JP2018194390A - センサ制御装置およびガス検知システム - Google Patents

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潤一郎 三ツ野
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智洋 富松
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Abstract

【課題】少なくとも2種類以上のセンサを制御できるセンサ制御装置およびガス検知システムを提供する。【解決手段】センサを制御するセンサ制御装置5において、第1フィルタ部は、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号から第1遮断周波数よりも高い周波数成分を減衰させた第1フィルタ信号を抽出し、第2フィルタ部は、第1フィルタ信号から第2遮断周波数よりも高い周波数成分を減衰させた第2フィルタ信号を抽出する。遮断周波数設定部は、第1遮断周波数および第2遮断周波数のうち少なくとも一方を設定する。このようなセンサ制御装置5は、第1遮断周波数および第2遮断周波数のうち少なくとも一方を設定(変更)することが可能となるため、制御可能なセンサの種類を増やすことができ、汎用性が高まる。よって、このセンサ制御装置5は、少なくとも2種類以上のセンサを制御できる。【選択図】図1

Description

本発明は、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備えるセルを少なくとも1つ以上有するセンサを制御するセンサ制御装置と、センサおよびセンサ制御装置を備えるガス検知システムと、に関する。
セルを少なくとも1つ以上有するセンサを制御するセンサ制御装置や、センサおよびセンサ制御装置を備えるガス検知システムが知られている。
なお、センサのセルは、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備えて構成されている。センサは、セルとして、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を少なくとも備えるとともに、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するように構成されている。
センサ制御装置は、例えば、検出したアナログ信号をデジタル変換して、デジタル信号からデジタル処理にて特定周波数成分を抽出し、抽出した特定周波数成分の信号を用いて各種制御(フィードバック制御など)を行う。
そして、センサ制御装置としては、デジタル信号から特定周波数成分を抽出するにあたり、周波数帯域が異なる2種類の特定周波数成分を抽出する形態のセンサ制御装置が提案されている(特許文献1)。
特開2016−114413号公報
しかし、上記従来のセンサ制御装置では、特定周波数成分に関する遮断周波数が固定されているため、特定の種類のセンサしか制御できないという問題がある。
つまり、上記従来のセンサ制御装置は、特定種類のセンサ向けに製造されているため、遮断周波数が異なる他の種類のセンサを制御する用途に利用することができない。
本開示は、少なくとも2種類以上のセンサを制御できるセンサ制御装置およびガス検知システムを提供することを目的とする。
本開示の一態様は、センサを制御するセンサ制御装置であって、アナログデジタル変換部と、通電制御値演算部と、デジタルアナログ変換部と、第1フィルタ部と、第2フィルタ部と、遮断周波数設定部と、を備える。
なお、センサは、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を有し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を少なくとも備えるとともに、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するように構成されている。
アナログデジタル変換部は、アナログ信号である酸素ポンプセルの一対の電極における電極間電圧をデジタル値に変換するように構成されている。通電制御値演算部は、電極間電圧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ように構成されている。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ように構成されている。
第1フィルタ部は、ポンプ電流の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ように構成されている。第2フィルタ部は、第1フィルタ部で抽出された第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ように構成されている。
そして、デジタルアナログ変換部は、第1フィルタ信号に基づいてポンプ電流を生成するように構成されている。第2フィルタ部は、第2フィルタ信号を、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するためのポンプ電流信号として出力するように構成されている。
遮断周波数設定部は、第1遮断周波数および第2遮断周波数のうち少なくとも一方を設定するように構成されている。
このような遮断周波数設定部を備えるセンサ制御装置は、第1遮断周波数および第2遮断周波数のうち少なくとも一方を設定することで、第1遮断周波数および第2遮断周波数のうち少なくとも一方の値を変更することが可能となるため、制御可能なセンサの種類を増やすことができ、汎用性が高まる。
よって、このセンサ制御装置は、少なくとも2種類以上のセンサを制御できる。
なお、このセンサ制御装置は、同一種類のセンサにおいて個体差が生じる場合にも、個体差に応じて第1遮断周波数および第2遮断周波数のうち少なくとも一方を設定(変更)してもよい。
