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温度制御に関する考え方

■温度制御に関する考え方



 

 温度制御に関する考え方、基本原理を理解すると応用展開の創造のトリガーと
なります。

各社の内容を比較して、さらに専門書、文献、特許等を探す項目の抽出に活かして
ください。

 

更新 2008.10.09

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□理化工業


●事業内容
・温度制御機器
・温湿度制御機器
・半導体製造用制御装置
・各種プロセス制御装置
・各種簡易計装システム
・樹脂圧力計
・各種センサ−などの開発・製造・販売













 

◆会社概要
創立1937年以来半世紀以上にわたり独自の技術による工業用制御機器の専業メ−カ−として成長を続けております。
温度、圧力、流量等の工業用制御機器としてホストコンピュ−タと結合できる各種調節計や制御機器また、シ−ケンス制御や調整機能のモジュ−ルの組み合わせによりシステム構築ができるシステムコントロ−ラ−、各種機械専用のマシンコントロ−ラ−、温度、圧力、レベルなど高精度な測定のためのセンサ類など、常に新しい技術に挑戦し、産業界のFA化(ファクトリ−オ−トメ−ション化)及びPA化(プロセスオ−トメ−ション化)のニ−ズに応えるべく高度な製品の研究・開発に取り組んでおります。
従って、常に高品質、高信頼性の製品を提供するために技術開発、商品設計から資材調達、製造、営業、出荷、サ−ビスに至るまですべての段階における品質管理活動を実践し、品質保証体制を確立しております。
また、当社では経営理念である「最高水準の品質の実現」を品質方針とし、品質保証の国際規格である「ISO9001」を取得、主力製品の安全規格対応については現在アメリカの安全規格ULとカナダの安全規格CSA、および欧州安全規格のEMC指令および低電圧指令に基づく規格適合品(CEマーキング適合製品)を生産しております。 当社では社内製品基準に国際規格であるIEC規格を取り込み設計から製造まで国際規格に適合した製品作りに取り組んでおります。
さらに、経営理念に則り、地球環境の保全を最重要課題であると認識し、『環境と調和』をスローガンとして、環境保全と社会貢献を目指して活動し環境マネジメントシステムISO14001を取得しています。
 

◆商品情報
 
主な製品について紹介
 

 


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◎理化工業の「温度制御の手引き」で温度制御に関する簡単な解説を行っていきます。

日頃何気なく使用している様々な機器,装置における温度制御の理解しやすい内容です。

注)図の写真は、理化工業のそのままのコードで掲載してあります。

■温度制御の概要

1.温度制御とは?
対象となっているものの温度を必要な温度になるように操作することを温度制御といいます。

2.温度制御の良さ
制御対象を制御していくうえでの温度の変化の結果を、制御結果といいます。温度制御の良さとは、いかに
制御結果を理想的な応答に近付けるかということになります。

3.制御対象の特性(応答)
制御結果を良くするためには、外乱やその制御対象の温度特性等をよく知ったうえで、その対象にあった温度制御を行うことが必要です。

4.温度制御の種類
制御の種類には、大別するとつぎの2つがあります。

  (1)シーケンス制御
  (2)フィードバック制御

5.温度制御の構成

一般的な温度制御の構成を図に表すと上図のようになります。これはフィ−ドバック制御の構成に
なっています。

6.制御動作
制御動作は、温度制御系の中の制御部の内容をいいます。制御対象の温度特性を良く知ったうえで適切な制御動作を選びましょう。主な温度制御動作には、次のようなものがあります。 

(1)オンオフ動作
(2)比例(Proportional)動作
(3)PID動作
(4)微分先行型PID動作
(5)比例先行型PID動作
 等

7)PID定数のチューニング法
PIDの制御結果を最適なものにするためには、P(比例帯)・I(積分時間)・D(微分時間)の各定数を最適値にする必要があります。最近の温度調節計では、これらの各定数を自動的に演算する機能が備わっています。 マニュアルにて各定数を求める方法(チューニング)としては、ステップ応答法や限界感度法などがあります。

