JP2006003133A - ジルコニア式酸素濃度計 - Google Patents
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Abstract
【課題】 温度上昇率を固定した勾配制御を実現することにより確実に設定温度まで温度上昇させ、計測可能状態に到達するまでの時間を予測できるジルコニア式酸素濃度計を実現する。
【解決手段】 加熱した安定ジルコニアの固体電解質セラミックによって隔壁を作り、この隔壁の両側にガス透過性の多孔室白金電極を構成し、隔壁の両側に酸素分圧の異なるガスを導入して酸素濃度を検出するジルコニア式酸素濃度計において、設定温度になるまでは予め定めた温度上昇率に従って温度勾配を制御する。
【選択図】 図１
【解決手段】 加熱した安定ジルコニアの固体電解質セラミックによって隔壁を作り、この隔壁の両側にガス透過性の多孔室白金電極を構成し、隔壁の両側に酸素分圧の異なるガスを導入して酸素濃度を検出するジルコニア式酸素濃度計において、設定温度になるまでは予め定めた温度上昇率に従って温度勾配を制御する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、ジルコニア式酸素濃度計に関し、電源投入時から測定開始までの時間短縮を図ったジルコニア式酸素濃度計に関するものである。
ジルコニア式酸素濃度計では酸素濃度を検出するセルの表面温度を例えば７５０℃に制御する必要がある。温度制御はＰＷＭ機能を使用して矩形波の電力供給信号を出力しているが、温度上昇が一定となるようにそのデューティー比を制御している。
図３は本発明が適用されるジルコニア式酸素濃度計の一例を示すもので、１は酸素濃度計本体、２はジルコニア式センサ、３はジルコニア式センサ２内に組み込まれたヒータである。この酸素濃度計本体１とジルコニア式センサ２の間はセンサ起電力信号線４、温度信号線５および電力供給線６により結線されている。７はセンサ起電力信号に基づいて演算した酸素濃度を出力する酸素濃度出力信号線、８は接点入力である。
図４は図３の電力供給線６からＰＷＭ機能を使用して供給される矩形波信号であり、例えば、デューティー比７０％とソフトウェアで指定すれば、１サイクルの中の電源ＯＮ時間７０％、電源ＯＦＦ時間３０％のヒーター出力を実現することができる。なお７００℃以降７５０℃まではＰＩＤ制御を使用している。
図５はこのような一定のデューティ比により７００℃まで一定制御を用いて制御した従来の暖機例を示している。
なお、このような設定値が所定の勾配の区間と定置の区間とを持つ温度などのプログラム制御を行うのに適した装置で、通常のＰＩＤ制御と、外乱応答を良くするＰＩＤパラメータおよび設定値変更時のオーバシュートを抑制するＰＩＤパラメータの両方をもって制御する２自由度ＰＩＤ制御とを時間的に切り替える機能を備えたＰＩＤ制御に関するものがある（特許文献１参照）。
また、ヒータを内包した加熱体を第１の設定温度を挟んで所定温度域を維持しながら加熱体との熱接触により未定着トナー像の画像定着を行う温度制御方式において、加熱体の温度Ｔを検出し、その検知温度Ｔが第１の設定温度以下で、予め設定された第２の温度の場合にその設定温度と検知温度との差分温度に基づいた設定曲線に従うように加熱温度を制御する第１の制御手段を選択し、検知温度が第２の温度を超えた場合に、第１の設定温度になるように加熱体の制御を行う第２の制御手段を選択するものがある（特許文献２参照）。
ところで、従来のジルコニア式酸素濃度計においては、７００℃までは一定制御を使用していた。
一定制御とは、７００℃までは一定のデューティー比でヒーター出力することであり、ソフトウェアとしては、現在温度の取得と一定デューティー比の指定だけでよいので温度制御に要するソフトウェアの負荷が少ないという点で優れている。しかし、温度の低い時には温度上昇が大きく、温度が高くなるにつれて温度上昇も緩やかになってくるため、環境によっては７００℃まで温度上昇できない場合があることや計測可能状態（７５０℃）に到達するまでの時間が予想できないことが問題となっていた。
一定制御とは、７００℃までは一定のデューティー比でヒーター出力することであり、ソフトウェアとしては、現在温度の取得と一定デューティー比の指定だけでよいので温度制御に要するソフトウェアの負荷が少ないという点で優れている。しかし、温度の低い時には温度上昇が大きく、温度が高くなるにつれて温度上昇も緩やかになってくるため、環境によっては７００℃まで温度上昇できない場合があることや計測可能状態（７５０℃）に到達するまでの時間が予想できないことが問題となっていた。
従って本発明が解決しようとする課題は、温度上昇率を固定（例えば１℃／1秒）したフィードバック制御（以後、勾配制御）を実現することで、必ず７００℃まで温度上昇させること、計測可能状態に到達するまでに時間も予測できるようにすること。また、温度制御に要するソフトウェアの負荷も少なく、ＰＩＤ制御よりも簡素なソフトウェアとすることを目的とする。
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