そして、このセンサ制御装置においては、第1フィルタ信号は、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号から第1遮断周波数よりも高い周波数成分(ノイズ成分)が減衰された信号であるため、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号であって、通電制御値演算部でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分が減衰されたデジタル信号である。このため、デジタル信号のサンプリング周期を高速化した場合であっても、デジタル信号における微分ノイズ成分の増大を抑制できる。
また、第2フィルタ信号は、第1フィルタ信号から第2遮断周波数よりも高い周波数成分(ノイズ成分)が減衰された信号であるため、第1フィルタ信号からさらにノイズ成分(通電制御値演算部でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分)が減衰されたデジタル信号である。
第1フィルタ信号は、第2フィルタ信号と比べて、フィルタ処理の回数が少ないため、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号であって、酸素ポンプセルの一対の電極における電極間電圧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。このようなデジタル信号は、酸素ポンプセルのフィードバック制御に適した信号となる。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、酸素ポンプセルの一対の電極における電極間電圧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(汲み出し、汲み入れ)を適切に実行できる。
また、第2フィルタ信号は、第1フィルタ信号と比べて、フィルタ処理の回数が多いため、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号であって、酸素ポンプセルの一対の電極における電極間電圧における長期間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。このようなデジタル信号は、測定対象ガスに含まれる特定成分の検出に適した信号となる。このため、第2フィルタ信号を測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するための信号として用いることで、酸素ポンプセルの一対の電極における電極間電圧における長期間の変化状態に基づいて、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出することが可能となる。
これにより、例えば、ポンプ電流信号を用いて測定対象ガスに含まれる特定成分濃度を演算する特定成分演算部が、第2フィルタ部から第2フィルタ信号を受信した場合には、特定成分演算部における特定成分濃度の演算精度を向上でき、測定対象ガスに含まれる特定成分の検出精度を向上できる。
よって、このセンサ制御装置によれば、デジタル信号のサンプリング周期を高速化した場合であっても、ノイズ成分の増大を抑制できる。また、このセンサ制御装置によれば、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とともに、測定対象ガスに含まれる特定成分の検出精度を向上できる。
次に、上述のセンサ制御装置においては、遮断周波数設定部は、外部から取得した周波数設定情報に基づいて第1遮断周波数および第2遮断周波数のうち少なくとも一方を設定するように構成されてもよい。
このような遮断周波数設定部を備えることで、外部から取得した周波数設定情報に応じて、第1遮断周波数および第2遮断周波数のうち少なくとも一方を設定(変更)できる。周波数設定情報を、例えば、制御対象となるセンサの種類やセンサの個体差などに基づいて予め設定してもよい。これにより、第1遮断周波数および第2遮断周波数のうち少なくとも一方を、センサの種類や個体差に応じた適切な値に設定できる。
次に、上述のセンサ制御装置においては、第1遮断周波数は第2遮断周波数よりも高い周波数であってもよい。
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、酸素ポンプセルの一対の電極における電極間電圧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、酸素ポンプセルの一対の電極における電極間電圧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。
また、第2フィルタ信号は、第1フィルタ信号と比べて、狭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、酸素ポンプセルの一対の電極における電極間電圧における長期間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2フィルタ信号を測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するための信号として用いることで、酸素ポンプセルの一対の電極における電極間電圧における長期間の変化状態に基づいて、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出できるため、特定成分の検出精度を向上できる。
本開示の他の態様は、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を有し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を少なくとも備えるとともに、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するように構成されたセンサと、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、センサ制御装置として、上述のうちいずれかのセンサ制御装置を備える。
このガス検知システムは、上述のいずれかのセンサ制御装置を備えることから、上述したセンサ制御装置と同様に、少なくとも2種類以上のセンサを制御できる。
