JP2007522454A - 内部較正式酸素センサの診断及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部及び外部電極（１６、１８）を有する固体電解質酸素センサ（２）をポンピング作用漏れチェックするための一連の方法及び制御を提供する。
【解決手段】第１の方法（Ｍ１００）は、センサ内部基準チャンバを強制的に真空排気状態にしながらこの状態を維持することができる最小ポンピング電流を求めることによって、センサに対して漏れチェックを行う。別のポンピング制御方法（Ｍ２００、３００、４００）は、電流パルスをセンサ電極に印加して外部酸素分圧と内部基準酸素分圧との間の平衡状態を達成する。低減式により、パルスパラメータをセンサ電圧出力の関数として変更する。別の式により、パルス振幅を内部基準チャンバ酸素分圧の関数として変更する。さらに別の式により、較正プロセス中にパルス振幅の初期値を較正ガスにおける酸素分圧の関数として変更する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはガス環境における酸素レベルを検出するために使用する個体電解質センサの制御に関し、具体的には、ポンピング可能な密封内部基準チャンバを内蔵した酸素センサの制御に関する。

従来型の固体電解質酸素センサは、米国特許第６，１７７，００１号（’００１号特許）に記載されている。図５及び図６は、一般的にはジルコニアである固体酸化物材料で形成された従来型のセンサ２を示し、センサ２は、一端部を閉鎖された管状シェル４を含む。シェルは、円筒形チャンバ６を形成し、円筒形チャンバ６は、例えば管状シェルの開口端部にプラグ８を有することによって密封される。酸化物管状シェルの外面１０は、多孔質白金で被覆されて加熱環境１４内のようなセンサ外部のガスに曝される外部電極を形成する。酸化物シェルの円筒形内面１２は、多孔質白金で被覆されてチャンバ６内のガスに曝される内部電極を形成する。内部及び外部白金電極並びにそれら電極を分離する固体酸化物材料は、一般的には７００℃よりも高い高温でセルを作動させるとネルンスト（Ｎｅｒｎｓｔ）原理に従って機能する単一セル酸素センサ２を構成する。センサ２は一般的に、炉１４又はその他の高温環境内に取り付けられる。

センサ２の作動の共通モードは、一般的には空気のような既知の酸素分圧の基準ガスを、２つの電極面の１つ、例えばシェル４の内面１２に供給することである。未知の酸素分圧を有するプロセスガスは、第２の電極面、例えばシェル４の外面１０に供給される。２つの酸素分圧の不平衡に対するセンサの電圧出力の関係は、ネルンスト方程式によって定められる。
Ｅ_１２＝（ＲＴ／４Ｆ）×Ｉｎ（Ｐ１／Ｐ２）
この式において、Ｅ_１２は発生した起電力、Ｒは普遍ガス定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファラデー定数、Ｐ１はプロセスガス酸素分圧、またＰ２は基準ガス酸素分圧である。ネルンスト方程式の適正な操作によって、センサは、未知のガス環境における酸素分圧の示度を与えるようにすることができる。

基準ガスは、シェルの内面１２とシェル内にガスを密封するプラグ８とによって形成されたチャンバ６内に含まれる。リード線１６は、プラグを貫通し、内部電極面に取り付けられる。第２のリード線１８は、外部電極面１０に取り付けられる。内部及び外部リード線１６、１８は、センサ２と適当な制御回路２０との間の電気接続を形成する。

高温環境１４内にセンサ２を配置したとき、管状シェル４の内面及び外面１２、１０の多孔質白金電極へのポンピング電流の印加に応答して温度活性固体電解質を通って酸素イオンが流れるようにすることができる。酸素イオン流は印加電流の極性と反対になるので、印加電流の極性により、酸素イオン流の方向が決定される。このようにして、センサ密封内部基準チャンバ６内の酸素分圧は、電極面１０、１２に印加した電流の関数として実質的に変更することができる。

ポンピング電流を離散的量又はパルスの形態で印加して、ネルンスト電圧が所定値に到達することによって示されるようにチャンバが事実上空（ほぼ真空）であると判定されるまで密封基準チャンバから酸素を除去することができる。更なるステップにおいて、ポンピング電流の極性を逆にしかつ電極１０、１１にパルスを印加して、空気のような既知の酸素分圧を有する一般的にはガスである普通の外部ガス環境から前にほぼ真空にした密封基準チャンバ内に酸素を流すようにする。具体的には、ポンピング電流の印加は、パルスモードの形態で行われ、このパルスモードは、第１の段階における、制御した高さ及び幅を有するパルスと、第２の段階における、その間にはポンピング電流はセンサに印加されないが、センサ電圧読取り値を取って普通の外部環境内の酸素レベルに対する密封内部チャンバ６内の酸素レベルを判定する測定間隔とを含む。この２ステップ式の印加及びポンプ測定プロセスは、測定出力電圧が一般的にはゼロボルトすなわちヌルである所定値に到達するまで続けられる。このヌル状態において、両電極面の酸素分圧は、実質的に均等である。内部基準チャンバをほぼ真空状態からこのヌルすなわち平衡状態に移行させるのに必要なポンピング電流を積分することによって、総印加電荷と移動酸素量との間の関係を計算し、センサ較正係数として記憶することができる。