加熱した安定ジルコニアの固体電解質セラミックによって隔壁を作り、この隔壁の両側にガス透過性の多孔室白金電極を構成し、隔壁の両側に酸素分圧の異なるガスを導入して酸素濃度を検出するジルコニア式酸素濃度計において、設定温度になるまでは予め定めた温度上昇率に従って温度勾配を制御するようにしたことを特徴とする。
加熱した安定ジルコニアの固体電解質セラミックによって隔壁を作り、この隔壁の両側にガス透過性の多孔室白金電極を構成し、隔壁の両側に酸素分圧の異なるガスを導入して酸素濃度を検出するジルコニア式酸素濃度計において、設定温度になるまでは予め定めた温度上昇率に従って温度勾配を制御するようにしたことを特徴とする。
請求項２においては、請求項１記載のジルコニア式酸素濃度計において、
前記設定温度になるまでは、前記予め定めた温度上昇率に加熱開始時からの経過時間を乗じて算出した温度と実際に測定した温度との差、及び同様に演算した前回の温度差の変化量に応じて加熱制御量を変更するようにしたことを特徴とする。
前記設定温度になるまでは、前記予め定めた温度上昇率に加熱開始時からの経過時間を乗じて算出した温度と実際に測定した温度との差、及び同様に演算した前回の温度差の変化量に応じて加熱制御量を変更するようにしたことを特徴とする。
請求項３においては、請求項１記載のジルコニア式酸素濃度計において、
前記設定温度になるまでは、一定周期で下記の式により今回制御量を求めることを特徴とする。
今回制御量＝前回制御量＋Ｋ１×（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））＋Ｋ２×Δ（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））
ｔ：加熱開始からの経過時間
ｓ：一定時間あたりの温度上昇率
Ｔ（ｔ）：実際に測定した温度（加熱開始からの経過時間によって変化する）
Δ（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））：ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ）についての今回と前回との差分
Ｋ１，Ｋ２；機器の個体差を補正する係数
前記設定温度になるまでは、一定周期で下記の式により今回制御量を求めることを特徴とする。
今回制御量＝前回制御量＋Ｋ１×（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））＋Ｋ２×Δ（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））
ｔ：加熱開始からの経過時間
ｓ：一定時間あたりの温度上昇率
Ｔ（ｔ）：実際に測定した温度（加熱開始からの経過時間によって変化する）
Δ（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））：ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ）についての今回と前回との差分
Ｋ１，Ｋ２；機器の個体差を補正する係数
本発明によれば次のような効果がある。請求項１〜３に記載のジルコニア式酸素濃度計によれば、
設定温度になるまでは一定時間あたりの温度上昇率により温度勾配を制御するとともに、一定時間あたりの温度上昇率に加熱開始時からの経過時間を乗じて算出した温度と実際に測定した温度との差、及び同様に演算した前回の温度差の変化量に応じて加熱制御量を変更するようにしたので、必ず設定温度（ここでは７００℃）まで温度上昇させることができるようになり、計測可能状態に到達するまでに時間も予測することができるようになる。
また、ソフトウェアの面から見ても、ＰＩＤ制御よりも簡素なソフトウェアとなるため、温度制御に要するソフトウェアの負荷が少ない優れたものとなる。
設定温度になるまでは一定時間あたりの温度上昇率により温度勾配を制御するとともに、一定時間あたりの温度上昇率に加熱開始時からの経過時間を乗じて算出した温度と実際に測定した温度との差、及び同様に演算した前回の温度差の変化量に応じて加熱制御量を変更するようにしたので、必ず設定温度（ここでは７００℃）まで温度上昇させることができるようになり、計測可能状態に到達するまでに時間も予測することができるようになる。
また、ソフトウェアの面から見ても、ＰＩＤ制御よりも簡素なソフトウェアとなるため、温度制御に要するソフトウェアの負荷が少ない優れたものとなる。
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るジルコニア式酸素濃度計の温度制御の一例を示すフローチャートである。フローに従って説明する。
電源投入等により制御が開始されると（スタート）、ステップ１において温度信号線５を介して現在温度を取得する（図３参照）。
次にステップ２において、酸素濃度計本体１に設けられた演算手段（図示省略）により測定温度と設定温度（７００℃）を比較する。
電源投入等により制御が開始されると（スタート）、ステップ１において温度信号線５を介して現在温度を取得する（図３参照）。
次にステップ２において、酸素濃度計本体１に設けられた演算手段（図示省略）により測定温度と設定温度（７００℃）を比較する。
比較した結果、７００℃に達していればＰＩＤによる制御を行い、７００℃未満であれば勾配制御処理を実行する。即ち、設定温度と現在温度の差を演算しそれに固有の定数（1次係数）を乗じた数値を前回のヒーター制御量から加減する。
