JP3838349B2 - ガスセンサの特性評価装置および特性評価方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサの特性を評価・試験する装置に関するもので、ガスセンサの生産ラインでの製品の品質検査等に利用するガスセンサの特性評価装置および特性評価方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関の排気ガス対策として例えば排気ガス浄化用の3元触媒を用いる場合、この触媒に最大限の機能を発揮させるには、混合気の空燃比を適正な値に保持する必要がある。しかし、通常のガソリン、LPガス等の内燃機関における気化器や燃料噴射装置では、混合気の空燃比が一定になるようにしたとしても種々の要因により実際には空燃比が大幅に変化する。従って、空燃比を一定に保つために、ガスセンサで排気ガス成分から実際の空燃比を検出し、その信号を気化器や燃料噴射装置にフィードバックする必要が生じている。
【0003】
このガスセンサは、酸素イオン導電性の固体電解質や半導電性の遷移金属酸化物を用いたもので、上述のような目的で使用されるため、出力特性の良好なセンサを製造するのに簡単な構成で手間がかからず精度のよいガスセンサの特性評価装置が要望されている。このようなガスセンサの特性評価装置の従来技術として、特開昭53−78886号公報に開示されたものがある。この従来技術は、ある周期で還元性ガスと酸化性ガスとを交互に切り換えてベースガスに供給することで、ガスセンサの特性(応答性)を評価・試験するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術では、ベースガスに対して還元性ガスと酸化性ガスとを交互に供給しているものの、還元性ガスの供給量と酸化性ガスの供給量とが異なる可能性がある。このようにベースガスに対して供給される還元性ガスの流量と酸化性ガスの流量が異なると、ガスセンサに供給されるガスの流速が、還元性ガスを加えたときと酸化性ガスを加えたときとで変化し、この流速変化によりガスセンサの応答性が影響を受けてしまう。このため、ガスセンサの応答性を精度良く、しかも再現性良く評価・試験することが困難であった。
【0005】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、ガスセンサの応答性を精度良く、しかも再現性良く評価・試験できるガスセンサの特性評価装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段およびその作用効果について記載する。
請求項1に係る発明は、ガスセンサに供給されるベースガスに、成分が異なる第1ガスと第2ガスとを一定の周期で交互に切り換えて供給する切換手段を備えたガスセンサの特性評価装置において、前記第1ガスを供給する第1ガス供給手段と、前記第2ガスを供給する第2ガス供給手段と、前記ベースガスに対して供給される前記第1ガスと第2ガスの流量を等しくするためにこれら両ガスの少なくとも一方に流量調整用ガスを供給する流量調整ガス供給手段とを備えることを要旨とする。
【0007】
この構成によれば、ベースガスに対して第1ガスと第2ガスとが交互に同じ量供給されるため、ガスセンサに供給されるガス全体の流量が一定になる。これにより、ガスセンサに供給されるガスの流速が、第1ガスを加えたときと第2ガスを加えたときとで変化しない。すなわち、ガスセンサに供給されるガスの流速を変化させずに同ガスセンサの応答性を測定できる。したがって、ガスセンサの応答性を精度良く、しかも再現性良く評価・試験することができる。
【0009】
また、この構成によれば、第1ガスと第2ガスの流量が等しくなるように、両ガスの少なくとも一方に供給する流量調整用ガスの流量を調整すればよい。このため、ベースガスに対して供給される第1ガスと第2ガスの流量を等しくするための調整を容易に行うことができる。
【0010】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のガスセンサの特性評価装置において、前記流量調整用ガスを、前記第1ガスと第2ガスのうち流量の少ない方に切り換えて供給する流路切換弁を備えることを要旨とする。
【0011】
この構成によれば、流量調整用ガスを、流路切換弁により第1ガスと第2ガスのうち流量の少ない方に切り換えて供給することができる。このため、第1ガスと第2ガスの流量が等しくなるように、両ガスのうち流量の少ない方に入れる流量調整用ガスの流量を調整すればよい。このため、第1ガスと第2ガスのいずれの流量が少ない時でも、ベースガスに対して交互に供給される第1ガスと第2ガスの流量を等しくするための調整を容易に行うことができる。また、流路切換弁を設けたことで流量調整ガス供給手段は1つですむので、コストを低減できる。