パルスベースのポンピング法は、適当な極性の電流パルスを印加して、センサ電圧読取り値がほぼゼロ電圧になることによって示されるような２つの分圧が実質的にヌルすなわち平衡状態になるように内部基準チャンバ内への酸素の移動又は内部基準チャンバからの酸素の移動を引き起こすようにすることによって、センサ内部基準チャンバ酸素分圧が様々な外部の未知のガス環境酸素分圧を実質的に追跡するようにすることができる。

ヌルすなわち平衡状態を維持するのに必要なポンピング電流を積分することによって、累積電荷値を確定することができる。前述の較正係数と共にこの電荷値を使用して、内部基準チャンバ内の実酸素分圧を計算することができる。このことにより次に、測定センサ電圧と共にこの計算内部分圧を使用して、外部の未知のガス環境の瞬間酸素分圧値を計算することができる。

図５及び図６に示すセンサに関して、その製造性及び侵食性外部プロセス測定条件のために、漏れ経路が、センサ内部基準チャンバが検査中の外部ガス環境との平衡を実質的に追跡しかつ定量化可能な状態にするようにするセンサシステムの能力に悪影響を与える可能性がある。さらに、上記のセンサポンピングシステムは、外部ガス環境の低分圧、較正ガスの低分圧、又は実質的に低分圧ヌルポイントに近くなった基準及び外部分圧のいずれかによる非常に低い酸素分圧の状況において、指定のポンピング作用を行うことを意図した電荷量が、ポンピングするのに利用できる酸素量よりも多くなり、それによってポンピング機構に振動状態発生の可能性を引き起こし、また／又は過剰なポンピング電流がセンサセルを不都合にも分極させるおそれがあるという付加的な欠点を有する。
米国特許第６，１７７，００１号公報

従って、センサ漏れチェックルーチンを実行することができる改良型のポンピング法を提供することが望ましい。さらに、非常に低い酸素分圧環境で機能することができる改良型のポンピング法を提供することが望ましい。

第１の実施形態では、本発明は、全体的な及び微細なセンサの物理的漏れの両方を検出する診断漏れチェック機能を備えた、固体電解質酸素センサの動作方法を提供する。より具体的には、第１の実施形態は、適当な極性及び特定値の定常状態電流の印加を制御して、センサ内部基準チャンバがセンサ出力電圧の同時測定によって判定されるような酸素の排気状態になるようにする。この排気プロセスに対しては、実験による所定の時間限界値が設けられる。センサが、指定時間限界値内に指定のプログラム出力電圧目標値によって定めたようなほぼ真空状態に到達しない場合には、センサは全体的な物理的漏れがあると考えられる。センサがほぼ真空状態に成功裏に到達した場合には、本方法は、ポンピング電流の印加を実験による所定の下限値まで段階的に低減するように制御しながら、同時に真空センサが示す前述のプログラム電圧値を維持させようとする。このポンピング電流低減プロセスに対しては、実験による所定の時間限界値が設けられる。センサが、指定の時間限界値内に指定の下限ポンピング電流値に到達しない場合には、センサは微細な物理的漏れがあると考えられる。

第１の実施形態の別の態様では、較正係数生成プロセスに与えるポンピング電流パルス振幅の初期値は、標準大気圧における空気の酸素分圧とそれに対してセンサを較正する較正ガスの酸素分圧との間の関係の関数として低減される。この低減の効果は、較正ガス酸素分圧に関連させてポンピング電流をスケールダウンし、それによって低酸素分圧におけるセンサの過剰ポンピングの問題発生の可能性を回避することである。

第１の実施形態のさらに別の態様では、センサヌル追跡すなわちゼロ平衡化プロセスに与えるポンピング電流パルス振幅の瞬間値は、標準大気圧の空気の酸素分圧とセンサ内部基準チャンバの酸素分圧との間の関係の関数として動的に増大又は低減される。この動的操作の効果は、低酸素分圧におけるセンサの過剰ポンピングの問題発生の可能性をさらに回避することである。

第１の実施形態のさらに別の態様では、ポンピング電流パルス振幅の瞬間値、ポンピング電流パルス印加時間及びポンピング電流パルス後緩和時間は、較正又は初期化プロセス中に或いは内部基準追跡プロセス中にセンサがヌルすなわち平衡ポイントに近づいたときに、瞬間測定ネルンスト電圧の関数として動的に低減される。この動的操作の効果は、ポンピングしたセンサのヌルすなわち平衡ポイント近くでの振動挙動の問題発生の可能性を回避することである。

図１は、センサ密封基準チャンバの物理的漏れチェック及び排気を同時に実行する方法を示す。ステップ１０１において、中間計算変数ｉ_ｎｅｗが、センサ内部基準チャンバをポンピングするのに利用できる電流に対する固定上限値を表す第１の最大値ｉ_ＦＳに設定される。より具体的には、この値は、センサポンピング作用を行うのに使用する特定のハードウェア回路の最大設計限界値を表すことになる。

ステップ１０２において、ポンプ回路振幅制御変数ｉ_ｐｕｍｐは、開始上限値ｉ_ｎｅｗに初期化される。ｉ_ｐｕｍｐに記憶された値は制御回路２０（図５）に送られて内部基準チャンバの排気を行う。ステップ１０３からステップ１０５は、内部基準チャンバのポンピングアウトサブループＥＬｏｏｐを含む。ステップ１０３は、制御回路２０内のセンサポンピング機構を起動し、発生するセンサ出力電圧を問い合わせる。ＤＣ電流値ｉ_ｐｕｍｐは、制御回路２０内にラッチされ、適正な極性でセンサの電極１０、１２に連続的に印加されて、酸素イオンを内部電極１２から外部電極１０に移動させるようにする。

