CN109632914B - 传感器控制装置和传感器单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种传感器控制装置和传感器单元。传感器控制装置控制气体传感器，气体传感器具备传感器元件和加热器，检测被测定气体中含有的特定气体的浓度。传感器控制装置具备：温度检测部，检测固体电解质体的温度；控制部，基于反馈条件对加热器的发热量进行反馈控制，使得温度检测部的检测结果与目标值的偏差为0。反馈条件被设定为，使得在将评价气体用作被测定气体、并且将评价气体的气体温度设为25℃、且将评价气体的气体流速每隔10秒在10m/s与60m/s之间进行切换的情况下，浓度检测电流的值的变动幅度为1.6μA以下，该评价气体是对通过被设定为理论空燃比的混合气体在内燃机中燃烧而被排出的燃烧废气进行模拟的气体。

Description

传感器控制装置和传感器单元
技术领域
本公开涉及一种对具备传感器元件和加热器的气体传感器进行控制的传感器控制装置和传感器单元。
背景技术
如专利文献1那样，已知一种对气体传感器进行控制的传感器控制装置，该气体传感器具备传感器元件以及对传感器元件进行加热的加热器。
专利文献1：日本特开平11-304758号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在传感器元件的温度急剧变化的环境下，有时导致气体传感器的气体浓度检测精度下降。
本公开的目的在于提高气体传感器的气体浓度检测精度。
用于解决问题的方案
本公开的一个方式是一种传感器控制装置，对气体传感器进行控制，其中，该气体传感器具备传感器元件和加热器，对被测定气体中含有的特定气体的浓度进行检测，该传感器元件具有至少一个以上的单元，该单元具有固体电解质体和配置于固体电解质体上的一对电极，该加热器用于对传感器元件进行加热。
而且，本公开的传感器控制装置具备温度检测部和控制部。
温度检测部构成为检测固体电解质体的温度。此外，该温度检测部包括构成为检测与固体电解质体的温度具有相关性的值(例如，固体电解质体的阻抗值、导纳值)的结构。控制部构成为基于预先设定的反馈条件，来对加热器的发热量进行反馈控制，使得温度检测部的检测结果与预先设定的目标值之间的偏差为0。
而且，反馈条件被设定为，使得在将评价气体用作被测定气体、并且将评价气体的气体温度设为25℃、且以将评价气体的气体流速每隔10秒在10m/s与60m/s之间进行切换的方式将评价气体供给到气体传感器的情况下，浓度检测电流的值的变动幅度为1.6μA以下，其中，该评价气体是对通过空燃比被设定为理论空燃比的混合气体在内燃机中燃烧而从内燃机排出的燃烧废气进行模拟的气体。浓度检测电流是在一对电极之间流过的、其值根据特定气体的浓度发生变动的电流。
像这样构成的本公开的传感器控制装置能够使传感器元件的温度急剧变化的环境下的浓度检测电流的值的变动幅度为1.6μA以下，能够使浓度检测电流的值的变动幅度相比于以往的传感器控制装置而言减小。
因此，与以往的传感器控制装置相比，本公开的传感器控制装置即使在传感器元件的温度发生变化的过程中的过渡的状态下，也能够提高气体传感器的气体浓度检测精度。
在本公开的一个方式中，具体地说，反馈条件可以为反馈项。
另外，在本公开的一个方式中，具体地说，反馈项可以至少包含比例项和积分项。
本公开的另一方式是一种传感器单元，具备：气体传感器，其具备传感器元件和加热器，该传感器元件具有至少一个以上的单元，该单元具有固体电解质体和配置于固体电解质体上的一对电极，该加热器用于对传感器元件进行加热；以及本公开的一个方式的传感器控制装置。
像这样构成的本公开的传感器单元具备本公开的一个方式的传感器控制装置，因此能够获得与本公开的传感器控制装置同样的效果。
附图说明