【0012】
請求項3に係る発明は、請求項1に記載のガスセンサの特性評価装置において、前記流量調整用ガスを、前記第1ガスと第2ガスの両方に入れ、該第1ガスと前記流量調整用ガスとの合計流量と、前記第2ガスと前記流量調整用ガスとの合計流量とを等しくすることを要旨とする。
【0013】
この構成によれば、第1ガスと第2ガスの流量が等しくなるように、両ガスの両方に入れる流量調整用ガスの流量をそれぞれ調整すればよい。このため、両ガスの流量は変えずに、ベースガスに対して交互に供給される第1ガスと第2ガスの流量を等しくすることができる。
【0014】
請求項4に係る発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスセンサの特性評価装置において、前記切換手段は、一定の周期で交互に開閉制御され前記ベースガスに対して前記第1ガスと第2ガスが交互に供給されるようにする一対の第1電磁弁と、前記ベースガスを前記ガスセンサに送るガス通路と連通する同ガスセンサより下流側のガス排出通路に、前記一対の第1電磁弁と同期して開閉制御され前記第1ガスと第2ガスのいずれか一方が供給されるようにする一対の第2電磁弁とを備えることを要旨とする。
【0015】
この構成によれば、一対の第1電磁弁が交互に開閉されベースガスに対して第1ガスと第2ガスが交互に供給されると同時に、一対の第2電磁弁が交互に開閉され、ガス排出通路に両ガスのうちベースガスに対して供給されるガスとは異なるガスが供給される。このため、一対の電磁弁の開閉時にガス通路内に発生するガスの脈動がガス排出通路に供給されるガスにより打ち消され、ガスセンサに供給されるガスの流量変化が抑制される。したがって、ガスセンサの応答性をより安定して測定することができる。
請求項5に係る発明は、ガスセンサに供給されるベースガスに、成分が異なる第1ガスと第2ガスとを一定の周期で交互に切り換えて供給する切換手段を備えたガスセンサの特性評価装置において、前記切換手段は、一定の周期で交互に開閉制御され前記ベースガスに対して前記第1ガスと第2ガスが交互に供給されるようにする一対の第1電磁弁と、前記ベースガスを前記ガスセンサに送るガス通路と連通する同ガスセンサより下流側のガス排出通路に、前記一対の第1電磁弁と同期して開閉制御され前記第1ガスと第2ガスのいずれか一方が供給されるようにする一対の第2電磁弁とを備え、前記ベースガスに対して供給される前記第1ガスと第2ガスの流量を等しくすることを要旨とする。
【0016】
請求項6に係る発明は、請求項4又は5に記載のガスセンサの特性評価装置において、前記一対の第2電磁弁の下流側に圧力調整弁をそれぞれ設け、該圧力調整弁により前記第1電磁弁と第2電磁弁の出口側の圧力を等しくすることを要旨とする。
【0017】
ガスセンサ前後での配管圧損により第1電磁弁の出口側圧力は第2電磁弁の出口側圧力より高くなり、第1電磁弁側では第2電磁弁側よりもガスが流れにくくなる。これに対してこの構成によれば、圧力調整弁により第1電磁弁と第2電磁弁の出口側の圧力が等しくなり、ガス通路に供給されるガスの流量と、ガス排出通路に供給されるガスの流量とを等しくすることができる。これにより、第1電磁弁側でガスが流れやすくなる。また、ガス通路に供給されるガスの流量と、ガス排出通路に供給されるガスの流量とが等しくなることで、ガス通路内に発生するガスの脈動がガス排出通路に供給されるガスにより効果的に打ち消される。したがって、ガスセンサに供給されるガスの流量変化をより一層抑制することができる。
【0018】
請求項7に係る発明は、請求項4〜6のいずれか一項に記載のガスセンサの特性評価装置において、前記第1電磁弁および第2電磁弁をそれぞれデッドボリュームの小さいインジェクタとし、該各インジェクタをガスセンサ入口側の配管に直結したことを要旨とする。
【0019】
この構成によれば、第1電磁弁および第2電磁弁をそれぞれデッドボリュームの小さいインジェクタとし、各インジェクタを配管に直結したことで、第1ガスと第2ガスの少なくとも一方を成分の異なるガスに切り換える際に、その切換を瞬時に行うことができる。また、ガス通路に交互に供給する第1ガスと第2ガスの切換についても瞬時に切り換えることができる。
【0020】
請求項8に係る発明は、請求項4〜7のいずれか一項に記載のガスセンサの特性評価装置において、前記第1電磁弁および第2電磁弁各々の開閉時期を検出する開閉検出手段と、該検出手段の検出結果に基づき各電磁弁の開閉時期のばらつきを補正する補正手段とを備えることを要旨とする。
【0021】
この構成によれば、各電磁弁の開閉時期のばらつきを、各電磁弁の駆動電圧および経時変化による応答遅れ等を考慮して補正することができる。
請求項9に係る発明は、請求項8に記載のガスセンサの特性評価装置において、前記開閉検出手段は、前記各電磁弁開弁時の駆動電流の変化から各電磁弁の開閉時期を検出することを要旨とする。