センサ電極はまた、制御回路２０の測定機構に取り付けられ、制御回路２０によってセンサ電圧を問い合わせて外部ガス環境に対するセンサ内部基準チャンバの酸素分圧関係の瞬間状態を測定することができる。電極は、あらゆる測定段階の間に、センサ内部基準チャンバの排気により観察電圧が空気のような外部酸素分圧環境の存在下で正方向に移動することになるような極性で制御回路２０に取り付けられる。

ステップ１０４において、排気しているセンサの瞬間電圧値ＳｍＶが、センサ内部基準チャンバがほぼ真空状態に到達したときの電圧出力に対応する予めプログラムした値ＥｍＶよりも大きいかどうかについて判定が行われる。判定がＮＯである場合には、チャンバは未だほぼ真空ではなく、制御はステップ１０５に進む。

ステップ１０５において、ＥＬｏｏｐの各段階内でのステップ１０３の第１の開始からの経過時間が、予めプログラムした時間値ｔ_１と比較される。この経過時間がｔ_１よりも大きい場合には、センサ密封内部基準チャンバ内への外部ガス環境の予期せぬ大量の逆流によってセンサは全体的な物理的漏れがあると推測される。経過時間がｔ_１よりも小さい場合には、制御はステップ１０３に戻り、排気・測定ループが続けられる。

ステップ１０４で行った判定がＹＥＳである場合には、センサはほぼ真空であると理解され、制御はポンピング電流低減段階に進む。

ステップ１０２からステップ１０８は、ポンピング電流低減ループＲＬｏｏｐを含む。ステップ１０６において、ポンプ電流振幅制御変数ｉ_ｐｕｍｐが、予めプログラムした下限値ｉ_ｍｉｎよりも小さいかどうかについて判定が行われる。判定がＹＥＳである場合には、センサはほぼ真空でありかつ漏れもないと考えられ、制御は方法Ｍ１００から次の制御段階に進む。判定がＮＯである場合には、制御はステップ１０７に進む。

ステップ１０７において、ステップ１０３の第１のＲＬｏｏｐ開始からの経過時間が、予めプログラムした時間値ｔ_２と比較される。この経過時間がｔ_２よりも大きい場合には、密封内部基準チャンバ内への外部ガス環境の予期せぬ少量の逆流によってセンサは微細な物理的漏れがあると推測される。経過時間がｔ_２よりも小さい場合には、制御はステップ１０８に進む。

ステップ１０８において、センサに印加されるポンピング電流の現在値が、予めプログラムしたほぼ真空目標電圧ＥｍＶに対する測定センサ電圧ＳｍＶの関係の関数として、以下の式によって変更される。
Ｉ_ｎｅｗ＝ｉ_ｐｕｍｐ×ｋ_１
この式において、
Ｋ_１＝２−（ＳｍＶ／ＥｍＶ）
である。

中間変数ｉ_ｎｅｗは、ステップ１０８における計算の出力値を保持する。制御は次に、ステップ１０２に戻り、ここでポンプ回路振幅制御変数は、ｉ_ｎｅｗに保持された新たなポンピング電流設定ポイントでプログラムされる。

ステップ１０８において概要を前述した式ｋ_１は、各ステップにおける低減の程度がＳｍＶ対ＥｍＶの関係の関数である状態で、ポンピング電流ｉ_ｐｕｍｐを段階的な方式で低減する。ステップ１０４は、ＳｍＶ値がＥｍｖよりも小さいこと、すなわちセンサがほぼ真空にはなってないことにより、ステップ１０８で行った計算値が達成されておらず、それによって常にポンピング電流低減が行われることになることを保証する。

ＲＬｏｏｐの各実行において、センサ電極に供給されるポンピング電流のステップ１０８での低減により、各ＥＬｏｏｐ反復でセンサ内部基準チャンバがさらに排気される比率における対応する低減が生じることになる。時間ｔ_１は、ＲＬｏｏｐ内のあらゆる所定のＥＬｏｏｐ段階に対する完全なループ実行時間の上限値を設定する。

時間ｔ_２は、ＲＬｏｏｐ及びそのネスト化サブループＥＬｏｏｐからなる完全な排気・電流低減プロセスの上限値を設定する。実際には、時間ｔ_２は、センサ内部基準チャンバがポンピング電流限界値ｉ_ｍｉｎを達成しようとするときの個々のＥＬｏｏｐｔ_１時間全ての累積値の上限値である。

全体的な物理的漏れが存在する場合、センサ内部基準チャンバ内への比較的大量のガス逆流は、ポンピング電流源によってもたらされる排気作用をより大きく弱めることになることが理解される。この場合、センサ電圧ＳｍＶは、ｔ_１の比較的短い時間限界値内には目標値ＥｍＶに到達しない。従って、ＥＬｏｏ作用は、一次漏れチェックとして機能する。

微細な物理的漏れが存在する場合、センサ内部基準チャンバ内への比較的少量のガス逆流は、ＳｍＶを所定のＥＬｏｏｐステップ内で目標ＥｍＶに回復させるようにポンピング電流を低減するＲＬｏｏｐの能力を妨げないが、センサがｔ_２の比較的長い時間限界値内に目標限界電流ｉ_ｍｉｎに到達することを妨げることになることがさらに理解される。従って、ＲＬｏｏｐ作用は、二次漏れチェックとして機能する。