图1是示出将传感器控制装置作为构成要素的系统的概要结构的图。
图2是示出传感器控制装置和气体传感器的概要结构的图。
图3是示出ΔRpvs及ΔIp的时间变化的曲线图。
图4是示出dRpvs/dt与ΔIp之间的关系的曲线图。
图5是示出比较例的试验结果的曲线图。
图6是示出实施例的试验结果的曲线图。
附图标记说明
1：传感器控制装置；3：气体传感器；11：传感器元件；12：加热器；13：泵单元；14：氧离子传导性固体电解质体；15、16：泵电极；36：Rpvs运算部；37：占空比运算部。
具体实施方式
下面，基于附图来说明本公开的实施方式。
本实施方式的传感器控制装置1被搭载于车辆，如图1所表示的那样对气体传感器3进行控制。
传感器控制装置1构成为能够与对发动机5进行控制的电子控制装置9之间经由通信线8来发送和接收数据。以下将电子控制装置9称为发动机ECU 9。ECU是ElectronicControl Unit(电子控制单元)的缩写。
气体传感器3被安装于发动机5的排气管7，在广范围内检测废气中的氧浓度，也被称为线性氧传感器(日文：リニアラムダセンサ)。
如图2所示，气体传感器3具备传感器元件11和加热器12。
传感器元件11具备泵单元(日文：ポンプセル)13。泵单元13具备：氧离子传导性固体电解质体14，其由局部稳定化氧化锆形成为板状；以及泵电极15、16，其表面和背面分别主要由铂形成。
此外，在图2中示意性地示出了传感器元件11，但是在传感器元件11的内部具备未图示的测定室和未图示的基准氧室。泵电极15暴露于测定室，泵电极16暴露于基准氧室。从传感器元件11的外部经由未图示的多孔质扩散层向测定室导入被测定气体。从传感器元件11的外部向基准氧室导入作为基准气体的大气。
传感器元件11是通过所谓的极限电流方式检测氧浓度的氧传感器元件。表示向一对泵电极15、16之间施加的电压(以下为传感器元件电压Vp)与流过一对泵电极15、16之间的电流(以下为泵电流Ip)的关系的输出特性具有比例区域和平坦区域。在比例区域中，泵电流Ip与传感器元件电压Vp的增加成比例地变化。在平坦区域中，即使传感器元件电压Vp变化，泵电流Ip也实质上不发生变化而保持固定的值。
该平坦区域为平行于上述输出特性的电压轴且平坦的区域、即泵电流Ip固定的极限电流的区域(以下为极限电流区域)。
已知的是，该极限电流区域中的泵电流Ip为与氧浓度对应的值，氧浓度越高，则泵电流Ip越大。也就是说，废气中的氧浓度越高(即，空燃比越低)，则泵电流Ip的极限电流越大，废气中的氧浓度越低(即，空燃比越高)，则极限电流越小。因此，对传感器元件11的泵单元13施加与极限电流区域相应的传感器元件电压Vp，并对由此得到的泵电流Ip进行测定，从而能够在广范围内检测废气中的氧浓度。
加热器12由以氧化铝为主体的材料形成，在其内部具备由以铂为主体的材料形成的发热电阻体。加热器12被控制为，利用从传感器控制装置1供给的电力使传感器元件11的温度成为活化温度。另外，发热电阻体的两端与传感器控制装置1电连接。此外，通过加热器12的加热使传感器元件11活化，由此气体传感器3成为能够进行气体检测的状态。
传感器控制装置1具备CAN接口电路21(以下为CAN I/F电路21)、控制电路22、微计算机23(以下为微机23)以及连接端子24、25、26、27。CAN是Controller Area Network(控制器区域网络)的缩写。另外，CAN为注册商标。
CAN I/F电路21按照CAN通信协议，经由通信线8来与发动机ECU 9之间进行数据的发送和接收。
控制电路22由面向特定用途的集成电路(即，ASIC)来实现。ASIC是ApplicationSpecific IC(专用集成电路)的缩写。
