JP2001522451A - 気体媒体の酸素含有量を測定するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この装置は、基準酸素圧力とセンサの体積内の酸素圧力との比を表わす代表電圧を伝える能力を有し、かつ体積内の前記酸素圧力を制御するポンピング電流がその中を通過することが可能である電極（１２、１４）を備えたセンサと、入力に前記代表電圧を受けポンピング電流を伝えるのに適したデジタルコントローラ（２６）を含む監視および制御手段とを含む。監視および制御手段は、中断することなく連続的かつ累進的に変動する電流の形であるポンピング電流を伝え、入力電圧を定められた値にサーボ制御する態様でデジタルコントローラによって支配される。

Description

【発明の詳細な説明】 気体媒体の酸素含有量を測定するための装置 この発明は気体媒体の酸素含有量を測定するための装置であって、 多孔壁を介して気体媒体と連通するセンサの体積内の酸素圧力と基準酸素圧力 との比を表わす代表電圧を伝える能力を有するセンサと、 ポンピング電流を伝えさせて酸素を前記体積から移動させ、または酸素を前記 体積内に移動させることができるようにする監視および制御手段とを含むタイプ の装置に関する。 このタイプの数多くの装置は既に公知であり、たとえばＥＰ−Ａ−０ ５０７ １４９およびＵＳ−Ａ−４ ９３２ ２３８などに記載されるものがある。セ ンサは、酸素イオンが移動できるタイプの固体電解質プレートにより構成される 少なくとも１つの高感度要素を有し、そのプレートは２つの多孔電極の間に置か れる。 このようなセンサは数多くの実施例の対象となり得る。図１は２つのセルを有 すると考えられるセンサの図である。「ポンピング」セル１０_pと称される第１ のセルは２つの電極１２および１４の間に挟まれる。ポンピングセル１０_pは、 「高感度」セルと称される第２のセル１０_sに多孔中間シートを介して固定され 、これによって体積１８を規定する。気体媒体中の酸素は酸素分圧を平衡にしよ うとして体積１８に浸透する傾向がある。ポンピングセルを介しての電流Ｉ_pの 通過により、体積に含まれる酸素が移動させられる傾向があり、これにより、そ の中の分圧を定められた値に維持する。最終プレート２０を高感度要素１０_sに 接触するよう配置してもよく、同じ材料で作ることにより一定した基準圧力を伝 えるようにしてもよく、その有用性は以下に見られる。 高感度要素１０_sの両側の電極の間には、体積１８内の酸素分圧と、セル１０_s と接触しているプレート２０内の酸素分圧との比を表わす測定電圧Ｖ_sが現われ る。適当な固体の電極、特にドープされた酸化ジルコニウムまたはジルコニアで 作られた電極は、電圧Ｖ_sが体積１８内の酸素分圧と実質的に対数的な態様で変 動するような特性を有する。従来、電流Ｉ_pはＶ_pを一定の値に維持するように制 御され、この場合Ｉ_pは気体媒体における酸素分圧を表わしている。加熱抵抗器 ２１はセルの温度を適当な温度に上昇させる役割を果たす。 単一のセルの実施例として説明できる図２に示される別の実施例では、体積１ ８は多孔中間シート１６およびセル１０_pのみによって規定される。そのとき、 基準酸素分圧は大気のそれであり、これはセル１０_pと接触している。このよう な状況では、異なった酸素分圧に対するＶ_pの関数としてのＩ_pの変動は図３に示 される一般的な外観を有する。常に特性の直線の部分に留まることが望ましいた め、Ｖ_pがサーボ制御されて達する値はある程度、気体中の酸素の分圧およびセ ルのインピーダンスに依存していなければならない。 この発明の主な応用は、内燃機関に入れられる空気／燃料比を、排気ガスの組 成に基づいて、より特定的には排気ガス中の残留酸素の分圧に基づいて定めるこ とにある。 これまで、特に図１に示される種類のセンサが使用されてきた。多くの場合、 監視および制御手段はＶ_sを一定の値にサーボ制御するためのアナログループに より構成され、これは電流Ｉ_pの値から酸素分圧と混合物の瞬時濃さとを導き出 すマイクロコントローラに関連付けられている。