 and to the time measuring element 20.
  • a (voltage) threshold value V can also be preset to the comparator 22 via the microcontroller 18.
  • the threshold value V is set and predetermined once, so that it is constant for the respective measurement.
  • the signal generator 16 With the start signal S1, the signal generator 16 outputs a measurement signal M, in particular a rectangular signal, which preferably has a predetermined time duration. This measurement signal M is fed to the feed line 24 in the measuring line 4. At the end of the line 12, the measurement signal M is reflected and runs in the opposite direction as a reflected measurement signal again
  • the comparator 22 By means of the comparator 22 it is checked whether the signal level exceeds the predetermined threshold value V. As soon as the comparator 22 detects an exceeding of the threshold value V, it outputs a stop signal S2 to the time measuring element 20. This then determines a time difference between the start signal S1 and the stop signal S2 and transmits this difference as detected transit time t to the microcontroller 18th
  • the measurement is characterized by a simple measurement setup in which only a binary, digital stop signal (0 or 1) is transmitted to the time measuring element 20 for determining the reception time. An evaluation of the signal or a greater portion of the course of the Messsig- nals M is not made.
  • the determination of the transit time t is effected by a single measurement. In principle, a plurality of individual measurements can be carried out in succession and an average value can be formed from the transit times t thus determined.
  • the microcontroller 18 preferably compares the recorded transit time with stored reference transit times, to which the respective temperature associated with the respective transit time is stored.
  • the assignment of the reference propagation times to the temperatures is, for example, in advance for the respective type (same structure, same length) of the measuring line 4, which is currently in use, determined by reference measurements and stored for example in a table. In each case, a set of reference run times are stored for different threshold values.
  • the device 2 is used for example in a motor vehicle.
  • the measuring line 4 only has a limited length of at most single meters.
  • the measuring signal M propagates within the measuring line 4 typically at a speed of 1 to 2.5 ⁇ 10 8 m / s. This leads to run times in the nanosecond range.
  • a high time resolution and a highly accurate detection or determination of the reception time is of particular importance for the most accurate determination possible of the temperature. For the most accurate determination of the temperature and a high time resolution, in particular the effects described below are exploited:
  • the propagation velocity changes, and it is generally accepted that this decreases with increasing permittivity.
  • This changes lengthens) the time between transmission (start time) of the measurement signal and reception (reception time) of the reflected measurement signal M.
  • This temperature-dependent transit time change is the basis for determining the temperature.
  • an increase in the permittivity leads to an increase in the line capacitance and thus to an increase in the line attenuation.
  • a rise time of the reflected measurement signal M is extended, so that a (rising) edge of the reflected measurement signal M becomes progressively flatter. This is exploited to the effect that the reception time is shifted to a longer transit time t by the selection of a high threshold value V, so that overall the transit time t, in particular the transit time change relative to a reference, is increased.
  • a deliberate mismatch is made between measuring line 4 and measuring terminal 10, specifically an impedance of the measuring line 4 is selected such that it is, for example, 25% or even 50% less than an input impedance at measuring terminal 10.
  • the input impedance is typically For example, at 50 W.
  • the impedance of the measuring line 4 is in this case, ie at an input impedance of 50 W, For example, at 30 W. Due to this mismatch, the returning, reflected measurement signal M is reflected again at the measurement port 10, and the measurement line 4 again travels to the line end 12, is reflected there and arrives back to the measurement port 10. In general, therefore As a result, the measuring signal M is reflected several times at the line end 12.
  • the effects 1 - 3 are generally exploited by a comparatively high threshold value V is given, so that generally the reception time is shifted significantly to the right.
  • FIG. 3 shows the signal curve of the measuring signal M, in particular its amplitude (voltage level) with respect to time.
  • the individual curves shown in the figure represent the signal curves of the measurement signal M at different temperatures.
  • the uppermost line indicates the course of the measured signal M at a first temperature T1 (reference temperature, 22 ° C. in the exemplary embodiment).
  • the underlying curve gives the signal curve of the measured signal M at a second temperature T2 of 50 ° C, which in turn lies below it Curve the waveform at a third temperature T3 of 70 ° and the lowermost curve the waveform at a fourth temperature T4 of 90 ° C.
  • the measuring signal M is fed into the measuring line 4 at a time tO (at 20 ns). Too defines a start time. Thereby, a voltage pulse having an amplitude of e.g. 250 mV.
  • the injected amplitude (feed amplitude) or fed measuring signal M is generally understood to mean an amplitude of the measuring signal M which would propagate in the measuring line 4 with an optimum impedance matching between the measuring terminal 10 and the measuring line 4.
  • the feed-in amplitude is typically half the amplitude of the amplitude generated by the signal generator 16, since an internal resistance of the measuring unit 14 or of the measuring terminal 10 and the measuring line 4 form a voltage divider.
  • the amplitude that actually propagates in the measuring line 4 may deviate from the feed-in split depending on the actual impedance matching between the measuring line 4 and the measuring connection 10. With exact adaptation, the actual amplitude of the measuring signal M propagating in the measuring line 4 thus corresponds to the feed-in amplitude.
  • FIGS. 3 and 4 show variants with a matched measuring line 4.
  • the value provided by the measuring unit 14 is
  • Infeed amplitude in the exemplary embodiment 250 mV, the feed-in amplitude is generally, for example, in the range between 100 mV and, for example, 5 V) continuously at the feed point 24, which is also the receiving point 26. Ie. the voltage value of 250 mV initially (at TA) is substantially constant at the comparator 22. After the measurement signal M has reached the line end 12 and was reflected there, it reaches the reflected measurement signal M as the
  • the reflected measuring signal M sets itself up noticeable here by a rising edge 30.
  • the voltage rising at the comparator 22 therefore increases starting from the feed-in amplitude.
  • T1 of 22 ° C this is still relatively steep.
  • the rise of the flank 28 becomes flatter with increasing temperature, as can be seen directly by comparison with the further signal curves at the second to fourth temperatures T2-T4.
  • This flatter rise of the reflected edge 30 results from the second effect described above, namely the increase of the line attenuation.
  • the signal curves of the measurement signal M which is not yet reflected, generally have a lower voltage level (amplitude) with increasing temperature, ie are shifted approximately horizontally downwards.
  • the three effects all lead to an extension of the running time t with increasing temperature.
  • the individual effects are marked in FIG. 1 by comparing the signal characteristics for the first temperature T 1 with the fourth temperature T 4 (90 ° C.) by the arrows E 1, E 2, E 3.
  • E1 shows the main effect of the extended transit time t due to a reduced propagation velocity.
  • the arrow E2 illustrates the effect of the increased line attenuation on the transit time t and the arrow E3 illustrates the effect of the reduced impedance on the transit time t.
  • the slope of the respective flank 28 was optimized by auxiliary lines.
  • the reflected measurement signal M (beginning of the flank 28) arrives at the temperature T 1 at a time t1 of approximately 130 ns, which, after subtracting the offset of 20 ns, corresponds to a transit time t of approximately 110 ns.
  • the arrival due to the reduced propagation velocity shifts by about 15 ns (see E1).
  • the actually recorded running time depends crucially on the adjusted
  • Threshold V from.
  • a reference threshold value Vr and, for example, a set threshold value V are shown.
  • the expected amplitude is composed of the
  • the reflected amplitude can reach the maximum Einspeiseamplitude (in the first approximation) with total reflection.
  • the reference threshold value Vr is about 10% above the Einspeiseamplitude of the injected measurement signal M, ie at about 275 mV.
  • the transit time difference st at the reference threshold value Vr is approximately 25 ns, and at the threshold value V is approximately 45 ns and thus significantly higher.
  • FIG. 4 analogous to FIG. 3, the signal profiles for the temperatures T 1 -T 4 are shown, but with a short-circuited measuring line 4. This leads to a signal course of the reflected measurement signal M with reversed sign, ie with a falling edge 30.
  • the threshold value V it is therefore determined which reflection stage 28 (first, second, etc.) is used for the propagation time measurement.
  • the threshold value V is chosen such that at least the second or a higher reflection stage 28 is used. This leads to a doubling (tripling) of the transit time t1, t2 from approximately 5 ns to approximately 10 ns in the exemplary embodiment, as indicated by the two horizontal arrows.