控制电路22具备基准电压生成部31、电流供给部32、模拟数字转换部33(以下为AD转换部33)、PID运算部34、电流数字模拟转换部35(以下为电流DA转换部35)、Rpvs运算部36、占空比运算部37以及加热器驱动部38。另外，控制电路22具备泵电流端子41(以下为Ip+端子41)、检测电压端子42(以下为Vs+端子42)、共用端子43(以下为COM端子43)以及加热器端子44(以下为HTR+端子44)。
Ip+端子41和Vs+端子42连接于传感器控制装置1的连接端子25。COM端子43连接于传感器控制装置1的连接端子24。而且，传感器元件11的泵电极15、16分别与传感器控制装置1的连接端子24、25连接。另外，HTR+端子44连接于传感器控制装置1的连接端子26。而且，加热器12的两端分别与传感器控制装置1的连接端子26、27连接。此外，连接端子27接地。
基准电压生成部31产生对COM端子43施加的基准电压。在本实施方式中，基准电压为2.7V。
电流供给部32经由Vs+端子42向传感器元件11供给用于检测泵单元13的内阻值的脉冲电流Irpvs。此外，电流供给部32并非始终供给脉冲电流Irpvs，而是基于来自微机23的指令来定期地在规定期间内供给脉冲电流Irpvs。
AD转换部33将从Vs+端子42输入的模拟信号的电压值转换为数字数据，并将该数字数据输出到PID运算部34和Rpvs运算部36。
PID运算部34基于从AD转换部33输入的数字数据，来进行PID运算，该PID运算用于对泵电流Ip进行PID控制，使得Vs+端子42处的电压与COM端子43处的电压之间的电压差为预先设定的控制基准电压。在本实施方式中，控制基准电压为400mV。PID运算部34通过PID运算来计算泵电流Ip的值，将表示该电流值的数字数据输出到电流DA转换部35。
电流DA转换部35将具有从PID运算部34输入的数字数据所表示的电流值的电流经由Ip+端子41供给到传感器元件11。
Rpvs运算部36基于在电流供给部32供给脉冲电流Irpvs时从AD转换部33输入的数字数据，来执行用于计算泵单元13的内阻值Rpvs的运算，将表示该内阻值Rpvs的数字数据输出到占空比运算部37。
占空比运算部37基于从Rpvs运算部36输入的数字数据，来计算将传感器元件11的温度维持为预先设定的传感器目标温度所需要的加热器发热量。而且，占空比运算部37基于计算出的加热器发热量，来计算向加热器12供给的电力的占空比。并且，占空比运算部37生成与计算出的占空比相应的PWM控制信号，将该PWM控制信号输出到加热器驱动部38。PWM是Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)的缩写。
另外，在本实施方式中，占空比运算部37为了计算加热器发热量而进行反馈控制。具体地说，占空比运算部37首先计算从Rpvs运算部36输入的内阻值Rpvs与同传感器目标温度对应的目标内阻值之间的偏差，基于该偏差计算比例项和积分项来作为反馈项。占空比运算部37将偏差乘以预先设定的比例增益所得到的乘法值设为比例项。占空比运算部37将对偏差进行积分得到的积分值乘以预先设定的积分增益所得到的乘法值设为积分项。然后，占空比运算部37计算比例项与积分项的相加值来作为加热器发热量。此外，在本实施方式中，比例增益被设定为1670，积分增益被设定为750。
加热器驱动部38基于从占空比运算部37输入的PWM控制信号，来对向加热器12的两端供给的电压Vh进行PWM控制，使加热器12发热。
微机23具备CPU 51、ROM 52、RAM 53。微计算机的各种功能通过由CPU 51执行非暂时性实体记录介质中保存的程序来实现。在本例子中，ROM52符合保存有程序的非暂时性实体记录介质。另外，通过执行该程序来执行与程序对应的方法。此外，构成传感器控制装置1的微计算机的数量可以为一个，也可以为多个。另外，也可以通过一个或多个IC等以硬件方式构成由微机23执行的功能的一部分或全部。