この解決策には欠点がある。濃 さが測定される精度はＩ_pが測定される際の精度によって制限される。配線によ る形態での実施例では調整および整合の必要性が低減する。 この発明は特に、低コストでかつ濃さを正確に測定できるような、以前の公知 の装置よりもよりよく実用的な要件を満たす装置を提供することを目的とする。 このため、この発明は特に、その監視および制御手段が、入力において前記電 圧を受け、かつポンピング電流を中断することなく連続的かつ累進的に変動する 電流の形でセンサに伝えるデジタルコントローラを有し、前記電圧を定められた 値にサーボ制御するような態様でこのデジタルコントローラに支配される、上に 規定したタイプの装置を提供する。アーキテクチャは、マイクロコントローラが 電流Ｉ_pに作用するための手段を有し、それによってサーボ制御を調整する上で のより大きな柔軟性と、センサの良好な保護と、作用させる上でのより精密な管 理と、劣化したモードの精密な管理とをもたらすようなものであってもよい。 有利な解決策は、（たとえばパルス幅変調により）時変調される制御電圧を伝 えるデジタルコントローラを設けることと、センサの入力において電流発生器お よびローパスフィルタを設けることとからなる。そのような変調はデジタルコン トローラによって容易に実行される。フィルタがあれば、センサの寿命を縮める ことになるセンサへの中断されたパルスの印加の必要がなくなる。 センサは積分機能を有する。デジタルコントローラに与える前に、比を表わす 前記電圧に導関数成分を導入する処理を行なうことによってこれを補償するとよ い。このことにより、信号対雑音比が増加し、コントローラの応答時間を減少す ることができる。一般に、デジタルコントローラに与える前に、比例成分、およ び存在する場合には導関数成分、を増幅するための増幅器回路が設けられる。 この発明は、気体媒体と連通する体積を基準圧力が存在するゾーンから分離す る単一のセルをセンサが有し、代表電圧がセルの両側の２つの電極から取られ、 ポンピング電流が同じセルに印加される装置に適用可能である。これにもかかわ らず、この発明はセンサが２つのセルを有する装置により一般的に適用される。 このようなセンサの体積は、多孔中間シートと、その酸素分圧が測定される気体 で占められるゾーンからその体積を分離する第１のセルまたは「ポンピング」セ ルと、基準圧力と接触している第２のセルまたは「高感度」セルとにより規定さ れ、その代表電圧は第２のセルの両側の電極から得られる。ポンピング電流は、 ポンピングセルの両側の２つの電極を通過する。 一般的に、装置の主な利点は、デジタルコントローラが通常のサーボ制御モー ドにおいても過渡段階（起動時、プローブの保護時、診断時…）においてもポン ピング電流Ｉ_pを完全に制御しており、これが現在のアーキテクチャにおいてそ うであるように外部手段により発生する電流を読み戻すのではなく、むしろ、そ の電流を発生する役割を果たしているという事実に由来していると考えられる。 また、装置は、 ・第１に、センサ電圧Ｖ_sに基づいて増幅された信号を伝えるアナログ部分を 利用し、その信号は幸運にも導関数成分の準備の下流に位置付けられるアナログ −デジタル変換によって劣化することのない精度の導関数成分を有しており、 ・デジタルコントローラにおいて時変調によって電流Ｉ_pを発生することを可 能にし、この変調は、ローパスフィルタとフィルタ処理されたコマンドにより支 配される電流コントローラとに関連して、デジタルコントローラの制御の下で中 断することなく連続的かつ累進的に可変であるポンピング電流Ｉ_pを伝える。 そこで、前記電流Ｉ_pは、統合されるデジタル−アナログコンバータを必要と しない形態で生成されるが、このようなコンバータをデジタルコントローラが有 していれば、これは解決策となり得る。 装置の動作において、もし通常の動作モードが維持されるとセンサが損傷する リスクを負うことになる段階が存在する。