センサ制御装置を有するガス検知システムの全体構成図である。 第2センサ制御装置を有する第2ガス検知システムの全体構成図である。
以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
尚、本開示は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示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.第1実施形態]
[1−1.全体構成]
図1は、本開示の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、例えば、内燃機関の排気ガス中の特定ガス(本実施形態では、酸素)を検出する用途に用いられる。
ガス検知システム1は、ガス検知装置3と、ガスセンサ8と、を備える。
ガス検知装置3は、センサ制御装置5と、エンジン制御装置7と、を備える。
センサ制御装置5は、ガスセンサ8を駆動制御して、排気ガス中の酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度をエンジン制御装置7に通知する。センサ制御装置5の詳細については、後述する。
エンジン制御装置7は、内燃機関を制御するための各種制御処理を実行するマイクロコントローラであり、各種制御処理の1つとして、センサ制御装置5が検出した酸素濃度を用いて内燃機関の空燃比制御を行う。
ガスセンサ8は、酸素を検出する酸素センサである。ガスセンサ8は、内燃機関(エンジン)の排気管に設けられて、排気ガス中の酸素濃度を広域にわたって検出するものであり、リニアラムダセンサとも呼ばれる。ガスセンサ8は、センサ素子9と、ヒータ26と、情報記憶部28と、を備えて構成されている。
センサ素子9は、ポンプセル14を備えて構成されている。ポンプセル14は、部分安定化ジルコニア(ZrO)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。
ヒータ26は、外部からの通電により発熱する発熱抵抗体を備えて構成されている。ヒータ26は、センサ素子9(特に、ポンプセル14)を加熱して、センサ素子9(ポンプセル14)を活性化状態(ガス検出が可能な状態)にするために備えられる。
なお、センサ素子9は、自身の内部に、ポンプセル14における一対の多孔質電極16のうち一方が露出する測定室(図示省略)と、他方が露出する基準酸素室(図示省略)と、を備えている。測定室には、外部から多孔質拡散層(図示省略)を介して測定対象ガス(本実施形態では、排気ガス)が導入される。基準酸素室には、外部から基準ガスとしての大気が導入される。
センサ素子9は、いわゆる限界電流方式によって酸素濃度を検出する酸素センサ素子である。ポンプセル14における印加電圧Vpとポンプ電流Ipとの関係を示す出力特性としては、電圧軸に対して平行で平坦な領域、即ちポンプ電流Ipが一定となる限界電流の領域(限界電流域)があることが知られている。この平坦領域(限界電流域)は、印加電圧Vpが変化してもポンプ電流Ipが実質的に変化せず一定の値(限界電流)を保つ領域である。
この平坦領域は、酸素濃度(即ち空燃比)に対応したポンプ電流Ipを示す限界電流域であり、限界電流の変化が、酸素濃度の変化に対応している。この限界電流域のポンプ電流Ipは、酸素濃度が高くなるほど大きくなることが知られている。このため、センサ素子9のポンプセル14に対して、限界電流域に応じた印加電圧Vpを付与し、それによって得られるポンプ電流Ipを用いることで、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。つまり、排気ガス中の酸素濃度が高くなるほど(空燃比がリーン側になるほど)、ポンプ電流Ipの限界電流は増加し、排気ガス中の酸素濃度が低くなるほど(空燃比がリッチになるほど)、限界電流は減少するので、限界電流に基づいて酸素濃度(空燃比)を検出することができる。
本実施形態では、センサ素子9のポンプセル14における一対の多孔質電極16に印加電圧Vpを印加して、一対の多孔質電極16の間にポンプ電流Ipを流し、このポンプ電流Ipによって酸素をポンピングする(例えば、測定室と基準酸素室との間で酸素を移動させる)。そして、周知のように、ポンピング時のポンプ電流Ipが一定になった電流値(限界電流)に基づいて酸素濃度を検出することができる。
つまり、ガスセンサ8は、センサ素子9におけるポンピング時のポンプ電流Ipが一定になった電流値(限界電流)に基づいて、測定対象ガス(排気ガス)に含まれている酸素濃度を検出する用途に用いられる。
そして、情報記憶部28は、センサ素子9に関する情報(センサ情報Si)を記憶している。本実施形態の情報記憶部28は、センサ情報Siとして、センサ素子9の種類に関する情報(センサ種別情報Si1)およびセンサ素子9の個体差に関する情報(個体差情報Si2)のうち少なくとも一方を記憶している。
センサ種別情報Si1としては、例えば、検出対象のガス種類(酸素、NOxなど)に関する情報や、センサ素子の構造(1セル構造、2セル構造など)に関する情報が挙げられる。個体差情報Si2は、同一種類のセンサ素子9における検出特性のうち、個体差による影響を考慮した検出特性に関する情報である。
情報記憶部28は、接続線29を介して、センサ制御装置5(詳細には、後述する周波数設定部74)と接続されることで、センサ情報Siをセンサ制御装置5に対して提供可能に構成されている。情報記憶部28は、例えば、ROMやRAMなどの記憶装置を用いて構成することができる。
[1−2.センサ制御装置]
センサ制御装置5は、ガスセンサ8を駆動制御して、排気ガス中の酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度をエンジン制御装置7に通知するように構成されている。