一般的には監視プログラムにより実行されるソフトウェアシーケンスを含む方法Ｍ１００（図１）に概説したステップは、センサ較正又は初期化プロセス時に手動又は自動のいずれかで開始することができることが期待される。ソフトウェアシーケンス制御は、方法Ｍ１００から、方法Ｍ２００（図２）に進んで較正ガスを使用するセンサ較正プロセスを開始するか、又は後でさらに説明する方法Ｍ３００（図３）に進んで未知の処理環境に対するセンサ初期化プロセスを開始することになる。

図２は方法Ｍ２００を示し、この方法Ｍ２００よって、センサ内部基準チャンバは、空気のような既知の外部ガス環境又は較正ガスに対してヌルすなわち平衡になるようにされる。制御した電流パルスを適正な極性でセンサ電極に印加して、酸素イオンを外部電極面から内部電極面に移動させるようにする。ポンピングプロセスは、測定センサネルンスト電圧がほぼゼロボルトになり、それによって内部基準チャンバ及び外部環境の酸素分圧が実質的に同一になる平衡ポイントを示すまで続けられる。従来行っているのと同様に、印加電流パルスは、時間に関して積分され、得られた総電荷量及び現在既知の内部基準チャンバ酸素分圧値を使用して、プロセス酸素測定機能でさらに使用するセンサ特定較正係数を生成する。

ステップ２０１において、ポンプパルス作動（ＯＮ）時間制御変数ＯＴ_ｐｕｍｐが、所定の最大初期値ＯＴ_ＳＰに初期化される。ＯＴ_ｐｕｍｐは、ポンプ制御回路を通してセンサ電極に供給される電流パルスの幅を制御する。

ステップ２０２において、ポンプパルス緩和（ＲＥＬＡＸＡＴＩＯＮ）時間制御変数ＲＴ_ｐｕｍｐが、所定の最大初期値ＲＴ_ＳＰに初期化される。ＲＴ_ｐｕｍｐは、印加電極パルスの終了とセンサ電圧測定が行われるポイントとの間の時間間隔の幅を制御する。

ステップ２０３において、中間計算変数ｉ_ｎｅｗが初期ポンピング電流値に初期化され、ここで、この値は、標準気圧値における空気の酸素分圧ｓＰＰ_ＡＩＲに対する適用較正ガスの酸素分圧ａＰＰ_ＣＡＬの関係によって条件付けられたフルスケール電流限界値ｉ_ＦＳである。この関係は、以下の式で定められる。
ｉ_ｎｅｗ＝ｉ_ＦＳ×ｋ_２
この式において、

である。

上記の式の実施形態では、ｓＰＰ_ＡＩＲは、式ｋ_２の効果がセンサ電極に印加される初期ポンピング電流値を外部較正ガス酸素分圧ａＰＰ_ＣＡＬの関数として低減することになるような定数とする。

ポンプスケール係数変数ｓｆｐは一般的に、低減効果をａＰＰ_ＣＡＬに対して線形にする１の値と較正ヌル平衡をａＰＰ_ＣＡＬに関係のない定数にするのに必要でありかつ単にＯＴ_ＳＰ、ＲＴ_ＳＰ及びｉ_ＦＳポンプ係数並びに後で詳述するポンプ低減式及びそれぞれのスケール係数ｋ_３、ｋ_４、ｋ_５及びｓｆｉ、ｓｆｏ、ｓｆｒによって決定される時間量とに設定される。

式ｋ_２は、必要なポンピング電流を適用較正ガスに一致させ、低い較正ガス酸素分圧におけるセンサの過剰ポンピングの問題を排除する。ポンプスケール係数変数ｓｆｐは、１よりも小さいか又は１よりも大きい値に設定して、非常に低い酸素分圧又は異常なガス動的挙動に適応することができる。

ステップ２０３の別の実施形態では、最大上限値は式ｋ_２の結果に合わせたものとし、ａＰＰ_ＣＡＬ対ｓＰＰ_ＡＩＲの比率を１よりも大きい値とする場合には、ｋ_２を強制的に１の値にして、それによって最大ポンプ電流出力ｉ_ｐｕｍｐを常にｉ_ＰＳに制限するようにする。

ステップ２０４において、ポンプ回路振幅制御変数ｉ_ｐｕｍｐは、予め条件付けた初期上限値ｉ_ｎｅｗに初期化される。ｉ_ｐｕｍｐに記憶した値は、ポンプ制御回路に送られた電流パルス振幅値を設定する。

ステップ２０５は、ポンプ制御機構を起動し、発生するセンサネルンスト電圧を問い合わせる。振幅ｉ_ｐｕｍｐ及び幅ＯＴ_ｐｕｍｐのパルスが、センサに印加される。パルス印加の終わりにＲＴ_ｐｕｍｐの緩和時間を設け、それによってポンピング電流を止めて、センサ出力が安定値に安定するのを可能にする。緩和時間の終わりに電圧測定を行い、得られた値は、次のステップに送られる。