たとえば、２つのセルを有する装置の 通常の動作条件は、第２のセルにおいて測定される電圧Ｖ_sを基準値に維持し、 かつポンピング電流Ｉ_pの値から酸素含有量を導き出すことからなる。この動作 モードでは、プローブの温度が十分に高いことが必要であり、これは概括的に６ ５０℃から９００℃の範囲内である。センサの温度は加熱抵抗器によりこの温度 まで上昇させられる。加熱の開始からある時間にわたって、装置はその温度が低 すぎるため動作しない。それにもかかわらず、測定値を使用することができるよ うになった瞬間を表示するものとともに、精度が多少低くてもできるだけ早期に 意義のある測定値を得ることが望ましい。 さらに、さまざまな動作条件のためポンピングセルにわたっての電圧Ｖ_pが高 くなりすぎるため、通常の動作モードではセンサが劣化しやすくなる。 この発明の有利な実施例において、通常のモードが不適切となる条件の下で、 装置は、劣化してはいるが使用することのできる測定値を得ることができる。 この目的のため、監視および制御手段は、高感度セルの電圧を一定の値でサー ボ制御することと、ポンピングセルの電圧をセンサを保護するのに適した頂上値 に制限することとの間で切換をするための手段を含んでいてもよい。 特に、コントローラは、ポンピング電流Ｉ_pを制御して、ポンピングセルにわ たる電圧Ｖ_pをセルを保護することと両立できる最大値に制限することによって 、また、以下のシーケンスを繰返すことにおいて動作を初期化するように設計さ れていてもよい。 ・ポンピング電流は、ポンピングセルにわたる電圧が頂上より下に留まってい ることを確認しつつ、高感度セルに印加される電圧にサーボ制御され、 ・ポンピング電流は再び、高感度セルに印加される電圧Ｖ_sのサーボ制御の間 に頂上が超過されている限りにおいて、頂上と両立できるように支配される。 より一般的には、デジタルコントローラは双方のセルの端子にわたって測定さ れる電圧を利用し、かつ以下のような付加的な機能を実行するようにポンピング 電流Ｉ_pを考慮に入れるよう設計してもよい。すなわち、 ・プローブが利用可能になるその瞬間を定めるための、プローブの温度の評価 と、 ・エージングの診断と、 ・電圧Ｖ_sの代わりにポンピングセルの電圧Ｖ_pにサーボ制御が適用される劣化 したモードでの動作とである。 劣化したモードでの動作の際には、Ｖ_pを固定した値にサーボ制御する必要は ないが、他のパラメータ、または較正、診断または異常条件による劣化モードで の動作など、実行すべき機能を考慮に入れるように選択される値にＶ_pをサーボ 制御する必要がある。 以上および他の特徴は、限定しない例として挙げられる特定の実施例の以下の 説明からより明らかになるであろう。説明は添付の図面に関連しており、 ・図１および図２は、既に上に述べたように、２つのセルを有するセンサと１ つのセルを有するセンサとをそれぞれ示しており、 ・図３は、周囲の大気中の酸素のさまざまな分圧に対する、ポンピングセルに わたる電圧の関数としてのポンピング電流変動を曲線により示しているグラフで あり、 ・図４は、この発明の装置のブロック図であり、 ・図５は、ある特定の実施例において機能がハードウェアとソフトウェアとで どのように分割されるかを示す図であり、 ・図６は、濃い混合物および比較的薄い混合物に対して、温度の関数としてポ ンピングセルの抵抗がどのように変動するかを示している。 その概括的な構造が図４に示されている装置は、図１にその構造が示されてい るセンサ２２を含む。このため、図１の要素に対応する要素には同じ参照番号が 与えられている。 センサ２２に関連付けられる監視および制御手段は「ハードウェア」または配 線による部分２４を有するものと考えることができ、デジタルコントローラ２６ は「ソフトウェア」部分を構成すると考えることができる。 装置の通常の安定した動作において、監視および制御手段は、端子Ｖ_s−およ びＶ_s＋の間に現われる高感度セル１０_sの端子にわたっての電圧を受け、センサ にポンピング電流を伝え、この電流は端子Ｉ_p＋およびＩ_p−の間を流れる。