JP2017166845A - 混合ガス測定用に信号出力安定性を改良するセンサ調節方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼排気中に一般に見出されるガスを検出する混合電位ガスセンサを調節するため、パルス放電の印加によってガスセンサを調節する方法又は技法を提供する。
【解決手段】センサ電極間へ交流正弦波を印加することによる、センサインピーダンスの測定が提供される。測定したインピーダンス値を使用して、センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること、又はインピーダンスをモニタすることによってセンサの作動温度をモニタする。
【選択図】図２

Description

本発明は概して、関連技術において請求される本発明者の方法又は技法における改良に関しており、その方法又は技法は、燃焼排気中に一般に見出されるガスを検出する混合電位ガスセンサを調節するため、パルス放電の印加によってガスセンサを調節する方法又は技法である。

ジルコニア酸素センサで使用される検出素子は概してジルコニアシンブルで形成されており、このジルコニアシンブルは、内側及び外側が金属（通常は白金）で被覆され電極を形成している。そしてこの電極を使用して、シンブル外側の測定ガスと、シンブル内側の参照ガス（通常は大気）との間の酸素濃度差を測定する。酸素濃度差は、２つの電極間の電圧を測定することにより計算することができる。

２つの伝導性（Ｐｔ）電極を隔てるガス不透過性ジルコニアセラミックスを備えた固体電解質酸素センサは、動力装置での燃焼制御、及び自動車内燃機関の排気装置での燃焼制御用に広く使用されている。産業的な燃焼制御に対して酸素センサを使用するには、センサは一定の性能基準、すなわち、典型的に３〜５％の相対精度（又は０．１〜０．２％の絶対精度）、１０秒未満の応答時間、及び典型的に１年より長い耐用期間を示さなければならない。

これらのセンサを活性化する改良された方法は、米国特許第７，５８５，４０２号、及び後の一部継続出願である、２００５年６月１５日に提出し係属中である米国特許出願第１１／１５２，９７１号において考察されている、本発明者自身の関連従来技術において記載されている。パルス放電技法の典型的な模式図を以下の図１に示す。図１は、先の発明のセンサ調節の描写である。

本発明者自身の活性化方法を用いて作製されたセンサは、性能において、非常に多数の改良をもたらす。このようなシンブルセンサは、酸素センサとして、平面型設計と競合的に使用することができるだけでなく、同じセンサ電極を用いてＮＯ_Ｘ及びＯ_２を連続して直接測定する混合電位センサとしても使用することができる。混合電位センサのこの二元機能は、現在の自動車用（すなわち排ガス酸素（ＥＧＯ））平面型Ｏ_２センサと比べ、関連技術において記載される利点を有することができるが、シンブル型センサからのセンサ示度の安定性には、それ自身のシンブル設計形状及び配向により生じるいくつかの作動上の難題がある。これらのセンサの安定性及びセンサの出力の安定性は湿気により悪影響を受けると仮定すると、それらのセンサは露点が高い環境でのみ有効である。平面型センサは概して、センサ表面温度がわかるよう、又はセンサ表面温度を制御するよう、センサ表面に加熱素子を組み込んでいるが、シンブル型センサの３次元形状における変化によりこのような解決法は非実用的となる。

したがって、非常に低い濃度で、且つ混合ガスに対し、安定なセンサ分解能である利点を得るためには、センサインピーダンスが適切な範囲内にあるときに測定し、好ましくはそのような適切な範囲内にセンサインピーダンスを制御することができることは有益であろう。

高温でガスセンサインピーダンス（抵抗）を連続的に測定することによる、上記のパルス放電技法への改良が提案される。測定したインピーダンス値を使用して、センサ作動温度を規定温度範囲内に制御するか、又はインピーダンスをモニタすることによってセンサ作動温度をモニタする。提案される改良により、作動パラメータ範囲内にインピーダンスを制御することによって、センサ位置の直接近傍に熱電対を据え付ける必要なく、燃焼排気ガス中で広帯域センサとしてラムダセンサを使用することが提供され、且つ可能となる。