但し、これだけでは、温度値の応答遅れ（ヒータ制御量を変化させてから、変化した温度値読み込むまでの時間）があるため、オーバーシュートが発生してしまう。そこで、現在温度と設定温度の温度差の変化量（温度上昇率の差）を算出して、それに固有の定数（２次係数）を乗じた数値を加減する。実験では５秒ごとに現在値を取得した。これにより５秒毎の温度上昇を知ることができ、一定の温度上昇率（例えば１℃／１秒）を実現することができる。
今回の制御量は次式により演算する。
今回制御量＝前回制御量＋Ｋ１×（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））＋Ｋ２×Δ（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））
ｔ：加熱開始からの経過時間
ｓ：予め定めた一定時間あたりの温度上昇率
Ｔ（ｔ）：実際に測定した温度（加熱開始からの経過時間によって変化する）
Δ（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））：ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ）についての今回と前回との差分
Ｋ１，Ｋ２；実験により求めた機器の個体差を補正する係数
なお、Ｋ１，Ｋ２は温度上昇率を考慮して求める係数で、検出器の種類や個体差を補正するもので実験により求めるものである。
今回制御量＝前回制御量＋Ｋ１×（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））＋Ｋ２×Δ（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））
ｔ：加熱開始からの経過時間
ｓ：予め定めた一定時間あたりの温度上昇率
Ｔ（ｔ）：実際に測定した温度（加熱開始からの経過時間によって変化する）
Δ（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））：ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ）についての今回と前回との差分
Ｋ１，Ｋ２；実験により求めた機器の個体差を補正する係数
なお、Ｋ１，Ｋ２は温度上昇率を考慮して求める係数で、検出器の種類や個体差を補正するもので実験により求めるものである。
図２は常温Ｔの状態で暖機を開始し、所定の温度（７００℃）までの勾配制御と７００℃に達してからのＰＩＤ制御に移行した状態を示す図である。
従って本発明によれば寒冷地においても確実に所定の温度まで上昇させることができ、計測可能になるまでの時間を予測することができる。
従って本発明によれば寒冷地においても確実に所定の温度まで上昇させることができ、計測可能になるまでの時間を予測することができる。
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば、設定温度は必ずしも７００℃である必要はない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
１ 酸素濃度計本体
２ ジルコニア式センサ
３ ヒータ
４ センサ起電力信号線
５ 温度信号線
６ 電力供給線
７ 酸素濃度出力信号線
８ 接点入力
２ ジルコニア式センサ
３ ヒータ
４ センサ起電力信号線
５ 温度信号線
６ 電力供給線
７ 酸素濃度出力信号線
８ 接点入力
Claims (3)
- 加熱した安定ジルコニアの固体電解質セラミックによって隔壁を作り、この隔壁の両側にガス透過性の多孔室白金電極を構成し、隔壁の両側に酸素分圧の異なるガスを導入して酸素濃度を検出するジルコニア式酸素濃度計において、設定温度になるまでは予め定めた温度上昇率に従って温度勾配を制御するようにしたことを特徴とするジルコニア式酸素濃度計。
- 前記設定温度になるまでは、前記予め定めた温度上昇率に加熱開始時からの経過時間を乗じて算出した温度と実際に測定した温度との差、及び同様に演算した前回の温度差の変化量に応じて加熱制御量を変更するようにしたことを特徴とする請求項１記載のジルコニア式酸素濃度計。
- 前記設定温度になるまでは、一定周期で下記の式により今回制御量を求めることを特徴とする請求項１記載のジルコニア式酸素濃度計。
記
今回制御量＝前回制御量＋Ｋ１×（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））＋Ｋ２×Δ（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））
ｔ：加熱開始からの経過時間
ｓ：一定時間あたりの温度上昇率
Ｔ（ｔ）：実際に測定した温度（加熱開始からの経過時間によって変化する）
Δ（ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ））：ｓ×ｔ−Ｔ（ｔ）についての今回と前回との差分
Ｋ１，Ｋ２；機器の個体差を補正する係数
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