【0022】
この構成によれば、開閉検出手段は各電磁弁開閉時の駆動電流の変化から各電磁弁の開閉時期を検出するので、各電磁弁の開閉時期のばらつきを精度良く補正することができる。
【0023】
請求項10に係る発明は、ガスセンサに供給されるベースガスに、成分が異なる第1ガスと第2ガスとを一定の周期で交互に切り換えて供給するガスセンサの特性評価方法において、前記ベースガスに対して交互に供給される前記第1ガスと第2ガスの流量を等しくするためにこれら両ガスの少なくとも一方に流量調整用ガスを供給することを要旨とする。
【0024】
この構成によれば、ベースガスに対して第1ガスと第2ガスとが交互に同じ量供給されるため、ガスセンサに供給されるガス全体の流量が一定になる。これにより、ガスセンサに供給されるガスの流速が、第1ガスを加えたときと第2ガスを加えたときとで変化しない。したがって、ガスセンサの応答性を精度良く、しかも再現性良く評価・試験することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した各実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【0026】
[ 第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係るガスセンサの特性評価装置全体のシステム構成を概略的に示している。このガスセンサの特性評価装置は、還元性ガス供給部1と、ベースガス供給部2と、酸化性ガス供給部3と、流量調整ガス供給部4と、ガス切換装置5と、測定装置6とを備えている。
【0027】
還元性ガス供給部1は、H2ガス、C3H8ガスおよびCOガスが所定の比率で混合された第1ガスとしての還元性ガスを個別に所定の流量で供給する。この還元性ガス供給部1には、H2ガス、C3H8ガスおよびCOガスがそれぞれ充填された3つのガスボンベ(図示略)と、各ガスボンベから供給される各ガスの質量流量を適正に調整する3つのマスフロー・コントローラ11とが設けられている。そして、還元性ガス供給部1は配管9に接続されており、同供給部1から配管9に還元性ガスが供給される。
【0028】
ベースガス供給部2は、N2ガスを主成分とするベースガスを個別に所定の流量で供給する。このベースガス供給部2には、N2ガスが充填されたガスボンベ(図示略)と、N2ガスの質量流量を適正に調整するマスフロー・コントローラ21とが設けられている。そして、ベースガス供給部2は配管7に接続されており、同供給部2から配管7にベースガスが供給される。
【0029】
酸化性ガス供給部3は、第2ガスとしての酸化性ガス(O2ガス)を個別に所定の流量で供給する。この酸化性ガス供給部3には、O2ガスが充填されたガスボンベ(図示略)と、同ガスの質量流量を適正に調整するマスフロー・コントローラ31とが設けられている。
【0030】
流量調整ガス供給部4は、酸化性ガス供給部3から供給される酸化性ガスに加える流量調整用ガスとしてのN2ガスを供給する。この流量調整ガス供給部4には、N2ガスが充填されたガスボンベ(図示略)と、マスフロー・コントローラ41とが設けられている。同コントローラ41の下流側は、配管を介してマスフロー・コントローラ31の下流側に接続されている。酸化性ガスとN2ガスとが所定の比率で混合されかつこれら両ガスの合計流量(酸化性ガスの流量)が還元性ガスの流量と等しくなるように、酸化性ガスとN2ガスの質量流量がマスフロー・コントローラ31,41により適正に調整されるようになっている。そして、酸化性ガス(O2ガス)にN2ガスを加えた酸化性ガスが配管10に供給される。
【0031】
測定装置6は、ベースガス供給部2からのベースガスが供給される配管7内にガス検出部を設けたガスセンサ61と、同ガスセンサ61の出力を測定する計測部62とを備えている。そして、ベースガス供給部2から供給されるベースガスは、配管7(ガス通路)内を通ってガスセンサ61のガス検出部に供給され、さらに同ガスセンサ61の下流側に接続された排出管(ガス排出通路)8内を通って排出されるようになっている。
【0032】
このガスセンサ61は、主としてジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン導電性の固定電解質或いはチタニア(TiO2)等の半導電性の金属酸化物からなるガス検出部を有する。このガスセンサ61は、ガス中の酸素濃度を感知して、例えば理論空燃比を境にして急激に出力が変化するものである。例えば、ガスセンサ61は、ガス検出部にジルコニア管を用いた場合、ガス中の酸素濃度が理論空燃比より薄いとき、すなわち供給されるガスの雰囲気が還元性のときには、800〜1000mv(0.8〜1V)の起電力を発生する。また、このガスセンサ61は、ガス中の酸素濃度が理論空燃比より濃いとき、すなわち供給されるガスの雰囲気が酸化性のときには、200〜0mv(0.2〜0V)の起電力を発生する。