CPU 51通过执行ROM 52中存储的程序，基于泵电流Ip的流动方向和泵电流Ip的大小来计算氧浓度。
图3是示出在以目标内阻值为基准来使内阻值Rpvs周期性地增减的情况下内阻差ΔRpvs及泵电流差ΔIp的时间变化的曲线图。内阻差ΔRpvs为从内阻值Rpvs减去目标内阻值所得到的值。泵电流差ΔIp为从内阻值Rpvs时的泵电流Ip减去目标内阻值时的泵电流Ip所得到的值。
如图3所示，泵电流差ΔIp也与内阻差ΔRpvs的周期性的增减相应地周期性地增减。
图4是示出表示内阻值Rpvs的每单位时间的变化量的微分值dRpvs/dt与泵电流差ΔIp之间的关系的曲线图。
如图4所示，微分值dRpvs/dt与泵电流差ΔIp之间的关系能够如用直线L1表示的那样通过一次式来表示。即，微分值dRpvs/dt与泵电流差ΔIp之间的关系通过下面的式(1)来表示。此外，下面的式(1)的系数A和系数B分别是表示直线L1的一次式的斜率和截距。而且，在图4的直线L1中，表示斜率的系数A的值为约-0.15，表示截距的系数B为0。
ΔIp＝A×dRpvs/dt+B…(1)
接着，说明为了对气体传感器3的温度发生了急剧的变化时的泵电流Ip的变动进行评价而实施的评价试验及其试验结果。
在本试验中，作为实施例，使用了本实施方式的传感器控制装置1，作为比较例，使用了以往的传感器控制装置。比较例的传感器控制装置被制造成除了对占空比运算部37的反馈增益(即，比例增益和积分增益)进行了变更这方面以外，与本实施方式的传感器控制装置1相同。此外，在比较例的传感器控制装置中，比例增益和积分增益分别被设定为245和235。
另外，在本试验中，在气体流通管中安装气体传感器3并使该气体传感器3正常驱动的状态下，将对燃烧废气进行模拟的评价气体作为被测定气体，使该评价气体在气体流通管内流通，对气体传感器3的泵电流Ip和气体传感器3的传感器元件11的温度(以下为元件温度)进行了测定。此外，基于从Rpvs运算部36输出的内阻值Rpvs来计算出元件温度。
评价气体的气体温度被固定地设定为25℃，评价气体含有氮气(N2)和二氧化碳(CO2)。评价气体所模拟的燃烧废气是通过空燃比被设定为理论空燃比(λ＝1.00)的混合气体在发动机5中燃烧而从发动机5排出的气体。在本试验中，为了将通过空燃比被设定为理论空燃比的混合气体在发动机5中燃烧而从发动机5排出的气体作为评价气体，使用了由13％的CO2、其余部分为N2组成的评价气体。另外，在本试验中，在排气管内设置有电磁阀，通过该电磁阀来将评价气体的气体流速每隔10秒在10m/s与60m/s之间进行切换。像这样对作为被测定气体的评价气体的气体流速进行切换，是为了使气体传感器3的温度急剧地变化。
图5是示出比较例的试验结果的曲线图。图5的曲线图G1表示泵电流Ip的时间变化。图5的曲线图G2表示元件温度及气体流速的时间变化。图5的曲线图G3表示元件温度的时间微分值dT/dt的时间变化。
如曲线图G2所表示的那样，在0秒到4秒的期间气体流速为60m/s，在4秒的时间点气体流速从60m/s急剧下降到10m/s。之后，在4秒到14秒的期间气体流速为10m/s，在14秒的时间点气体流速从10m/s急剧上升到60m/s。之后，在14秒到20秒的期间气体流速为60m/s。
如曲线图G2所表示的那样，在4秒的时间点气体流速从60m/s急剧下降到10m/s，从而原本为约800℃的元件温度上升到约830℃。另外，如曲线图G1所表示的那样，原本为约0.5μA的泵电流Ip上升到约1.5μA。
并且，如曲线图G2所表示的那样，在14秒的时间点气体流速从10m/s急剧上升到60m/s，从而原本为约790℃的元件温度下降到约770℃。另外，如曲线图G1所表示的那样，原本为约0.5μA的泵电流Ip下降到约-0.25μA。