  • This measure according to effect 4 is used in particular in the case of short measuring lines 4 and correspondingly short transit times t.

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Abstract

Das Verfahren dient zur Ermittlung einer aktuellen Temperatur mit Hilfe einer Messleitung, in die ein Messsignal eingespeist wird. Die Messleitung weist ein temperaturabhängiges Dielektrikum auf, so dass die Laufzeit des Messsignals von der Temperatur abhängt. Durch eine Auswertung der Laufzeit wird eine mittlere Temperatur der Messleitung bestimmt.

Description

Beschreibung
Verfahren sowie Vorrichtung zur Ermittlung einer Temperatur
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung einer aktuellen Temperatur mit Hilfe einer Messleitung.
Die Messleitung weist einen Leiter sowie ein diesen umgebendes temperaturab- hängiges Dielektrikum mit einer temperaturabhängigen Permittivität (Dielektrizi- tätszahl) auf. Durch Auswerten einer Laufzeit eines Messsignals, welches in die Messleitung eingespeist wird, wird die aktuell herrschenden mittlere Temperatur der Messleitung und damit auch der Umgebung der Messleitung bestimmt.
Die Verwendung von temperaturabhängigen Dielektrika zur Temperaturmessung über die Laufzeit eines Messsignals ist bekannt und wird beispielsweise in der WO 2018/086949 A1 beschrieben.
Da die Laufzeit bei kurzen Messleitungen und damit bei einer kurzen Messlänge von z.B. 1 bis 10 Meter gering ist, ist eine hohe Zeitauflösung bei der Bestimmung der Laufzeit erforderlich.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, die die Ermittlung einer aktuellen Temperatur mithilfe einer Messleitung insbesondere auch bei kurzen Messlängen mit hoher Genauig- keit ermöglicht.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur mithilfe einer Messleitung, wobei - die Messleitung eine vorgegebene Messlänge sowie ein temperaturabhän- giges Dielektrikum mit einer temperaturabhängigen Perm ittivität aufweist,
- die Messleitung an eine Messeinheit angeschlossen ist und die Messeinheit in die Messleitung ein Messsignal mit einer Signalamplitude abgibt, wel- chen zu einer Startzeit einspeist,
das Messsignal an einer vorgegebenen Reflexionsstelle, insbesondere ei- nem Leitungsende reflektiert wird und ein reflektiertes Messsignal zurück- läuft,
- das reflektierte Messsignal an einer Empfangsort empfangen wird, und eine Empfangszeit bestimmt wird als der Zeitpunkt, bei dem das reflektierte
Messsignal an der Empfangsstelle einen Schwellwert dem Betrage nach überschreitet,
- eine Laufzeit zwischen Startzeit und Empfangszeit bestimmt wird,
- aus der Laufzeit unter Berücksichtigung der Messlänge die aktuelle Tempe- ratur bestimmt wird, wobei zumindest eine der beiden folgenden Maßnah- men ergriffen wird
- das Messsignal wird mehrfach an der Reflexionsstelle reflektiert und es wird die Laufzeit des mehrfach reflektierten Messsignals ermittelt,
- der Schwellwert ist konstant auf einen Wert eingestellt, der einer an der Empfangsort zu erwartenden Amplitude des einlaufenden Signals ent- spricht, wenn zumindest 30%, vorzugsweise zumindest 40% und weiter vorzugsweise zumindest 50% oder zumindest 60% des theoretisch maxi- mal reflektiertem Anteils am Empfangsort eingetroffen sind. Eine Verbesserung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Temperatur wird all- gemein dadurch erreicht, dass eine möglichst lange Laufzeit des Messsignals er- reicht ist. Hierzu ist zumindest eine der beiden folgenden Maßnahmen ergriffen: a) das Messsignal wird an der Reflexionsstelle mehrfach reflektiert,
b) es wird ein hoher Schwellwert vorgegeben. Bevorzugt wird ergänzend ein Material mit einer möglichst hohen Permittivität (bei 20°C) verwendet, da dadurch die Messgenauigkeit erhöht ist. Die Permittivität ist vorzugsweise größer als 8. Gemäß der ersten Maßnahme durchläuft das Messsignal die Messleitung mehr- fach, wird also zumindest anteilig an der Einspeisestelle erneut reflektiert. Durch diese Maßnahme wird daher quasi die Weglänge des Messsignals durch die Messleitung vervielfacht, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird. Sofern vorliegend von einem reflektierten Messsignal gesprochen wird, so wird hierunter ein reflektierter Amplitudenanteil des Messsignals verstanden.
Gemäß der zweiten Variante wird ein hoher Schwellwert eingestellt. Die Emp- fangszeit und damit die Laufzeit hängt - insbesondere bei kurzen Messlängen - entscheid auch von dem eingestellten Schwellwert ab, bei dessen Überschreitung die Empfangszeit bestimmt wird.
Der reflektierte Signalanteil des Messsignals zeigt allgemein eine dem Betrage nach zunehmende Amplitude, also einen dem Betrage nach zunehmenden Sig- nalpegel auf. Unter dem theoretisch maximal reflektierten Messsignal wird vorlie- gend eine Einspeiseamplitude verstanden, also die Signalmplitude des von der Messeinheit zur Einspeisung in die Messleitung bereitgestellten Messsignals. Je nach elektrischer Verschaltung zeigt das reflektierte Messsignal eine ansteigende Flanke (Signalpegel nimmt mit der Zeit absolut zu) oder eine abfallende Flanke (Signalpegel nimmt mit der Zeit ab).
Unter Überschreitung des Schwellwerts wird allgemein verstanden, dass bei einer ansteigenden Flanke der Schwellwert absolut betrachtet überschritten und bei ei- ner abfallenden Flanke absolut betrachtet unterschritten wird. Sofern im Folgen- den von Überschreiten des Schwellwerts gesprochen wird, so wird hierunter all- gemein ein Überschreiten dem Betrage nach verstanden. Je nach Ausgestaltung der Messschaltung und der Zeitdauer des Messsignals liegt zum Empfangszeitpunkt an der Empfangsstelle der Signalpegel des reflektier- ten Signalanteils und zusätzlich der Signalpegel des eingespeisten Messsignals an.
Unter der Formulierung„der Schwellwert ist konstant auf einen Wert eingestellt, der einer an der Empfangsstelle zu erwartenden Amplitude entspricht, wenn zu- mindest x% des theoretisch maximal reflektiertem Messsignals am Empfangsort eingetroffen sind“ wird also ein Schwellwert verstanden der einem Signalpegel entspricht welcher der sich zusammensetzt aus dem Signalpegel des von der Messeinheit eingespeisten Messsignals (Einspeiseamplitude) - sofern dieser Sig nalpegel bei Eintreffen des reflektierten Anteils anliegt - zuzüglich x% der
Einspeiseamplitude, wobei die x% der Einspeiseamplitude positiv im Falle einer ansteigenden Flanke und negativ im Falle einer abfallenden Flanke des reflektier- ten Messsignals sind.
Bei einer ansteigenden Flanke liegt der Schwellwert daher entweder bei der Einspeiseamplitude zuzüglich x% der Einspeiseamplitude, wenn das eingespeiste Messsignal anliegt und bei x% der Einspeiseamplitude, wenn das eingespeiste Messsignal nicht mehr anliegt (und nur noch der Signalpegel des reflektierten Messsignals anliegt). Die Empfangszeit ist definiert durch den Zeitpunkt, wenn der Signalpegel den Schwellwert absolut übersteigt.
Bei einer absteigenden Flanke liegt der Schwellwert entweder bei der
Einspeiseamplitude abzüglich x% der Einspeiseamplitude, wenn das eingespeiste Messsignal anliegt und bei x% der negativen Einspeiseamplitude, wenn das ein- gespeiste Messsignal nicht mehr anliegt (und nur noch der Signalpegel des reflek- tierten Messsignals anliegt). Die Empfangszeit ist definiert durch den Zeitpunkt, wenn der Signalpegel den Schwellwert absolut unterschreitet.