ステップ２０６において、測定センサネルンスト電圧の絶対値ＡｎＶが、ＮＷすなわちヌルウインドウ限界値内であるかどうかについて判定が行われる。ヌルウインドウは、センサ内部基準チャンバ分圧が外部較正ガス分圧に対してヌルすなわち平衡ポイントに到達したときにおけるセンサ電圧出力の必要な測定許容範囲に対応する予めプログラムした値である。ヌルウインドウは、このヌル平衡処理の終了を制御する限界値である。判定が、測定センサ電圧がヌルウインドウによって規定した限界値内であるというＹＥＳである場合には、センサは実質的にヌルすなわち平衡状態になっており、制御は方法Ｍ２００から次の制御段階に進む。判定がＮＯである場合には、センサは未だヌルポイントにはなっておらず、制御はステップ２０７に進む。

ステップ２０７において、ステップ２０５の第１の開始からの経過時間が、予めプログラムした時間値ｔ_３よりも大きいかどうかについて判定が行われる。判定がＹＥＳである場合には、センサは物理的及び／又は電気的故障モードを発生したと推測される。判定がＮＯである場合には、制御はステップ２０８に進む。

ステップ２０８において、ＡｎＶの値が、後で詳述する動的低減式の開始のトリガーになる予めプログラムした値ｍＶＴｒｉｐよりも小さいかどうかについて判定が行われる。判定がＮＯである場合には、制御はステップ２０５に戻り、センサはステップ２０１からステップ２０４において初期化されたパルスパラメータ値で再びポンピングされる。

ステップ２０８における判定がＹＥＳである場合には、制御はステップ２０９、２１０及び２１１の動的低減式に進む。

ステップ２０９において、ステップ２０３において生成されたポンプ回路振幅制御変数値はさらに、ＡｎＶ対ＥｍＶの関係の関数として以下の式によって変更される。
ｉ_ｐｕｍｐ＝ｉ_ｎｅｗ×ｋ_３
この式において、
Ｋ_３＝１＋（ｓｆｉ×［（ＡｎＶ／ＥｍＶ）−１］）
である。

スケール係数ｓｆｉはさらに、この式から得られた低減の振幅を制御する。

ステップ２１０において、ステップ２０１において生成されたポンプ回路パルス作動時間制御変数値は、ＡｎＶ対ＥｍＶの関係の関数として以下の数式によって変更される。
ＯＴ_ｐｕｍｐ＝ＯＴ_ｓｐ×ｋ_４
この式において、
ｋ_４＝１＋（ｓｆｏ×［（ＡｎＶ／ＥｍＶ）−１］
である。

スケール係数ｓｆｏはさらに、この式から得られた低減の振幅を制御する。

ステップ２１１において、ステップ２０２で生成されたポンプ回路パルス緩和時間制御変数値は、ＡｎＶ対ＥｍＶの関係の関数として以下の式によって変更される。
ＲＴ_ｐｕｍｐ＝ＲＴ_ＳＰ×ｋ_５
この式において、
ｋ_５＝１＋（ｓｆｒ×［（ＡｎＶ／ＥｍＶ）−１］
である。

スケール係数ｓｆｒはさらに、この式から得られた低減の振幅を制御する。

ステップ２０９、２１０及び２１１の効果は、センサの瞬間測定ネルンスト電圧出力に基づいてヌル平衡処理に対して中断又は減速作用を適用することである。本発明の好ましい実施形態では、トリガー値ｍＶＴｒｉｐは、最大ポンピング速度及び高速ヌル平衡化を可能にし、またポンプシステム帯域幅全体を可能な限り効果的に広く保つようにプログラムされる。先行するステップにおいて生成された新たなパルス制御値は、次のポンプ測定サイクル時に使用するためにステップ２０５に戻される。

式ｋ_２と共にこれら３つの低減式ｋ_３、ｋ_４及びｋ_５は、センサ電極に印加されるポンピングパルスを電極面における瞬間分圧状態に一致させて、ヌル平衡ポイントにおける又はヌル平衡ポイント近傍でのポンプ振動の問題を排除する。

方法Ｍ２００が成功裏に完了すると、酸素センサは較正プロセスが完了したこと、及びセンサ特定較正係数がプロセス酸素測定使用のために生成されかつ記憶されたことが理解される。

図３は、方法Ｍ３００を示し、この方法３００によって、センサ内部基準チャンバは、未知の外部ガス環境に対してヌルすなわち平衡になるようにされる。方法Ｍ３００は、方法Ｍ２００に類似しており、幾つかのステップを方法Ｍ２００と共有していることが認められる。Ｍ２００と同一であるＭ３００のこれらステップについては、より詳細にはＭ２００の説明を参照されたい。

方法Ｍ３００は、センサ初期化プロセス時に手動又は自動で開始することができ、この初期化プロセスの範囲内の最初の作業として方法Ｍ１００が先行することになる。方法Ｍ３００はさらに、方法Ｍ１００及びＭ２００に含まれるセンサ較正プロセスの以前の実行を予測している。

ステップ３０１及びステップ３０２において、ポンプ回路制御値ＯＴ_ｐｕｍｐ及びＲＴ_ｐｕｍｐは、Ｍ２００のそれぞれステップ２０１及びステップ２０２におけるのと同様に初期化される。

ステップ３０３において、ポンプ振幅制御変数ｉ_ｐｕｍｐは、フルスケールポンプ電流限界値ｉ_ＦＳに初期化される。

ステップ３０４は、Ｍ２００のステップ２０５におけるのと同様にポンプ制御機構を起動し、発生するセンサネルンスト電圧を問い合わせる。ステップ３０４は、センサ内部基準チャンバ酸素分圧の初期値ａＰＰ_ＲＥＦを計算する付加的機能を有する。