0秒到20秒的期间内的泵电流Ip的平均值为+0.60μA，最大值为+1.47μA，最小值为-0.24μA。即，以平均值为中心的泵电流Ip的变动范围为-0.84μA～+0.87μA。因而，如曲线图G1所表示的那样，泵电流Ip的变动幅度ΔIp为1.71μA。
如曲线图G3所表示的那样，0秒到20秒的期间内的时间微分值dT/dt的平均值为-0.063℃/s，最大值为+23.128℃/s，最小值为-20.915℃/s。即，以平均值为中心的时间微分值dT/dt的变动范围为-20.852℃/s～+23.191℃/s。
图6是示出实施例的试验结果的曲线图。图6的曲线图G4表示泵电流Ip的时间变化。图6的曲线图G5表示元件温度及气体流速的时间变化。图6的曲线图G6表示元件温度的时间微分值dT/dt的时间变化。
如曲线图G5所表示的那样，在0秒到4秒的期间气体流速为60m/s，在4秒的时间点气体流速从60m/s急剧下降到10m/s。之后，在4秒到14秒的期间气体流速为10m/s，在14秒的时间点气体流速从10m/s急剧上升到60m/s。之后，在14秒到20秒的期间气体流速为60m/s。
如曲线图G5所表示的那样，在4秒的时间点气体流速从60m/s急剧下降到10m/s，从而原本为约800℃的元件温度上升到约810℃。另外，如曲线图G4所表示的那样，原本为约0.7μA的泵电流Ip上升到约1.0μA。
并且，如曲线图G5所表示的那样，在14秒的时间点气体流速从10m/s急剧上升到60m/s，从而原本为约800℃的元件温度下降到约790℃。另外，如曲线图G4所表示的那样，原本为约0.7μA的泵电流Ip下降到约0.1μA。
0秒到20秒的期间内的泵电流Ip的平均值为+0.62μA，最大值为+0.98μA，最小值为+0.12μA。即，以平均值为中心的泵电流Ip的变动范围为-0.50μA～+0.36μA。因而，如曲线图G4所表示的那样，泵电流Ip的变动幅度ΔIp为0.86μA。
如曲线图G6所表示的那样，0秒到20秒的期间内的时间微分值dT/dt的平均值为-0.003℃/s，最大值为+15.000℃/s，最小值为-15.357℃/s。即，以平均值为中心的时间微分值dT/dt的变动范围为-15.382℃/s～+15.075℃/s。
像这样，传感器控制装置1对气体传感器3进行控制，其中，该气体传感器3具备传感器元件11以及对传感器元件11进行加热的加热器12，对废气中含有的氧的浓度进行检测。传感器元件11具有泵单元13，该泵单元13具有氧离子传导性固体电解质体14和配置于氧离子传导性固体电解质体14上的一对泵电极15、16。
传感器控制装置1对泵单元13的内阻值Rpvs进行检测。传感器控制装置1基于作为预先设定的反馈项的比例项和积分项，来对加热器12的发热量进行反馈控制，使得内阻值Rpvs与目标内阻值之间的偏差为0。
而且，比例项和积分项被设定为，使得在将评价气体作为被测定气体供给到气体传感器3、并且将评价气体的气体温度设为25℃、且将评价气体的气体流速每隔10秒在10m/s与60m/s之间进行切换的情况下，泵电流Ip的变动幅度ΔIp为1.6μA以下，其中，该评价气体是对通过空燃比被设定为理论空燃比的混合气体在发动机5中燃烧而从发动机5排出的燃烧废气进行模拟的气体。
像这样，传感器控制装置1能够使传感器元件11的温度急剧变化的环境下的泵电流Ip的变动幅度ΔIp为1.6μA以下，能够使泵电流Ip的变动幅度ΔIp相比于以往的传感器控制装置而言减小。
因此，与以往的传感器控制装置相比，传感器控制装置1即使在传感器元件11的温度发生变化的过程中的过渡的状态下，也能够提高气体传感器3的气体浓度检测精度。
在以上说明的实施方式中，氧离子传导性固体电解质体14相当于固体电解质体，泵电极15、16相当于一对电极，泵单元13相当于单元。