Der Schwellwert wird weiterhin über den Zeitraum für die Bestimmung der Tempe- ratur konstant gehalten. Allgemein ist für die Bestimmung der Temperatur und damit also auch für die Ermittlung der Laufzeit eine Einzelmessung ausreichend, es können aber auch mehrere Einzelmessungen durchgeführt und beispielsweise eine Mittelwertbildung der gemessenen Laufzeiten zur Ermittlung der Laufzeit vor- genommen werden. In beiden Fällen wird der Schwellwert konstant gehalten. Diese zweite Maßnahme mit der Einstellung eines hohen Schwellwerts beruht auf der Erkenntnis, dass infolge der Variation der Permittivität mit der Temperatur ne- ben der Signalgeschwindigkeit, welche maßgeblich die Laufzeit bestimmt, sich auch die Dämpfung der Messleitung sowie die Impedanz der Messleitung, also der Wellenwiderstand, verändern. Beide Effekte führen zu einer Veränderung des Ver- laufs des reflektierten Anteils des Messsignals, was zu einem flacheren Anstieg der Flanke des reflektierten Anteils sowie zu einer horizontalen Verschiebung des Signalverlaufs führen. Durch Wahl eines hohen Schwellwertes wird der Emp- fangszeitpunkt gezielt zu höheren Laufzeiten hin verschoben. Durch die Wahl des vergleichsweise hohen Schwellwerts von beispielsweise x=50% wird die Laufzeit (bei Temperaturen > 40 °C) typischerweise um zumindest 10 % und mehr erhöht, gegenüber einer erfassten Laufzeit bei einem Schwellwert von lediglich x= 10%. Die Zunahme der erfassten Laufzeit steigt dabei deutlich mit der Temperatur. Ins- gesamt ist dadurch eine deutliche Verlängerung der gemessenen Laufzeit und hierüber eine höhere Genauigkeit erreicht.
Im Hinblick auf die erste Maßnahme, wonach ein mehrfach an der Reflexionsstelle reflektiertes Messsignal ausgewertet wird, weist die Messleitung zweckdienlicher- weise eine nicht an die Messeinheit angepasste Impedanz auf. Dies gilt für Nor- malbedingungen, also insbesondere bei Umgebungstemperatur von 20 C.
Durch diese Maßnahme der bewussten Fehlanpassung zwischen Messleitung und Messeinheit, also genauer zwischen der Impedanz der Messleitung und der Impe- danz (Eingangsimpedanz) eines Messanschlusses der Messeinheit, wird quasi für das reflektierte und zurücklaufende Messsignal am Messanschluss eine Störstelle geschaffen, die das reflektierte Messsignal nochmals reflektiert. Das Messsignal läuft erneut durch die Messleitung zur Reflexionsstelle, also speziell dem Lei tungsende und wird wieder zurückgeworfen, um schließlich ein zweites Mal den Messanschluss zu erreichen. Durch diese Maßnahme verdoppelt (vervielfacht) sich daher die Weglänge, so dass sich die gemessene Laufzeit in erster Näherung ebenfalls verdoppelt. Allgemein tritt im Signalverlauf des reflektierten Messsignals pro Reflexion an der Reflexionsstelle eine Stufe auf, die nachfolgend als Reflexi- onsstufe bezeichnet ist. Bei geeigneter Wahl des Schwellwerts wird die Emp- fangszeit in dem Bereich einer derartigen weiteren Reflexionsstufe mit doppelter, dreifacher etc. Laufzeit verschoben.
Diese erstgenannte Maßnahme mit der Auswertung der mehrfachen Reflexionen wird insbesondere bei kurzen Messeleitungen eingesetzt, die beispielsweise eine Messlänge von maximal 10 m oder maximal 5 m oder auch maximal 2 m aufwei- sen.
Zweckdienlicherweise weist die Messleitung eine Impedanz auf, die um zumindest 25 % von der Eingangsimpedanz des Messanschlusses abweist. Vorzugsweise weicht die Impedanz um 50 % oder mehr bzw. um 75 % oder mehr Prozent von der Eingangsimpedanz ab. Insbesondere ist die Impedanz der Messleitung kleiner der Eingangsimpedanz. Allgemein gilt, dass je größer die Abweichung und damit die Größe der Fehlanpassung ist, desto größer ist der an dem Messanschluss re- flektierte Anteil. Bei größerer Fehlanpassung sind im Signalverlauf entsprechend mehr Reflexionsstufen vorhanden, die ausgewertet werden können.
Unter angepasster Impedanz wird hierbei verstanden, dass die Impedanz der Messleitung der Eingangsimpedanz des Messanschlusses exakt entspricht oder zumindest innerhalb eines Toleranzbereiches von +/- 10 % und vorzugsweise von +/- 5 %. Unter nicht angepasster Impedanz ist daher zu verstehen, dass sich die
Impedanzen unterscheiden, oder um zumindest um 5% oder um zumindest um 1 0% unterscheiden.
Der Einstellung des Schwellwerts kommt eine besondere Bedeutung für die zu erfassende Laufzeit zu und hängt auch davon ab, ob ein mehrfach an der Reflexi- onsstelle reflektiertes Messsignal ausgewertet werden soll. Zweckdienlicherweise liegt der Wert x für die Einstellung des Schwellwerts im Bereich zwischen 60% und 80%, sofern die Messleitung eine an die Messeinheit angepasste Impedanz auf- weist.
Für den Fall, dass die Messleitung eine nicht an die Messeinheit angepasste Im- pedanz aufweist liegt der Wert x für die Einstellung des Schwellwerts demgegen- über im Bereich zwischen 80% und 90%, speziell liegt er im Bereich zwischen 85% und 90%.
Die Bestimmung der mittleren Temperatur unter Verwendung der Messleitung mit einem temperaturabhängigen Dielektrikum beruht zunächst grundsätzlich darauf, dass mit einer Veränderung der Permittivität die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die Laufzeit des Messsignals innerhalb der Messleitung verändert wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist dabei umgekehrt proportional zu der Wurzel der Permittivität. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Messsignals verringert sich daher mit zunehmender Permittivität, was - bei fester Messlänge - zu einer Lauf- zeitverlängerung führt. Anhand dieser Laufzeitverlängerung kann daher eine Tempereaturveränderung bezüglich einer Referenz ermittelt werden. Grundsätz- lich kann aus der absoluten Laufzeit auf eine absolute Temperatur zurück ge- schlossen werden.
Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, dass die temperaturbedingte Verände- rung der Permittivität zu weiteren Effekten, nämlich einer Veränderung der Lei- tungsdämpfung sowie zu einer Veränderung der Impedanz führen. Dabei führt eine Erhöhung der Permittivität typischerweise zu einer erhöhten Leitungsdämp- fung, wodurch sich eine Anstiegszeit des reflektierten Signalanteils verändert. Eine (ansteigende / abfallende) Flanke des reflektierten Signalanteils fällt daher flacher aus und ist weniger steil. Gerade dies wird auch durch die Wahl des höheren Schwellwerts ausgenutzt. Die Zunahme der Leitungsdämpfung mit der Zunahme der Permittivität beruht allgemein darauf, dass eine Leitungskapazität mit zuneh- mender Permittivität zunimmt.
Gleichzeitig führt die veränderte Kapazität zu einer veränderten Impedanz der Messleitung. Hier gilt die Beziehung, dass der Anstieg der Kapazität, also ein An- stieg der Permittivität, zu einer Reduzierung der Impedanz führt. Auch hier gilt die Korrelation, dass die Impedanz umgekehrt proportional zu der Wurzel der
Permittivität ist. Durch die verringerte Impedanz reduziert sich typischerweise die Amplitude des Messsignals. Die Temperaturabhängigkeit der Impedanz führt da- her quasi zu einer zunehmenden Fehlanpassung beim Einspeisen des Messsig- nals in die Messleitung, sodass ein Teil des einzuspeisenden Signals an der Einspeisestelle reflektiert, also nicht in die Messleitung eingespeist wird. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Impedanz / der Wellenwiderstand der Messlei- tung für den Normalzustand bei z.B. 20°C an die Einspeisestelle angepasst ist.
