JP2017166845A - Method for adjusting sensor to improve signal output stability for mixed gas measurement - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は概して、関連技術において請求される本発明者の方法又は技法における改良に関しており、その方法又は技法は、燃焼排気中に一般に見出されるガスを検出する混合電位ガスセンサを調節するため、パルス放電の印加によってガスセンサを調節する方法又は技法である。 The present invention relates generally to improvements in the inventor's method or technique claimed in the related art, which method or technique uses a pulsed discharge to adjust a mixed potential gas sensor that detects gases commonly found in combustion exhaust. A method or technique for adjusting a gas sensor by application of
ジルコニア酸素センサで使用される検出素子は概してジルコニアシンブルで形成されており、このジルコニアシンブルは、内側及び外側が金属(通常は白金)で被覆され電極を形成している。そしてこの電極を使用して、シンブル外側の測定ガスと、シンブル内側の参照ガス(通常は大気)との間の酸素濃度差を測定する。酸素濃度差は、2つの電極間の電圧を測定することにより計算することができる。 The detection element used in the zirconia oxygen sensor is generally formed of zirconia thimble, and this zirconia thimble is coated with metal (usually platinum) on the inside and outside to form an electrode. This electrode is used to measure the oxygen concentration difference between the measurement gas outside the thimble and the reference gas (usually the atmosphere) inside the thimble. The oxygen concentration difference can be calculated by measuring the voltage between the two electrodes.
2つの伝導性(Pt)電極を隔てるガス不透過性ジルコニアセラミックスを備えた固体電解質酸素センサは、動力装置での燃焼制御、及び自動車内燃機関の排気装置での燃焼制御用に広く使用されている。産業的な燃焼制御に対して酸素センサを使用するには、センサは一定の性能基準、すなわち、典型的に3〜5%の相対精度(又は0.1〜0.2%の絶対精度)、10秒未満の応答時間、及び典型的に1年より長い耐用期間を示さなければならない。 Solid electrolyte oxygen sensors with gas-impermeable zirconia ceramic separating two conductive (Pt) electrodes are widely used for combustion control in power systems and combustion control in exhaust systems of automotive internal combustion engines . To use an oxygen sensor for industrial combustion control, the sensor has a certain performance criterion, typically 3-5% relative accuracy (or 0.1-0.2% absolute accuracy), It must exhibit a response time of less than 10 seconds and a service life typically longer than one year.
これらのセンサを活性化する改良された方法は、米国特許第7,585,402号、及び後の一部継続出願である、2005年6月15日に提出し係属中である米国特許出願第11/152,971号において考察されている、本発明者自身の関連従来技術において記載されている。パルス放電技法の典型的な模式図を以下の図1に示す。図1は、先の発明のセンサ調節の描写である。 An improved method of activating these sensors is described in U.S. Patent No. 7,585,402 and a later continuation application, U.S. Patent Application No. 11 / 152,971, which is described in the inventor's own related prior art. A typical schematic of the pulsed discharge technique is shown in FIG. 1 below. FIG. 1 is a depiction of the sensor adjustment of the previous invention.
本発明者自身の活性化方法を用いて作製されたセンサは、性能において、非常に多数の改良をもたらす。このようなシンブルセンサは、酸素センサとして、平面型設計と競合的に使用することができるだけでなく、同じセンサ電極を用いてNOX及びO2を連続して直接測定する混合電位センサとしても使用することができる。混合電位センサのこの二元機能は、現在の自動車用(すなわち排ガス酸素(EGO))平面型O2センサと比べ、関連技術において記載される利点を有することができるが、シンブル型センサからのセンサ示度の安定性には、それ自身のシンブル設計形状及び配向により生じるいくつかの作動上の難題がある。これらのセンサの安定性及びセンサの出力の安定性は湿気により悪影響を受けると仮定すると、それらのセンサは露点が高い環境でのみ有効である。平面型センサは概して、センサ表面温度がわかるよう、又はセンサ表面温度を制御するよう、センサ表面に加熱素子を組み込んでいるが、シンブル型センサの3次元形状における変化によりこのような解決法は非実用的となる。 Sensors made using our own activation method provide a great number of improvements in performance. Such a thimble sensor can not only be used competitively with a planar design as an oxygen sensor, but also as a mixed potential sensor that directly and directly measures NO x and O 2 using the same sensor electrode. can do. This dual function of the mixed potential sensor can have the advantages described in the related art compared to the current automotive (ie exhaust gas oxygen (EGO)) planar O 2 sensor, but the sensor from the thimble sensor The stability of the reading has several operational challenges caused by its own thimble design shape and orientation. Assuming that the stability of these sensors and the output of the sensors are adversely affected by moisture, they are only effective in environments with high dew points. Planar sensors generally incorporate heating elements on the sensor surface to know the sensor surface temperature or to control the sensor surface temperature, but such a solution is not possible due to changes in the three-dimensional shape of the thimble sensor. Be practical.