ＮＯ_Ｘ、ＣＯ及び酸素の混合測定にラムダセンサを使用するため、さらなる改良が提案される。

さらなる改良により、センサ電極間へ交流（ＡＣ）正弦波を印加することによる、センサインピーダンスの測定が提供される。これは、実用的且つ高精度なＯ_２測定用ラムダセンサを使用する。代替用途においては、交流（ＡＣ）正弦波を、正及び負の直流（ＤＣ）パルス波で置き換えて同様な結果を得ることができる。

本発明の利点及び特徴は、以下のより詳細な記載及び特許請求の範囲を、添付の図面と併せて参照することにより、より深い理解がなされるであろう。図面において、同一の要素は同一の符号で識別される。

図１は、従来技術のセンサ調節の模式図である。

図２は、本発明の好ましい実施形態に従った、提案される改良図であり、提案される改良により、ガスセンサと直列したさらなる既知抵抗器２（Ｒｂ）が設置される。

図３は、センサ電極間の電圧及び充電電流である。

図４は、温度に対するセンサ抵抗の較正曲線である。 図５は、ＮＯ濃度変化へのラムダセンサ応答である。

図６は、ＮＯ＝０ｐｐｍでの、酸素濃度変化へのラムダセンサ応答である。

図７は、測定電極に印加された正電圧へのセンサ応答を使用することによる、酸素濃度測定のセンサ較正である。

本発明を実施する最良の形態は、本明細書において図２〜７内に表される本発明の好ましい実施形態に関して示されている。この好ましい実施形態では、高温でガスセンサインピーダンス（抵抗）を連続的に測定することによる、パルス放電技法への改良が提案されている。測定したインピーダンス値を使用して、センサ作動温度を規定温度範囲内に制御するか、又はインピーダンスをモニタすることによってセンサ作動温度をモニタする。

提案される改良により、センサ位置の直接近傍に熱電対を据え付ける必要なく、燃焼排気ガス中で広帯域センサとしてラムダセンサの使用が可能になる。

さらなる改良により、ＮＯ_Ｘ、ＣＯ及びＯ_２の混合測定にラムダセンサを使用することが提供される。プロセスの充電段階（第Ｉ段階及びＩＩＩ段階）中、データ収集システムを用い、既知抵抗器での電圧降下を連続的に測定する。電圧を、上記の既知抵抗器の値で割ることにより、充電電流を計算することができる。プロセスの充電段階中、データ収集システムを用い、センサ電極間の電圧降下も測定する。

さらなる改良により、センサ電極間へ交流（ＡＣ）正弦波を印加することによる、センサインピーダンスの測定が提供される。これは、実用的且つ高精度なＯ_２測定用ラムダセンサを使用する。

充電電流測定曲線、及びセンサ電極間の電圧測定曲線を図３に示す。２つの電極間の測定電圧が得られる。この測定電圧は、測定電流で割る。この割った結果により、センサインピーダンスが決定され、提供される。

センサインピーダンスは、センサ作動温度に直接関連する。ラムダセンサのセラミックス測定セルを外部炉に置き、センサ素子の直接近傍に置かれた外部熱電対を用いて、上記の炉とそのセル温度をモニタすることにより、センサインピーダンスとセンサ作動温度との関係を定める較正曲線が得られる（図４参照）。

図５は、２％の一定酸素濃度における、異なるレベルのＮＯに対するパルス放電技法へのラムダセンサ応答を示す。図６は、ＮＯ＝０における、酸素濃度変化へのセンサ応答を示す。

負の電圧を測定電極に印加すると（図の第ＩＩＩ段階）、センサ応答はＮＯのみに高感度であり、Ｏ_２には高感度でない。あるいは、正の電圧を測定電極に印加すると、センサ応答にはＮＯ感度がなく、センサ応答はＯ_２のみに高感度である。図７で見られるとおり、ＮＯ及びＯ_２の混合測定は可能である。

正の電圧から負の電圧を差し引くことにより（Ｖｐｏｓ−Ｖｎｅｇ）、純粋なＮＯ応答を測定することができる。Ｖｐｏｓ応答を使用する場合、Ｏ_２濃度を測定することができる。

