JP7223158B2 - ラムダプローブを動作させるための方法 - Google Patents

Description

従来技術
従来技術から、例えば、独国特許出願公開第１０２０１１００７０６８号明細書から、又は、後に公開された独国特許出願公開第１０２０１８２０１４７９号明細書から、ラムダプローブのポンプセルが許容し得ないほど高いポンプ電圧に曝されることを回避するための措置が講じられる、ラムダプローブを動作させるための方法が既に公知である。

独国特許出願公開第１０２０１１００７０６８号明細書 独国特許出願公開第１０２０１８２０１４７９号明細書

発明の利点
本発明者らは、これらの公知の解決策は、固定された所定のしきい値に到達したときに、ネルンスト電圧を閉ループ制御するための閉ループ制御回路が一時的に中断されることを想定していて、これにより、特に、中断が繰り返される場合には、ラムダプローブの動作が遅延する可能性があり、又は、ラムダプローブが損傷する可能性さえもあるという点において、不利であることを認識した。

これに対して、本発明に係る方法によれば、許容し得ないほど高いポンプ電圧には決して到達しなくなり、ラムダプローブを損傷することなく遅延なしに動作させることが可能となる。

本発明は、ワイドバンドラムダプローブを動作させるための方法であって、ワイドバンドラムダプローブは、被測定ガスと連絡している測定室を有し、かつ、電気化学的ポンプセルを有し、電気化学的ポンプセルに全体として印加されるポンプ電圧に応じて、結果として生じるポンプ電流に応じて、電気化学的ポンプセルにより、酸素を測定室内に輸送可能であり、かつ、測定室から輸送可能であり、ワイドバンドラムダプローブは、電気化学的ネルンストセルを有し、電気化学的ネルンストセルでは、ワイドバンドラムダプローブの参照室内の酸素含有量に対する、測定室内の酸素含有量の比率に応じて、ネルンスト電圧が形成される、方法に関する。

例えば、ワイドバンドラムダプローブは、合計１つ、２つ又はそれ以上の電気化学的セルを有するワイドバンドラムダプローブであり得る。

本発明によれば、当該方法は、制御ループを提供し、制御ループの実際値は、ネルンスト電圧であり、制御ループの設定値は、所定の値であり、制御ループの操作変数は、ポンプ電流である。

本発明によれば、さらに、操作変数であるポンプ電流は、ポンプセルを保護するために、さらなる作用ループにより、上限値及び／又は下限値による制限の対象となっており、上限値及び／又は下限値は、それぞれ、ポンプ電流と、ポンプ電圧と、ポンプセルの内部抵抗とに依存して可変的に決定される。

特に、上記の制限は、そうしなければ、即ち、さらなる作用ループによってこの制限が実施されることなく制御ループのみに基づいていれば、ポンプ電流が上限値よりも大きくなってしまうような場合に、ポンプ電流が上限値を取るようにすることによって実施可能である。

特に、上記の制限は、そうしなければ、即ち、さらなる作用ループによってこの制限が実施されることなく制御ループのみに基づいていれば、ポンプ電流が下限値よりも小さくなってしまうような場合に、ポンプ電流が下限値を取るようにすることによって実施可能である。

特に、上記の制限は、ポンプ電流が下限値よりも大きくかつ上限値よりも小さい値を取っている限りにおいては、ポンプ電流がこの制限による影響を受けないようにすることができる。

さらなる作用ループにおいて、まず始めに、ポンプ電流とポンプセルの内部抵抗との積と、ポンプ電圧との間の差として、非通電のポンプ電圧の値を特定することができ、その後、上限値及び／又は下限値を、それぞれ、ポンプ電流と、非通電のポンプ電圧とのみに依存して決定することができ、特に、ポンプ電流と非通電のポンプ電圧とが含まれるが、ポンプ電圧とポンプセルの内部抵抗とは含まれない関数関係に基づいて決定することができる。

上限値及び／又は下限値が不所望に振動することを阻止するために、上限値及び／又は下限値を、それぞれ伝達要素によって、例えばラグ要素によって、フィルタリングすることができる。

下限値及び／又は上限値を、例えば、特性マップ又は関数によって定めることができる。

例えば、下限値を、ポンプ電流及び非通電のポンプ電圧の関数として定めることができ、負の符号を有する非通電のポンプ電圧が絶対値で大きい場合には、値０ｍＡを取り、負の符号を有する非通電のポンプ電圧が絶対値で小さい場合には、値ＩｐＭｉｎを取るようにすることができ、非通電のポンプ電圧の関数としての、値０ｍＡと値ＩｐＭｉｎとの間の移行部は、ポンプ電流の絶対値が大きくなればなるほどより急峻になる。