【0033】
なお、本実施形態に係るガスセンサの特性評価装置には、図示を省略してあるが、ガスセンサ61のガス検出部を加熱する電気式加熱炉が設けられている。そして、電気式加熱炉の通電を制御して、ガスセンサ61の温度がほぼ一定に保たれるようになっている。
【0034】
ガス切換装置5は、2つの第1電磁弁51,52と、2つの第2電磁弁54,55と、これらの電磁弁の開閉を制御する制御回路53とを備えている。これらの電磁弁51,52,54,55と制御回路53とにより切換手段が構成されている。
【0035】
電磁弁51の入口側は、還元性ガス供給部1からの還元性ガスが供給される配管9に接続されており、その出口側は配管9aを介して配管7にガスセンサ61より上流側で接続されている。電磁弁52の入口側は、酸化性ガス供給部3からの酸化性ガスが供給される配管10に接続されており、その出口側は配管10aを介して配管7にガスセンサ61より上流側で接続されている。電磁弁54の入口側は配管9に接続されており、その出口側は配管9bを介して排出管8に接続されている。そして、電磁弁55の入口側は配管10に接続されており、その出口側は配管10bを介して排出管8に接続されている。
【0036】
これらの電磁弁51,52,54,55は同じ構成のものであり、各電磁弁の構成を第1電磁弁51を代表して図2に基づき説明する。第1電磁弁51は、常閉型の電磁弁であり、制御回路53から所定電圧の駆動信号(図4に示す制御回路出力)がソレノイド51aに印加されると、弁体51bがばね51cの付勢力に抗して全閉位置から全開位置へ変位し、上流側の流路と下流側の流路とを連通させるようになっている。そして、第1電磁弁51は、ソレノイド51aに駆動信号が印加されている間、弁体51bが全開位置に保持されるようになっている。
【0037】
そして、制御回路53は、4つの電磁弁51,52,54,55を図3に示すパターンで開閉制御するようになっている。すなわち、制御回路53は、電磁弁51,55を同時に開閉させるとともに、電磁弁52,54を同時に開閉させるようになっている。電磁弁51が開弁するのと同期して電磁弁55が開弁することで、還元性ガスが配管9,9a内を通って配管7に供給され、ベースガスに加えられ始めると同時に、酸化性ガスが配管10,10bを通って排出管8に供給され始める。一方、電磁弁52が開弁するのと同期して電磁弁54が開弁することで、酸化性ガスが配管10,配管10a内を通って配管7に供給され、ベースガスに加えられ始めると同時に、還元性ガスが配管9,配管9bを通って排出管8に供給され始める。
【0038】
そして、本実施形態に係るガスセンサの特性評価装置では、上述したように還元性ガス供給部1から配管9には、H2ガス、C3H8ガスおよびCOガスが所定の比率で混合された還元性ガスが所定の流量(個々のガスの合計流量)で供給される。一方、配管10には、酸化性ガス供給部3から供給される酸化性ガス(O2ガス)と、流量調整ガス供給部4から供給されるN2ガスとが所定の比率で混合されかつこれら両ガスの合計流量が還元性ガスの流量と等しくなるように調整された酸化性ガスが供給される。
【0039】
また、制御回路53により第1電磁弁51,55と第2電磁弁52,54を一定の周期で交互に開閉することにより、配管7内を通ってガスセンサ61のガス検出部に供給されるベースガスに対して、流量の等しい還元性ガスと酸化性ガス(O2ガスとN2ガスの混合ガス)とが交互に供給される。ここにいう「一定の周期」とは、0.1〜10Hz程度の周波数に相当する周期であり、例えば本例では5秒の周期である。
【0040】
こうして電磁弁51,55が開いて還元性ガスがベースガスに供給されると、ガスセンサ61のガス検出部には還元性雰囲気のガスが供給されるので、ガスセンサ61は800〜1000mvの起電力を発生する。一方、電磁弁52,54が開いて酸化性ガスがベースガスに供給されると、ガスセンサ61のガス検出部には酸化性雰囲気のガスが供給されるので、同ガスセンサ61は、200〜0mvの起電力を発生する。
【0041】
このことを図4に基づいて説明する。
t0時点に、矢印Aで示す制御回路53の出力を変化させて電磁弁51,55を開くと、上記還元性ガスが配管9,9a内を通って配管7内のベースガスに供給され、還元性雰囲気のガスがガスセンサ61のガス検出部に供給される。これにより、矢印Bで示すガスセンサ61の出力がt1時点から急上昇する。t0時点からt1時点までの時間は、電磁弁51,55が開いてから還元性ガスがガスセンサ61のガス検出部に供給されるまでのガス輸送遅れ時間である。また、酸化性ガスから還元性ガスに切り換えたときのガスセンサ61の応答時間は、出力が上昇し始めるt1時点から同出力が1000mvの63%である630mvに達するt2時点までの時間である。この応答時間は、ほぼ200〜250msである。