前述の、本発明の具体的な実施形態の記載は、例証して説明する目的で示されている。それらは網羅的であることを意図するものではなく、又は開示した明確な形態に本発明を限定することを意図するものではなく、上記の教示を考慮すれば、多くの改造及び変形が明らかに可能である。本発明の原理及び本発明の実用用途を最良に説明するため、実施形態を選択し、記載した。これにより、意図される特定の用途に適合する様々な改造を用いて、本発明及び様々な実施形態を他の当業者が最良に使用することが可能となる。本発明の範囲は、付属の特許請求の範囲及びそれらの同等物によって規定されることが意図される。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (17)

1. 改良されたパルス放電技法であって、該技法が
   ラムダセンサを使用することであって、該ラムダセンサが、該ラムダセンサ位置の直接近傍に据え付けられた熱電対を必要とせずに、燃焼排気ガス流中で電位差測定酸素センサとなるよう構成されたラムダセンサである使用すること；
   充電段階中、外部ＤＣ電圧を印加することによってセンサ抵抗を測定することにより、ＮＯ_Ｘ、ＣＯ及びＯ_２の混合測定に対して、前記ラムダセンサを使用すること；
   充電段階中、高温で、既知抵抗器での電圧降下を連続的に測定することにおいて、測定した抵抗値を使用して、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること、又は抵抗をモニタすることによって前記センサの作動温度をモニタすることを特徴とする、測定すること；並びに
   前記センサの電極間に電流正弦波を印加することによってセンサ抵抗を測定すること
   を含む技法。
2. 前記ラムダセンサのセラミックス測定セルを外部炉に置くことと、前記センサの素子の直接近傍に置かれた外部熱電対を用いて、前記炉及び該炉のセル温度をモニタすることとを提供して、センサインピーダンスとセンサ作動温度との関係を定める較正曲線を与える請求項１記載の改良されたパルス放電技法。
3. １対以上の金属電極と、内部ヒータとを支持する、１つ以上のシンブル型固体イオン伝導体を有するガスセンサの作動特性を制御する方法であって、該方法が
   ａ．前記内部ヒータに電流を印加することによって、前記ガスセンサを高温に加熱すること；
   ｂ．前記高温で、前記ガスセンサの抵抗を連続的に測定すること；並びに
   ｃ．測定した前記抵抗をモニタすること、及び前記内部ヒータに流れる電流を制御することにより、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること
   を含む方法。
4. 前記センサが電位差測定酸素センサを備える、ガスセンサの作動特性を制御する請求項３記載の方法。
5. 前記センサがラムダセンサを備える、ガスセンサの作動特性を制御する請求項４記載の方法。
6. 前記ラムダセンサがＮＯ_Ｘ、ＣＯ及びＯ_２の混合測定用にさらに構成されており
   ｄ．工程ａ．及び工程ｂ．の間、データ収集システムを用いて、既知抵抗器での電圧降下を連続的に測定すること
   をさらに含む、ガスセンサの作動特性を制御する請求項５記載の方法。
7. １対以上の金属電極と、内部ヒータとを支持する、１つ以上のシンブル型固体イオン伝導体を有するガスセンサの作動特性を制御する方法であって、該方法が
   ａ．前記内部ヒータに電流を印加することによって、前記ガスセンサを高温に加熱すること；
   ｂ．前記高温で、前記ガスセンサのインピーダンスを連続的に測定すること；並びに
   ｃ．測定した前記インピーダンスをモニタすること、及び前記内部ヒータに流れる電流を制御することにより、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること
   を含む方法であって；
   前記ガスセンサのインピーダンスを連続的に測定することが、前記センサの電極間に正弦波外部電圧を印加することと、前記センサに直列接続した既知抵抗器での電圧降下を測定することと、ＡＣ信号からＤＣを分離することによって分析ガスへのセンサ応答を求めることとによって行われる方法。