8)応用による制御方法
各制御動作(P・PID)を応用してつぎのような制御動作が行えます。
(1)カスケード制御
(2)加熱/冷却制御

図の説明があります

身近な温度制御

“温度を測る”という作業は日常生活の中でいろいろ体験しています。“体がだるい”とか“熱っぽい”と感じたときは、体温を測るでしょうし、また、部屋の温度が何度であるか知りたいときは、寒暖計などで温度を知ります。 それでは“温度制御”となるとどうでしょうか? “温度制御となると一転して、「工業分野のものだから日常生活には関係ないよ」と思われがちですが、実際にはわたしたちの身のまわりでも“温度制御”は行なわれています。

 そもそも“制御”(control)とはどういったことなのでしょうか?。これは、工学書の定義によれば「ある目的に適合するように、対象となっているものに所要の操作を加えること」という抽象的な表現になります。これをもっと具体的に身近なものに置き換えてみましょう。

 ある寒〜い冬の日、外出先から自宅へ帰ってきたとします。部屋の中も冷えきっているのでガスストーブに火をつけました。はじめ寒かった部屋はだんだん暖かくなって、セータも要らなくなってきます。あまり暖かくなりすぎたのでストーブの火を弱くしてしばらくすると、今度は寒くなってきます。ストーブの火を強くしたり弱くしたりしながら適当な強さにしておくと、部屋の中は、ほぼ心地よい温度に落ちついてきます。このように、“温度制御”が行われている場合、そこには何らかの
目的(部屋の温度を心地よくする)があって対象(部屋の温度)と操作(ストーブの火を強くする・弱くする)と計測(暑い・寒い)といった概念がむすびついて意味をもってきます。


手動制御と自動制御

 
図の説明があります

部屋の温度を“20℃”にしたいとか、自動車の速度を時速50qにしたいとかの“目的”を達成させるには、“操作”をするための装置が必要になります。つまり、わたしたちの手や足がこれにあたるわけです。そのようにして“対象”に、ガスの元栓を開閉したり、アクセルを踏んだりして変化をあたえます。その結果、目的に適しているかを“計測”することが必要となります。

このような働きを“制御装置”によって自動的に行う作業をとくに自動制御(automatic control)といいます。たとえば電気コタツやエアコンの動作は自動制御といえます。
これに対して、前に述べた室内の温度調節や自動車の速度調節は、自動ではなく人間が制御動作を行うので手動制御(manual control)といいます。


温度制御系での用語

 
図の説明があります

図を見てください。これは、電気コタツの温度制御の関連を図示したものです。 このように表されたものには、いろいろな用語を使って表現します。

電気コタツなどの電気製品は、いくつかの部品から構成されています。この分割された1つ1つの部品を要素(element)といいます。どこまでを1つの要素とするかは決まっていませんが、通常、各信号の性質が変化するところのブロックを1つの要素としています。
これらの要素が集まって相互に関係をもち、ある所定の目的を果している集団をシステム(system)とよんでいます。私たち人間のまわりにある自動車、時計などありとあらゆるものが、システムといえます。その中でとくに制御を目的としたシステムを制御系(control system)といいます。そのようなシステムにおける要素間の相互作用において“原因”となる例と“結果”となる例を区別します。そして要素に加えられる何らかの物理量、たとえば電気コタツではヒータに流れる電流などを入力(input)または入力信号(input signal)といい、入力信号が要素で変化を受けて出ていく物理量、電気コタツではコタツの温度などを出力(out put)または出力信号(output signal)といいます。それらの信号の連絡を矢印を付けて因果関係を示すのに線図を用いると、制御系全体の構成や特性を知るのに大変便利になります。 このような線図をブロック線図(block diagram)とよんでいます。


温度制御の良さとは?

