2010 計測及び制御

7問 • 2年前

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図はオフィスビルの一室において、フロア冷房システムを試験的に運用している様子を示している。同室では冷房用の冷気が、床下から通気性の良いフロアマット越しに微風として供給されている。人体やパーソナルコンピュータからの発熱、日射などにより温められた室内空気は上昇し、天井に設けた排気口を通じてファンにより吸引され、熱交換器に導かれる。この、温空気は、ビルの屋上に設置したヒートポンプユニットから供給される冷熱により冷却される。このようにして生成された冷気は、空気調和機により温度と湿度が調整された後、床下の空気室へ導かれ、再び床下から吹き出されることにより室内へ循環される。このシステムは随時、運転状況を把握するため、幾つかの計測による温度、流量などの測定を実施している。図中にTEで示す3箇所において、熱電対を用いた熱電温度計で冷気、室内及び温空気の温度を測定している。熱電対は、種類の異なる二つの金属線の両端をそれぞれ接続し、各接続部を異なる温度に保った場合、温度差に応じた電位差が生じる現象を利用して温度測定を行うセンサである。この現象は[ ①温度補償 ]効果により生じる。また、このとき電流を生じさせる起電力は熱起電力と呼ばれ、二つの接続端(それぞれ、[ ②高温 ]接点、基準接点と称する)の温度差に[ ③必ずしも比例しない。 ]熱電対は一般に、電気的絶縁材を介して保護管として薄肉の細い金属管を使用した[ ④ファイバ式熱電対 ]は曲げて使用することができる。

ゼーベック, 測温, ◯, シース熱電対

図はオフィスビルの一室において、フロア冷房システムを試験的に運用している様子を示している。同室では冷房用の冷気が、床下から通気性の良いフロアマット越しに微風として供給されている。人体やパーソナルコンピュータからの発熱、日射などにより温められた室内空気は上昇し、天井に設けた排気口を通じてファンにより吸引され、熱交換器に導かれる。この、温空気は、ビルの屋上に設置したヒートポンプユニットから供給される冷熱により冷却される。このようにして生成された冷気は、空気調和機により温度と湿度が調整された後、床下の空気室へ導かれ、再び床下から吹き出されることにより室内へ循環される。このシステムは随時、運転状況を把握するため、幾つかの計測による温度、流量などの測定を実施している。室内への熱の流入量を測定するために、壁の内側に熱流センサを貼付している。熱流計はこの[ ①熱流密度 ]が既知の物質でできた薄板状のセンサの表面と裏面の温度差を測定することにより、センサを通過する単位面積あたりの熱流を出力する計器である。温度差の出力を高める工夫として、直列に接続した複数の熱電対の高温側接点を高温面に、低温側接点を低温面にそれぞれ配置した[ ②ガードン形 ]熱電対などが用いられる。

熱伝導率, 差動

図はオフィスビルの一室において、フロア冷房システムを試験的に運用している様子を示している。同室では冷房用の冷気が、床下から通気性の良いフロアマット越しに微風として供給されている。人体やパーソナルコンピュータからの発熱、日射などにより温められた室内空気は上昇し、天井に設けた排気口を通じてファンにより吸引され、熱交換器に導かれる。この、温空気は、ビルの屋上に設置したヒートポンプユニットから供給される冷熱により冷却される。このようにして生成された冷気は、空気調和機により温度と湿度が調整された後、床下の空気室へ導かれ、再び床下から吹き出されることにより室内へ循環される。このシステムは随時、運転状況を把握するため、幾つかの計測による温度、流量などの測定を実施している。空気の循環流量の監視のためにタービン流量計を設置している。これは空気循環用の配管中にある羽根車が、流れの[ ①速度の2乗 ]に比例した速さで回転することを利用して、流量を測定するものである。回転速度は管の外部に設けた[ ②ピックアップコイル ]を用いて、電気的なパズル信号として検出して測定される。

