2011 計測及び制御

16問 • 2年前

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図は、内径D[m]の円管の中心軸上における空気の流速ν[m/s]と体積流量V[m³/s]との関係を調べる試験装置の模式図である。ファンの回転により左側の空気吸込口から流入する空気は、流れの乱れを緩和するために設置した整流格子を通過する。その後、整流格子から十分離れた位置にある流量計により体積流量Vが測定され、その下流では流速νが測定される。このとき、管壁に設けられた孔と流速計先端部との間の差圧は差圧伝送機により電気信号に変換され、コントローラに送られる。コントローラは受信した信号を基に、νが設定値になるように、インバータを用いてファンの回転数を調整する。このようにして、弁の開閉によらない流量の制御を行なっている。管の中心軸上の流速を、差圧伝送器を用いて計測する図中の流速計は( 1 )式流速計と呼ばれる。この流速計の管の先端では、流れがせき止められるため、管内の圧力は流速のエネルギーの分、すなわち( 2 )の分だけ増加する。この増加分を含めた圧力と、管壁に設けた孔において測定さ( 3 )との圧力差Δpを測定することにより、空気の密度をρとすると、ベルヌーイの式を用いてνは( 4 )として求められる。

ピトー管, 動圧, 静圧, (2Δp/ρ)^0.5

図は、内径D[m]の円管の中心軸上における空気の流速ν[m/s]と体積流量V[m³/s]との関係を調べる試験装置の模式図である。ファンの回転により左側の空気吸込口から流入する空気は、流れの乱れを緩和するために設置した整流格子を通過する。その後、整流格子から十分離れた位置にある流量計により体積流量Vが測定され、その下流では流速νが測定される。このとき、管壁に設けられた孔と流速計先端部との間の差圧は差圧伝送機により電気信号に変換され、コントローラに送られる。コントローラは受信した信号を基に、νが設定値になるように、インバータを用いてファンの回転数を調整する。このようにして、弁の開閉によらない流量の制御を行なっている。流量測定に用いる流量計の候補として、電磁流量計、超音波流量計及びタービン流量計の3種類を検討する。流体が空気である点を考慮すると、これらのうち、この試験に用いることができないものは( 1 )流量計てある。また、( 2 )流量計を用いる場合には、下流側にある流速計との間隔を十分に取る必要がある。

電磁, タービン

図は、内径D[m]の円管の中心軸上における空気の流速ν[m/s]と体積流量V[m³/s]との関係を調べる試験装置の模式図である。ファンの回転により左側の空気吸込口から流入する空気は、流れの乱れを緩和するために設置した整流格子を通過する。その後、整流格子から十分離れた位置にある流量計により体積流量Vが測定され、その下流では流速νが測定される。このとき、管壁に設けられた孔と流速計先端部との間の差圧は差圧伝送機により電気信号に変換され、コントローラに送られる。コントローラは受信した信号を基に、νが設定値になるように、インバータを用いてファンの回転数を調整する。このようにして、弁の開閉によらない流量の制御を行なっている。この流量試験装置で測定される体積流量Vと流速νとの関係式は、( 1 )となる。これは管の内壁と空気流との間の粘性摩擦が存在するためである。

V<πD²ν/4

図は、内径D[m]の円管の中心軸上における空気の流速ν[m/s]と体積流量V[m³/s]との関係を調べる試験装置の模式図である。ファンの回転により左側の空気吸込口から流入する空気は、流れの乱れを緩和するために設置した整流格子を通過する。その後、整流格子から十分離れた位置にある流量計により体積流量Vが測定され、その下流では流速νが測定される。このとき、管壁に設けられた孔と流速計先端部との間の差圧は差圧伝送機により電気信号に変換され、コントローラに送られる。コントローラは受信した信号を基に、νが設定値になるように、インバータを用いてファンの回転数を調整する。このようにして、弁の開閉によらない流量の制御を行なっている。いま、圧力差Δpの計測値が0.008kPaであったとする。この場合の流速νは、空気の密度をρ=1kg/m³とすると、 (2Δp/ρ)^0.5の式を用いて( ? )[m/s]と求められる。