 図の説明があります

温度制御の理想としては、目標温度の変化(設定温度の変更・電源投入時の立ち上り)に対して制御温度が忠実に追従してくることです。図(a)のような目標温度のステップ状変化に対しての理想的な応答は、図(b)の制御となります。しかし、現実的には、制御対象や検出部・操作部などに時間遅れがあるので、調節部は、遅れて戻ってきたフィードバック信号(制御温度)に対して訂正動作が行われます。そのために制御結果は、図(c)のように“オーバシュート”をおこしたり、“サイクリング”を生じたりします。それをおそれて制御動作のゲイン(Kp)を小さくしすぎると、今度は図(d)のように目標温度への近づきかた(速応性)が悪くなります。 また、図(f)のように、サイクリングが減衰せずに、しだいに大きくなっていくこともあります。 図2の現実的な制御結果(c)、(d),(e)のうち、どれを良い応答とするかは制御の目的によって異なりますが、一般には、図(e)のように、“定常偏差”(オフセットともいいます)がなく、即応性がまあまああり、あまり振動的でないものが良いとされています。 良い制御結果を得るためには、“制御対象”や“検出器” 、“操作部”など制御系を構成する“要素”の動特性をよく知って、適切な制御動作を選ぶ必要があります。

 
◎良い制御とは、次のようなことを考慮したものです。

(1)オーバシュート,ハンティングがないこと

図の説明があります

実際の温度が設定値(目標温度)を通りこして、上ってしまう現象を“オーバシュート”といいます。
設定値に対して実際の温度が一致せず上下に変動する現象を“ハンティング”といいます。
 

(2)速応性・安定性が良いこと

図の説明があります

設定値が変化すれば、その変化に応じて温度がただちに設定値に追従することを“速応性”といいます。外乱を含めて実際の温度に何らかの変化があれば、それにともなう過渡状態(ハンティング)をすみやかになくし、定常状態におちつかせることを“安定性”といいます。

(3)定常偏差がないこと

図の説明があります

定常状態における実際の温度と設定値とのずれを“定常偏差”または“オフセット”といいます。
 

(4)過渡状態、定常状態

図の説明があります

外乱の影響や設定値の変更などで、実際の温度が乱れる、このはじまりの過渡時の状態を“過渡状態”といいます。 過渡時が過ぎさるとある一定値におちつきますが、この状態を“定常状態”といいます。

これらのことは、一般的に相反することが多く、全てをなくすことは現実的に不可能です。
実際には、それぞれの内容がその制御系に対して許容できる範囲で制御するのが普通です。

 

 

 □三基計装
     親会社 チノ

































 

◆会社案内
動物も植物もそして機械も快適な空気環境のもとで生き生きと躍動します。三基計装は優れた技術と特徴ある技術をもってこの快適な空気環境を創り出してまいりました。農業施設園芸と製造業のクリーンエアシステムは一見して異質なもののように見えますが、その根幹を成すものは同じです。そして驚くべきことに動物も植物も機械も日々成長・進歩しているのです。地球環境問題は冷媒やCO2、省エネ等、次から次へと私たちに新しいテーマを与えています。
 

◆製品情報
 

◆納入実績
活用の用途がわかります。
 

○技術情報

◆クリーンルームの基本、定義、方法、原則、関連規格、仕様、施工、維持管理など

◆空気清浄度の規格 FED-STD表記からISOへと変わります。

◆海外主要国の
電源電圧は?プラグ形状は?

◆空気を清浄化する「フィルタ」とはとんなものか?

◆冷凍サイクルとは?

◆オゾン層破壊、地球温暖化防止という地球環境を守るための冷媒の変更が進んでいます。

◆HACCPとISO22000の関係は?

 

◆販売店
 

 

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◎三基計装の「温度制御について勉強しよう」温度制御に関する簡単な解説を行っていきます。

温度は工業計測と制御においてもっとも広く利用されています。私たちの日常生活においても食事の準備には温度が重要なファクタになりますし、人間が生きて行くために絶対的に必要な『空気』と『水』についても温度が一番大切な要素であることは容易に理解できますネ。三基計装株式会社は人間、動物、植物、機械にとって、清浄で快適な空気環境を作ることを仕事にしています。したがって温度制御は必須の技術です。この分野は100年前に勉強したことが今でも通用する世界ですが、理論はともかく制御手段としては大変進歩しました。10年ひと昔ですから、30年も前の温度制御の手段は、今から考えれば回路的には複雑で、今から見れば「よくもまあ、こんな凝ったことをしたものだ」と思われるものでした。マイコンの登場で制御器もガラリと変わったのです。しかし何事もまず理論を理解することが大事です。