【0042】
また、t3時点で、制御回路53の出力を変化させて電磁弁51,55を閉じて電磁弁52,54を開くと、酸化性ガス(O2ガス、N2ガス)が配管10,10b内を通って配管7内のベースガスに供給され、ガスセンサ61の出力がt4時点から急低下する。t3時点からt4時点までの時間は、電磁弁52,54が開いてから酸化性ガスがガスセンサ61のガス検出部に供給されるまでのガス輸送遅れ時間である。また、還元性ガスから酸化性ガスに切り換えた時のガスセンサ61の応答時間は、出力が低下し始めるt4時点から同出力が1000mvの37%の370mvに達するt5時点までの時間である。この応答時間は、ほぼ200〜250msである。
【0043】
ガスセンサ61の上記応答時間(t1時点からt2時点までの時間およびt4時点からt5時点までの時間)を計測部62によりそれぞれ測定することにより、同ガスセンサ61の応答性(応答時間)の良否を判別し、評価することができる。
【0044】
以上のように構成された上記第1実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
(イ)ベースガスに対して一定の周期で交互に供給される還元性ガスと酸化性ガスの流量を等しくしたので、ガスセンサ61に供給されるガス全体の流量が一定になる。これにより、ガスセンサ61のガス検出部に供給されるガスの流速が、還元性ガスを加えたときと酸化性ガスを加えたときとで変化しない。すなわち、ガスセンサ61に供給されるガスの流速を変化させずに同ガスセンサの応答性を測定できる。したがって、ガスセンサの応答性を上記従来技術のようにガス流速の変化による影響を受けずに測定でき、ガスセンサの応答性を精度良く、しかも再現性良く評価・試験することができる。
【0045】
(ロ)還元性ガス供給部1から供給される還元性ガスの流量を一定にしておき、酸化性ガス供給部3から供給されるO2ガスに加えるN2ガスの質量流量を流量調整ガス供給部4のマスフロー・コントローラ41で調整する。或いは、O2ガスとN2ガスの合計流量(酸化性ガスの流量)が還元性ガスの流量と等しくなるように、O2ガスとN2ガスの質量流量をマスフロー・コントローラ31,41により調整する。
【0046】
このように還元性ガスの流量を一定とし、O2ガスとN2ガスの合計流量(酸化性ガスの流量)が還元性ガスの流量と等しくなるように調整すればよい。こうして流量調整ガス供給部4を設けたことで、ベースガスに対して供給される還元性ガスと酸化性ガスの流量を等しくするための調整を容易に行うことができる。
【0047】
(ハ)電磁弁51,55が同時に開弁すると、還元性ガスが配管9,9a内を通って配管7内のベースガスに供給され始めると同時に、酸化性ガスが配管10,10b内を通って排出管8にも供給され始める。これにより、電磁弁51の開弁時に配管7内に発生するガスの脈動が排出管8に供給される還元性ガスにより打ち消され、ガスセンサ61に供給されるガスの流量変化が抑制され、ガスセンサ61の応答性をより安定して測定することができる。同様に、電磁弁52,54が同時に開弁すると、酸化性ガスが配管10,10a内を通って配管7内のベースガスに供給され始めると同時に、還元性ガスが配管9,9b内を通って排出管8にも供給され始める。これにより、電磁弁52の開弁時に配管7内に発生するガスの脈動が排出管8に供給される還元性ガスにより打ち消され、ガスセンサ61に供給されるガスの流量変化が抑制され、ガスセンサ61の応答性をより安定して測定することができる。
【0048】
[ 第2実施形態]
図5は、第2実施形態に係るガスセンサの特性評価装置全体のシステム構成を概略的に示している。本実施形態は、図1に示す上記第1実施形態において、流量調整用ガスを還元性ガスと酸化性ガスの両方に入れ、還元性ガスと流量調整用ガスとの合計流量と、酸化性ガスと流量調整用ガスとの合計流量とを等しくするように構成したものである。そのために、流量調整ガス供給部4と同様の流量調整ガス供給部4´を還元性ガス供給部1にも設けてある。その他の構成は、第1実施形態と同じである。
【0049】
この第2実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
(ニ)還元性ガスと流量調整用ガスとの合計流量と、酸化性ガスと流量調整用ガスとの合計流量とが等しくなるように、還元性ガスと酸化性ガスの両方に入れる流量調整用ガスの流量をそれぞれ調整すればよい。このため、還元性ガスと酸化性ガスの流量は変えずに、ベースガスに対して交互に供給されう還元性ガスと酸化性ガスの流量を等しくすることができる。
【0050】
[ 第3実施形態]