Diese Erkenntnisse werden nunmehr dahingehend ausgenutzt, dass zur Bestim- mung der Temperatur auf Basis der Laufzeit neben der temperaturabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit ergänzend auch die temperaturabhängige Variation der Laufzeit in Folge der temperaturabhängigen Dämpfung und/oder der tempera- turabhängigen Impedanz der Messleitung berücksichtigt werden. Sowohl die tem- peraturbedingte Dämpfung als auch die temperaturabhängige Impedanz ist - wie zuvor erläutert - durch die Temperaturabhängigkeit der Permittivität bedingt.
Speziell wird bei der Bestimmung der Temperatur berücksichtigt, dass sich die gemessene Laufzeit zusammensetzt aus einem durch die temperaturabhängige Ausbreitungsgeschwindigkeit des Messsignals bestimmten Hauptanteil sowie aus einem additiven Nebenanteil, welcher durch die temperaturbedingte Dämpfung und temperaturabhängigen Impedanz bestimmt ist. Die Ermittlung der aktuellen Temperatur erfolgt beispielsweise teilweise rechne- risch unter Berücksichtigung der gemessenen Laufzeit und der bekannten Mess- länge sowie der bekannten Relation zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Permittivität. Die Permittivität kann daher in erster Näherung aus der Laufzeit bestimmt werden. Die Bestimmung der Temperatur erfolgt dann bei bei- spielsweise durch Vergleich mit in einer Tabelle hinterlegten temperaturabhängi- gen Dielektrizitätswerten. Es ist eine Zuordnung eines jeweiligen Werts der Permittivität zu einer Temperatur möglich. Zur Erhöhung der Genauigkeit wird vor- zugsweise auch der Nebenanteil der Laufzeit rechnerisch ermittelt. In einer bevorzugten Alternative zu einer rechnerischen Ermittlung wird die ge- messene Laufzeit mit hinterlegten Referenzlaufzeiten verglichen, welche bei spielsweise im Rahmen von Referenzenmessungen an einer Messleitung mit dem gleichen Aufbau (gleicher Messleitungs-Typ) vorgenommen wurden. In diesem Fall kann daher einfach durch Vergleich mit den hinterlegten Referenzwerten die Temperatur bestimmt werden.
In beiden Fällen wird vorzugsweise berücksichtigt, dass die Laufzeit, insbesondere der Nebenanteil der Laufzeit, durch die Wahl des Schwellwerts beeinflusst wird. Entsprechend wird in bevorzugter Ausgestaltung bei der Bestimmung der Tempe- ratur auch der Schwellwert und damit die schwellwertabhänigen Laufzeiten be- rücksichtig. Bei der bevorzugten Variante mit dem Vergleich mit Referenzlaufzeiten sind daher auch schwellwertabhängige Referenzlaufzeiten hinterlegt, d.h. die hinterlegten temperaturabhängigen Referenzlaufzeiten sind lediglich für einen bestimmten Schwellwert gültig. In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass für unterschiedliche Schwell- werte jeweils ein Satz von temperaturabhängigen Referenzlaufzeiten hinterlegt oder zumindest bereitgestellt ist. Ist die Messeinheit lediglich auf einen Schwell- wert fest eingestellt, so ist es ausreichend, den zugehörigen Satz an Referenz- laufzeiten auszuwählen und für die Auswertung durch die Messeinheit zu hinterle- gen. Wenn grundsätzlich eine Variation des Schwellwerts z.B. im Wege einer Parametrierung möglich ist, so sind vorzugsweise mehrere Sätze an Referenz- laufzeiten zu hinterlegen.
Die Berücksichtigung der temperaturabhängigen Dämpfung und/oder der tempera- turabhängigen Impedanz, speziell in Verbindung mit den schwellwertabhängig hin terlegten Referenzlaufzeiten, wird als eine eigenständige Erfindung auch unab- hängig von den zuvor beschriebenen Maßnahme a) Auswertung der Laufzeit ei- nes mehrfach an der Reflexionsstelle reflektierten Messsignals, sowie b) Einstei- len eines hohen Schwellwerts) angesehen. Die zuvor und nachfolgend beschrie- benen bevorzugten Ausgestaltungen und Vorteile sind auf diese eigenständige Erfindung gleichermaßen zu übertragen. Wie bereits erwähnt, ist die Reflexionsstelle bevorzugt durch ein offenes Ende der Messleitung gebildet, sodass also am Ende der Messleitung im Wesentlichen eine Totalreflexion erfolgt. In diesem Fall führt die Reflexion zu einem reflektierten Messsignal mit einer„positiven“ Amplitude und der Signalverlauf zeigt eine anstei- gende Flanke.
Alternativ hierzu ist die Messleitung, also speziell das Ende der Messleitung kurz- geschlossen ist, liegt also speziell auf Massepotenzial. Auch hier erfolgt eine To- talreflektion an der Reflexionsstelle, allerdings mit umgekehrtem Vorzeichen. D.h. das reflektierte Messsignal zeigt eine„negative“ Amplitude und der Signalverlauf eine abfallende Flanke.
Materialien, die eine Temperaturabhängigkeit der Permittivität zeigen, sind grund- sätzlich bekannt. Typischerweise weisen diese eine zunehmende Permittivität mit zunehmender Temperatur auf. Bei dem Material handelt es sich beispielsweise um ein spezielles PVC-Material oder auch um ein FRNC-Material (Flame
Retardent Non Corrosive Material). Bei derartigen Materialien wird vorzugsweise ein offenes Ende der Messleitung gewählt.
Teilweise weisen Materialien ein anormales Verhalten der Permittivität auf, bei dem die Permittivität mit zunehmender Temperatur abnimmt. Für derartige Materi- alien vorzugsweise wird die kurzgeschlossene Variante ausgewählt.
Bei dem Messsignal handelt es sich vorzugsweise um einen Messimpuls bei spielsweise mit vorgebender Signaldauer. Der Messimpuls weist allgemein eine ansteigende Flanke auf, bis ein vorgegebener Signalpegel (Amplitude) erreicht ist, der dann zumindest für eine vorgegebene Signaldauer konstant ist. Die
Anstiegsflanke ist dabei möglichst steil, um ein möglichst definiertes Messergebnis zu erzielen. Unter möglichst steil wird hierbei insbesondere verstanden, dass der Anstieg von 10 % auf 90 % der Amplitude des Messsignals innerhalb von maximal 2.000 ps (pico Sekunde) und vorzugsweise innerhalb von 100 ps und weiter be- vorzugt innerhalb von 50 ps erfolgt. Speziell handelt es sich bei dem Messimpuls um ein Stufensignal, insbesondere um ein Rechtecksignal. Die ansteigende Flan- ke ist als Sprungfunktion mit steilem Anstieg wie zuvor beschrieben ausgebildet. Die abfallende Flanke des Rechtecksignals ist weniger kritisch.
In bevorzugter Ausbildung ist die Signaldauer derart gewählt, dass das Messsignal noch anliegt wenn das bevorzugt mehrfach reflektierte Signal wieder an der Einspeisestelle eintrifft, sodass die Amplitude des von der Messeinheit wieder empfangenen, reflektierten Messsignals sich zusammensetzt aus der eingespeis- ten und der reflektierten Amplitude. Speziell ist die Signaldauer daher größer als eine zu erwartende Laufzeit gewählt. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Messsignal so lange eingespeist wird, bis der Schwellwert überschritten wird.