1.制御系統図(Contorol system daiagram)  図の説明があります
 たとえば食材を煮炊きするときには最初目一杯加熱して、沸騰してきたら状態を見ながら火加減を手で調節します。このときのセンサは「目」であり、「におい」であり、アクチュエータは人の手を通してガスや油ならバルブコック、薪ならばくべる量になります。人間は過去の経験を学習して頭脳の中に蓄えており、こうなったらこうすれば良いということを知識として持っています。ただし人間には初心者もいればベテランもおり、結果うまく行く場合とそうでない場合が起き得ます。また基本的にこのような「手動制御」では付きっきりで制御しなければなりません。加熱調理の間中、他の事もしないでずっとそればかりやっているのは人間のような「疲れる」「飽きる」特性を持った動物には大変ですね? この部分を機械に任せられたらどんなに楽でしょうか? そこで左図の「調節計」というものが活躍します。つまりこれで「自動制御」ができるといういうわけです。

2.よい制御(Good control)を行うには  図の説明があります
たとえば空調された室内に温度記録計を置いたら、ある温度±2℃の幅で上下動の繰り返しが記録されたとします。これを以って制御が悪いと言うお客様がいらっしゃいますが、果たしてそうでしょうか?このような波動を『ハンチング』と呼びますが、きれいに目標値の上下でハンチングしているとしたらそれは「良い制御」と言えるかもしれません。少なくとも暴れてはおりません。制御アルゴリズムが『2位置制御』のパッケージエアコンが設置されていたとしたら、ヒータや冷凍機のオンオフ制御を行いますから常に偏差はプラスとマイナスの間を往来するのです。

3.制御動作(Control action)  図の説明があります
「フィードバック制御」における各種の制御アルゴリズムについて色々なパターンがあります。
(1)2位置制御(on-off control)

(2)PID制御(PID control action)

「PID制御」というのは難しいとお考えの方が多いでしょう。実際、簡単ではありません。人間が何か実行の判断を迫られたとき、過去の経験に照らしてどうすべきか?現在の状態が続くならどう判断すべきか?将来はどうなるかの予測という「過去」、「現在」、「未来」における情報にそれぞれ重みを付けて判断します。PID制御においては、Pが現在の偏差の比例分、Iが過去の偏差の累積値、Dが偏差の将来予測値に基づいて制御出力を判断しているので、人間もPIDを適切に重み付けできる人は適切な判断ができる人ということになります。余談になりますが、人間でも今起きたことに直ちに反応して右往左往しているP型人間、過去のことはとてもよく知っているが将来どうすべきかの判断が弱いI型人間、今起きた変化に過敏に反応して将来予測を立てることは得意だが整理が不得手なD型人間など、様々な人がいます。このように考えますと、少しは「PID制御」に親しみが持てたのではないでしょうか
@比例動作(Proportional action)

 Y=Kp・Z+b     Y  :出力(Output)=0〜100%     Z:偏差(Deviation)
                          Kp:比例感度(Proportional sensitivity)=100/P    b:偏差ゼロ時操作量
                          P :比例帯(Proportional band)     P=0:2位置制御
                  比例帯小→出力変化率大          偏差比例幅=調節計最大目盛×P


A積分動作(Integral action)
 
Kdt          K:積分動作定数=Kp /T     T:積分時間   =∞(0):積分動作無
                 
           積分時間小→積分動作強(出力変化率大)


B微分動作(Derivative action)

  
Y=Kd/dt      K:微分動作定数=Kp ・T
                    
   T:微分時間      0:微分動作無
                   
微分時間大→微分動作強(出力大)


C比例+積分動作(PI action)

  
Y=Kp・Z+Kdt   =(100/P)・(Z+(1/Tdt)
                           
:積分時間   P:比例帯(0100)