したがって、非常に低い濃度で、且つ混合ガスに対し、安定なセンサ分解能である利点を得るためには、センサインピーダンスが適切な範囲内にあるときに測定し、好ましくはそのような適切な範囲内にセンサインピーダンスを制御することができることは有益であろう。 Therefore, in order to obtain the advantage of stable sensor resolution at a very low concentration and for a gas mixture, it is measured when the sensor impedance is within an appropriate range, preferably within such an appropriate range. It would be beneficial to be able to control the sensor impedance.
高温でガスセンサインピーダンス(抵抗)を連続的に測定することによる、上記のパルス放電技法への改良が提案される。測定したインピーダンス値を使用して、センサ作動温度を規定温度範囲内に制御するか、又はインピーダンスをモニタすることによってセンサ作動温度をモニタする。提案される改良により、作動パラメータ範囲内にインピーダンスを制御することによって、センサ位置の直接近傍に熱電対を据え付ける必要なく、燃焼排気ガス中で広帯域センサとしてラムダセンサを使用することが提供され、且つ可能となる。 An improvement to the above pulsed discharge technique is proposed by continuously measuring the gas sensor impedance (resistance) at high temperatures. The measured impedance value is used to control the sensor operating temperature within a specified temperature range, or monitor the sensor operating temperature by monitoring impedance. The proposed improvement provides the use of a lambda sensor as a broadband sensor in the combustion exhaust gas without the need to install a thermocouple in the immediate vicinity of the sensor location by controlling the impedance within the operating parameter range, and It becomes possible.
NOX、CO及び酸素の混合測定にラムダセンサを使用するため、さらなる改良が提案される。 Further improvements are proposed for using lambda sensors to measure NO x , CO and oxygen mixing.
さらなる改良により、センサ電極間へ交流(AC)正弦波を印加することによる、センサインピーダンスの測定が提供される。これは、実用的且つ高精度なO2測定用ラムダセンサを使用する。代替用途においては、交流(AC)正弦波を、正及び負の直流(DC)パルス波で置き換えて同様な結果を得ることができる。 A further improvement provides measurement of sensor impedance by applying an alternating current (AC) sine wave between the sensor electrodes. This uses a practical and highly accurate lambda sensor for O 2 measurement. In an alternative application, alternating current (AC) sine waves can be replaced with positive and negative direct current (DC) pulse waves to achieve similar results.
本発明の利点及び特徴は、以下のより詳細な記載及び特許請求の範囲を、添付の図面と併せて参照することにより、より深い理解がなされるであろう。図面において、同一の要素は同一の符号で識別される。 The advantages and features of the present invention will become better understood with reference to the following more detailed description and appended claims when taken in conjunction with the accompanying drawings. In the drawings, identical elements are identified by identical reference numerals.
本発明を実施する最良の形態は、本明細書において図2〜7内に表される本発明の好ましい実施形態に関して示されている。この好ましい実施形態では、高温でガスセンサインピーダンス(抵抗)を連続的に測定することによる、パルス放電技法への改良が提案されている。測定したインピーダンス値を使用して、センサ作動温度を規定温度範囲内に制御するか、又はインピーダンスをモニタすることによってセンサ作動温度をモニタする。 The best mode of practicing the present invention is illustrated with respect to the preferred embodiments of the present invention represented herein in FIGS. In this preferred embodiment, an improvement to the pulsed discharge technique is proposed by continuously measuring the gas sensor impedance (resistance) at high temperatures. The measured impedance value is used to control the sensor operating temperature within a specified temperature range, or monitor the sensor operating temperature by monitoring impedance.
