温度調整器とは
温度調整器とは、温度を制御したい空間内に設置された温度センサからの信号と目標の温度を比較し、温度が目標値になるようにヒーターなどを制御する装置のことです。
温度を制御するものとして、サーモスタット が挙げられます。サーモスタットは目標値が固定されていたり、ダイヤルなどで変更できたりするものもありますが、いずれも温度調整をする対象環境内に直接、設置しなければなりません。
サーモスタットよりも高度な温度制御ができる温度調整器には、温度センサからの情報で制御する電子式で、デジタル調節計とも呼ばれます。温度調整器では制御機器に目標温度を設定する機能があり、温度調整をする対象環境内に温度センサーを設けて調整するシステムです。
温度調整方法には、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制御があります。
温度調整器の使用用途
温度調整器は一般家庭から産業用まで、多岐にわたって使用されます。 一般家庭では機械式のものが多く、使用例は身近なところで挙げると、トースターやこたつなど、比較的安価な家電です。エアコン・ファンヒーターなど緻密な制御が必要なところで用いられているのは、電子式の温度調整器です。
産業用では空調関係はもちろん、製造設備内の庫内温度や製造工程で使用する水や薬液の温度制御などに使用されます。大型のものでは、ごみ焼却場などの燃焼温度やセラミックの焼成などに使われる窯の温度調整などが挙げられます。
温度調整器の原理
サーモスタット (機械式温度調整器) は、内部にバイメタルと電気接点が設られています。 バイメタルは温度の変化によって、金属が膨張する性質を利用したものです。膨張率が異なる2つの金属を張り合わせ、温度が変化したときにバイメタルが変形することによって、電気接点のON/OFFを切り替えています。
電子式の温度調整器は、制御対象の温度を検知する温度センサ、温度を制御するためのヒータに指令を出す操作部と組み合わせれた制御システムの構成機械です。温度センサの出力と温度調整器に設定された温度とを比較し、両者の差がなくなるように制御部への指令を出力します。
温度センサは熱電対、白金測温抵抗体、サーミスタなどです。いずれも制御対象の温度に応じて電圧や電気抵抗値などの物理量を温度調整器に出力します。温度調整器では通常、フィードバック制御系が組み込まれています。フィードバック制御は設定した温度になるべく早く到達し、また制御対象の温度が変化した際にも、温度変化を極力少なくするために必要です。
温度調整器のその他情報
温度調整器の制御方法
1. ON/OFF動作
制御対象の温度が目標値よりも低いときにはヒータをONし、目標値より高い時にはヒータをOFFにする制御です。温度は目標値の近辺で上下を繰り返しながら制御されます。ヒータが0%と100%の2つの値だけで動作することから、2位置動作と呼ばれることもあります。
2. P動作 (比例動作)
測定値と目標値との差を少なくするために、両者の差の大きさに比例した制御出力をする方法です。つまり、測定値と目標値が大きい時には大きな制御を行い、両者の差が少ないときには、小さな出力で制御します。ON/OFF動作よりも滑らから制御か可能です。
3. I動作 (積分動作)
P動作では測定値と目標値との差異だけで出力の大きさを決定していますが、I動作は差異の大きさと経過時間に応じた出力を行います。仮に測定値と目標値との差が少なくても、その状態が長く続いている場合は、大きな出力で制御を行うため、より素早い制御が可能になります。
4. D動作 (微分動作)
D動作は外乱等による温度の急変があった場合に、大きな出力で制御をする制御です。変化量の大きさから制御量を決定するため、微分動作とも呼ばれます。
5. PID制御
PID制御はここまでに説明したP動作、I動作、D動作を組み合わせた制御方式です。温度を滑らかに、素早く、そして外乱に対しても素早く対応することができます。
6. 2自由度PID制御
2自由度PID制御は、PID制御での欠点を補う制御方式です。PID制御では外乱応答を重視すると、目標値が振動的になったり、逆に目標値を重視すると外乱に対して制御が遅れたりする欠点があります。
2自由度PID制御は、外乱に対しても目標値の維持に対しても、良好な応答をすることが可能です。
参考文献
https://www.fa.omron.co.jp/guide/technicalguide/53/103/index.html