比例帯幅が狭い=比例感度が大きい、すなわちY=Kp・Z+bという1次式における勾配がきついので、すこしの偏差でも制御出力が敏感に動きます。するとどうしても制御結果は振動しがちになります。広ければ振動は少なくなりますが動きが鈍くなります。ここに積分動作を加えますと、振動を抑えるとともに安定状態での定常偏差を除去することができます。積分動作を強くすると修正動作が強くなりますので偏差減少速度は速くなりますが、ハンチングが残ることがあります。この状態から積分動作を弱くして行くと目標に向かってソフトランディングが可能となります。したがって応答の遅いプロセス制御ではこのPI制御が多く用いられます。空調制御では比例帯の幅を大きくとり、すなわち比例感度を小さく(偏差に対して鈍く)とり、積分時間も長くとるのが普通です。


D比例+微分動作(PD action)

  
Y=Kp・Z+Kd/dt  =(100/P)(Z+Td/dt ))
               
:微分時間   P:比例帯(0100)

E比例+積分+微分動作(PID action)
    
   
Y=Kp・Z+KI∫Zdt+KD・dZ/dt  =(100/P)(Z+(1/TI)∫Zdt+TD(dZ/dt ))
                                TI:積分時間   TD:微分時間   P:比例帯(0〜100%)

◎現在では調節計に『PIDオートチューニング機能』というものが付いています。
ただし、ギリギリ制御の応答性、安定性を極めたいという向きにはP、I、Dの定数チューニングを理解する
必要があります。

 

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◎三基計装の「湿度について勉強しよう」湿度に関する簡単な解説を行っていきます。

ムシムシする梅雨の季節、肌に衣類が張りつくような不快な感覚、冬の乾燥空気で眼や鼻、唇が乾くのもいやなもの、霧の出る季節には車の運転に注意、しかし夏のキャンプ場、朝小鳥のさえずりで目が醒めて、テントの外に出た時の肌にシットリした良い感覚。これらはすべて空気中の水分のなせるわざ、これを表現するのに『湿度』という目安を用います。
日本は@梅雨という季節に植物が思いきり葉を茂らせ、背丈を伸ばして成長し、Aそのあとでギンギラギンの真夏の太陽が照り付けて、適度に夕立ちというスコールがあり、この時期に太陽の恵みで実がグングンと大きくなって、B快晴の秋がやってくると雨が少なくて実の中にアミノ酸が溜まり甘くなるという、まことに素晴らしい季節のサイクルがあります。人間にとって不快な時期でも植物には快適だ、ということです。三基計装株式会社はAir Conditioningの会社ですから、湿度は空調の重要なファクターです。
湿度は制御するほうから言いますと大変難しいものです。たとえば植物の発芽や接木の後は90%超の多湿環境の中で養生しますが、部屋の中にいるのは子供の病人ですから強い風は禁物です。また、天井に結露した水が水滴となって落ちてくると葉を傷めてしまいます。気流無く、結露水滴落下無く、しかも95%などという湿度を安定して実現するには?と考えると、その難しさがおわかりになるでしょう。また低湿度の制御をするにはまず除湿しなければなりません。冷凍サイクルによる除湿で間に合えば良いのですが、除湿機を使うとなると高価になります。湿り空気線図とにらめっこして設計します。さらに厄介なのは、湿度を制御したいときは大抵温度も制御したいという場合が圧倒的です。圧力が一定だとしても温度が少し変っただけで湿度は大きく動きます。すなわち温度と湿度は、どちらかを制御しようとすると他方に影響するという、あちら立てればこちらが立たずということが起き易い複合制御なのです。