接地 接続および電源は図を簡略化するために図４には示していない。 電圧Ｖ_sはハードウェア部分２４において、導関数成分を導入し利得Ｇで増幅 するためにアナログ回路２８によって処理される。この態様で処理される信号は デジタルコントローラ２６に印加される。これはそこで、信号を入力３０上で受 けるデジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）によりデジタル化される。内燃機 関を制御することに装置を応用する例において、一般的に８から１０ビットで動 作するコンバータが十分である。コントローラはＶ_sのサーボ制御を一定の値で 支配するための、３２で表わされるソフトウェアを含んでおり、この値は基準電 圧Ｖ_rを発生する発生器３４により固定することができる。サーボ制御は、Ｖ_sの 設定値がＩ_p（Ｖ_s）特性の直線部分のほぼ中間にあるように有利に選択される。 ソフトウェア３２は回路３６に供給される信号を伝えるよう設計されており、 回路３６は一般的にパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて時変調される電圧信号を伝 える。デジタル入力信号をこのように変調される信号に変換する役割を果たすこ のようなデジタル構成要素およびプログラムは一般的に入手可能である。 可変デューティ比のパルス幅変調された信号はローパスフィルタ３８に印加さ れ、それによってこれを中断されない信号に変換し、この信号は電流Ｉ_pを伝え る直流発生器４０に印加される。センサが一般的に、濃さの関数としてのポンピ ング電流Ｉ_nの特性の感度においてばらつきを示すとして、電流発生器４０は、 濃さの関数としてのＩ_pの特性を正規化するようにセンサに統合される補償抵抗 器６２を考慮に入れて設計してもよい。また、機関制御システムに組込まれるよ う設計される装置のような特殊なケースでは、１２ビットで符号化されるパルス 幅変調が十分な分解能をもたらす。最下位ビットはたとえば、３μＡのオーダの 電流Ｉ_pにおける変化に対応していてもよい。 上述のように、動作のある段階では、電圧Ｖ_sではなく電圧Ｖ_pをサーボ制御す ることが望ましいことがある。この動作モードを可能にするため、デジタルコン トローラ２６は、アナログ入力４２が端子Ｉ_p＋から取られた電圧Ｖ_pを受けるア ナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を含んでいてもよい。 センサを良好に動作させるには、セルが適当な温度、すなわちほぼ６５０℃か ら９００℃の範囲内にある温度、である必要がある。この温度はヒータ抵抗器２ １において放散される熱を制御することによって維持される。この制御にはデジ タルコントローラ２６を用いてのサーボ制御が含まれていてもよい。図４に概略 的に示されるケースでは、抵抗器２１はアナログ電力制御および電流測定回路４ ４により電力が供給され、アナログ電力制御および電流測定回路４４はコントロ ーラのアナログ−デジタルコンバータ４６のアナログ入力に接続されており、こ れは任意に、入力３０および入力４２に設けられるＡＤＣと同じ物であってもよ い。コントローラのソフトウェア４８はサーボ制御機能と出力変調器５０を制御 する機能とを行ない、出力変調器５０は回路４４を制御するパルス幅変調された 信号を伝える。 温度サーボ制御がセルを定められた温度に維持するために動作する態様は以下 のようであってもよい。 最初に、さまざまな酸素の濃度（機関に供給する際のさまざまな異なった程度 の混合物の濃さに対応する）に対して、温度の関数としてのポンピングセルの抵 抗における変動に関する法則がデジタルコントローラ２６のソフトウェア部分３ ２にロードされる。通常の動作において、排気ガス中に残留酸素が存在すること となる薄い混合物が望ましいことが知られている。 ソフトウェア３２はそこで、電流Ｉ_pに電流インクリメントΔＩ_pが周期的に与 えられるようにするプログラムを含む。