センサ制御装置5は、マイクロコンピュータ(以下、マイコンともいう。図示省略。)を備える。マイコンは、CPU、ROM、RAMおよび信号入出力部を備える。センサ制御装置5の各種機能は、CPUが非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、ROMが、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。信号入出力部は、外部機器との間で各種信号の送受信を行う。なお、マイコンを構成するCPU、ROM、RAMおよび信号入出力部のそれぞれの個数は1つでも複数でもよい。また、マイコンが実行する機能の一部または全部を、一つあるいは複数のIC等によりハードウェア的に構成してもよい。図1では、センサ制御装置5については、機能ブロック図として表している。
センサ制御装置5は、AD変換部31(アナログデジタル変換部31)、PID演算部33、ポンプ電流演算部34、電流DA変換部35(電流デジタルアナログ変換部35)、濃度演算部37、電流供給部42、基準電位生成部46、を備えている。また、センサ制御装置5は、Rpvs演算部51、ヒータ制御量演算部53、ヒータドライバ57、を備えている。さらに、センサ制御装置5は、ポンプ電流端子61(Ip+端子61)、検出電圧端子63(Vs+端子63)、基準電位端子65(COM端子65)、端子監視部67、異常検出部69、通信処理部71、周波数設定部74、を備える。
電流供給部42は、検出電圧端子63を介して各種電流をセンサ素子9(詳細には、ポンプセル14)に供給するように構成されている。各種電流としては、例えば、センサ素子9(ポンプセル14)の内部抵抗値を検出するためのパルス電流Irpvsや、センサ素子9(ポンプセル14)にて酸素をポンピングして酸素基準電極を生成するための微小電流Icpなどが挙げられる。電流供給部42は、これらの電流を常時供給するのではなく、各電流をそれぞれの適切な時期に供給するように構成されている。
基準電位生成部46は、基準電位端子65(COM端子65)の電位を所定電位に設定するものである。具体的には、内燃機関のグランド電位GNDを基準として基準設定電圧(本実施形態では、2.7V)を加えた電位を、基準電位端子65の電位として設定している。なお、本実施形態では、基準電位端子65の電位が、センサ素子9(ポンプセル14)を制御する際の基準電位に相当する。
AD変換部31は、検出電圧端子63の電位および基準電位端子65の電位に基づいてポンプセル14の両端電圧(検知電圧Vs)を検出し、検知電圧Vsを示すアナログ値をデジタル値に変換する。AD変換部31は、変換後のデジタル値をセンサ制御装置5の各部(例えば、PID演算部33およびRpvs演算部51など)に通知する。
なお、ポンプセル14の両端電圧(検知電圧Vs)は、電流供給部42による微小電流Icpの入力時または電流DA変換部35によるポンプ電流Ipの入力時には、測定室の酸素濃度に応じて変化するセンサ出力信号Vs1として利用できる。また、ポンプセル14の両端電圧(検知電圧Vs)は、電流供給部42によるパルス電流Irpvsの入力時には、ポンプセル14の内部抵抗値に応じて変化する応答信号Vs2として利用できる。
PID演算部33は、ポンプ電流制御処理をデジタル処理により実行するように構成されている。ポンプ電流制御処理は、ポンプセル14の検知電圧Vs(センサ出力信号Vs1)が目標制御電圧(本実施形態では、例えば450mV)となるように、ポンプセル14に通電するポンプ電流Ipを制御するための制御処理である。ポンプ電流制御処理を実行するPID演算部33は、目標制御電圧(450mV)とポンプセル14の検知電圧Vs(センサ出力信号Vs1)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。
ポンプ電流演算部34は、PID演算部33で演算された通電制御電流Tipを表すデジタル信号から予め定められた第1遮断周波数(本実施形態では、100Hz)よりも高い周波数成分を減衰させてなるDAC制御信号S1(第1フィルタ信号S1)をデジタル演算により抽出する。
DAC制御信号S1は、ポンプ電流Ipの通電制御電流Tipを示すデジタル信号から第1遮断周波数よりも高い周波数成分(ノイズ成分)が減衰された信号であるため、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、PID演算部33でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分が減衰されたデジタル信号である。このため、ポンプ電流Ip(デジタル信号)のサンプリング周期を高速化した場合であっても、ポンプ電流Ipにおける微分ノイズ成分の増大を抑制できる。
濃度演算部37は、ポンプ電流演算部34で抽出されたDAC制御信号S1を表すデジタル信号から予め定められた第2遮断周波数(本実施形態では、50Hz)よりも高い周波数成分を減衰させてなるガス検出信号S2(第2フィルタ信号S2)をデジタル演算により抽出する。
ガス検出信号S2は、DAC制御信号S1から第2遮断周波数よりも高い周波数成分(ノイズ成分)が減衰された信号であるため、DAC制御信号S1からさらにノイズ成分(ポンプ電流演算部34でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分)が減衰されたデジタル信号である。
そして、DAC制御信号S1は、ガス検出信号S2と比べて、フィルタ処理の回数が少ないため、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、ポンプセル14の検知電圧Vs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。このようなデジタル信号は、ポンプセル14のフィードバック制御に適した信号となるため、DAC制御信号S1に基づいて生成したポンプ電流Ipをポンプセル14に対して通電することで、ポンプセル14の検知電圧Vsにおける直近の変化状態に応じて、ポンプセル14による酸素のポンピング(汲み出し、汲み入れ)を適切に実行できる。なお、DAC制御信号S1は、ポンプ電流Ipの通電制御値の電流値および通電方向(正方向、逆方向)に関する情報を含んだデジタル信号である。
電流DA変換部35は、ポンプ電流演算部34で演算されたDAC制御信号S1(デジタル値)を受信し、受信したDAC制御信号S1についてDA変換を行い、DA変換後のアナログ値としてのポンプ電流Ipをポンプセル14に対して通電する。