湿度というのは普通、相対湿度のことを指し、単位は%RHで表します。相対湿度はその空気の含み得る水の割合を示し、RH:Relative Humidity(相対湿度)という意味です。温度と圧力が変化すれば飽和水蒸気圧(Saturation Vapor Pressure)が変わるので相対湿度は変化します。単位体積中の水分量が変わりなくても、空気温度が上がれば相対湿度は下がり、空気温度が下がれば相対湿度が上がって、露点(Dew Point)に達すると結露します。これは義務教育で習ったことですが、覚えていらっしゃいますか?気体中に含まれる水蒸気の量には限度があり、これ以上含まれない限度状態を飽和状態と言います。これも温度、圧力により変化します。温度が高い気体ほど多くの水蒸気を含む事が出来るので、その気体を冷却すると、その中に含まれる水分量は変わらなくても、相対湿度は増加し、ある温度になると相対湿度RHは100%となって飽和に達し、これをさらに冷すと水蒸気の一部が凝縮して露を結ぶのです。「霧の摩周湖」などではこういう現象が起きるのです。
さて、具体的数値で見てみましょう。相対湿度は温度が変化するとそれより大きく変化します。すなわち温度上昇に対してエクスポネンシャル(指数関数的)に飽和水蒸気量は上昇します。これは温度が高い程多くの水分を含み得るという空気の性質を示しています。例えば0℃と22℃での空気は、同じ相対湿度50%でも、その水分量は1.9g/kg'と8.2g/kg'であり、4倍も違います。0℃で50%の空気を暖めて22℃にするとその相対湿度は11%となり、水分量は同じでも湿度は下がります。22℃で50%の空気にするには、更に、水分差6.3g/kg'を補給しなければなりません。そこで冬季は加湿が必要となるわけです。たとえば23.5℃、40%と20℃、50%はほぼ同じくらいの快適さです。人間にとって快適な湿度は冬季40%〜60%ですから、冬季加熱して温度を上げてやるエネルギーよりも加湿するほうが省エネになるわけです。

◎参考 快適空気環境 人間にとって快適な温湿度範囲は

       項目/季節

         夏 季

       冬 季

      温 度

       26〜27℃

   20〜22℃

     湿 度

       50〜60%

   40〜60%

         気 流

          0.3m/s

         0.3m/s

というように、冬季は夏季に比べて、快適温度と快適湿度が低く、これは外気に対応して人間が衣服を調節するからと思われます。

 

相対湿度 %RH
(Relative Humidity)

気体中(通常空気中)に含まれている水蒸気量(水蒸気分圧)と
その空気と同じ温度に於ける、飽和水蒸気量(飽和水蒸気分圧
との比の100倍(パーセント)で表される

絶対湿度 g/m3
(Absolute Humidity)

単位体積(1m3)の気体中に含まれる水蒸気の質量(g)である。ただし温度および圧力の変化により気体体積が変わるため、含まれる水蒸気量は同一でも、絶対湿度は変化する

飽和水蒸気圧
(Saturation Vapor Pressure)

気体中にこれ以上水蒸気が含まれない限度状態を飽和といい、この時の水蒸気圧をいう。これも温度、圧力により変化する

露点
(Dew Point)

相対湿度RHが100%となって飽和に達し、水蒸気の一部が凝縮して露を結ぶ状態。露点が0℃以下で凍っていれば霜点(Frost Point)という

露点温度
(Dew Point Temperature)

空気を冷して露点に達する時の温度

不快指数
(Temperature Humidity Index)

乾湿球温度計の(乾球温度td+湿球温度tw)×0.72+40.6で表わす。不快指数が70〜75で半数が不快、80以上でほぼ全員不快を感ずるといわれる

乾球温度
(DB:Dry bulb temperature)

空気の温度そのもの

湿球温度
(WB:Wet bulb temperature)

外部と断熱された系統内で気体と液体とが接触し、気体から液体に熱が伝わり、その熱量分布だけ液体が蒸発し、気体の温度、湿度および液温が変化しないような平衡状態になった時の液温(℃)

空気線図



 

水蒸気を含んだ空気(湿り空気)の性質を表わした図のことで、横軸にエンタルピー(i)、縦軸に混合比(X)をとった図で、その図の1点がある空気の状態を表わすので状態点と呼ばれ、この状態点がわかれば、その状態の空気の乾球温度、湿球温度、露点温度、混合比、相対湿度、あるいはエンタルピーを求めることが出来る

エンタルピー kcal/kg
(Enthalpy)
 

乾燥空気の顕熱と水蒸気のもつ顕熱+潜熱の合計すなわち湿り空気の保有する熱量の総和を表す。湿り空気のエンタルピーは0℃の乾き空気のエンタルピーを0とし乾き空気1kgあたりのkcalで表す