方法Ｍ３００の開始時には、センサ内部基準チャンバは方法Ｍ１００の作用によってほぼ真空状態になっていると予測される。ステップ３０１からステップ３０３までの効果は、ａＰＰ_ＲＥＦの最初の決定を行うのを予測してセンサ電極に印加する第１のポンピングパルスのパラメータを定めることである。このａＰＰ_ＲＥＦの第１の値は、従来技術で説明したように、センサ較正係数とｉ_ｐｕｍｐ及びＯＴ_ｐｕｍｐから決定した第１のポンピングパルスの電荷値とを使用して計算される。

ステップ３０５において、ＡｎＶの値が、ステップ２０６で説明したように予めプログラムしたＮＷ限界値内にあるかどうかについて判定が行われる。判定がＹＥＳである場合には、センサは実質的にヌルになっていると考えられ、制御は方法Ｍ３００から次の制御段階に進む。判定がＮＯである場合には、センサは未だヌルポイントにはなっておらず、制御はステップ３０６に進む。

ステップ３０６において、ステップ３０４の最初の開始からの経過時間が、前述の時間値ｔ_３よりも大きいかどうかについて判定が行われる。判定がＹＥＳである場合には、センサは物理的及び／又は電気的故障モードを発生したと推測される。判定がＮＯである場合には、制御はステップ３０７に進む。

ステップ３０７において、ＡｎＶの値がステップ２０８で説明したようにｍＶＴｒｉｐよりも小さいかどうかについて判定が行われる。判定がＮＯである場合には、動的低減トリガーポイントｍＶＴｒｉｐに到達しておらず、制御はステップ３０８に進む。ステップ３０８において、ポンプ振幅制御変数ｉ_ｐｕｍｐは、前述の定数ｓＰＰ_ＡＩＲに対するステップ３０４で計算したセンサ内部基準チャンバの酸素分圧ａＰＰ_ＲＥＦの関係によって条件付けられたフルスケールポンプ電流限界値ｉ_ＦＳに設定される。この関係は、以下の数式で定められる。
ｉ_ｐｕｍｐ＝ｉ_ＦＳ×ｋ_６
この式において、

である。

式ｋ_２におけるのと同様に、ポンプスケール係数変数ｓｆｐは一般的に、ｋ_６の操作を特性において線形にする１の値に設定され、ｋ_２におけるのと同様にｋ_６の結果は、ａＰＰ_ＲＥＦがｓＰＰ_ＡＩＲよりも大きい場合には強制的に１の値にされる。

式ｋ_６は、瞬間印加ポンピング電流振幅をセンサ内部基準チャンバ内の普通の酸素分圧レベルに一致させて、低い外部プロセス酸素処理分圧におけるセンサの過剰ポンピング及び発生する不利な電極分極の問題を回避するようにする。

制御は次に、新たに変更したｉ_ｐｕｍｐの値及び変更していないＯｔ_ｐｕｍｐ及びＲｔ_ｐｕｍｐの値を使用する次のポンプサイクルのためにステップ３０４に戻る。

ステップ３０７における判定がＹＥＳである場合には、制御は、ステップ３０９からステップ３１１までの動的低減アルゴリズムに進む。

ステップ３０９において、ポンプ電流振幅制御変数値は２つの係数の関数として変更され、それらの係数は、方法Ｍ２００のステップ２０９で説明したようなｋ_３と前のステップ３０８で説明したようなｋ_６とである。

ステップ３１０において、ポンプ回路パルス作動時間制御変数値は、方法Ｍ２００のステップ２１０で説明したような式ｋ_４によって変更される。

ステップ３１１において、ポンプ回路パルス緩和時間制御変数値は、方法Ｍ２００のステップ２１１で説明したような式ｋ_５によって変更される。

上記のステップで生成された新たなパルス制御値は、次のポンプ測定サイクル時に使用するためにステップ３０４に戻される。

方法Ｍ２００におけるのと同様に、ステップ３０９、３１０及び３１１における式ｋ_３、ｋ_４及びｋ_５は、センサの瞬間測定ネルンスト電圧出力に基づいてヌル平衡処理に対して中断又は減速作用を適用するが、式ｋ_６を付加することにより、ａＰＰ_ＲＥＦが変化するにつれてポンピング電流振幅は増大するか又は減少するかのいずれかになることになる。

方法Ｍ３００が成功裏に完了すると、酸素センサは未知の外部プロセスガスに対して初期化処理が完了したことが理解される。センサ内部基準チャンバの酸素分圧ａＰＰ_ＲＥＦは今や、方法Ｍ３００を完了するのに必要な総電荷値と方法Ｍ２００において生成したセンサ較正係数とを使用して計算することができる。内部及び外部センサ酸素分圧環境は、ほぼゼロボルトであるセンサネルンスト出力によって示されるように実質的に等しいので、次に、外部環境酸素分圧ａＰＰ_Ｏ２は、この計算ａＰＰ_ＲＥＦ値と数値的に等しくなければならないことになる。

図４は方法Ｍ４００を示し、この方法Ｍ４００によって、センサ密封内部基準チャンバは、変化する未知の外部ガス環境に対して再ヌルすなわち再平衡状態にすることができる。方法Ｍ４００は、方法Ｍ２００及びＭ３００に類似しており、幾つかのステップを方法Ｍ２００及びＭ３００と共有していることが認められる。ステップが同一の機能を共有する場合のより詳細な説明については、先行する方法の適当なステップを参照されたい。