次に、ガス検出信号S2は、DAC制御信号S1と比べて、フィルタ処理の回数が多いため、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、ポンプセル14の検知電圧Vsにおける長期間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。このようなデジタル信号は、測定対象ガス(排気ガス)に含まれる特定成分(酸素)の検出に適した信号となる。このため、ガス検出信号S2を排気ガスに含まれる酸素濃度を検出するための信号として用いることで、ポンプセル14の検知電圧Vsにおける長期間の変化状態に基づいて、排気ガスに含まれる酸素濃度を検出することが可能となる。これにより、酸素濃度の検出精度を向上できる。
通信処理部71は、SPI通信線72を介したSPI通信(シリアル・ペリフェラル・インターフェース通信)により、エンジン制御装置7との間で各種情報の送受信を行うための通信制御処理を実行する。通信処理部71は、センサ制御に関する制御情報を少なくとも含む情報の送受信を行う。例えば、通信処理部71は、ガス検出信号S2をエンジン制御装置7に送信する。
また、通信処理部71は、エンジン制御装置7との通信状態が異常状態(通信異常)であるか否かを判定する機能を有している。通信処理部71は、通信状態が正常状態と判定すると通信異常フラグFcfをリセットし(Fcf=0)、通信状態が異常状態と判定すると通信異常フラグFcfをセットする(Fcf=1)。通信異常フラグFcfは、センサ制御装置5での各種制御処理に用いられる内部フラグの1つである。通信処理部71は、通信異常フラグFcfがリセット状態であることを確認した上で、エンジン制御装置7に対して情報を送信する。
エンジン制御装置7は、ガス検出信号S2に基づいて、排気ガス中の特定ガス(本実施形態では、酸素)の濃度を演算する。つまり、エンジン制御装置7は、測定室の酸素濃度が所定の目標濃度(例えば、理論空燃比相当の酸素濃度)になるようにポンプセル14に流したポンプ電流Ipの履歴データに基づいて、測定対象ガスに含まれていた酸素濃度を演算する。
なお、センサ制御装置5は、図示しないEEPROMおよびRAMを備えている。EEPROMは、制御処理の内容や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5の製造段階でEEPROMに記憶される。RAMは、各種制御処理に用いられる制御データ等を一時的に記憶する記憶部である。
Rpvs演算部51は、AD変換部31から通知された応答信号Vs2およびセンサ出力信号Vs1に基づいて、ポンプセル14の内部抵抗値Rpvsを演算する。
ヒータ制御量演算部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(詳細には、センサ素子9のポンプセル14)の温度を演算し、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。ヒータ制御量演算部53は、演算したヒータ発熱量に基づいて、ヒータ26に供給するべき電力のDUTY比率を演算して、そのDUTY比率に応じたPWM制御信号を生成する。
なお、センサ目標温度は、予め定められた値が記憶部(ROM、RAMなど)に記憶されている。ヒータ制御量演算部53は、記憶部から読み出したセンサ目標温度を利用して、PWM制御信号を生成する。
ヒータドライバ57は、電源装置59から供給される電力を用いて、ヒータ制御量演算部53からのPWM制御信号に基づいてヒータ26への通電制御を行う。これにより、ヒータ26の発熱量は、ガスセンサ8の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発熱量となる。
ポンプ電流端子61および検出電圧端子63は、センサ素子9のポンプセル14における一対の多孔質電極16のうち一方に接続されており、基準電位端子65は、一対の多孔質電極16のうち他方に接続されている。ポンプ電流端子61は、ガス検知装置3の内部において、検出電圧端子63とセンサ素子9(多孔質電極16)との接続経路に接続されることで、多孔質電極16と電気的に接続されている。
端子監視部67は、ポンプ電流端子61、検出電圧端子63、基準電位端子65のそれぞれの電位(アナログ値)を検出し、検出した各電位をAD変換して、変換後の各電位(デジタル値)を異常検出部69に送信する。
異常検出部69は、ポンプ電流端子61、検出電圧端子63、基準電位端子65のそれぞれの電位が予め定められた正常範囲に含まれるか否かを判定し、電位が正常範囲を逸脱する端子を異常状態であると判定する。例えば、端子が誤ってグランド電位GNDに電気的に接続される配線異常状態(グランド短絡異常状態)や、端子が誤って電源装置59に接続される配線異常状態(バッテリ短絡異常状態)が発生すると、その端子の電位が正常範囲を逸脱することになる。
つまり、異常検出部69は、各端子(ポンプ電流端子61、検出電圧端子63、基準電位端子65)の電位に基づいて、電流DA変換部35,電流供給部42,基準電位生成部46のそれぞれとセンサ素子9とを接続する配線における配線異常を少なくとも含む制御異常を検出するように構成されている。そして、異常検出部69は、各端子のうち少なくとも1つを異常状態と判定した場合には、異常状態と判定された端子の情報を含む異常情報信号を、PID演算部33やヒータ制御量演算部53などに送信する。
PID演算部33およびヒータ制御量演算部53は、異常情報信号を受信すると、異常情報信号に応じて異常対応処理を実行する。例えば、PID演算部33は、異常対応処理として、ポンプセル14への通電を停止する処理を実行する。また、ヒータ制御量演算部53は、異常対応処理として、ヒータ26に供給する電力(換言すれば、ヒータに印加する電圧のDUTY比率)を低減する処理を実行する。
また、異常状態と判定された端子が存在する場合には、異常検出部69は、異常状態と判定された端子の情報を含む異常情報信号を、通信処理部71を介してエンジン制御装置7に送信する。エンジン制御装置7は、異常情報信号の受信中にセンサ制御装置5から出力されるガス検出信号S2は正常値ではなく異常値であるとして、酸素濃度検出には利用しないように濃度検出処理を実行する。これにより、エンジン制御装置7は、センサ制御装置5からのガス検出信号S2に基づいて酸素濃度を検出するにあたり、検出精度の低下を抑制できる。
