JP2016114413A - センサ制御装置およびガス検知システム - Google Patents
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Abstract
Description
なお、ガスセンサの検知セルは、測定対象ガスに含まれる特定成分に応じた起電力を生じるセルであり、ガスセンサの酸素ポンプセルは、ポンプ電流に応じて酸素の汲み入れまたは汲み出しを行うセルである。
通電制御値演算部は、起電力のデジタル値に基づいて、酸素ポンプセルに通電するポンプ電流の通電制御値をデジタル制御で演算する。デジタルアナログ変換部は、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号に基づいて、酸素ポンプセルに対して通電するポンプ電流を生成する。
この場合、第1フィルタ信号は、第2フィルタ信号と比べて、広い周波数帯域成分を含んだデジタル信号となり、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号であって、検知セルの起電力における直近の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。このため、第1フィルタ信号に基づいて生成したポンプ電流を酸素ポンプセルに対して通電することで、検知セルの起電力における直近の変化状態に応じて、酸素ポンプセルによる酸素のポンピングを適切に実行できる。
そして、マルチプレクサは、複数のアナログ信号を1つずつ予め定められた順で出力するにあたり、全てのアナログ信号が出力される全信号出力期間において2回以上出力される頻度高信号と、信号出力期間において1回出力される頻度低信号と、に分類して複数のアナログ信号を出力する。また、頻度高信号には、少なくとも検知セルの起電力が含まれる。
検知セルの起電力としての頻度高信号が一定周期で出力されることで、検知セルの起電力が不規則なタイミングで出力される場合に比べて、通電制御値演算部での演算処理(検知セルの起電力に基づく通電制御値の演算処理など)を簡素化でき、通電制御値を迅速に演算することが可能となる。
次に、上述のマルチプレクサを備えるセンサ制御装置においては、頻度低信号には、酸素ポンプセルの両電極端子および検知セルの両電極端子のうちの少なくとも1つの電極端子の電位と、センサ制御装置の基準電位との間の電位差に関する信号が含まれてもよい。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
[1−1.全体構成]
図1は、本発明が適用された実施形態としてのガス検知システム1の全体構成図である。
ガス検知システム1は、酸素を検出するガスセンサ8と、ガスセンサ8を制御するセンサ制御装置2と、を備えている。ガス検知システム1は、検出した酸素濃度をエンジン制御装置(図示省略)に通知する。
ポンプセル14は、部分安定化ジルコニア(ZrO2 )により形成された酸素イオン伝導性の固体電解質体15と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された一対の多孔質電極16と、を有している。起電力セル24は、部分安定化ジルコニア(ZrO2 )により形成された酸素イオン伝導性の固体電解質体25と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された一対の多孔質電極28と、を有している。
センサ制御装置2は、AD変換部31(アナログデジタル変換部31)、デジタル演算部33、電流DA変換部35(電流デジタルアナログ変換部35)、ガス濃度演算部37、検出信号発生部42、バッファ44、演算増幅器46、基準電圧発生部48、マルチプレクサ50、Rpvs演算部51、ヒータ発熱量演算部53、PWM生成部55、ヒータドライバ57、を備えている。
本実施形態では、マルチプレクサ50に入力される複数のアナログ信号には、「起電力セル24のVs+端子と共通端子COMとの間の電圧」(Vs+−COM間電圧)、「ポンプセル14のIp+端子とグランド電位GNDとの間の電圧」(Ip+−GND間電圧)、「共通端子COMとグランド電位GNDとの間の電圧」(COM−GND間電圧)、「起電力セル24のVs+端子とグランド電位GNDとの間の電圧」(Vs+−GND間電圧)が含まれている。なお、Vs+端子および共通端子COMが、起電力セル24の両電極端子に相当し、Ip+端子および共通端子COMが、ポンプセル14の両電極端子に相当する。
デジタル演算部33は、センサ制御処理、ポンプ電流制御処理などの演算制御処理や、マルチプレクサ50の動作を制御するための信号切替制御処理などを実行する。信号切替制御処理およびポンプ電流制御処理については、後述する。
EEPROMは、演算制御処理の内容や演算制御処理に用いる各種パラメータなどを記憶する記憶部である。また、EEPROMは、制御対象となるガスセンサ8の種類や特性に応じて定められる各種情報(ポンプセル14の許容最大電流など)を記憶している。これらの情報は、センサ制御装置2の製造段階でEEPROMに記憶される。
電流DA変換部35は、デジタル演算部33で演算されたポンプ電流Ipの通電制御値の情報が含まれるDAC制御信号S1に基づいて、DA変換を行い、ポンプセル14に対してポンプ電流Ipを通電する。
ヒータ発熱量演算部53は、デジタル演算により、Rpvs演算部51で演算された内部抵抗値Rpvsに基づいてガスセンサ8温度を演算し、演算された温度をセンサ目標温度に近づける、あるいは維持するために必要なヒータ発熱量を演算する。