速度, ◯

図はオフィスビルの一室において、フロア冷房システムを試験的に運用している様子を示している。同室では冷房用の冷気が、床下から通気性の良いフロアマット越しに微風として供給されている。人体やパーソナルコンピュータからの発熱、日射などにより温められた室内空気は上昇し、天井に設けた排気口を通じてファンにより吸引され、熱交換器に導かれる。この、温空気は、ビルの屋上に設置したヒートポンプユニットから供給される冷熱により冷却される。このようにして生成された冷気は、空気調和機により温度と湿度が調整された後、床下の空気室へ導かれ、再び床下から吹き出されることにより室内へ循環される。このシステムは随時、運転状況を把握するため、幾つかの計測による温度、流量などの測定を実施している。冷気が微風として供給される際、空気室の空気の圧力のチェックは、適切な空気循環の管理上重要である。この圧力の監視のために、空気室に圧力センサを設置している。ここで用いた圧力センサは、単結晶シリコンの薄いダイヤフラムの両側に生じる差圧に比例した歪みを測定する形式のもので、[ ①振動 ]式と呼ばれる。出力には絶対圧として得られるものと、大気圧(約[ ②0.101kPa ])との差である[ ③相対圧 ]として得られるものとがある。

半導体歪みゲージ, 101kPa, ゲージ圧

図はオフィスビルの一室において、フロア冷房システムを試験的に運用している様子を示している。同室では冷房用の冷気が、床下から通気性の良いフロアマット越しに微風として供給されている。人体やパーソナルコンピュータからの発熱、日射などにより温められた室内空気は上昇し、天井に設けた排気口を通じてファンにより吸引され、熱交換器に導かれる。この、温空気は、ビルの屋上に設置したヒートポンプユニットから供給される冷熱により冷却される。このようにして生成された冷気は、空気調和機により温度と湿度が調整された後、床下の空気室へ導かれ、再び床下から吹き出されることにより室内へ循環される。このシステムは随時、運転状況を把握するため、幾つかの計測による温度、流量などの測定を実施している。屋上設置のヒートポンプユニットで冷熱が生成される際に使用される冷却水は、ヒートポンプに供給された後、冷却塔で冷却され、再びヒートポンプへと循環される。この冷却水の流量測定のために、電磁流量計を用いている。この流量計は電磁誘導に関する[① フーリエ ]の法則を利用しており、測定部の管路の水中に発生した電圧を検出する。測定管の管壁で[ ② 攪乱 ]されて正常な検出ができなくなることを防ぐために、一般に内面をフッ素樹脂やゴムでライニングする、又は，材質やセラミックとするなどの工夫が施される。流量計設置に伴って圧力損失は、直管に比べて[ ③増加しない ]。

ファラデー, 短絡, ◯

制御は「ある目的に適合するように、( 1 )に所要の操作を加えること」と定義されており、制御系は、「制御のために( 1 )に制御装置を結合して構成された系」と定義されている。制御装置は、「検出部、比較部、制御演算部、操作部からなり、( 2 )を生成する装置」であり、比較部と制御演算部をまとめたものが調節計である。調節計は、入力として( 3 )と測定値とを受けて偏差をつくり、制御演算部においてPID演算処理を行う。制御系においては、偏差がなくなる方向に( 2 )を調整する。その結果、( 4 )が変化するので、これを検出部を通して比較部に戻し、最終的に偏差がなくなるようにする。すなわち、( 3 )の変更や、( 5 )の影響で( 4 )が変化すると、この変化の影響は制御系をぐるりと一周する。このような制御系を( 6 )制御又は閉ループ制御という。調整計にはPID動作を使用することが有用であり、PID動作に基づく制御方式をPID制御という。PID動作は、PID定数と呼ばれる( 7 )PB、積分時間Tɪ、及び微分時間Tᴅで決定される。

制御対象, 操作量, 目標値, 制御量, 外乱, フィードバック, 比例帯

水温を一定温度に維持する温度制御において、加熱量をP動作で制御することにし、偏差0℃における調節計の出力が50%、偏差-25℃における調整計の出力が0%、偏差25℃における調整計の出力が100%となるように設定したい。測定スパンを100℃とすると、このときのPBは( 1 )[%]と設定すればよく、比例ゲインKᴘは2となる。なお、PBとKᴘとの関係は、式( 2 )で表される。このように設定して実際の挙動を測定した結果、時間が経過しても偏差が残ってしまったため、前述のP動作に積分動作を加えてPI制御を行うことにした、PI制御では、ステップ状に変化する変化が加わった場合の調整計出力は、図1〜図3のうちの( 3 )となる。ここで、積分時間が長いと、積分動作分の出力はゆっくりと変化するので、動作としては弱い。積分時間が短すぎると、設定値が波を打つようになる。これを積分性の( 4 )という。積分時間が0では( 5 )動作となる。

50, PB=100/Kᴘ, 図1, ハンチング, オンオフ

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