Das Verfahren wird insbesondere zur Ermittlung der mittleren Temperatur einer Komponente eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Die Messleitung ist daher innerhalb eines Kraftfahrzeugs verlegt. Sie ist dabei gemäß einer Ausführungsvariante in einem Kabel mit mehreren Leitungskomponenten integriert. Die zu überwachende Komponente ist dann beispielsweise das Kabel. Durch die Integration der Messlei- tung besteht die einfache Möglichkeit, das Kabel in Hinblick auf eine Temperatur- belastung zu überwachen. Das Verfahren kann allgemein zur Überwachung der Temperaturbelastung von Kabeln und Leitungen oder sonstigen Komponenten in der Umgebung der Messleitung eingesetzt werden.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass die Messleitung eine Doppel- funktion hat und beispielsweise auch zur Daten- wie zur Leistungsübertragung eingesetzt wird. Die Ermittlung der Temperatur erfolgt dann beispielsweise in Übertragungspausen, wenn also über die Messleitung kein Signal und/oder keine Leistung übertragen wird. Die Messleitung ist vorzugsweise allgemein allenfalls einige 10 Meter lang und beträgt beispielsweise weniger als 20 Meter und insbesondere weniger al 10 Me- ter. Die Aufgabe wird gemäß Erfindung weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Ermittlung einer aktuellen Temperatur, wobei die Vorrichtung eine Messeinheit sowie eine an der Messeinheit angeschlossene Messleitung aufweist. Die Messlei- tung weist eine vorgegebene Länge sowie ein temperaturabhängiges Dielektrikum mit einer temperaturabhängige Permittivität auf. Die Messeinheit ist zur Durchfüh- rung nachfolgender Schritte ausgebildet.
- Einspeisung eines Messsignals zur einer Startzeit in die Messleitung,
- Empfangen eines reflektierten Messsignals zu einer Empfangszeit, nach- dem das Messsignal an einer vorgegebenen, festen Reflexionsstelle der Messleitung, insbesondere Leitungsende, reflektiert wird, und die Emp- fangszeit der Zeitpunkt ist, dem das reflektierte Messsignal an einer Emp- fangsstelle einen Schwellwert überschreitet,
- Bestimmen einer Laufzeit zwischen Startzeit und Empfangszeit,
- Bestimmen der aktuellen Temperatur aus der Laufzeit unter Berücksichti- gung der Messlänge, wobei hierzu zumindest eine der folgenden Maßnah- men ergriffen wird
i) die Messeinheit ermittelt die Laufzeit eines an der Reflexionsstelle mehrfach reflektierten Messsignals und bestimmt daraus die aktuelle Temperatur,
ii) der Schwellwert ist konstant auf einen Wert eingestellt, der einer an der Empfangsstelle zu erwartenden Amplitude entspricht, wenn zu- mindest x% des theoretisch maximal reflektiertem Messsignals am Empfangsort eingetroffen sind, wobei x=30% ist,
iii) es wird eine temperaturabhängige Variation der Laufzeit in Folge ei- ner temperaturabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Mess- Signals berücksichtigt und ergänzend eine temperaturabhängige Va- riation der Laufzeit in Folge zumindest einer der nachfolgenden Grö- ßen berücksichtigt, nämlich eine temperaturabhängige Dämpfung der Messleitung oder eine temperaturabhängige Impedanz der Messleitung.
Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausge- staltungen sind sinngemäß auch auf die Vorrichtung zu übertragen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren nä- her erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung der Vorrichtung zur Ermittlung der Tempera- tur mit einer Messeinheit und einer daran angeschlossenen Messleitung, Fig. 2 ein Blockschaltbild der Messeinheit zur Erläuterung des Verfahrens,
Fig. 3 eine Darstellung von unterschiedlichen Verläufen von Messsignalen in Ab- hängigkeit von unterschiedlichen Temperaturen bei einer Reflexion des Messsignals an einem offenen Ende der Messleitung
FIG 4 eine Darstellung von unterschiedlichen Signalverläufen von Messsignalen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Temperaturen bei einer Reflexion des Messsignals an einem kurzgeschlossenen Ende der Messleitung sowie Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung eines Signalverlaufs eines Messsignals, wel- ches an einer Reflexionsstelle mehrfach reflektiert wurde.
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen verse- hen.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 2, die als eine Messanordnung zur Ermittlung einer Temperatur ausgebildet ist. Die Vorrichtung 2 weist eine Messleitung 4 auf, die einen Messleiter 6 umfasst, welcher von einer Isolierung umgeben ist, die ein Die- lektrikum 8 bildet. Bei dem Dielektrikum 8 handelt es sich um ein temperaturab- hängiges Dielektrikum, also um ein Dielektrikum, dessen Dielektrizitätszahl oder Permittivität in Abhängigkeit der Temperatur variiert.
Bei der Messleitung 4 handelt es sich beispielsweise um eine Leitungsader, bei der also der Messleiter 6 konzentrisch von dem Dielektrikum 8 als Adermantel umgeben ist. Grundsätzlich sind auch andere Aufbauten der Messleitung 4 mög- lieh. Beispielsweise handelt es sich bei dem Messleiter 6 um den Innenleiter einer Koaxialleitung, bei dem das Dielektrikum 8 von einem beispielsweise als Geflecht ausgebildeten Außenleiter umgeben ist, welcher konzentrisch zum Messleiter 6 ausgebildet ist. Dem Messleiter 6 ist allgemein ein Rückleiter zugeordnet, welcher in der Figur 1 sowie in der Figur 2 nicht explizit dargestellt ist. Der Rückleiter kann beispielsweise durch den Außenleiter gebildet sein oder durch den Leiter einer weiteren Ader. Der Rückleiter definiert dabei ein Bezugspotential, beispielsweise Massepotential. Messleiter und Rückleiter sind beispielsweise durch die Leiter ei- nes Adernpaares gebildet.
Die Messleitung 4 ist beispielsweise Teil einer hier nicht näher dargestellten Lei- tung, beispielsweise ein Kabel, welche mehrere Leitungselemente neben der Messleitung 4 aufweist. Die Leitung kann dabei von einem gemeinsamen Außen- mantel umgeben sein oder als ein Leitungsbündel ausgeführt sein. Alternativ ist die Messleitung 4 in oder in Nähe einer zu überwachenden Komponente verlegt. Die Messleitung 4 bildet insofern einen Temperatursensor aus.
Die Messleitung 4 ist allgemein an einem Messanschluss 10 einer Messeinheit 14 angeschlossen. Die Messleitung 4 weist eine definierte, feste Länge auf, die nach- folgend als Messlänge L bezeichnet ist. Diese liegt beispielsweise im Bereich von 1 bis 20 Meter. Die Messleitung 4 weist weiterhin ein offenes Leitungsende 12 auf. Unter einem offenen Leitungsende wird hierbei verstanden, dass der Messleiter 6 am Leitungsende 12 nicht angeschlossen ist und insbesondere kein Abschluss- wiederstand angeschlossen ist.
Zur Temperaturmessung wird allgemein in die Messleitung an einer
Einspeisestelle 24, die im Wesentlichen dem Messanschluss 10 entspricht, ein Messsignal M eingespeist, welches am offenen Leitungsende reflektiert wird und wieder zur Einspeisestelle, die zugleich eine Empfangsstelle 26 bildet, als reflek- tiertes Messsignal M zurückläuft. Anhand einer ermittelten Laufzeit t des Messsig- nals M wird die Temperatur bestimmt. Figur 2 zeigt eine vereinfachte Blockbild-Darstellung der Messeinheit 14 mit der daran angeschlossenen Messleitung 4. Die Messeinheit 14 umfasst einen Signal- generator 16, einen Mikrocontroller 18, ein Zeitmesselement 20 sowie einen Kom- parator 22. Der Mikrocontroller 18 dient zur Steuerung und Durchführung des Ver- fahrens. So gibt der Mikrocontroller 18 beispielsweise ein Startsignal S1 zur Durchführung einer jeweiligen Messung ab. Dieses Startsignal S1 wird sowohl an den Signalgenerator 16 als auch an das Zeitmesselement 20 übermittelt. Bei Be- darf kann über den Mikrocontroller 18 weiterhin noch ein (Spannungs-) Schwell- wert V dem Komparator 22 vorgegeben werden. Vorzugsweise wird der Schwell- wert V einmalig eingestellt und vorgegeben, so dass er also für die jeweilige Mes- sung konstant ist.
Mit dem Startsignal S1 gibt der Signalgenerator 16 ein Messsignal M ab, insbe- sondere ein Rechtecksignal, welches vorzugsweise eine vorgegeben Zeitdauer aufweist. Dieses Messsignal M wird an der Einspeisestelle 24 in die Messleitung 4 eingespeist. Am Leitungsende 12 wird das Messsignal M reflektiert und läuft in entgegengesetzter Richtung als reflektiertes Messsignal wieder zur
Einspeisestelle 24 zurück. Ohne Berücksichtigung von eventuellen internen Lauf- wegen innerhalb der Messeinheit 14 bildet die Einspeisestelle 24 auch die Emp- fangsstelle 26, an der das reflektierte Messsignal M wieder empfangen wird, das heißt an diesem Ort wird der am Messleiter 8 anliegende Signal- oder Span- nungspegel abgegriffen.
