JP6208060B2 - ガスセンサに備わるセンサ素子の昇温プロファイル設定方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態に係るガスセンサ100の構造を模式的に示す、長手方向に沿った断面図である。本実施の形態に係るガスセンサ100は、被測定ガス中の所定の測定対象ガス成分を検出し、その濃度を求めるためのものである。その要部たるセンサ素子101は、酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニアを主成分とするセラミックスを構造材料として構成されてなる。なお、以下においては、測定対象ガス成分がNOxガスである場合を例として説明を行う。
次に、本実施の形態に係るガスセンサ100の使用を開始するにあたって、センサ素子101をヒータ70にて所定の動作温度(例えば700℃〜900℃)にまで昇温する際の、昇温プロファイルの設定の仕方について説明する。本実施の形態においては、センサ素子101にクラックが生じることのない範囲で昇温プロファイルを設定する。
図8のグラフGaにおいて制御段数が5段の場合についての、実際のセンサ素子101の昇温速度変化の様子を、図5において曲線C3として示す。すなわち、曲線C3は、上述の実施の形態において設定した昇温プロファイルに基づいて、センサ素子101が実際にどのような態様にて昇温をされているのかを示している。
特許文献2に開示されている手法と同様、ヒータ抵抗値の時間変化を指数関数(1次遅れ関数)に近似した曲線を用いた、ヒータ抵抗に基づくフィードバック制御によってセンサ素子101を昇温した。目標となるヒータ抵抗値は4段階に設定した。その際の昇温速度変化の様子を、図5において曲線C4として示す。
47 測定ポンプセル
70 ヒータ
80 第3内部空所
100 ガスセンサ
101 センサ素子
C1 昇温上限曲線
C2 設定基準曲線
PF1、PF2 昇温プロファイル
T1〜T5(Tk) プロファイル設定用温度
v1〜v5(vk) 昇温速度上限
Claims (9)
- ガスセンサに備わる、酸素イオン伝導性の固体電解質からセンサ素子を、前記ガスセンサの使用開始時に昇温するための昇温プロファイルの設定方法であって、
前記センサ素子が、
被測定ガスが導入される内部空所と、
前記内部空所に設けられてなる測定電極と、前記内部空所と異なる部位に設けられたポンプ電極と、前記固体電解質からなる電気化学的ポンプセルと、
前記センサ素子を加熱するためのヒータと、
を備えており、
前記ガスセンサが、前記被測定ガス中の所定のガス成分の濃度を、前記電気化学的ポンプセルにおけるポンプ電流に基づいて特定するものであり、
前記昇温プロファイルが、前記ガスセンサの起動時に前記ヒータによって前記センサ素子を昇温する際の昇温時間に対する設定昇温温度の変化を表すものである場合において、
前記ヒータによって所定のプロファイル設定用温度に昇温した複数の前記センサ素子のそれぞれについて、前記ヒータによる急速昇温を、クラックが発生するまで昇温速度を違えつつ繰り返す急速昇温工程と、
前記所定のプロファイル設定用温度についての、前記急速昇温工程における前記複数の前記センサ素子におけるクラック発生の累積度数である故障率を、前記昇温速度を分布パラメータとしてワイブルプロットする故障率プロット工程と、
前記故障率プロット工程におけるワイブルプロットの結果から故障率が1ppmとなる昇温速度を昇温速度上限として特定する昇温速度上限特定工程と、
前記センサ素子の動作温度以上の温度を含む相異なる複数のプロファイル設定用温度についての前記昇温速度上限に基づいて、昇温温度に対する前記昇温速度上限の変化を表す昇温速度上限曲線を定める昇温速度上限曲線設定工程と、
前記昇温プロファイルを、任意の温度における昇温速度が当該温度についての前記昇温速度上限曲線上の値を超えない範囲で任意の関数として定める、昇温プロファイル設定工程と、
を有することを特徴とする、ガスセンサに備わるセンサ素子の昇温プロファイル設定方法。 - 請求項1に記載のセンサ素子の昇温プロファイル設定方法であって、
前記昇温プロファイル設定工程においては、前記昇温プロファイルを、任意の温度における昇温速度が前記昇温速度上限曲線上の値を超えない範囲で上に凸の関数として定める、
ことを特徴とする、ガスセンサに備わるセンサ素子の昇温プロファイル設定方法。 - 請求項1または請求項2に記載のセンサ素子の昇温プロファイル設定方法であって、
前記昇温プロファイル設定工程が、
任意の温度における昇温速度が前記昇温速度上限曲線上の値を超えない範囲で、昇温温度に対する昇温速度の変化を表す昇温速度基準曲線を定める基準曲線設定工程と、
昇温速度が前記昇温速度基準曲線に従う仮昇温プロファイルを設定する仮プロファイル設定工程と、
前記センサ素子の前記動作温度を最高値とした複数の制御切替温度を設定する制御切替温度設定工程と、
前記ガスセンサの起動時の前記センサ素子の温度である昇温開始温度から前記動作温度までの温度範囲を、前記複数の制御切替温度のそれぞれを境界値とした複数の段階に分割する多段分割工程と、
前記複数の段階のそれぞれにおける前記仮プロファイルの近似直線の傾きを当該段階における前記昇温速度として設定することにより前記昇温プロファイルを得る近似直線設定工程と、
を有することを特徴とする、ガスセンサに備わるセンサ素子の昇温プロファイル設定方法。 - 請求項3に記載のセンサ素子の昇温プロファイル設定方法であって、
前記複数の段階を4段階以上とする、
ことを特徴とする、ガスセンサに備わるセンサ素子の昇温プロファイル設定方法。 - 請求項4に記載のセンサ素子の昇温プロファイル設定方法であって、
前記複数の段階を10段階以下とする、
ことを特徴とする、ガスセンサに備わるセンサ素子の昇温プロファイル設定方法。 - 請求項5に記載のセンサ素子の昇温プロファイル設定方法であって、
前記複数の段階を5段階以上10段階以下とする、
ことを特徴とする、ガスセンサに備わるセンサ素子の昇温プロファイル設定方法。 - 請求項3ないし請求項6のいずれかに記載のセンサ素子の昇温プロファイル設定方法であって、
前記基準曲線設定工程においては、前記基準曲線を、前記複数のプロファイル設定用温度における昇温速度上限の1/3の値を通るように定める、
ことを特徴とする、ガスセンサに備わるセンサ素子の昇温プロファイル設定方法。 - 請求項1または請求項2に記載のセンサ素子の昇温プロファイル設定方法であって、
前記昇温プロファイル設定工程が、
任意の温度における昇温速度が前記昇温速度上限曲線上の値を超えない範囲で、昇温温度に対する昇温速度の変化を表す昇温速度基準曲線を定める基準曲線設定工程と、
昇温速度が前記昇温速度基準曲線に従うように昇温プロファイルを設定する設定工程と、
を有することを特徴とする、ガスセンサに備わるセンサ素子の昇温プロファイル設定方法。 - 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のセンサ素子の昇温プロファイル設定方法であって、
前記センサ素子が、前記内部空所として、
外部空間と所定の拡散抵抗のもとで連通する第1の内部空所と、
前記第1の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通する第2の内部空所と、
前記第2の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通する第3の内部空所と、
を備えており、
前記測定電極が前記第3の内部空所に設けられてなる、
ことを特徴とする、ガスセンサに備わるセンサ素子の昇温プロファイル設定方法。
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