提案される改良により、センサ位置の直接近傍に熱電対を据え付ける必要なく、燃焼排気ガス中で広帯域センサとしてラムダセンサの使用が可能になる。 The proposed improvement allows the use of a lambda sensor as a broadband sensor in the combustion exhaust gas without having to install a thermocouple in the immediate vicinity of the sensor location.
さらなる改良により、NOX、CO及びO2の混合測定にラムダセンサを使用することが提供される。プロセスの充電段階(第I段階及びIII段階)中、データ収集システムを用い、既知抵抗器での電圧降下を連続的に測定する。電圧を、上記の既知抵抗器の値で割ることにより、充電電流を計算することができる。プロセスの充電段階中、データ収集システムを用い、センサ電極間の電圧降下も測定する。 Further improvements provide the use of lambda sensors for NO x , CO and O 2 mixing measurements. During the charging phase of the process (stage I and stage III), a data acquisition system is used to continuously measure the voltage drop across a known resistor. The charge current can be calculated by dividing the voltage by the value of the known resistor. During the charging phase of the process, a data collection system is used to measure the voltage drop across the sensor electrodes.
さらなる改良により、センサ電極間へ交流(AC)正弦波を印加することによる、センサインピーダンスの測定が提供される。これは、実用的且つ高精度なO2測定用ラムダセンサを使用する。 A further improvement provides measurement of sensor impedance by applying an alternating current (AC) sine wave between the sensor electrodes. This uses a practical and highly accurate lambda sensor for O 2 measurement.
充電電流測定曲線、及びセンサ電極間の電圧測定曲線を図3に示す。2つの電極間の測定電圧が得られる。この測定電圧は、測定電流で割る。この割った結果により、センサインピーダンスが決定され、提供される。 A charging current measurement curve and a voltage measurement curve between sensor electrodes are shown in FIG. A measured voltage between the two electrodes is obtained. This measured voltage is divided by the measured current. This divided result determines and provides the sensor impedance.
センサインピーダンスは、センサ作動温度に直接関連する。ラムダセンサのセラミックス測定セルを外部炉に置き、センサ素子の直接近傍に置かれた外部熱電対を用いて、上記の炉とそのセル温度をモニタすることにより、センサインピーダンスとセンサ作動温度との関係を定める較正曲線が得られる(図4参照)。 Sensor impedance is directly related to sensor operating temperature. The ceramic measurement cell of the lambda sensor is placed in an external furnace, and the relationship between the sensor impedance and the sensor operating temperature is monitored by monitoring the furnace and its cell temperature using an external thermocouple placed in the immediate vicinity of the sensor element. A calibration curve is obtained (see FIG. 4).
図5は、2%の一定酸素濃度における、異なるレベルのNOに対するパルス放電技法へのラムダセンサ応答を示す。図6は、NO=0における、酸素濃度変化へのセンサ応答を示す。 FIG. 5 shows the lambda sensor response to a pulsed discharge technique for different levels of NO at a constant oxygen concentration of 2%. FIG. 6 shows the sensor response to changes in oxygen concentration at NO = 0.
負の電圧を測定電極に印加すると(図の第III段階)、センサ応答はNOのみに高感度であり、O2には高感度でない。あるいは、正の電圧を測定電極に印加すると、センサ応答にはNO感度がなく、センサ応答はO2のみに高感度である。図7で見られるとおり、NO及びO2の混合測定は可能である。 When a negative voltage is applied to the measurement electrode (stage III in the figure), the sensor response is sensitive to NO only and not sensitive to O 2 . Alternatively, when a positive voltage is applied to the measurement electrode, the sensor response has no NO sensitivity, and the sensor response is sensitive only to O 2 . As can be seen in FIG. 7, a mixed measurement of NO and O 2 is possible.
正の電圧から負の電圧を差し引くことにより(Vpos−Vneg)、純粋なNO応答を測定することができる。Vpos応答を使用する場合、O2濃度を測定することができる。 By subtracting the negative voltage from the positive voltage (Vpos-Vneg), a pure NO response can be measured. When using the Vpos response, the O 2 concentration can be measured.