このインクリメントから出力Ｉ_p＋にお いて測定される電圧Ｖ_pにおける変動ΔＶ_pが生じる。コントローラ２６は、入力 ＡＤＣ４２の出力に現われる２つの連続するデジタル値の差を取ることによって この変動ΔＶ_pを定めることができる。ポンピングセルの抵抗Ｒは比ΔＶ_p／ΔＩ_p により与えられる。温度はそこから、ソフトウェア３２にデジタルの形態でス トアされるルックアップテーブルを参照することにより導き出される。対応する 情報を支配ソフトウェア４８に送り、これに応じてヒータ抵抗器２１を流れる電 流を変更するようにしてもよい。 １つのセルしか有さないセンサでは、電圧Ｅ_pは、Ｖ_pおよびＩ_pの既知の値に 基づいて、たとえば約４５０ｍＶの値に調節される。そこで、以下の式から得ら れる単一のセルの抵抗Ｒの推定値が用いられる。 Ｒ＝ΔＶ_p／ΔＩ_p 図４の装置はまた、電圧Ｖ_pを制限することによって、劣化した動作を継続し ながらもセンサを保護することが可能である。この目的のため、デジタルコント ローラはＶ_pをストアされた最大値と比較する。この値は固定したものであって もよく、または外部パラメータの関数として変動してもよい。Ｖ_pがしきい値を 超える傾向がある場合、サーボ制御モードは変更される。電流Ｉ_pは電圧Ｖ_pを最 大の許可された値に維持するように制御される。これは概括的に、一定の間隔で ポンピング電流を電圧Ｖ_pにサーボ制御するよう試みることに戻り、その後すぐ に、Ｖ_pが許容可能な値を超えた場合にＶ_pをサーボ制御することに戻ることを意 味する。 装置の動作は、少なくとも装置が機関制御システムに統合されている際には以 下のように初期化できる（センサは冷たい）。このような状況では、起動は濃い 混合物を用いて行なわれ、すなわち図６の断続線により示される温度の関数とし てのインピーダンスの変動の法則を用いて行なわれる。デジタルコントローラ２ ６は、初めに電圧Ｖ_pのサーボ制御と抵抗Ｒの評価とによりプローブを高速で動 作させるよう試みるように設計される。このような状況では、温度がたとえば５ ５０℃から６５０℃の範囲内にある第１の値に達したことを測定された抵抗Ｒが 示すとすぐに、通常の動作で得られるものより精度は劣るが意義のある測定値を 得て確認することができる。抵抗Ｒの定められた値に達した際に、Ｖ_pをサーボ 制御するように試みるよう切換えることをプログラムすることができる。 ハードウェア部分とソフトウェア部分とで機能を分割するやり方は図５に示さ れるような態様であってもよく、図５において機能は図４の対応する構成要素と 同じ参照番号で示されている。ソフトウェア部分とハードウェア部分とのインタ ーフェイスは入力３０、入力４２およびアナログ−デジタルコンバータ４６の入 力を含み、コンバータは１０ビット出力を有していてもよい。インターフェイス はまた、パルス幅変調器回路３６および５０を含む。変調器回路３６は５ｋＨｚ の周波数で動作でき、１２ビット出力を有していてもよい。変調器回路５０は一 般的に、たとえば約３０Ｈｚという非常に低い周波数で動作する。 加熱抵抗器は設定値６０により固定される定められた値にその抵抗を維持する ように従来の態様で調節することができる。比例積分導関数型安定化回路５２を 設けてもよい。 上述のとおり、コントローラは、センサの温度をテストしＶ_pの値をテストす るためのプログラムを含んでおり、これは５６において、Ｖ_sをＶ_sの設定値（入 力２）に維持すること、またはＶ_pを設定値（入力１）に維持することに調節を 向けるよう作用する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エルビン，ルク フランス国、エフ―92600 アニエール、 ブールバール・ボルテール、158 (72)発明者 ネイラ，ピエール フランス国、エフ―91290 ラ・ノービル、 リュ・ルイ・サイアン、16 (72)発明者 エマール，フレデリク フランス国、エフ―92500 リュエーイ、 アベニュ・ドゥ・ビゼンバール、24 (72)発明者 トパン，ジャン−マリー フランス国、エフ―92140 クラマール、 リュ・イブ・ケルメン、９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．