非通電のポンプ電圧の関数としての変数の移行部は、特に、非通電のポンプ電圧に応じてこの変数の導関数の絶対値の最大値が大きくなればなるほどより急峻になる。

特に下限値を、ポンプ電流及び非通電のポンプ電圧の関数として、シグモイド関数によって、特に、
Ｌ_Ｒ＝ＩｐＭｉｎ／（１＋ｅ^{Ｄ＊Ｉｐ＊（Ｕｐ０－Ｕｐ０Ｒ－ｄＵ）}）
によって定めることができ、ここで、Ｌ_Ｒは、下限値であり、Ｉｐは、ポンプ電流であり、Ｕｐ０は、非通電のポンプ電圧であり、ＩｐＭｉｎ、Ｄ、Ｕｐ０Ｒ及びｄＵは、所定のパラメータである。

同様の事項が、上限値Ｌ_Ｌにも当てはまるが、ただし、ＩｐＭｉｎの代わりにＩｐＭａｘが使用され、Ｉｐ０Ｒ－ｄＵの代わりにＵｐ０Ｌ＋ｄＵが使用されるという条件付きである。

本発明は、対応するコンピュータプログラム、対応するデータ担体、及び、対応する制御装置にも関する。

本発明に係る方法を実施するための装置を例示的に示す図である。 本発明に係る方法の１つの実施例をフローチャートに基づいて例示的に示す図である。 ポンプ電流及び非通電のポンプ電圧の関数としての、上限値及び下限値を例示的に示す図である。 ポンプ電流及び非通電のポンプ電圧の関数としての、上限値及び下限値を例示的に示す図である。 １つの実施例と、従来技術による比較例とにおけるポンプ電流及びポンプ電圧の推移を例示的に示す図である。 １つの実施例と、従来技術による比較例とにおけるポンプ電流及びポンプ電圧の推移を例示的に示す図である。

実施例の説明
図１は、本発明に係る方法を実施するための装置を例示的に示している。それ自体公知であるラムダプローブ１０（詳細については、例えば、冒頭で述べた従来技術を参照のこと）は、ここでは概略的にのみ示されている。ラムダプローブ１０には、入力変数としてポンプ電流Ｉｐが対応付けられており、出力変数としてネルンスト電圧Ｕｎ及びポンプ電圧Ｕｐが対応付けられている。被測定ガスの酸素含有量を特定するためのラムダプローブ１０の機能に関しては、冒頭で述べた従来技術も参照されたい。

ラムダプローブ１０に接続された制御装置２０は、Ｕｎコントローラ２１と、Ｕｐ０計算機２２と、限界値計算機２３と、２つのラグフィルタ２４ａ，２４ｂと、差分形成器２５とを有する。

この例においては、制御装置２０は、本発明に係る方法を以下のようにして実施する。
・まず始めにＵｎコントローラ２１が、ポンプ電流Ｉｐをラムダプローブ１０に出力する。方法の開始時には、例えば、ポンプ電流Ｉｐは、例えば値０ｍＡを有する初期値Ｉｐｉであるものとしてよい。後々の時点において、ポンプ電圧の値は、さらに後述するように規定される（方法ステップＳ１、図２を参照）。
・差分形成器２５は、反転入力部においてネルンスト電圧Ｕｎを検出し、非反転入力部において所定の値ＵｎＳｅｔを検出し、このようにして形成された制御偏差ｅをＵｎコントローラに出力する（方法ステップＳ２）。
・Ｕｐ０計算機は、ポンプ電圧Ｕｐ及びポンプ電流Ｉｐを検出し、これらの変数の変化によってラムダプローブのポンプセルの内部抵抗Ｒｐを特定し、方程式Ｕｐ０＝Ｕｐ－Ｒｐ＊Ｉｐに従って非通電のポンプ電圧Ｕｐ０を計算し、非通電のポンプ電圧Ｕｐ０を限界値計算機２３に出力する（方法ステップＳ３）。
・限界値計算機は、以下の式
Ｌ_Ｌ＝ＩｐＭａｘ／（１＋ｅ^{Ｄ＊Ｉｐ＊（Ｕｐ０－Ｕｐ０Ｌ＋ｄＵ）}）
に従って上限値Ｌ_Ｌを計算し、ここで、パラメータは、例えば、以下の固定値、即ち、ＩｐＭａｘ＝６．２ｍＡ、Ｄ＝６０Ｗ^－１、Ｕｐ０Ｌ＝１．１Ｖ、ｄＵ＝０．０５Ｖを有し、
限界値計算機は、以下の式
Ｌ_Ｒ＝ＩｐＭｉｎ／（１＋ｅ^{Ｄ＊Ｉｐ＊（Ｕｐ０－Ｕｐ０Ｒ－ｄＵ）}）
に従って下限値Ｌ_Ｒを計算し、ここで、パラメータは、例えば、以下の固定値、即ち、ＩｐＭｉｎ＝－ＩｐＭａｘ、Ｕｐ０Ｒ＝１．４Ｖを有し（方法ステップＳ４）、
・ラグフィルタ２４ａ，２４ｂは、上限値Ｌ_Ｌ及び／又は下限値Ｌ_Ｒの振動が回避されるように、上限値及び下限値をフィルタリングする（方法ステップＳ５）。