図6は、第3実施形態に係るガスセンサの特性評価装置全体のシステム構成を概略的に示している。本実施形態は、図1に示す第1実施形態において、流量調整用ガスを、還元性ガスと酸化性ガスのうち流量の少ない方に切り換えて供給する1つの流路切換弁56を設けたものである。この流路切換弁56は、流量調整ガス供給部4から供給される流量調整用ガスを配管10に管14を介して供給する第1位置と、流量調整用ガスを配管9に配管13を介して供給する第2位置との間で切り換えられるようになっている。その他の構成は、第1実施形態と同じである。
【0051】
この第3実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
(ホ)流量調整用ガスを、流路切換弁56により還元性ガスと酸化性ガスのうち流量の少ない方に切り換えて供給することができる。このため、還元性ガスと酸化性ガスのいずれの流量が少ない時でも、ベースガスに対して交互に供給される還元性ガスと酸化性ガスの流量を等しくするための調整を容易に行うことができる。
【0052】
[ 第4実施形態]
図7は、第4実施形態に係るガスセンサの特性評価装置全体のシステム構成を概略的に示している。本実施形態は、図6に示す第3実施形態において、第2電磁弁54,55の下流側に圧力調整弁57,58をそれぞれ設け、該圧力調整弁により第1電磁弁51,52と第2電磁弁54,55の出口側の圧力を等しくするように構成したものである。その他の構成は、第3実施形態と同様である。
【0053】
この第4実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
(ヘ)圧力調整弁57,58がないと、ガスセンサ61前後での配管圧損により第1電磁弁の出口側圧力は第2電磁弁の出口側圧力より高くなり、第1電磁弁側では第2電磁弁側よりもガスが流れにくくなる。このような不具合を解消するために、圧力調整弁57,58が第2電磁弁54,55の下流側にそれぞれ設けられている。このため、第1電磁弁51,52と第2電磁弁54,55の出口側圧力が等しくなり、配管7(ガス通路)に供給されるガスの流量と、排出管8(ガス排出通路)に供給されるガスの流量とを等しくすることができる。これにより、第1電磁弁51,52側でガスが流れやすくなる。
【0054】
また、配管7に供給されるガスの流量と排出管8に供給されるガスの流量とが等しくなることで、配管7内に発生するガスの脈動が排出管8に供給されるガスにより効果的に打ち消される。したがって、ガスセンサ61に供給されるガスの流量変化をより一層抑制することができる。
【0055】
[ 第5実施形態]
図8は、第5実施形態に係るガスセンサの特性評価装置全体のシステム構成を概略的に示している。本実施形態は、図7に示す第4実施形態において、上記各電磁弁51,52,54,55に代えて、デッドボリュームの小さい第1インジェクタ71,72と第2インジェクタ74,75を用いたものである。さらに、第1インジェクタ71,72は、ガスセンサ61入口側の配管7に直結されている。その他の構成は第4実施形態と同様である。
【0056】
これらのインジェクタ71,72,74,75は同じ構成のものであり、各インジェクタの構成を第1インジェクタ71を代表して図9に基づき説明する。
第1インジェクタ71は電磁弁を有し、この電磁弁のソレノイドに制御回路53から駆動パルス(駆動信号)を与えると、内部の作動ピストンが上昇して針弁71aがリフトし、ノズル先端の噴孔が開き、ガス(このインジェクタでは還元性ガス)が配管7に噴射される。
【0057】
この第5実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
(ト)上記電磁弁51,52,54,55に代えてデッドボリュームの小さい第1インジェクタ71,72,74,75を用い、インジェクタ71,72をガスセンサ入口側の配管7に直結してある。これにより、還元性ガスと酸化性ガスの少なくとも一方を成分の異なるガスに切り換える際に、その切換を瞬時に行うことができる。また、配管7(ガス通路)に交互に供給する還元性ガスと酸化性ガスの切換についても瞬時に切り換えることができる。
【0058】
[ 変形例]
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・上記各実施形態では、流量調整ガス供給部4は、酸化性ガス供給部3から供給される酸化性ガス(O2ガス)に流量調整用ガスとしてのN2ガスを供給するように構成されているが、本発明はこの構成に限定されない。すなわち、流量調整ガス供給部4は、還元性ガス供給部1から供給される還元性ガスにN2ガスを供給するように構成してもよい。この場合、流量調整ガス供給部4は、還元性ガス供給部1から供給される還元性ガスとN2ガスとが所定の比率で混合されかつ還元性ガスとN2ガスとの合計流量が酸化性ガスの流量と一致するように、マスフロー・コントローラ11,41により質量流量が適正に調整される。