8. 高温で、ガスセンサのインピーダンスを連続的に測定することを含む、改良されたパルス放電技法において、測定したインピーダンス値を使用して、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること、又はインピーダンスをモニタすることによって前記センサの作動温度をモニタすることを特徴とする技法。
9. ラムダセンサ位置の直接近傍に据え付けられた熱電対を必要とせずに、燃焼排気ガス流で電位差測定酸素センサとなるよう構成された前記ラムダセンサを使用することによってさらに特徴づけられる請求項８記載の改良されたパルス放電技法。
10. 前記ラムダセンサを、ＮＯ_Ｘ、ＣＯ及びＯ_２の混合測定に使用することをさらに含み；
    プロセスの充電段階中、データ収集システムを用い、既知インピーダンス器での電圧降下を連続的に測定する、請求項９記載の改良されたパルス放電技法。
11. 改良されたパルス放電技法であって、該技法が
    高温で、ガスセンサのインピーダンスを連続的に測定することにおいて、測定したインピーダンス値を使用して、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること、又はインピーダンスをモニタすることによって前記センサの作動温度をモニタすることを特徴とする測定すること；
    ラムダセンサ位置の直接近傍に据え付けられた熱電対を必要とせずに、燃焼排気ガス流で電位差測定酸素センサとなるよう構成された前記ラムダセンサを使用すること；
    前記ラムダセンサを、ＮＯ_Ｘ、ＣＯ及びＯ_２の混合測定に使用することであって、プロセスの充電段階中、データ収集システムを用い、既知インピーダンス器での電圧降下を連続的に測定する使用すること；並びに
    前記センサの電極間に電流正弦波を印加することによってセンサインピーダンスを測定すること
    を含む技法。
12. 前記ラムダセンサのセラミックス測定セルを外部炉に置くことと、前記センサの素子の直接近傍に置かれた外部熱電対を用いて、前記炉及び該炉のセル温度をモニタすることとを提供して、センサインピーダンスとセンサ作動温度との関係を定める較正曲線を与える、請求項１１記載の改良されたパルス放電技法。
13. 高温で、ガスセンサのインピーダンスを連続的に測定することを含む、改良されたパルス放電技法において、測定したインピーダンス値を使用して、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること、又はインピーダンスをモニタすることによって前記センサの作動温度をモニタすることを特徴とする技法。
14. ラムダセンサ位置の直接近傍に据え付けられた熱電対を必要とせずに、燃焼排気ガス流で電位差測定酸素センサとなるよう構成された前記ラムダセンサを使用することによってさらに特徴づけられる請求項１３記載の改良されたパルス放電技法。
15. 前記ラムダセンサを、ＮＯ_Ｘ、ＣＯ及びＯ_２の混合測定に使用することをさらに含み；
    プロセスの充電段階中、データ収集システムを用い、既知インピーダンス器での電圧降下を連続的に測定する、請求項１４記載の改良されたパルス放電技法。
16. 改良されたパルス放電技法であって、該技法が
    ラムダセンサ位置の直接近傍に据え付けられた熱電対を必要とせずに、燃焼排気ガス流で電位差測定酸素センサとなるよう構成された前記ラムダセンサを使用すること；
    ＮＯ_Ｘ、ＣＯ及びＯ_２の混合測定に前記ラムダセンサを使用することであって、プロセスの充電段階中、データ収集システムを用い、既知インピーダンス器での電圧降下を連続的に測定する使用すること；
    高温で、前記ラムダセンサのインピーダンスを連続的に測定することにおいて、測定したインピーダンス値を使用して、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること、又はインピーダンスをモニタすることによって前記センサの作動温度をモニタすることを特徴とする測定すること；並びに
    前記センサの電極間に電流正弦波を印加することによってセンサインピーダンスを測定すること
    を含む技法。
17. 請求項１６記載の改良されたパルス放電技法であって、該技法が、前記ラムダセンサのセラミックス測定セルを外部炉に置くことと、前記センサの素子の直接近傍に置かれた外部熱電対を用いて、前記炉及び該炉のセル温度をモニタすることとを提供して、センサインピーダンスとセンサ作動温度との関係を定める較正曲線を与える前記技法。