上限値Ｌ_Ｌ及び下限値Ｌ_Ｒは、入力変数としてＵｎコントローラ２１にフィードバックされるので、そうしなければ、基本的にこのような振動が発生する可能性がある。

Ｕｎコントローラ２１は、まず始めに、自身に供給された制御ゲインに従ってポンプ電流の暫定値Ｉ’ｐを計算する（方法ステップＳ６）。この暫定値Ｉ’ｐと上限値Ｌ_Ｌ及び下限値Ｌ_Ｒとから、以下の条件付きで、即ち、
・Ｉ’ｐ＞Ｌ_Ｌの場合、Ｉｐｎ＝Ｌ_Ｌ
・Ｉ’ｐ＜Ｌ_Ｒの場合、Ｉｐｎ＝Ｌ_Ｒ
・それ以外の場合、Ｉｐｎ＝Ｉ’ｐ
の条件付きで、ポンプ電流の新しい値Ｉｐｎが決定される（方法ステップＳ７）。

その後、当初のポンプ電流がもはやポンプ電流Ｉｐとして使用されなくなり、上述したように特定されたポンプ電流の新しい値Ｉｐｎが使用されるという条件付きで、方法が、第１の方法ステップＳ１によって改めて継続される。

図３ａ及び図３ｂには、この例において使用される関数Ｌ_Ｌ及びＬ_Ｒが示されている。見て取れるように、これらの関数Ｌ_Ｌ及びＬ_Ｒは、非通電のポンプ電圧Ｕｐ０が絶対値で大きい場合には、値０ｍＡを取り、非通電のポンプ電圧Ｕｐ０が絶対値で小さい場合には、値ＩｐＭａｘ又はＩｐＭｉｎを取るという特性を有するシグモイド関数であり、非通電のポンプ電圧Ｕｐ０の関数としての、値０ｍＡと値ＩｐＭａｘ又はＩｐＭｉｎとの間の移行部は、ポンプ電流Ｉｐの絶対値が大きくなればなるほどより急峻になり、即ち、非通電のポンプ電圧の区間がより狭くなる。

図４ａは、この実施例に関して、ラムダプローブが比較的低温である（Ｒｐ＝１０００オーム）場合の、時点ｔ＝０．５及びｔ＝０．７における被測定ガス（ｐ_Ｏ２、点線）の酸素含有量の比較的大きい急変に応答するポンプ電流Ｉｐの推移を示している。比較方法（灰色の実線）の場合には、ポンプ電流Ｉｐの比較的大きい振れ、互いに逆向きの両方向への信号の振動、トグル、即ち、急速な急変が生じているが、このことは、本発明に係る方法（黒色の実線）の場合には当てはまらない。その代わりに、本発明に係る方法によれば、被測定ガスの実際の酸素含有量と相関するポンプ電流が迅速かつ正確に特定される。

図４ｂは、この実施例に関して、本発明に係る方法と比較方法とによるポンプ電圧Ｕｐの対応する推移を示している。図４ａと同様の特性が示されている。

Claims (9)