前述の、本発明の具体的な実施形態の記載は、例証して説明する目的で示されている。それらは網羅的であることを意図するものではなく、又は開示した明確な形態に本発明を限定することを意図するものではなく、上記の教示を考慮すれば、多くの改造及び変形が明らかに可能である。本発明の原理及び本発明の実用用途を最良に説明するため、実施形態を選択し、記載した。これにより、意図される特定の用途に適合する様々な改造を用いて、本発明及び様々な実施形態を他の当業者が最良に使用することが可能となる。本発明の範囲は、付属の特許請求の範囲及びそれらの同等物によって規定されることが意図される。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。 The foregoing descriptions of specific embodiments of the present invention have been presented for purposes of illustration and description. They are not intended to be exhaustive or intended to limit the invention to the precise forms disclosed, and many modifications and variations will become apparent in view of the above teachings. Is possible. The embodiments have been chosen and described in order to best explain the principles of the invention and the practical application of the invention. This allows other persons skilled in the art to best use the present invention and various embodiments with various modifications adapted to the particular intended use. It is intended that the scope of the invention be defined by the appended claims and their equivalents. Accordingly, the scope of the invention should be limited only by the following claims.
Claims (17)
ラムダセンサを使用することであって、該ラムダセンサが、該ラムダセンサ位置の直接近傍に据え付けられた熱電対を必要とせずに、燃焼排気ガス流中で電位差測定酸素センサとなるよう構成されたラムダセンサである使用すること;
充電段階中、外部DC電圧を印加することによってセンサ抵抗を測定することにより、NOX、CO及びO2の混合測定に対して、前記ラムダセンサを使用すること;
充電段階中、高温で、既知抵抗器での電圧降下を連続的に測定することにおいて、測定した抵抗値を使用して、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること、又は抵抗をモニタすることによって前記センサの作動温度をモニタすることを特徴とする、測定すること;並びに
前記センサの電極間に電流正弦波を印加することによってセンサ抵抗を測定すること
を含む技法。 An improved pulsed discharge technique that uses a lambda sensor that does not require a thermocouple installed in the immediate vicinity of the lambda sensor position, Using a lambda sensor configured to be a potentiometric oxygen sensor in flow;
Using the lambda sensor for mixed measurements of NO x , CO and O 2 by measuring the sensor resistance by applying an external DC voltage during the charging phase;
In the continuous measurement of the voltage drop across a known resistor at a high temperature during the charging phase, the measured resistance value is used to control the operating temperature of the sensor within a specified temperature range, or the resistance A technique comprising: measuring the operating temperature of the sensor by monitoring; and measuring the sensor resistance by applying a current sine wave between the electrodes of the sensor.
a.前記内部ヒータに電流を印加することによって、前記ガスセンサを高温に加熱すること;
b.前記高温で、前記ガスセンサの抵抗を連続的に測定すること;並びに
c.測定した前記抵抗をモニタすること、及び前記内部ヒータに流れる電流を制御することにより、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること
を含む方法。 A method for controlling the operating characteristics of a gas sensor having one or more thimble-type solid ion conductors that supports one or more pairs of metal electrodes and an internal heater, the method comprising: a. Heating the gas sensor to a high temperature by applying a current to the internal heater;
b. Continuously measuring the resistance of the gas sensor at the elevated temperature; and c. Monitoring the measured resistance and controlling an operating temperature of the sensor within a specified temperature range by controlling a current flowing through the internal heater.
d.工程a.及び工程b.の間、データ収集システムを用いて、既知抵抗器での電圧降下を連続的に測定すること
をさらに含む、ガスセンサの作動特性を制御する請求項5記載の方法。 The lambda sensor is further configured for mixed measurement of NO x , CO and O 2 d. Step a. And step b. 6. The method of claim 5, further comprising continuously measuring a voltage drop across a known resistor using a data acquisition system during the operation.
a.前記内部ヒータに電流を印加することによって、前記ガスセンサを高温に加熱すること;
b.前記高温で、前記ガスセンサのインピーダンスを連続的に測定すること;並びに
c.測定した前記インピーダンスをモニタすること、及び前記内部ヒータに流れる電流を制御することにより、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること
を含む方法であって;
前記ガスセンサのインピーダンスを連続的に測定することが、前記センサの電極間に正弦波外部電圧を印加することと、前記センサに直列接続した既知抵抗器での電圧降下を測定することと、AC信号からDCを分離することによって分析ガスへのセンサ応答を求めることとによって行われる方法。 A method for controlling the operating characteristics of a gas sensor having one or more thimble-type solid ion conductors that supports one or more pairs of metal electrodes and an internal heater, the method comprising: a. Heating the gas sensor to a high temperature by applying a current to the internal heater;
b. Continuously measuring the impedance of the gas sensor at the elevated temperature; and c. Monitoring the measured impedance and controlling an operating temperature of the sensor within a specified temperature range by controlling a current flowing through the internal heater;
Continuously measuring the impedance of the gas sensor includes applying a sinusoidal external voltage across the electrodes of the sensor, measuring a voltage drop across a known resistor connected in series with the sensor, and an AC signal. Determining the sensor response to the analysis gas by separating DC from the.