混合比"X"
(humidity mixing ratio)

水蒸気以外の空気(乾き空気)1kgに対し、水蒸気をXkgの割合で含んだときの質量の割合X(kg/kg)を混合比と云い、温度圧力が変って体積が変化しても、水蒸気量の変化がなければ、混合比は変化しない。そのため、計算上便利なので工業上では混合比を絶対湿度と呼ぴよく便用される。Xは質量規準である

顕熱 kcal/kg

物体の温度の上昇下降にしたがって出入りする熱量を表す。温度Tの乾き空気1kg当りの顕熱は0.24Tである。0.24は乾き空気の質量比熱(kcal/kg℃)である

潜熱 kcal/kg

物体が蒸発、凝縮などの相変化をおこすときに出入りする熱量を表す。温度の上昇下降があっても出入りする熱量はない。温度Tの水蒸気1kgの潜熱は(597.3+0.44T)である。597.3は蒸気の気化潜熱である

顕熱比"SHF"
(Sensible heat factor)

空気の温度および湿度が変化するとき全熱量(エンタルピー)変化に対する顕熱量の変化の比率である。すなわちSHF=(Cp*冲)/冓である。Cp:定圧比熱、冓:エンタルピー変化量、冲:温度変化量

熱水分比"μ"

不飽和空気が、他の物体(たとえば別の空気、水、水蒸気等)から熱と水分を受ける場合、その空気のエンタルピーの変化量冓と絶対湿度の変化量儿との比をいう。μ=冓/儿

比重量"γ"

標準状態(温度0℃、圧力760mmHg、重力加速度g=980、665cm/S2)での乾き空気の比重量γは1.293kg/Nm3である。
空気中の水分の重さは約1〜2%である。もちろん湿度圧力で変化するが空調では湿り空気の比重量を1.2kg/m
3として計算することが多い

比容積

乾き空気1kgを含む湿り空気の容積を云う。比重量の逆数である。従って1/1.2=0.833m3/kg〔DA〕である。ここにkg〔DA〕は乾き空気1kgを表す

比熱、"Cp"

湿り空気の温度を1℃変えるときの熱量の変化でCp=0.240+0.44χで表す。Cp:湿り空気の定圧比熱〔kcal/kg(DA)・℃〕、
χ:湿り空気の絶対湿度〔kg/kg(DA)〕

標準温湿度状態
(JIS-8703)

常温常湿とは温度 20±15℃、相対湿度 65±20%RHを指す

 

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◎三基計装の「温湿度制御と精度について勉強しよう」温湿度制御に関する解説を行っていきます。

温度制御についての勉強をしたところで、今度は温湿度制御はどうなるかを見てみましょう。湿度については別のページ(クリック)に掲載しました。加熱温度制御だけであれば、通常それほど難しいことはありません。熱源が電気であればヒータへの電磁開閉器、SSR、SCR等の制御、ガスやオイル燃焼であればバルブの開度制御を行います。このような調節計の手足となって実際に制御対象系への出力をする機器を操作端(アクチュエータ)と言います。空調制御では加熱だけでは制御できないので冷却手段が必要になります。手っ取り早いのは水で冷却する(熱交換器=冷却コイルに冷たい水を流し、温まった水を冷却塔=クーリングタワーで再び冷たくする)ことですが、それだけでは出来ない場合は冷凍機やヒートポンプチラーを用います。さらに湿度が制御目的に加わると一段と制御が大変になります。湿度を制御したいときは大抵温度も制御したいという場合が圧倒的です。圧力が一定だとしても温度が少し変っただけで湿度は大きく動きます。すなわち温度と湿度は、どちらかを制御しようとすると他方に影響するという、あちら立てればこちらが立たずということが起き易い複合制御なのです。低湿度の制御をするにはまず除湿しなければなりません。冷凍サイクルによる除湿で間に合えば良いのですが、除湿機を使うとなると高価になります。湿り空気線図とにらめっこして設計します。

1センサの選択.