[1−3.周波数設定部]
周波数設定部74は、ポンプ電流演算部34における第1遮断周波数および濃度演算部37における第2遮断周波数をそれぞれ所定の値に設定するように構成されている。周波数設定部74は、接続線29を介して情報記憶部28からセンサ情報Siを受信するように構成されている。本実施形態では、このセンサ情報Siには、センサ素子9の種類に関する情報(センサ種別情報Si1)が含まれており、センサ種別情報Si1には、センサ素子9を用いた酸素濃度の検出に適した第1遮断周波数および第2遮断周波数に関する情報(周波数設定情報Sf)が含まれている。
周波数設定部74は、センサ制御装置5の起動時に、情報記憶部28から周波数設定情報Sfを少なくとも受信して、受信した周波数設定情報Sfに基づいて、ポンプ電流演算部34における第1遮断周波数および濃度演算部37における第2遮断周波数をそれぞれ設定するように構成されている。なお、上述のように、本実施形態では、第1遮断周波数は100Hzに、第2遮断周波数は50Hzにそれぞれ設定される。
これにより、センサ制御装置5は、制御対象のセンサ素子9(ガスセンサ8)の種類に応じて、第1遮断周波数および第2遮断周波数が適切な数値に設定されるため、センサ素子9の種類に応じた適切なガス検出が可能となる。
また、制御対象のセンサ素子9(ガスセンサ8)の種類が変更された場合には、センサ制御装置5の起動時に、周波数設定部74が変更後のセンサ素子9に応じて第1遮断周波数および第2遮断周波数を適切な数値に設定(変更)する。このため、センサ制御装置5は、制御対象のセンサ素子9(ガスセンサ8)の種類が変更された場合であっても、そのセンサ素子9の種類に応じた適切なガス検出が可能となる。
なお、センサ情報は、センサ種別情報に限られることはなく、センサ素子9の個体差に関する情報(個体差情報)であってもよい。また、センサ情報は、センサ種別情報および個体差情報の両者を少なくとも含むものであってもよい。
[1−4.効果]
以上説明したように、本実施形態のガス検知システム1は、ガスセンサ8を制御するセンサ制御装置5を備えている。
センサ制御装置5は、上述のように、ポンプ電流演算部34、濃度演算部37、周波数設定部74、を備えている。
ポンプ電流演算部34は、PID演算部33で演算された通電制御電流Tipを表すデジタル信号から第1遮断周波数よりも高い周波数成分を減衰させてなるDAC制御信号S1(第1フィルタ信号S1)をデジタル演算により抽出する。DAC制御信号S1は、ポンプ電流Ipの通電制御電流Tipを示すデジタル信号から第1遮断周波数よりも高い周波数成分(ノイズ成分)が減衰された信号であるため、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、PID演算部33でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分が減衰されたデジタル信号である。このため、ポンプ電流Ip(デジタル信号)のサンプリング周期を高速化した場合であっても、ポンプ電流Ipにおける微分ノイズ成分の増大を抑制できる。
濃度演算部37は、ポンプ電流演算部34で抽出されたDAC制御信号S1を表すデジタル信号から第2遮断周波数よりも高い周波数成分を減衰させてなるガス検出信号S2(第2フィルタ信号S2)をデジタル演算により抽出する。ガス検出信号S2は、DAC制御信号S1から第2遮断周波数よりも高い周波数成分(ノイズ成分)が減衰された信号であるため、DAC制御信号S1からさらにノイズ成分(ポンプ電流演算部34でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分)が減衰されたデジタル信号である。
そして、DAC制御信号S1は、ガス検出信号S2と比べて、フィルタ処理の回数が少ないため、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、ポンプセル14の検知電圧Vs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。このようなデジタル信号は、ポンプセル14のフィードバック制御に適した信号となるため、DAC制御信号S1に基づいて生成したポンプ電流Ipをポンプセル14に対して通電することで、ポンプセル14の検知電圧Vsにおける直近の変化状態に応じて、ポンプセル14による酸素のポンピング(汲み出し、汲み入れ)を適切に実行できる。
また、ガス検出信号S2は、DAC制御信号S1と比べて、フィルタ処理の回数が多いため、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、ポンプセル14の検知電圧Vsにおける長期間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。このようなデジタル信号は、測定対象ガス(排気ガス)に含まれる特定成分(酸素)の検出に適した信号となる。このため、ガス検出信号S2を排気ガスに含まれる酸素濃度を検出するための信号として用いることで、ポンプセル14の検知電圧Vsにおける長期間の変化状態に基づいて、排気ガスに含まれる酸素濃度を検出することが可能となる。これにより、酸素濃度の検出精度を向上できる。
次に、周波数設定部74は、センサ制御装置5の起動時に、情報記憶部28から取得したセンサ情報Si(特に、周波数設定情報Sf)に基づいて、ポンプ電流演算部34における第1遮断周波数および濃度演算部37における第2遮断周波数をそれぞれ設定する。
これにより、センサ制御装置5は、制御対象のセンサ素子9(ガスセンサ8)の種類に応じて、第1遮断周波数および第2遮断周波数が適切な数値に設定されるため、センサ素子9の種類に応じた適切なガス検出が可能となる。
このようなセンサ制御装置5は、第1遮断周波数および第2遮断周波数を設定(変更)することが可能となるため、制御可能なセンサの種類を増やすことができ、汎用性が高まる。つまり、このセンサ制御装置5は、少なくとも2種類以上のセンサを制御できる。