放射温度計は物体が発する熱放射エネルギーを計測することにより、非接触状態で物体の温度を求める計測器である。熱放射の大部分は赤外線であり、その波長は可視光線の波長[1. 約0.38〜0.78μm ]より[2. 短い ]。物体からの熱放射エネルギーを、ほぼ全波長にわたって検出素子が受け取り、検出素子の温度上昇から物体の温度を測定する形式の計測器は[3. 全放射温度計 ]と呼ばれ、主に低温の測定に用いられる。

◯, 長い, ◯

金属または非金属の固体材料を用い、その[1. 熱抵抗 ]が温度により変化する性質を利用して温度を測る計器を抵抗温度計という。その値が温度上昇にほぼ比例して増加する金属を使用するものとしては、例えば[2. サーミス ]などがある。

電気抵抗, 白金測温抵抗体

タンク内の水を蒸気で加熱する場合、水の温度を所定の値に制御するには、温度調節計を使用して自動的に蒸気調節弁の開度を変化させる場合と、温度調節計を使用せず、人間が蒸気調節弁の開度を変化させる場合とがある。前者を自動制御、後者を[1. 間接 ]制御という。

手動

タンク内の水の温度を目標値に一致させるため調整する蒸気調節弁の開閉動作としては、温度が目標値より低ければ調節弁を全開にして蒸気を流し、高くなったら調節弁を全閉にして蒸気を止める制御方法がある。これが[1. デジタル動作 ]である。しかし、この動作ではタンク内の水の温度は一定にならず、目標値より高くなったり低くなったり、波を打つように変動する。

オンオフ動作

制御の目的の一つは、制御量を目標値に一致させてその値に保つか、目標値に追従させることである。変化する目標値に制御量を追従させる制御を追値制御(又は追従制御)、目標値が一定の制御を[1. 比例 ]制御という。

定値

自動制御を理論的見地から分類すると、古典制御理論、現代制御理論、ファジィ制御などがある。工業分野で主に使用されているのは[1. 古典制御理論 ]であり、この中核はフィードバックPID制御方式である。

◯

自動制御の信号の流れ方によって分類すると、フィードバック制御、フィードフォワード制御、及び「あらかじめ定めていた順序又は手続きに従って制御の各段階を逐次進めていく制御」と定義される[1. プログラム ]制御に分類される。

シーケンス

自動制御システムで使用される計器は、検出部、調整計及び操作部に分けられる。調整計は、入力として目標値と測定値を受けて[1. 制御量 ]をつくり、制御演算部においてPID演算処理を行い、出力部を通して操作信号を出力する。

偏差

主として外乱の影響を早くなくすために考えられた動作が[1. 積分 ]動作である。この動作単独では自動制御に使用できないので、常に比例動作などと組み合わせて使用する。

微分

プロセスの特性を調べる方法として一般に用いられる応答法は、制御を行なっていない状態で、調整弁を[1. インパルス ]状に一定開度変化させ、このときの測定値の変化を見る方法である。

ステップ

カスケード制御は、「フィードバック制御系において、一つの制御装置の出力信号によって他の制御系の[1. 目標値 ]を決定する制御量」と定義させれている。カスケード制御の効果は、二次調節計により、二次側の制御系に入る外乱(例えば流量計上流側の圧力変化)の影響を早く処理できることにある。

◯

電子式を調整計と空気作動式ダイヤフラム弁を組み合わせるときは、[1. 電空コントローラ ]又は電空ポジショナを併用する。前者は、調整計の出力信号である4〜20mA DCを20〜100kPaに変化する機器であり、後者は調節弁のステムに取り付けて、空気圧の助けを借りて4〜20mA DCの調節計出力信号と調節弁の弁開度を一致させる機器である。

電空変換器

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