Mittels des Komparators 22 wird überprüft, ob der Signalpegel den vorgegebenen Schwellwert V übersteigt. Sobald der Komparator 22 ein Überschreiten des Schwellwertes V erfasst, gibt er ein Stoppsignal S2 an das Zeitmesselement 20 ab. Dieses ermittelt daraufhin eine Zeitdifferenz zwischen dem Startsignal S1 und dem Stoppsignal S2 und übermittelt diese Differenz als erfasste Laufzeit t an den Mikrocontroller 18.
Allgemein zeichnet sich die Messung durch einen einfachen Messaufbau aus, bei dem lediglich ein binäres, digitales Stoppsignal (0 oder 1 ) an das Zeitmesselement 20 zur Bestimmung der Empfangszeit übermittelt wird. Eine Auswertung des ge- samten Signalverlaufs oder eines größeren Bereichs des Verlaufs des Messsig- nals M wird nicht vorgenommen. Die Ermittlung der Laufzeit t erfolgt durch eine Einzelmessung. Grundsätzlich können mehrere Einzelmessungen hintereinander durchgeführt werden und aus den dadurch ermittelten Laufzeiten t ein Mittelwert gebildet werden.
Zur Bestimmung der aktuellen mittleren Temperatur vergleicht der Mikrocontroller 18 die erfasste Laufzeit vorzugsweise mit hinterlegten Referenzlaufzeiten, zu de- nen jeweils die zur jeweiligen Laufzeit zugehörige Temperatur hinterlegt ist. Die Zuordnung der Referenzlaufzeiten zu den Temperaturen ist beispielsweise vorab für den jeweiligen Typ (gleicher Aufbau, gleiche Länge) der Messleitung 4, welcher aktuell im Einsatz ist, durch Referenzmessungen bestimmt und beispielsweise in einer Tabelle hinterlegt. Dabei sind insbesondere für unterschiedliche Schwellwer- te jeweils ein Satz an Referenzlaufzeiten hinterlegt.
Die Vorrichtung 2 wird beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Entspre- chend weist die Messleitung 4 lediglich eine begrenzte Länge von allenfalls eini gen Metern auf. Das Messsignal M propagiert innerhalb der Messleitung 4 typi- scherweise mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 2,5 x 108 m/s. Dies führt zu Lauf- Zeiten im Nanosekundenbereich. Eine hohe Zeitauflösung und eine hochgenaue Erfassung bzw. Ermittlung der Empfangszeit ist für eine möglichst genaue Be- stimmung der Temperatur von besonderer Bedeutung. Für eine möglichst genaue Ermittlung der Temperatur und einer hohen Zeitauflösung werden dabei insbeson- dere die nachfolgend beschriebenen Effekte ausgenutzt:
Effekt 1 : Temperaturabhängige Variation der Laufzeit t in Folge einer temperatur- abhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Messsignals M:
Durch die Änderung der Permittivität in Abhängigkeit der Temperatur ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit, wobei allgemein gilt, dass diese mit zunehmen- der Permittivität geringer wird. Dadurch verändert (verlängert) sich die Zeit zwi- schen Senden (Startzeit) des Messsignals und dem Empfangen (Empfangszeit) des reflektierten Messsignals M. Diese temperaturabhängige Laufzeitveränderung ist Grundlage für die Ermittlung der Temperatur.
Effekt 2:Temperaturabhänqiqe Variation der Laufzeit t infolge einer temperaturab- hängigen Variation der Leitungsdämpfung der Messleitung 4:
Allgemein führt eine Erhöhung der Permittivität zu einer Erhöhung der Leitungska- pazität und somit zu einer Erhöhung der Leitungsdämpfung. Als unmittelbare Fol- ge hieraus verlängert sich eine Anstiegszeit des reflektierten Messsignals M, so dass also eine (Anstiegs-) Flanke des reflektierten Messsignals M zunehmend flacher wird. Dies wird dahingehend ausgenutzt, dass durch die Wahl eines hohen Schwellwerts V der Empfangszeitpunkt zu einer längeren Laufzeit t verschoben wird, so dass insgesamt die Laufzeit t, speziell die Laufzeitänderung gegenüber einer Referenz, vergrößert ist.
Effekt 3: Temperaturabhängige Variation der Laufzeit t auf Grund einer tempera- turabhängigen Variation der Impedanz der Messleitung:
Der zuvor beschriebene Anstieg der Kapazität führt gleichzeitig zu einer Reduzie- rung der Impedanz bei einer Erhöhung der Permittivität. Hierdurch reduziert sich der Spannungspegel des eingespeisten Messsignals M und damit auch die des reflektierten Messsignals M. Auch hierdurch verlängert sich die Zeitdauer bis zum Erreichen des vorgegebenen Schwellwerts V und damit die Laufzeit t. Effekt 4: Auswertung von Mehrfachreflexionen und Fehlanpassung der Messlei- tung 4:
Es wird eine bewusste Fehlanpassung zwischen Messleitung 4 und Messan- schluss 10 vorgenommen, speziell wird eine Impedanz der Messleitung 4 derart gewählt, dass sie beispielsweise um 25 % oder auch um 50 % geringer ist als eine Eingangsimpedanz am Messanschluss 10. Typischerweise liegt die Eingangsim- pedanz des Messanschlusses 10 beispielsweise bei 50 W. Die Impedanz der Messleitung 4 liegt in diesem Fall, also bei einer Eingangsimpedanz von 50 W, beispielweise bei 30 W. Aufgrund dieser Fehlanpassung wird das zurücklaufende, reflektierte Messsignal M an dem Messanschluss 10 erneut reflektiert und durch- läuft die Messleitung 4 erneut bis zum Leitungsende 12, wird dort reflektiert und gelangt wieder zurück zum Messanschluss 10. Allgemein gilt daher, dass hier- durch das Messsignal M mehrfach am Leitungsende 12 reflektiert wird. Dies äu- ßert sich im Signalverlauf des Messsignals M darin, dass mehrere Reflexionsstu- fen 28 (vgl. Fig. 5) auftreten. Die Laufzeiten t bis zu diesen weiteren Reflexionsstu- fen 28 entsprechen in erster Näherung einem ganzzahligen Vielfachen der Lauf- zeit t bei lediglich einer Reflexion. Wird nun als Empfangszeit eine Reflexionsstufe 28 einer zweiten oder höheren (n-ten) Reflexion herangezogen, so erhöht sich also die erfasste Laufzeit t um den Faktor n. n gibt dabei die Anzahl der Reflexio- nen am Leitungsende 12 an. Bei gleichbleibenden Auflösungsvermögen des Zeit messelements 20 führt dies zu einer Erhöhung der Genauigkeit. Bei Ver-messung der n-ten Reflexionsstufe kann dabei die Genauigkeit der Zeitmessung in etwa um den Faktor n verbessert werden.
Die Effekte 1 - 3 werden allgemein ausgenutzt, indem ein vergleichsweise hoher Schwellwert V vorgegeben wird, so dass also allgemein die Empfangszeit deutlich nach rechts verschoben wird.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen wird entweder lediglich der Effekt 4 (in Verbin- dung mit Effekt 1 ) oder die Kombination der Effekte 1 - 4 ausgenutzt.