また、制御対象のセンサ素子9(ガスセンサ8)の種類が変更された場合には、センサ制御装置5の起動時に、周波数設定部74が変更後のセンサ素子9に応じて第1遮断周波数および第2遮断周波数を適切な数値に設定(変更)する。このため、センサ制御装置5は、制御対象のセンサ素子9(ガスセンサ8)の種類が変更された場合であっても、使用者による遮断周波数の設定変更作業を実施しなくとも、そのセンサ素子9の種類に応じた適切なガス検出が可能となる。
次に、ガス検知システム1においては、周波数設定情報Sfを記憶する情報記憶部28がガスセンサ8に備えられる構成である。このため、センサ制御装置5は、ガスセンサ8に適した周波数設定情報Sfを確実に取得することができ、制御対象のガスセンサ8(センサ素子9)の種類に応じて第1遮断周波数および第2遮断周波数を適切な数値に設定(変更)することができる。
つまり、ガスセンサ8(センサ素子9)と情報記憶部28とが別々に配置される構成においては、ガスセンサ8(センサ素子9)と情報記憶部28との関連づけが不適切な状態になる可能性があり、情報記憶部28から取得した周波数設定情報Sfが制御対象のガスセンサ8とは無関係な情報となる虞がある。
これに対して、センサ制御装置5は、ガスセンサ8(センサ素子9)に適した周波数設定情報Sfを確実に取得できるため、ガスセンサ8(センサ素子9)の種類に応じて第1遮断周波数および第2遮断周波数を適切な数値に設定(変更)できるとともに、センサ素子9の種類に応じた適切なガス検出が可能となる。
次に、ガス検知システム1は、上述の効果を奏するセンサ制御装置5を備えることから、センサ制御装置5と同様に、少なくとも2種類以上のセンサを制御できる。
[1−5.文言の対応関係]
ここで、文言の対応関係について説明する。
センサ制御装置5が、センサ制御装置の一例に相当し、ガスセンサ8がセンサの一例に相当し、ポンプセル14がセルの一例に相当し、ガス検知システム1がガス検知システムの一例に相当する。
AD変換部31がアナログデジタル変換部の一例に相当し、PID演算部33が通電制御値演算部の一例に相当し、電流DA変換部35がデジタルアナログ変換部の一例に相当する。
ポンプ電流演算部34が第1フィルタ部の一例に相当し、DAC制御信号S1が第1フィルタ信号の一例に相当し、濃度演算部37が第2フィルタ部の一例に相当し、ガス検出信号S2が第2フィルタ信号の一例に相当し、周波数設定部74が遮断周波数設定部の一例に相当する。
[2.第2実施形態]
[2−1.全体構成]
第2実施形態として、使用者が操作部を用いて遮断周波数(第1遮断周波数、第2遮断周波数)を設定する構成の第2センサ制御装置105を備える第2ガス検知システム101について説明する。
図2は、本開示の第2ガス検知システム101の全体構成図である。
第2ガス検知システム101は、例えば、内燃機関の排気ガス中の特定ガス(本実施形態では、酸素)を検出する用途に用いられる。第2ガス検知システム101は、第2ガスセンサ108と、第2ガス検知装置103とを備える。第2ガス検知装置103は、第2センサ制御装置105と、エンジン制御装置7と、を備える。
なお、第2ガス検知システム101は、上述のガス検知システム1と比べて、エンジン制御装置7は同様の構成であるが、他の構成においては相違点があるため、以下の説明では、第1実施形態とは異なる点を中心に説明する。また、第2実施形態のうち第1実施形態と同一の構成については、同一符号を付して説明する。第2センサ制御装置105は、センサ制御装置5と比べて一部の構成が異なる。
第2ガスセンサ108は、センサ素子9およびヒータ26を備えて構成されている。つまり、第2ガスセンサ108は、ガスセンサ8と比べて、情報記憶部28を備えていない点が少なくとも異なる。
第2センサ制御装置105は、センサ制御装置5と比べて、一部の構成が異なっており、少なくとも周波数設定部74での遮断周波数の受信方法が異なるとともに、操作部78を備えている点が異なる。操作部78は、例えば、キーボード、タッチパネルなどを用いて構成されている。
周波数設定部74は、使用者が操作部78を用いて入力した周波数設定情報Sfを少なくとも受信して、受信した周波数設定情報Sfに基づいて、ポンプ電流演算部34における第1遮断周波数および濃度演算部37における第2遮断周波数をそれぞれ設定するように構成されている。なお、本第2実施形態では、例えば、第1遮断周波数は120Hzに、第2遮断周波数は60Hzにそれぞれ設定される。
これにより、第2センサ制御装置105は、使用者の入力操作に応じて、第1遮断周波数および第2遮断周波数を設定できるため、ガスセンサ8(センサ素子9)の種類や個体差に応じて遮断周波数を設定(変更)することや、測定環境の状況(温度、湿度など)に応じて遮断周波数を設定(変更)することなどが可能となる。このため、第2センサ制御装置105は、ガスセンサ8を交換した場合や測定環境の状況が変化した場合でも、使用者による入力操作により遮断周波数を適切に設定することが可能となり、センサの種類、個体差、測定環境の状況に応じた適切なガス検出が可能となる。
[2−2.効果]
以上説明したように、第2実施形態の第2ガス検知システム101においては、第2センサ制御装置105は、操作部78を備えており、使用者の入力操作に応じて、第1遮断周波数および第2遮断周波数を設定できるように構成されている。
このため、第2センサ制御装置105は、ガスセンサ8を交換した場合や測定環境の状況が変化した場合には、使用者が遮断周波数を適切に設定することで、センサの種類、個体差、測定環境の状況に応じた適切なガス検出が可能となる。
また、第2センサ制御装置105は、センサ制御装置5と同様に、第1遮断周波数および第2遮断周波数を設定(変更)することが可能となるため、制御可能なセンサの種類を増やすことができ、汎用性が高まり、少なくとも2種類以上のセンサを制御できる。
[2−3.文言の対応関係]
ここで、文言の対応関係について説明する。
第2センサ制御装置105が、センサ制御装置の一例に相当し、第2ガス検知システム101がガス検知システムの一例に相当する。
[3.他の実施形態]