1. ワイドバンドラムダプローブを動作させるための方法であって、
   前記ワイドバンドラムダプローブは、被測定ガスと連絡している測定室を有し、かつ、電気化学的ポンプセルを有し、前記電気化学的ポンプセルに全体として印加されるポンプ電圧（Ｕｐ）に応じて、結果として生じるポンプ電流（Ｉｐ）に応じて、前記電気化学的ポンプセルにより、酸素を前記測定室内に輸送可能であり、かつ、前記測定室から輸送可能であり、
   前記ワイドバンドラムダプローブは、電気化学的ネルンストセルを有し、前記電気化学的ネルンストセルでは、前記ワイドバンドラムダプローブの参照室内の酸素含有量に対する、前記測定室内の酸素含有量の比率に応じて、ネルンスト電圧（Ｕｎ）が形成される、方法において、
   当該方法は、制御ループを提供し、前記制御ループの実際値は、前記ネルンスト電圧（Ｕｎ）であり、前記制御ループの設定値は、所定の値（ＵｎＳｅｔ）であり、前記制御ループの操作変数は、前記ポンプ電流（Ｉｐ）であり、
   前記操作変数である前記ポンプ電流（Ｉｐ）は、前記ポンプセルを保護するために、さらなる作用ループにより、上限値（Ｌ_Ｌ）及び／又は下限値（Ｌ_Ｒ）による制限の対象となっており、
   前記上限値（Ｌ_Ｌ）及び／又は前記下限値（Ｌ_Ｒ）は、それぞれ、前記ポンプ電流（Ｉｐ）と、前記ポンプ電圧（Ｕｐ）と、前記ポンプセルの内部抵抗（Ｒ）とに依存して可変的に決定される、
   ワイドバンドラムダプローブを動作させるための方法。
2. 前記さらなる作用ループにおいて、まず始めに、前記ポンプ電流（Ｉｐ）と前記ポンプセルの前記内部抵抗（Ｒｐ）との積と、前記ポンプ電圧（Ｕｐ）との間の差として、非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）の値が特定され、
   その後、前記上限値（Ｌ_Ｌ）及び／又は前記下限値（Ｌ_Ｒ）が、それぞれ、前記ポンプ電流（Ｉｐ）と、前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）とのみに依存して決定される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記さらなる作用ループにおいて、前記上限値（Ｌ_Ｌ）及び／又は前記下限値（Ｌ_Ｒ）は、前記上限値（Ｌ_Ｌ）及び／又は前記下限値（Ｌ_Ｒ）の振動が回避されるように、それぞれ伝達要素によって、例えばラグ要素によって、フィルタリングされる、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記下限値（Ｌ_Ｒ）及び／又は前記上限値（Ｌ_Ｌ）は、特性マップ又は関数によって定められる、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記下限値（Ｌ_Ｒ）は、前記ポンプ電流（Ｉｐ）及び前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）の関数として定められ、負の符号を有する前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）が絶対値で大きい場合には、値０ｍＡを取り、負の符号を有する前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）が絶対値で小さい場合には、値ＩｐＭｉｎを取り、
   前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）の関数としての、前記値０ｍＡと前記値ＩｐＭｉｎとの間の移行部は、前記ポンプ電流（Ｉｐ）の絶対値が大きくなればなるほどより急峻になり、
   及び／又は、
   前記上限値（Ｌ_Ｌ）は、前記ポンプ電流（Ｉｐ）及び前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）の関数として定められ、正の符号を有する前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）が絶対値で大きい場合には、値０ｍＡを取り、正の符号を有する前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）が絶対値で小さい場合には、値ＩｐＭａｘを取り、
   前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）の関数としての、前記値０ｍＡと前記値ＩｐＭａｘとの間の移行部は、前記ポンプ電流（Ｉｐ）の絶対値が大きくなればなるほどより急峻になる、
   請求項２に記載の方法。
6. 前記下限値（Ｌ_Ｒ）は、前記ポンプ電流（Ｉｐ）及び前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）の関数として、シグモイド関数によって、特に、
   Ｌ_Ｒ＝ＩｐＭｉｎ／（１＋ｅ^{Ｄ＊Ｉｐ＊（Ｕｐ０－Ｕｐ０Ｒ－ｄＵ）}）
   によって定められ、Ｉｐは、前記ポンプ電流（Ｉｐ）であり、Ｕｐ０は、前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）であり、ここで、ＩｐＭｉｎ、Ｄ、Ｕｐ０Ｒ及びｄＵは、所定のパラメータであり、
   及び／又は、
   前記上限値（Ｌ_Ｌ）は、前記ポンプ電流（Ｉｐ）及び前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）の関数として、シグモイド関数によって、特に、
   Ｌ_Ｌ＝ＩｐＭａｘ／（１＋ｅ^{Ｄ＊Ｉｐ＊（Ｕｐ０－Ｕｐ０Ｌ－ｄＵ）}）
   によって定められ、Ｉｐは、前記ポンプ電流（Ｉｐ）であり、Ｕｐ０は、前記非通電のポンプ電圧（Ｕｐ０）であり、ここで、ＩｐＭａｘ、Ｄ、Ｕｐ０Ｌ及びｄＵは、所定のパラメータである、
   請求項２に記載の方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法を実施するためのコンピュータプログラム。
8. 請求項７に記載のコンピュータプログラムが不揮発的に記憶されている電子データ担体。
9. 請求項８に記載の電子データ担体を備える制御装置。

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