Die Effekte 1 - 3 und deren Ausnutzung durch einen hohen Schwellwert V werden im Zusammenhang mit den Fig.3 und 4 näher erläutert:
Figur 3 zeigt den Signalverlauf des Messsignals M, speziell dessen Amplitude (Spannungspegel) gegenüber der Zeit. Die einzelnen in der Figur dargestellten Kurven repräsentieren dabei die Signalverläufe des Messsignals M bei unter- schiedlichen Temperaturen. Die oberste Linie gibt dabei den Verlauf des Messsig- nals M bei einer ersten Temperatur T1 (Referenztemperatur, im Ausführungsbei- spiel 22 °C) an. Die darunterliegende Kurve gibt den Signalverlauf des Messsig- nals M bei einer zweiten Temperatur T2 von 50 °C, die wiederum darunterliegende Kurve den Signalverlauf bei einer dritten Temperatur T3 von 70° und die unterste Kurve den Signalverlauf bei einer vierten Temperatur T4 von 90 °C an.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird zu einem Zeitpunkt tO (bei 20 ns) das Messsignal M in die Messleitung 4 eingespeist. tO definiert daher eine Startzeit. Dabei wird ein Spannungsimpuls mit einer Amplitude von z.B. 250 mV einge- speist.
Unter eingespeister Amplitude (Einspeiseamplitude) oder eingespeistes Messsig- nal M wird allgemein eine Amplitude des Messsignals M verstanden, welche bei einer optimalen Impedanzanpassung zwischen dem Messanschluss 10 und der Messleitung 4 sich in der Messleitung 4 ausbreiten würde. Die Einspeiseamplitude ist typischerweise die Hälfte der Amplitude der vom Signalgenerator 16 generier- ten Amplitude, da ein Innenwiderstand der Messeinheit 14 bzw. des Messan- Schlusses 10 und die Messleitung 4 einen Spannungsteiler bilden. Die tatsächlich sich in der Messleitung 4 ausbreitende Amplitude kann von der Einspeiseampli- tude in Abhängigkeit der tatsächlichen Impedanzanpassung zwischen Messleitung 4 und Messanschluss 10 abweichen. Bei exakter Anpassung entspricht die tat- sächliche Amplitude des sich in der Messleitung 4 ausbreitenden Messsignals M also der Einspeiseamplitude. Bei einer Fehlanpassung ist die Impedanz der Mess- leitung 4 höher oder niedriger als der Innenwiderstand des Messanschlusses 10 und die Amplitude des sich in der Messleitung 4 ausbreitenden Messsignals M liegt entweder unter oder über der Einspeiseamplitude. Die Fig. 3 und 4 zeigen Varianten mit einer angepassten Messleitung 4. Entspre- chend liegt der von der Messeinheit 14 bereitgestellte Wert der
Einspeiseamplitude (im Ausführungsbeispiel 250 mV, die Einspeiseamplitude liegt allgemein beispielsweise im Bereich zwischen 100 mV und z.B. 5V) kontinuierlich an der Einspeisestelle 24 an, die zugleich auch die Empfangsstelle 26 ist. D. h. der Spannungswert von 250 mV liegt (bei TA) zunächst im Wesentlichen konstant am Komparator 22 an. Nachdem das Messsignal M das Leitungsende 12 erreicht hat und dort reflektiert wurde, erreicht es als reflektiertes Messsignal M die
Einspeisestelle 24 / Empfangsstelle 26. Das reflektierte Messsignal M macht sich hier durch eine ansteigende Flanke 30 bemerkbar. Die am Komparator 22 anstei- gende Spannung steigt daher ausgehend von der Einspeiseamplitude an. Bei der ersten Temperatur T1 von 22 °C erfolgt dies noch vergleichsweise steil. Der An- stieg der Flanke 28 wird mit zunehmender Temperatur flacher, wie unmittelbar durch Vergleich mit den weiteren Signalverläufen bei der zweiten bis vierten Tem- peratur T2-T4 zu entnehmen ist. Dieser flachere Anstieg der reflektierten Flanke 30 resultiert aus dem zuvor beschriebenen zweiten Effekt, nämlich der Erhöhung der Leitungsdämpfung. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Signalverläufe des noch nicht reflektierten Messsignals M mit zunehmender Temperatur allgemein einen geringeren Span- nungspegel (Amplitude) aufweisen, d. h. in etwa horizontal nach unten verschoben sind. Die drei Effekte führen allesamt zu einer Verlängerung der Laufzeit t mit zuneh- mender Temperatur. Die einzelnen Effekte sind in der Figur 1 beim Vergleich der Signalverläufe für die erste Temperatur T 1 mit der vierten Temperatur T4 (90 °C) durch die Pfeile E1 , E2, E3 markiert. E1 zeigt dabei den Haupteffekt der verlänger- ten Laufzeit t durch eine verringerte Ausbreitungsgeschwindigkeit. Der Pfeil E2 illustriert den Effekt der erhöhten Leitungsdämpfung auf die Laufzeit t und der Pfeil E3 den Effekt der Reduzierten Impedanz auf die Laufzeit t. Zur Illustrierung des zweiten Effekts wurde die Steigung der jeweiligen Flanke 28 durch Hilfslinien app- roximiert. Diese drei Effekte summieren sich daher zu einer Laufzeitdifferenz At in Folge einer Temperaturerhöhung von T1 zu T4.
Im Ausführungsbeispiel trifft das reflektierte Messsignal M (Beginn der Flanke 28) bei der Temperatur T 1 bei einer Zeit t1 von etwa 130 ns ein, was unter Abzug des Offsets von 20 ns einer Laufzeit t von etwa 110 ns entspricht. Wie durch Vergleich mit dem Signalverlauf für die Temperatur T4 zu erkennen ist, verschiebt sich das Eintreffen durch die verringerte Ausbreitungsgeschwindigkeit etwa um 15ns (vgl. E1 ). Die tatsächlich erfasste Laufzeit hängt entscheidend von dem eingestellten
Schwellwert V ab. In der Fig. 1 sind ein Referenzschwell wert Vr sowie beispielhaft ein eingestellter Schwellwert V eingezeichnet. Im Ausführungsbeispiel wurde für den Schwellwert V ein Wert gewählt, der der an der Empfangsstelle 26 zu erwar- tenden Amplitude entspricht, wenn zumindest x% mit x= 40 des theoretisch maxi- mal reflektiertem Messsignals am Empfangsort eingetroffen sind. Im Ausführungs- beispiel der Fig. 3 setzt sich die zu erwartende Amplitude aus der
Einspeiseamplitude (=250 mV) sowie der reflektierten Amplitude zusammen. Die reflektierte Amplitude kann bei Totalreflexion maximal die Einspeiseamplitude (in erster Näherung) erreichen. Die zu erwartende Amplitude, wenn 40% des theore- tisch maximal reflektiertem Messsignals am Empfangsort eingetroffen sind, liegt daher bei der 1 ,4-fachen eingespeisten Amplitude (und entsprechend bei dem 1 ,6- fachen bei x=60 usw.). Der Referenzschwell wert Vr liegt etwa 10 % oberhalb der Einspeiseamplitude des eingespeisten Messsignals M, also bei etwa von 275 mV.
Wie gut zu erkennen ist, liegt die Laufzeitdifferenz st bei dem Referenzschwell wert Vr bei etwa 25ns, und bei dem Schwellwert V bei etwa 45 ns und damit deutlich darüber. Je höher der Schwellwert V gewählt wird, desto deutlicher ist die Zunah- me der Laufzeit t.
In der Fig. 4 sind analog zu der Fig. 3 die Singalverläufe für die Temperaturen T 1 - T4, allerdings bei einer kurzgeschlossener Messleitung 4 gezeigt. Dies führt zu einem Signalverlauf des reflektierten Messsignals M mit umgekehrtem Vorzei- chen, also mit abfallender Flanke 30. Der Schwellwert V ist hier mit x=60 gewählt und entspricht daher der 0,4-fachen Einspeiseamplitude des eingespeisten Mess- signals M und leigt im Ausführungsbeispiel bei 100 mV (250mV - 0,6*250mV). Der Schwellwert V wird überschritten, wenn er unter den Wert der 0,4-fachen Amplitu- de des eingespeisten Messsignals M fällt. Ansonsten gelten für die Variante nach Fig. 4 die gleichen Überlegungen wie für die Variante gemäß Fig. 3. Die Fig. 5 zeigt schließlich den Effekt 4 (unabhängig von der Temperatur, z.B. für Temperatur T1 ). Durch eine bewusste Fehlanpassung werden im Signalverlauf mehrere Reflexionsstufen 28 erzeugt. Gut zu erkennen ist, dass durch die Fehlan- passung die Amplitude zunächst von 250mV (Einspeiseamplitude) am Beginn der Messleitung 4 abfällt (bei etwa 7,5ns, Startzeit tO), etwa auf einen Wert von 215 mV und dann zunächst konstant bleibt bis die erste Reflexionsstufe 28 beginnt (bei ca. 12ns).