デジタル演算部33で実行される各種制御処理のうち、マルチプレクサ50の動作を制御するための信号切替制御処理について説明する。
本実施形態では、信号切替制御処理を実行するデジタル演算部33は、Vs+−COM間電圧のアナログ信号(信号1)、Ip+−GND間電圧のアナログ信号(信号2)、COM−GND間電圧のアナログ信号(信号3)、Vs+−GND間電圧のアナログ信号(信号4)の4つのアナログ信号を、図2に示すような順番で出力するように、マルチプレクサ50の動作を制御する。
このことから、センサ制御装置2は、信号1〜信号4を同じ頻度で出力するマルチプレクサを備える構成と比べて、AD変換部31の性能を向上させることなく、起電力セル24の起電力のサンプリング周波数を高めることができる。
図4に示すような順序で出力されるアナログ信号(信号1〜4)は、いずれもサンプリング周期が200μsで、サンプリング周波数が5kHzである。
信号2は、Ip+−GND間電圧(詳細には、Ip+端子の電位と基準電位であるグランド電位GNDとの間の電位差)のアナログ信号であり、ポンプセル14のうち電流DA変換部35に接続される端部の電位を示すアナログ信号である。信号3は、COM−GND間電圧(詳細には、共通端子COMの電位と基準電位であるグランド電位GNDとの間の電位差)のアナログ信号であり、共通端子COMの電位を示すアナログ信号である。信号4は、Vs+−GND間電圧(詳細には、Vs+端子の電位と基準電位であるグランド電位GNDとの間の電位差)のアナログ信号であり、起電力セル24のうちバッファ44に接続される端部の電位を示すアナログ信号である。
次に、デジタル演算部33で実行される各種制御処理のうち、ポンプ電流制御処理について説明する。
ポンプ電流制御処理を実行する際のデジタル演算部33は、PID演算部61、第1フィルタ部63、第2フィルタ部65の各機能を有している。
この場合、DAC制御信号S1(第1フィルタ信号)は、ガス検出信号S2(第2フィルタ信号)と比べて、広い周波数帯域成分を含んだデジタル信号となり、ポンプ電流Ipの通電制御電流Tipを示すデジタル信号であって、起電力セル24の起電力における直近の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。
以上説明したように、本実施形態のガス検知システム1においては、センサ制御装置2が、マルチプレクサ50と、AD変換部31と、デジタル演算部33と、電流DA変換部35と、を備えている。
このうち、PID演算部61は、目標制御電圧と起電力セル24の検知電圧Vs(起電力セル24の起電力)との偏差ΔVsに基づいてPID演算し、偏差ΔVsが0に近づくように(換言すれば、検知電圧Vsが目標制御電圧に近づくように)ポンプセル14に通電するためのポンプ電流Ipの通電制御値(通電制御電流Tip)を演算する。
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
起電力セル24が検知セルの一例に相当し、ポンプセル14が酸素ポンプセルの一例に相当し、ガスセンサ8がガスセンサの一例に相当し、センサ制御装置2がセンサ制御装置の一例に相当する。起電力セル24におけるVs+端子および共通端子COMが、検知セルの両電極端子の一例に相当し、ポンプセル14におけるIp+端子および共通端子COMが、酸素ポンプセルの両電極端子の一例に相当する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
Claims (3)
- 測定対象ガスに含まれる特定成分に応じた起電力を生じる検知セルと、ポンプ電流に応じて酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンプセルと、を有するガスセンサを制御するセンサ制御装置であって、
前記検知セルの前記起電力のアナログ信号をデジタル値に変換するアナログデジタル変換部と、
前記起電力のデジタル値に基づいて、前記酸素ポンプセルに通電する前記ポンプ電流の通電制御値をデジタル制御で演算する通電制御値演算部と、
前記ポンプ電流の前記通電制御値を示すデジタル信号に基づいて、前記酸素ポンプセルに対して通電するポンプ電流を生成するデジタルアナログ変換部と、
を備えており、
前記ポンプ電流の前記通電制御値を示すデジタル信号から予め定められた第1遮断周波数よりも高い周波数成分を減衰させてなる第1フィルタ信号をデジタル演算により抽出する第1フィルタ部と、
前記第1フィルタ部で抽出された前記第1フィルタ信号から予め定められた第2遮断周波数よりも高い周波数成分を減衰させてなる第2フィルタ信号をデジタル演算により抽出する第2フィルタ部と、
を備え、
前記デジタルアナログ変換部は、前記第1フィルタ信号に基づいて前記ポンプ電流を生成し、
前記第2フィルタ部は、前記第2フィルタ信号を、前記測定対象ガスに含まれる前記特定成分を検出するためのポンプ電流信号として外部に出力すること、
を特徴とするセンサ制御装置。 - 前記第1遮断周波数は、前記第2遮断周波数よりも高い周波数であること、
を特徴とする請求項1に記載のセンサ制御装置。 - 測定対象ガスに含まれる特定成分に応じた起電力を生じる検知セルと、ポンプ電流に応じて酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンプセルと、を有するガスセンサと、
前記ガスセンサを制御するセンサ制御装置と、
を備えるガス検知システムであって、
前記センサ制御装置として、請求項1または請求項2に記載のセンサ制御装置を備えること、
を特徴とするガス検知システム。
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