【0059】
・上記各実施形態では、ベースガス供給部2はN2ガスを主成分とするベースガスを供給するように構成されているが、同ガスとして、空気とN2ガスの混合ガス、空気とO2ガスの混合ガス、或いは他の混合ガスを使用してもよい。また、ベースガス供給部2を特別に設けずに、上記還元性ガス(H2ガス、C3H8ガスおよびCOガスの混合ガス)或いは酸化性ガス(O2ガスとN2ガスの混合ガス)をベースガスとして用いてもよい。
【0060】
・上記第1実施形態において、第1電磁弁51,52の上流側に圧力調整弁を設けてラインの背圧(同調整弁より下流側の配管7内の圧力)を一定にするように構成してもよい。この構成により、ガスセンサ61の応答性をより安定して測定することができる。同様に、上記第2実施形態においても、電磁弁51,52の上流側及び電磁弁54,55の上流側に圧力調整弁をそれぞれ設けてラインの背圧を一定にするように構成してもよい。この場合にも、ガスセンサ61の応答性をより安定して測定することができる。
【0061】
・上記第1〜第4実施形態における各電磁弁51,52,54,55の開閉タイミングは、各電磁弁の応答遅れを考慮して設定するのが好ましい。この場合、各電磁弁の駆動電圧および経時変化による応答遅れや経時変化によるラインの背圧の変化等を考慮して各電磁弁の開閉タイミングを補正する。
【0062】
この補正方法の具体例としては、例えば、各電磁弁の駆動電圧、経過時間をモニタしておき、駆動電圧に対する応答性(駆動電圧の低下に応じた開弁時間の遅れ)や、経過時間に対する応答性(時間の経過に応じた開弁時間の遅れ)等のデータをマップ化して記憶しておく。このマップを参照し、各電磁弁の開閉タイミングに補正をかけることで、常に安定してガスセンサ61の応答性を測定することができる。駆動電圧としては、同電圧が変化しても各電磁弁の応答遅れの変化量が少なくなるような電圧を選ぶのが良い。
【0063】
・上記補正方法の別の例としては、各電磁弁の駆動電流、駆動電圧をモニタし、各電磁弁の開閉タイミングをフィードバック制御することで、常に安定してガスセンサ61の応答性を測定することができる。
【0064】
例えば、各電磁弁の弁体51b(図2参照)があ全開位置までフルリフトした瞬間に、磁気回路の磁束密度が急変するために、駆動電流波形が落ち込む。したがって、その駆動電流をモニタし、同電流が落ち込む時点を検出することで、各電磁弁の開弁時期を検出することができる。この検出結果に基づき各電磁弁の開閉時期のばらつきを補正することができる。
【0065】
ここで、各電磁弁の開閉時期を各電磁弁開弁時の駆動電流の変化から検出する開閉検出手段と、該検出手段の検出結果に基づき各電磁弁の開閉時期のばらつきを補正する補正手段とは、制御回路53により構成される。
【0066】
こうして各電磁弁の駆動電流、駆動電圧をモニタすれば、各電磁弁の固体差を吸収することができ、より安定してガスセンサ61の応答性を測定できるが、代表的な電磁弁のみをモニタして上記フィードバック制御を行うようにしてもよい。
・各電磁弁の開弁時期を検出するのに上記方法ではなく、ギャップセンサを用いて検出するようにしてもよい。或いは、上記ラインの背圧をモニタし、この背圧に基づいて上記フィードバック制御を行うようにしてもよい。
【0067】
・各電磁弁の開閉タイミングを上述したようにモニタしていれば、ライン(例えば配管7)の経時変化具合もモニタすることができ、これによりラインの劣化判定を行うことができ、メンテナンスを行う上で有利な情報が得られる。
・ガスとしてNO2,NH3,SO2等の腐食性ガスを使用する場合にはラインの経時変化が早いため、実験前後でラインをN2ガスでパージする制御を行うとよい。これにより、ライン、各電磁弁、各マスフロー・コントローラ等の経時変化を抑制することができ。
・上記各実施形態では、ベースガスに対して供給される還元性ガスと酸化性ガスの流量を等しくするようにしているが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガスセンサのリーン領域での応答性を評価する場合、上記還元性ガスと酸化性ガスに代えて、O2濃度の異なる2種類の酸化性ガスを用い、該両酸化性ガスの流量を等しくするようにしてもよい。或いは、ガスセンサ61のリッチ領域での応答性を評価する場合、上記還元性ガスと酸化性ガスに代えて、例えば、H2ガス、C3H8ガスおよびCOガスの混合比の異なる2種類の還元性ガスを用い、該両還元性ガスの流量を等しくするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1実施形態に係るガスセンサの特性評価装置全体のシステム構成を概略的に示すブロック図。
【図2】 同実施形態で用いる電磁弁を示す概略構成図。
【図3】 同電磁弁の開閉タイミングを示す波形図。