方法Ｍ４００は、所定の条件が満たされたとき、測定プロセス時に監視プログラムにより自動的に開始することができる。方法Ｍ４００はさらに、方法Ｍ１００及びＭ２００に含まれるセンサ較正プロセス及び方法Ｍ１００及びＭ３００に含まれるセンサ初期化プロセスの以前の実行を予測している。方法Ｍ４００は、センサネルンスト電圧出力が所定の閾値ＲｅｎｕｌｌＴｒｉｐと交差したときに、外部プロセス環境測定モードにより開始することができる。ＲｅｎｕｌｌＴｒｉｐは、ヌル追跡動作が開始される前に許容される最大レシオメトリック内部対外部酸素分圧不平衡を定める。

ステップ４０１及びステップ４０２において、ポンプ回路制御変数ＯＴ_ｐｕｍｐ及びＲＴ_ｐｕｍｐは、Ｍ２００のそれぞれステップ２０１及び２０２と同様に初期化される。ステップ４０３において、ポンプ振幅制御変数ｉ_ｐｕｍｐは、方法Ｍ３００のステップ３０８で説明したのと同様にａＰＰ_ＲＥＦ対ｓＰＰ_ＡＩＲの関係によって条件付けられたフルスケールポンプ電流限界値ｉ_ＦＳに設定される。方法Ｍ４００の開始時には、ａＰＰ_ＲＥＦの現在値は既知であり、普通の外部プロセス環境酸素分圧値の計算において監視プログラムによって使用されることになる。従って、この既知のａＰＰ_ＲＥＦ値は、ステップ３０８で説明したような式ｋ_６で使用されて、センサ内部基準チャンバ酸素分圧に基づいてポンピング電流変更を行う。

ステップ４０４は、ポンプ制御機構を起動し、発生するセンサネルンスト電圧を問い合わせ、かつステップ４０１及び４０３においてプリセットした印加電荷と前述のセンサ較正係数とに基づいてａＰＰ_ＲＥＦの値を更新する。ステップ４０５において、ＡｎＶの値がステップ２０６で説明したのと同様にＮＷ限界値の範囲内であるかどうかについて判定が行われる。判定がＹＥＳである場合には、センサは実質的にヌルであると考えられ、制御は、方法Ｍ４００から監視プログラムに戻る。判定がＮＯである場合には、センサは未だヌルポイントにはなっておらず、制御はステップ４０６に進む。

ステップ４０６において、ＡｎＶの値がステップ２０８で説明したようにｍＶＴｒｉｐ値よりも小さいかどうかについて判定が行われる。判定がＮＯである場合には、動的低減トリガーポイントｍＶＴｒｉｐに到達しておらず、制御は、ａＰＰ_ＲＥＦの更新値を使用するステップ４０３に戻る。ステップ４０６における判定がＹＥＳである場合には、制御はステップ４０７からステップ４０９までの動的低減アルゴリズムに進む。ステップ４０７において、ポンプ電流振幅制御変数値は２つの係数の関数として変更され、それらの係数は、方法Ｍ２００のステップ２０９において説明したようなｋ_３と方法Ｍ３００のステップ３０８において説明したようなｋ_６とである。ステップ４０８において、ポンプ回路パルス作動時間制御変数値は、方法Ｍ２００のステップ２１０において説明したような式ｋ_４によって変更される。ステップ４０９において、ポンプ回路パルス緩和時間制御変数値は、方法Ｍ２００のステップ２１１において説明したような式ｋ_５によって変更される。上記のステップにおいて生成された新たなパルス制御値は、次のポンプ測定サイクル時に使用するためにステップ４０４に戻される。

方法Ｍ２００におけるのと同様に、ステップ４０７、４０８及び４０９における式ｋ_３、ｋ_４及びｋ_５は、センサの瞬間測定ネルンスト電圧出力に基づいてこの再ヌル追跡処理に対して中断又は減速作用を適用するが、式ｋ_６を付加することにより、ａＰＰ_ＲＥＦが変化するにつれてポンピング電流振幅は増大するか又は減少するかのいずれかになることになる。式ｋ_６は、瞬間印加ポンピング電流振幅をセンサ内部基準チャンバ内の普通の酸素分圧レベルに一致させて、低い外部プロセス酸素処理分圧におけるセンサの過剰ポンピング及び発生する不利な電極分極の問題を回避するようにする。説明したように、方法Ｍ４００の作用は３つの設定値によって制御される。ＲｅｎｕｌｌＴｒｉｐ値は、方法の開始ポイントを決定する。ｍＶｔｒｉｐ値は、動的低減式の開始ポイントを決定する。ヌルウインドウ値は、この再ヌル追跡処理のヌルポイント又は停止ポイントを決定する。方法Ｍ４００が成功裏に完了すると、内部及び外部センサ環境が再びヌルすなわち平衡ポイントを達成し、制御は、監視プログラムに戻ってプロセス測定動作を再開することが理解される。

本発明は、センサシステムがその構造がマルチセル型であり、本方法及び式が測定セルとは別個にポンプセルを制御する他の実施形態を意図している。本発明はさらに、説明した方法及び式のために前述のポンプ調整変数の単一セット又は複数セットを使用することを意図している。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