另外，氧气相当于特定气体，泵电流Ip相当于浓度检测电流，内阻值Rpvs相当于固体电解质体的温度，目标内阻值相当于目标值。
另外，Rpvs运算部36相当于温度检测部，占空比运算部37相当于控制部，传感器控制装置1及气体传感器3相当于传感器单元。
以上，说明了本公开的一个实施方式，但是本公开并不限定于上述实施方式，能够进行各种变形来实施。
例如，在上述实施方式中，示出了占空比运算部37计算比例项和积分项来作为反馈项的方式，但是也可以除了计算比例项和积分项以外，还计算微分项。
另外，在上述实施方式中，说明了将氧传感器用作气体传感器的方式，但是也可以是检测氧以外的气体(例如，NOx等)的气体传感器。另外，在将氧传感器用作传感器的情况下，也并不限定于如上述实施方式那样使用一个单元并且通过极限电流方式检测氧浓度的传感器元件，例如，也可以将本公开应用于在具有一对电极的氧泵单元与具有一对电极的氧浓度检测单元这两个单元之间插入有测定室的传感器元件。具有这两个单元的传感器元件以对氧泵单元的通电状态进行控制来向测定室泵入氧或从测定室泵出氧使得在氧浓度检测单元的电极之间产生的电动势成为目标值的方式进行驱动，从而能够基于流过氧泵单元的泵电流来在广范围内检测氧浓度。
也可以使多个构成要素分担上述各实施方式中的一个构成要素所具有的功能，或者使一个构成要素发挥多个构成要素所具有的功能。另外，也可以省略上述各实施方式的结构的一部分。另外，也可以将上述各实施方式的结构的至少一部分添加到其它的上述实施方式的结构中，或将上述各实施方式的结构的至少一部分置换为其它的上述实施方式的结构等。此外，基于权利要求书所记载的词句确定的技术思想中包含的所有方式都为本公开的实施方式。
除上述的传感器控制装置1以外，还能够以将该传感器控制装置1作为构成要素的系统、用于使计算机作为该传感器控制装置1发挥功能的程序、记录有该程序的半导体存储器等非暂时性实体记录介质、传感器控制方法等各种方式来实现本公开。

Claims (4)

1.一种传感器控制装置，对气体传感器进行控制，其中，所述气体传感器具备传感器元件和加热器，对被测定气体中含有的特定气体的浓度进行检测，所述传感器元件具有至少一个以上的单元，该单元具有固体电解质体和配置于所述固体电解质体上的一对电极，所述加热器用于对所述传感器元件进行加热，
所述传感器控制装置具备：
温度检测部，其构成为检测所述固体电解质体的温度；以及
控制部，其构成为基于预先设定的反馈条件，来对所述加热器的发热量进行反馈控制，使得所述温度检测部的检测结果与预先设定的目标值之间的偏差为0，
其中，所述反馈条件被设定为，使得在将评价气体用作所述被测定气体、并且将所述评价气体的气体温度设为25℃、且以将所述评价气体的气体流速每隔10秒在10m/s与60m/s之间进行切换的方式将所述评价气体供给到所述气体传感器的情况下，在所述一对电极之间流过的、其值根据所述特定气体的浓度发生变动的浓度检测电流的值的变动幅度为1.6μA以下，其中，所述评价气体是对通过空燃比被设定为理论空燃比的混合气体在内燃机中燃烧而从所述内燃机排出的燃烧废气进行模拟的气体。
2.根据权利要求1所述的传感器控制装置，其特征在于，
所述反馈条件为反馈项。
3.根据权利要求2所述的传感器控制装置，其特征在于，
所述反馈项至少包含比例项和积分项。
4.一种传感器单元，具备：
气体传感器，其具备传感器元件和加热器，所述传感器元件具有至少一个以上的单元，该单元具有固体电解质体和配置于所述固体电解质体上的一对电极，所述加热器用于对所述传感器元件进行加热；以及
根据权利要求1～3中的任一项所述的传感器控制装置。
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