【図4】 同実施形態における制御回路の出力とガスセンサの出力とを示すグラフ。
【図5】 第2実施形態のシステム構成を概略的に示すブロック図。
【図6】 第3実施形態のシステム構成を概略的に示すブロック図。
【図7】 第4実施形態のシステム構成を概略的に示すブロック図。
【図8】 第5実施形態のシステム構成を概略的に示すブロック図。
【図9】 第5実施形態で用いるインジェクタを示す概略構成図。
【符号の説明】
1…第1ガス供給手段としての還元性ガス供給部、2…ベースガス供給部、3…第2ガス供給手段としての酸化性ガス供給部、4,4´…流量調整ガス供給手段としての流量調整ガス供給部、5…切換手段としてのガス切換装置、6…測定装置、7…ガス通路としての配管、8…ガス排出通路としての排出管、51,52,54,55…電磁弁、56…流路切換弁、57,58…圧力調整弁、61…ガスセンサ、71,72,74,75…インジェクタ。
Claims (10)
- ガスセンサに供給されるベースガスに、成分が異なる第1ガスと第2ガスとを一定の周期で交互に切り換えて供給する切換手段を備えたガスセンサの特性評価装置において、
前記第1ガスを供給する第1ガス供給手段と、前記第2ガスを供給する第2ガス供給手段と、前記ベースガスに対して供給される前記第1ガスと第2ガスの流量を等しくするためにこれら両ガスの少なくとも一方に流量調整用ガスを供給する流量調整ガス供給手段とを備えることを特徴とするガスセンサの特性評価装置。 - 前記流量調整用ガスを、前記第1ガスと第2ガスのうち流量の少ない方に切り換えて供給する流路切換弁を備えることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサの特性評価装置。
- 前記流量調整用ガスを、前記第1ガスと第2ガスの両方に入れ、該第1ガスと前記流量調整用ガスとの合計流量と、前記第2ガスと前記流量調整用ガスとの合計流量とを等しくすることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサの特性評価装置。
- 前記切換手段は、一定の周期で交互に開閉制御され前記ベースガスに対して前記第1ガスと第2ガスが交互に供給されるようにする一対の第1電磁弁と、前記ベースガスを前記ガスセンサに送るガス通路と連通する同ガスセンサより下流側のガス排出通路に、前記一対の第1電磁弁と同期して開閉制御され前記第1ガスと第2ガスのいずれか一方が供給されるようにする一対の第2電磁弁とを備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスセンサの特性評価装置。
- ガスセンサに供給されるベースガスに、成分が異なる第1ガスと第2ガスとを一定の周期で交互に切り換えて供給する切換手段を備えたガスセンサの特性評価装置において、
前記切換手段は、一定の周期で交互に開閉制御され前記ベースガスに対して前記第1ガスと第2ガスが交互に供給されるようにする一対の第1電磁弁と、前記ベースガスを前記ガスセンサに送るガス通路と連通する同ガスセンサより下流側のガス排出通路に、前記一対の第1電磁弁と同期して開閉制御され前記第1ガスと第2ガスのいずれか一方が供給されるようにする一対の第2電磁弁とを備え、前記ベースガスに対して供給される前記第1ガスと第2ガスの流量を等しくすることを特徴とするガスセンサの特性評価装置。 - 前記一対の第2電磁弁の下流側に圧力調整弁をそれぞれ設け、該圧力調整弁により前記第1電磁弁と第2電磁弁の出口側の圧力を等しくすることを特徴とする請求項4又は5に記載のガスセンサの特性評価装置。
- 前記第1電磁弁および第2電磁弁をそれぞれデッドボリュームの小さいインジェクタとし、該各インジェクタをガスセンサ入口側の配管に直結したことを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載のガスセンサの特性評価装置。
- 前記第1電磁弁および第2電磁弁各々の開閉時期を検出する開閉検出手段と、該検出手段の検出結果に基づき各電磁弁の開閉時期のばらつきを補正する補正手段とを備えることを特徴とする請求項4〜7のいずれか一項に記載のガスセンサの特性評価装置。
- 前記開閉検出手段は、前記各電磁弁開弁時の駆動電流の変化から各電磁弁の開閉時期を検出することを特徴とする請求項8に記載のガスセンサの特性評価装置。
- ガスセンサに供給されるベースガスに、成分が異なる第1ガスと第2ガスとを一定の周期で交互に切り換えて供給するガスセンサの特性評価方法において、
前記ベースガスに対して交互に供給される前記第1ガスと第2ガスの流量を等しくするためにこれら両ガスの少なくとも一方に流量調整用ガスを供給することを特徴とするガスセンサの特性評価方法。
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