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。
上記実施形態では、遮断周波数設定部(周波数設定部74)が第1遮断周波数および第2遮断周波数の両者を設定(変更)する形態について説明したが、遮断周波数設定部は、このような形態に限られることはない。例えば、遮断周波数設定部は、第1遮断周波数および第2遮断周波数のうち少なくとも一方を設定(変更)するように構成されてもよい。
次に、上記実施形態では、周波数設定部74が情報記憶部28から受信するセンサ情報Siにセンサ種別情報Si1が含まれるとともに、センサ種別情報Si1に周波数設定情報Sfが含まれている形態について説明したが、センサ情報Siはこのような形態に限られることはない。例えば、センサ情報Siにセンサ種別情報Si1ではなく個体差情報Si2が含まれるとともに、個体差情報Si2に周波数設定情報Sfが含まれる形態であってもよい。あるいは、センサ情報Siにセンサ種別情報Si1および個体差情報Si2の両者が含まれるとともに、センサ種別情報Si1および個体差情報Si2の両者が反映された周波数設定情報Sfが含まれる形態であってもよい。
次に、上記の第1実施形態では、情報記憶部がセンサと一体に備えられる形態について説明したが、情報記憶部の配置箇所はこのような形態に限られることはない。例えば、センサとは別に独立して配置される記憶媒体などを情報記憶部として備える形態であってもよい。
また、上記の第1実施形態では、周波数設定部74による遮断周波数の設定タイミングがセンサ制御装置5の起動時である形態について説明したが、遮断周波数の設定タイミングは、使用者による設定操作時であってもよい。
次に、上記実施形態では、1個のセル(ポンプセル14)のみを備える素子部(センサ素子9)に対して制御電流を供給する電流制御装置(センサ制御装置)について説明したが、制御対象の素子部はこのような構成に限られることはなく、2個以上のセルを備える素子部であってもよい。例えば、ポンプセルと起電力セル(検知セル)とを備える素子部(2セル型素子部)に対して制御電流を供給する電流制御装置であってもよい。上述のセンサ制御装置5または第2センサ制御装置105を用いて、2セル型素子部およびヒータ部を備えるセンサを制御する場合には、ポンプ電流端子61と基準電位端子65との間にポンプセルを接続し、検出電圧端子63と基準電位端子65との間に起電力セル(検知セル)を接続する。このような用途の電流制御装置(センサ制御装置)においても、本開示の異常判定装置を用いることで、異常判定を行うことができる。
次に、上記各実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
上述したマイコンの他、当該マイコンを構成要素とするシステム、当該マイコンとしてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、濃度算出方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。
1…ガス検知システム、3…ガス検知装置、5…センサ制御装置、7…エンジン制御装置、8…ガスセンサ、9…センサ素子、14…ポンプセル、15…固体電解質体、16…多孔質電極、28…情報記憶部、29…接続線、31…アナログデジタル変換部(AD変換部)、33…PID演算部、34…ポンプ電流演算部、35…電流デジタルアナログ変換部(電流DA変換部)、37…濃度演算部、42…電流供給部、46…基準電位生成部、51…Rpvs演算部、53…ヒータ制御量演算部、74…周波数設定部、78…操作部、101…第2ガス検知システム、105…第2センサ制御装置、108…第2ガスセンサ。

Claims (4)

  1. 固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を有し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を少なくとも備えるとともに、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するように構成されたセンサを制御するセンサ制御装置であって、
    当該センサ制御装置は、
    アナログ信号である前記酸素ポンプセルの前記一対の電極における電極間電圧をデジタル値に変換するアナログデジタル変換部と、
    前記電極間電圧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、
    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、
    前記第1遮断周波数および前記第2遮断周波数のうち少なくとも一方を設定する遮断周波数設定部と、
    を備えており、
    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出力する、
    センサ制御装置。
  2. 前記遮断周波数設定部は、外部から取得した周波数設定情報に基づいて前記第1遮断周波数および前記第2遮断周波数のうち少なくとも一方を設定する、
    請求項1に記載のセンサ制御装置。
  3. 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、
    請求項1または請求項2に記載のセンサ制御装置。
  4. 固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を有し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を少なくとも備えるとともに、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するように構成されたセンサと、
    前記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から請求項3のうちいずれか一項に記載のセンサ制御装置を備える、
    るガス検知システム。
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