プロセスの充電段階中、データ収集システムを用い、既知インピーダンス器での電圧降下を連続的に測定する、請求項9記載の改良されたパルス放電技法。 Further comprising using the lambda sensor for a mixed measurement of NO x , CO and O 2 ;
The improved pulsed discharge technique according to claim 9, wherein during the charging phase of the process, a data acquisition system is used to continuously measure the voltage drop across a known impedance device.
高温で、ガスセンサのインピーダンスを連続的に測定することにおいて、測定したインピーダンス値を使用して、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること、又はインピーダンスをモニタすることによって前記センサの作動温度をモニタすることを特徴とする測定すること;
ラムダセンサ位置の直接近傍に据え付けられた熱電対を必要とせずに、燃焼排気ガス流で電位差測定酸素センサとなるよう構成された前記ラムダセンサを使用すること;
前記ラムダセンサを、NOX、CO及びO2の混合測定に使用することであって、プロセスの充電段階中、データ収集システムを用い、既知インピーダンス器での電圧降下を連続的に測定する使用すること;並びに
前記センサの電極間に電流正弦波を印加することによってセンサインピーダンスを測定すること
を含む技法。 An improved pulsed discharge technique that continuously measures the impedance of a gas sensor at an elevated temperature and uses the measured impedance value to control the operating temperature of the sensor within a specified temperature range Or measuring the operating temperature of the sensor by monitoring impedance;
Using said lambda sensor configured to be a potentiometric oxygen sensor in the combustion exhaust gas flow without the need for a thermocouple installed in the immediate vicinity of the lambda sensor position;
The lambda sensor is used for mixed measurements of NO x , CO and O 2 , using a data acquisition system and continuously measuring the voltage drop across a known impedance device during the charging phase of the process. And measuring the sensor impedance by applying a current sine wave between the electrodes of the sensor.
プロセスの充電段階中、データ収集システムを用い、既知インピーダンス器での電圧降下を連続的に測定する、請求項14記載の改良されたパルス放電技法。 Further comprising using the lambda sensor for a mixed measurement of NO x , CO and O 2 ;
The improved pulsed discharge technique of claim 14, wherein the voltage drop across a known impedance device is continuously measured using a data acquisition system during the charging phase of the process.
ラムダセンサ位置の直接近傍に据え付けられた熱電対を必要とせずに、燃焼排気ガス流で電位差測定酸素センサとなるよう構成された前記ラムダセンサを使用すること;
NOX、CO及びO2の混合測定に前記ラムダセンサを使用することであって、プロセスの充電段階中、データ収集システムを用い、既知インピーダンス器での電圧降下を連続的に測定する使用すること;
高温で、前記ラムダセンサのインピーダンスを連続的に測定することにおいて、測定したインピーダンス値を使用して、前記センサの作動温度を規定温度範囲内に制御すること、又はインピーダンスをモニタすることによって前記センサの作動温度をモニタすることを特徴とする測定すること;並びに
前記センサの電極間に電流正弦波を印加することによってセンサインピーダンスを測定すること
を含む技法。 An improved pulsed discharge technique wherein the lambda sensor is configured to be a potentiometric oxygen sensor in a combustion exhaust gas flow without the need for a thermocouple installed in the immediate vicinity of the lambda sensor position. To use;
Use the lambda sensor for mixed measurements of NO x , CO and O 2 , using the data acquisition system to continuously measure the voltage drop across a known impedance device during the charging phase of the process. ;
In continuously measuring the impedance of the lambda sensor at a high temperature, the measured impedance value is used to control the operating temperature of the sensor within a specified temperature range, or by monitoring the impedance. And measuring a sensor impedance by applying a current sine wave between the electrodes of the sensor.
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20191029 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20200622 |