媒体の酸素含有量を測定するための装置であって、 基準酸素圧力とセンサの体積内の酸素圧力との比を表わす代表電圧を伝える能 力を有し、ポンピング電流を通過させて体積内の前記酸素圧力を制御することを 可能にする電極を備えたセンサと、 入力に前記代表電圧を受け、ポンピング電流を伝えるのに適したデジタルコン トローラを含む監視および制御手段とを含み、 監視および制御手段が中断することなく連続的かつ累進的に変動する電流の形 であるポンピング電流を伝え、前記入力電圧を定められた値にサーボ制御する態 様でデジタルコントローラに支配されることを特徴とする、装置。 ２．前記監視および制御手段が、時変調される制御電圧を伝えるデジタルコント ローラとセンサの入力との間に、ローパスフィルタおよび電流発生器を含むこと を特徴とする、請求項１に記載の装置。 ３．デジタルコントローラはその出力において、監視および制御手段を支配する 信号を伝え、この信号がパルス幅変調された電圧からなることを特徴とする、請 求項２に記載の装置。 ４．監視および制御手段は、前記代表電圧がデジタルコントローラに印加される 前に、導関数成分を導入する回路を含むことを特徴とする、請求項１、２または ３のいずれかに記載の装置。 ５．監視および制御手段は、デジタルコントローラに与える前に、前記代表電圧 の比例成分に利得を導入し、存在する場合には導関数成分にも利得を導入する回 路を含むことを特徴とする、請求項１、２、３および４のいずれかに記載の装置 。 ６．センサは基準圧力が存在するゾーンから体積を分離する単一のセルを含むこ とと、代表電圧がセルの両側の２つの電極から取られることと、ポンピング電流 が同一のセルに印加されることとを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記 載の装置。 ７．センサの体積は、多孔中間シートと、酸素分圧が測定される、気体で占めら れたゾーンから体積を分離する第１のまたは「ポンピング」セルと、基準圧力と 接触する第２のまたは「高感度」セルとにより規定されており、代表電圧は第２ のセルの両側の電極から取られ、ポンピング電流は第１のセルの両側の２つの電 極を通過することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の装置。 ８．監視および制御手段は、高感度の第２のセルの電圧を一定の値にサーボ制御 することから、ポンピングセルの電圧をセンサを保護するために予め定められた 頂上値に制限することへ切換えるための手段を含むことを特徴とする、請求項７ に記載の装置。 ９．コントローラは、ポンピング電流を制御してポンピングセルにわたる電圧（ Ｖ_p）をセンサを保護することと両立できる最大値に制限し、電圧（Ｖ_p）が頂上 より下に留まっていることを確認しつつ第２のセルにわたる電圧（Ｖ_s）に対し てポンピング電流サーボ制御シーケンスを繰返し、頂上がＶ_sのサーボ制御支配 により超過されている限りにおいてポンピング電流がＶ_pの頂上と両立できるよ うな態様でポンピング電流を支配することに戻ることによって、動作を初期化す るよう設計されていることを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。 １０．前記監視および制御手段は、ポンピング電流に一時的なインクリメントを 周期的に与え、かつ前記セルの電圧における対応する変化を測定するための手段 を有する、ポンピングセルの抵抗を評価するための手段を含むことを特徴とする 、請求項１から９のいずれかに記載の装置。 １１．コントローラはまた機関制御機能を行なうことを特徴とする、請求項１か ら１０のいずれかに記載の装置。