In Fig. 5 sind zwei Schwellwerte V eingezeichnet bei V1 = 350 mV (x= 40%) und bei V2= 475mV (x=90%). Durch geeignete Wahl des Schwellwertes V wird daher bestimmt, welche Reflexionsstufe 28 (erste, zweit ... n-te) für die Laufzeitmessung herangezogen wird. Allgemein wird der Schwellwert V so gewählt, dass zumindest die zweite oder eine höhere Reflexionsstufe 28 herangezogen wird. Dies führt et- wa zu einer Verdopplung (Verdreifachung....) der Laufzeit t1 , t2 von im Ausfüh- rungsbeispiel ca. 5ns auf ca. 10ns wie dies durch die beiden horizontalen Pfeile angedeutet ist.
Diese Maßnahme gemäß Effekt 4 wird insbesondere bei kurzen Messleitungen 4 und entsprechend kurzen Laufzeiten t herangezogen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur mit Hilfe einer Messleitung, wobei - die Messleitung eine vorgegebene Messlänge sowie ein temperaturabhän- giges Dielektrikum mit einer temperaturabhängigen Perm ittivität aufweist,
- die Messleitung an eine Messeinheit angeschlossen ist und die Messeinheit in die Messleitung ein Messsignal zu einer Startzeit einspeist,
- das Messsignal an einer vorgegebenen Reflexionsstelle reflektiert wird und ein reflektiertes Messsignal zurückläuft,
- das reflektierte Messsignal an einer Empfangsstelle empfangen wird, und eine Empfangszeit bestimmt wird als der Zeitpunkt, bei dem das reflektierte Messsignal einen Schwellwert nach überschreitet,
- eine Laufzeit zwischen Startzeit und Empfangszeit bestimmt wird,
- aus der Laufzeit unter Berücksichtigung der Messlänge die aktuelle Tempe- ratur bestimmt wird, wobei zumindest eine der beiden folgenden Maßnahmen ergriffen wird
- das Messsignal wird mehrfach an der Reflexionsstelle reflektiert und es wird die Laufzeit des mehrfach reflektierten Messsignals ermittelt,
- der Schwellwert ist auf einen Wert eingestellt, der einer an der Empfangs- stelle zu erwartenden Amplitude entspricht, wenn zumindest x% des theore- tisch maximal reflektierten Messsignals am Empfangsort eingetroffen sind, wobei x=30% ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Messleitung eine nicht an die Mess- einheit angepasste Impedanz aufweist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Messleitung eine Impedanz aufweist, die um zumindest 25% von einer Eingangsimpedanz ei- nes Messanschlusses der Messeinheit abweicht und die Messleitung an dem
Messanschluss angeschlossen ist
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Impedanz kleinergleich dem 0,5- fachen oder kleinergleich dem 0,75-fachen der Eingangsimpedanz ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Messleitung eine an die Messeinheit angepasste Impedanz aufweist und x im Bereich zwischen 60% und 80% liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Messleitung eine nicht an die Messeinheit angepasste Impedanz aufweist und x im Bereich zwischen 80% und 90% liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zur Bestimmung der Temperatur auf Basis der Laufzeit eine temperaturabhängige Variation der Laufzeit in Folge einer temperaturabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Messsignals berücksichtigt wird und ergänzend eine temperaturabhängi- ge Variation der Laufzeit in Folge einer oder beider der nachfolgenden Grö- ßen berücksichtigt wird, nämlich
- eine temperaturabhängige Dämpfung der Messleitung
- eine temperaturabhängige Impedanz der Messleitung.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem zur Bestimmung der Temperatur auf Basis der gemessenen Laufzeit berücksichtigt wird, dass sich die Laufzeit zusammensetzt aus einem durch die temperaturabhängige Ausbreitungsge- schwindigkeit bestimmten Hauptanteil sowie einem Nebenanteil, welcher durch die temperaturabhänige Dämpfung und durch die temperaturabhänige Impedanz bestimmt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der Nebenanteil von der Tempe- ratur und vom eingestellten Schwellwert abhängt und bei der Bestimmung der Temperatur der Schwellwert berücksichtigt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die gemessene Lauf- zeit mit hinterlegten Referenzlaufzeiten verglichen und daraus die Tempera- tur bestimmt wird, wobei die hinterlegten Referenzlaufzeiten in Abhängigkeit des Schwellwerts ausgewählt und bestimmt sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Referenzlaufzeiten für unterschiedli- che Schwellwerte hinterlegt sind.
12. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 11 , bei dem die Messleitung in einem Kraftfahrzeug zur Messung einer Temperatur einer Komponente des Kraftfahrzeuges verlegt ist.
13. Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur mit Hilfe einer Messleitung, wobei
- die Messleitung eine vorgegebene Messlänge sowie ein temperaturabhän- giges Dielektrikum mit einer temperaturabhängigen Perm ittivität aufweist,
- die Messleitung an eine Messeinheit angeschlossen ist und die Messeinheit in die Messleitung ein Messsignal zu einer Startzeit einspeist,
- das Messsignal an einer vorgegebenen Reflexionsstelle reflektiert wird und ein reflektiertes Messsignal zurückläuft,
- das reflektierte Messsignal an einer Empfangsstelle empfangen wird, und eine Empfangszeit bestimmt wird als der Zeitpunkt, bei dem das reflektierte Messsignal einen Schwellwert überschreitet,
- eine Laufzeit zwischen Startzeit und Empfangszeit bestimmt wird,
- aus der Laufzeit unter Berücksichtigung der Messlänge die aktuelle Tempe- ratur bestimmt wird, wobei
- zur Bestimmung der Temperatur auf Basis der Laufzeit eine temperaturab- hängige Variation der Laufzeit in Folge einer temperaturabhängigen Ausbrei- tungsgeschwindigkeit des Messsignals berücksichtigt wird und ergänzend ei- ne temperaturabhängige Variation der Laufzeit in Folge einer oder beider der nachfolgenden Größen berücksichtigt wird, nämlich
- eine temperaturabhängige Dämpfung der Messleitung
- eine temperaturabhängige Impedanz der Messleitung.
14. Vorrichtung zur Ermittlung einer Temperatur, die eine Messeinheit sowie eine an der Messeinheit angeschlossene Messleitung aufweist, wobei die Mess- leitung eine vorgegebene Messlänge sowie ein temperaturabhängiges Die- lektrikum mit einer temperaturabhängigen Permittivität aufweist, und die Messeinheit zur Durchführung folgender Schritte ausgebildet ist:
- Einspeisung eines Messsignals zu einer Startzeit in die Messleitung,
- Empfangen eines an einer vorgegebenen Reflexionsstelle der Messleitung reflektierten Messsignals zu einer Empfangszeit, bei der das Messsignal an einer Empfangsstelle einen Schwellwert überschreitet,
- Bestimmen einer Laufzeit zwischen Startzeit und Empfangszeit,
- Bestimmen der aktuellen Temperatur aus der Laufzeit unter Berücksichti- gung der Messlänge, wobei hierzu zumindest eine der folgenden Maßnah- men ergriffen wird:
i) die Messeinheit ermittelt die Laufzeit eines an der Reflexionsstelle mehr- fach reflektierten Messsignals und bestimmt daraus die aktuelle Temperatur, ii) der Schwellwert ist konstant auf einen Wert eingestellt, der einer in der Empfangsstelle zu erwartenden Amplitude entspricht, wenn zumindest x% des theoretisch maximal reflektiertem Messsignals in der Empfangsstelle eingetroffen sind, wobei x=30% ist,
iii) es wird eine temperaturabhängige Variation der Laufzeit in Folge einer temperaturabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Messsignals be- rücksichtigt und ergänzend eine temperaturabhängige Variation der Laufzeit in Folge zumindest einer der nachfolgenden Größen, nämlich eine tempera- turabhängige Dämpfung der Messleitung oder eine temperaturabhängige Im- pedanz der Messleitung.
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