2.調節計の選定

3.温度と相対湿度の関係

4.誤差と再現性

5.一転精度と分布精度
「精度」と言ったときに、ある1点における精度なのか複数点における分布精度なのかは重要なポイントです。普通は1点精度を指しますが、空気は常に流れており、ある立体空間の各所で計測したときにバラバラの
温度や湿度を示すというのはよくある話です。1点精度はクリアできても分布精度が納まらないなどというのが普通であって、分布精度を高めるというのが高度な技術となってきます。この点だけは我々メーカーもお客様も、発注〜設計〜製作〜納入にあたっては、くれぐれもあいまいにせず、きちんと取り決めをいたしましょう。
分布精度を高めるにはそれなりに費用もかかります。計測点の位置を床から○m、側壁から×m、奥から△m、全部で何点とはっきり決めます。

6.計測と制御の監視

 センサで計測し、調節計で制御演算し、アクチュエータで出力するというのが制御系のループになります。人間で言えば、見たり、聞(聴)いたり、匂いを嗅いだり、味わったり、触れたりという、人間が本来持つ五感(視覚、聴覚、嗅覚、味覚、触覚)がセンサです。頭が調節計で、アクチュエータが手足です。”温度制御について勉強しましょう”のコーナーでPID制御について説明しましたが、人間の頭脳は知らず知らずのうちにPID制御を行っています。加えて人間には「学習」という特性があって、PIDの定数を対象ごとに蓄積して行けます。本当に素晴らしい生き物です。しかしながら人間には、「疲れる」とか「怠ける」という特性も別途あり、任せて安心というにはちょっと不安な面もあります。
制御を行うには計測しなければならず、空調制御では白金測温抵抗体を制御用センサとして用いるのが普通です。しかし単に1点の制御温度のみの記録ではなく、室内温度分布などを記録計に書かせたいというニーズがあった場合、センサが複数必要なのでコスト面の要求からT熱電対を用いるという場合があります。三基計装株式会社ではお客様への引渡しデータが必要な場合など、このようにして計測しますが、安価なセンサという意味では被覆熱電対というものを使用します。これは熱電対素線にビニール、エナメル、フッ素樹脂、ガラスウール、アルミナ繊維、セラミックなどを被覆したりコーティングしたものです。
また安全のために監視機能やフェイルセーフ機能を付加することが重要です。調節計の警報機能を用いるのはもちろんのこと、独立した警報計を設置して監視を”分散”させることが肝腎です。また過負荷防止や過熱防止、漏電遮断などはインテリジェンスを持たない機器で機械的に行うことが望ましいと言えます。さらに停電のような事故のときに、アクチュエータが安全側に働くような仕掛けを組むことも重要です。

このように「計測」と「制御」と「監視」は三位一体で構成すべきであり、これを構築することこそ
「計装」と言えるものです。

 

  


□オムロン

 
 ●オムロンについて

 
総合的なソリューションを提供しています。

・センサ ・スイッチ ・リレー ・コントロール
・FAシステム機器 ・モーション/ドライブ
・周辺機器/その他 
 

 ●温度制御の基本

 

 

 

◆温度制御の基本構成例
◆温度制御
◆制御対象の特性
◆ON/OFF動作
◆P動作(比例動作)
◆I動作(積分動作)
◆D動作(微分動作)
◆PID制御
◆2自由度PID制御
◆傾斜温度制御
 

 ●測温体の基本












 

◆温度計測の分類
◆熱電対の基本
 異種金属間に発生する熱起電力の現象(ゼーベック効果)を利用しています。このような金属線の組み合わせを熱電対(ねつでんつい)といいます。
◆白金測温度抵抗体
金属の抵抗値が温度と一定の関係にある現象を利用しています
金属線素材に求められている条件:
@電気抵抗の温度係数が大きく直線性が良い
A安定している
B広い温度範囲で使用できる
これらの条件に最もよく合った素材が白金(プラチナ)で、JISではこの白金測温抵抗体のみ規定されています。
◆測温体の熱応答
◆耐振動・衝撃性について
◆常用限度
◆測温抵抗体Pt100とJPt100について

 

●用語集




 

◆制御編
◆警報編
◆温度入力編
◆測温体編
◆出力編
◆設定編
 

 

 

 

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