固体電解質酸素セルの密封内部基準チャンバに対して物理的漏れチェック及び排気処理を同時に実行するルーチンを示すフローチャート及び関係式。 固体電解質酸素セルの密封内部基準チャンバに対して動的制御したヌル平衡化較正プロセスを実行するルーチンを示すフローチャート及び関係式。 固体電解質酸素セルの密封内部基準チャンバに対して動的制御したヌル平衡化初期化プロセスを実行するルーチンを示すフローチャート及び関係式。 固体電解質酸素セルの密封内部基準チャンバに対して動的制御した再ヌル追跡プロセスを実行するルーチンを示すフローチャート及び関係式。 固体電解質酸素セルを示す概略図。 酸素セルを断面で示す概略図。

符号の説明

２ センサ
４ 管状シェル
６ チャンバ
１０ 外部電極
１２ 内部電極
２０ 制御回路

Claims (10)

1. 内部電極（１６）及び外部電極（１８）を有する固体電解質酸素センサ（２）の密封内部基準チャンバを真空排気しかつ該基準チャンバ内の漏れを検出する方法であって、
   ａ．前記内部及び外部電極に第１の直流（ＤＣ）ポンピング電流を印加して（１０２）前記基準チャンバを真空排気しながら、センサ電圧を測定し（１０３）かつ前記ＤＣポンピング電流の印加からの経過時間を測定するステップと、
   ｂ．前記測定センサ電圧及び測定経過時間をそれぞれ所定のセンサ電圧限界値及び第１の所定の経過時間限界値と比較して、前記基準チャンバ内の漏れの存在を確認するステップ（１０４、１０５）と、
   ｃ．前記センサ電極に印加するＤＣポンピング電流を徐々に低減させて前記基準チャンバの真空排気を続けるステップ（１０８）と、
   ｄ．前記電流を低減させながら、前記低減ＤＣポンピング電流を所定の電流限界値と比較し（１０６）かつ前記経過時間を第２の所定の時間限界値と比較し（１０７）て、前記チャンバ内の漏れを検出するステップと、
   を含む方法。
2. 中間計算変数ｉ_ｎｅｗを介してポンプ電流振幅制御変数ｉ_ｐｕｍｐを第１の最大値ｉ_ＦＳに初期化するステップ（１０１）をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. センサ排出ループ（Ｍ１００）をさらに含み、前記センサ排出ループが、
   前記電極間のＤＣポンプ電圧が所定のポンプ電圧限界値よりも大きいかどうかを判定して、前記チャンバが真空排気されているかどうか判定するステップ（１０４）と、
   第１の経過時間限界値（１０５）が、前記排気ループの間にかつ前記ＤＣポンプ電圧が前記所定のポンプ電圧限界値よりも大きいことによって示されるような前記チャンバの完全な真空排気の完了の前に、発生したかどうかを判定するステップと、
   を含む、請求項１記載の方法。
4. 前記センサの真空排気を判定するステップ（１０４）が、前記ＤＣポンプ電圧値ＳｍＶを、前記チャンバが実質的に真空排気されたときに発生するポンプ電圧に対応する前記所定のポンプ電圧限界値ＥｍＶと比較するステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
5. 前記経過時間限界値を判定するステップ（１０５）が、前記ＤＣポンピング電流の第１の印加からの経過時間を、それよりも大きい経過時間がチャンバ内の漏れを示すような第１の予めプログラムした時間限界値ｔ_１と比較するステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
6. ポンピング電流低減ループをさらに含み、前記ポンピング電流低減ループが、
   最小ポンピング電流が、前記ポンピング電流を低減したときに印加されたかどうか判定するステップ（１０６）と、
   前記最小電流が未だ印加されていない場合には、前記経過時間が前記ポンピング電流を低減するための時間限界値を超えているかどうかを判定するステップ（１０７）と、
   を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記ポンピング電流を低減するステップが、
   ポンプ電流振幅制御変数ｉ_ｐｕｍｐを、前記経過時間の間の第１の反復における予めプログラムした最大値ｉ_ＦＳ及び更なる反復においての各先行するｉ_ｐｕｍｐ値の条件付き低減値に設定した中間計算変数ｉ_ｎｅｗに保持された値ｉ_ｎｅｗに設定するステップ（１０８）、
   をさらに含む、請求項６記載の方法。
8. 前記最小ポンピング電流を判定するステップが、
   前記印加されたポンピング電流ｉ_ｐｕｍｐを予めプログラムした最小ポンピング電流限界値ｉ_ｍｉｎと比較するステップ（１０６）と、
   前記印加ポンピング電流が前記所定の最小電流よりも小さい場合には、前記チャンバは漏れがないと判定するステップ（１０６）と、
   をさらに含む、請求項６記載の方法。
9. 前記経過時間を判定するステップが、前記ＤＣポンピング電流の第１の印加からの経過時間を第２の予めプログラムした時間限界値ｔ_２と比較して、ｔ_２よりも大きい経過時間が前記チャンバ内の漏れを示すようにするステップ（１０７）をさらに含む、請求項６記載の方法。
10. 後続のポンピング電流ｉ_ｎｅｗが、以下の式のような先行するポンプ電流ｉ_ｐｕｍｐの関数として決定され（１０８）、
    ｉ_ｎｅｗ＝ｉ_ｐｕｍｐ×ｋ_１
    この式において、
    ｋ_１＝２−［（ＳｍＶ）／（ＥｍＶ）］
    であり、ＳｍＶは電流ＤＣポンプ電圧であり、ＥｍＶはチャンバが実質的に真空排気されたときに発生するポンプ電圧に対応する、
    請求項７記載の方法。

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