JPS641632Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は熱分析装置の異種またま同種類の加
熱炉を複数台、同時に１台の温度プログラム制御
装置によつて制御するようにした装置に関するも
のである。

一般に物質の物理的あるいは化学的性質の変化
を温度の関数として測定する熱分析に用いる装置
は衆知のごとく示差熱分析や差動熱量測定をはじ
め数多く技法を用いて広く使用されている。これ
ら各種の熱分析装置は従来から試料に温度変化を
与える加熱炉（０℃以下の低温炉も含む）とその
温度プログラム自動制御装置とは１対１の関係で
構成されているのが通常である。その理由は上記
したように熱分析の数多くの技法によつて、加熱
炉の構造やその熱容量がそれぞれ異なり、したが
つて加熱炉の熱的応答の速度（熱損失の大きさ）
において１桁以上ものちがいが存在する。このよ
うに熱的応答の速さが大きく異なる複数の加熱炉
を１台の温度制御装置で同時にプログラムに忠実
で行きすぎやハンチングなどのない精密な制御を
することはその制御信号の演算ならびに切換え速
さの設定がむつかしく、かつ可成りの高速に行う
必要があり、従来一般に行われていなかつた。こ
のため前述したように加熱炉ごとに温度制御装置
を必要とする熱分析装置では数多くの試料を同一
技法たとえば熱重量測定法で熱安定性の測定をす
るなどの品質管理面ではプログラム一回当りの時
間が長く（たとえば標準的昇温速度10℃／mmで常
温から1200℃まで２時間というように）かかり、
それが試料数だけ長時間要するという問題があ
る。また一方同一の試料をいろいろの角度からそ
の熱物性を研究するばあいは、各種の技法による
それぞれ異なる加熱炉を同一温度プログラムで測
定するのであるが、このばあいもその技法に対応
する加熱炉が用意されていても、１台の制御装置
で順次測定しなければならず、これまた一つの試
料の研究データをまとめるまでに長時間かかる結
果となる。上記いずれのばあいもそれを早く処理
するには加熱炉の数だけ制御装置を設備しなけれ
ばならず、設備コストが高くなる問題が生ずる。

この考案は上記の現況に鑑みてなされたもの
で、従来の熱分析装置の欠点を解消し、１台の温
度制御装置によつて異種または同種類の複数の加
熱炉のいずれの熱的応答の速さに比してもはるか
に早い速さでそれぞれの温度制御系での制御量と
目標値の偏差を求め、これを訂正する制御出力を
ある一定の短時間ごとに更新しながら各加熱炉の
温度プログラム制御を行うことによつて、従来の
１対１の構成による連続制御と同等の精密温度制
御を可能にし、設備費が低廉で、測定時間の短縮
化ならびに異なる技法の熱分析が同時にでき熱物
性研究に便宜な装置の提供を図るものである。す
なわち試料の温度を変化させながらその物性の変
化を温度の関数として測定する装置において、同
種または異種の加熱炉を設けそのそれぞれの温度
を制御量信号として検出し、これら制御量信号お
よびフイードバツク信号回路からのフイードバツ
ク信号を前記加熱炉の熱応答のむだ時間に比し十
分に短かい一定時間ごとに順次切換え的に共通の
プログラム制御目標値信号と比較し、その偏差を
なくする制御値を演算出力する手段と、この出力
された制御値信号を前記切換えと同期して前記複
数の加熱炉に対応して設けた信号保持回路に順次
入力するとともに、この保持された制御値信号に
よつてそれぞれの加熱炉を前記切換えの一定時間
に加熱炉台数を乗じた積に相当する時間連続的に
温度制御する手段とを設けたことを特徴とする熱
分析装置にかかるものである。

以下図面によつてこの考案の実施例を説明す
る。第１図は従来の熱分析装置の温度制御系のブ
ロツク図で、第２図はこの考案の実施例として加
熱炉を４台同時制御する装置のブロツク図であ
る。第１，２図を通してF₁，F_a〜F_dは試料（図
示を略す）を一定の速さで昇温、または降温する
加熱電気炉、１〜５は加熱炉の加熱温度（制御量
温度）T₁，T_a〜T_dを電気信号（電圧）として検
出する熱電対であるが、装置によつては測温抵抗
素子を用いるものもある。A₁，A_a〜A_dは上記検
出された温度信号T₁，T_a〜T_dを増幅するプリア
ンプ、６，７は熱分析技法によつて決まる温度プ
ログラムを設定する温度プログラマ、８，２２は
温度制御演算回路で第１図に示すように、温度プ
ログラマ６の発するプログラム制御目標値信号S_P
と、プリアンプの出力である温度信号S_Tと、さら
にフイードバツク信号回路１０からのフイードバ
ツク信号S_Fとを入力し、これらを比較し、その偏
差を速やかに零とする最適制御値をたとえばPID
（比例・積分・微分）動作すなわちあらかじめ設
定してある制御演算定数にて演算して制御出力信
号S_Cとして出力する機能を有するたとえばマイク
ロコンピユータである。１１はたとえばトライア
ツク（３端子交流半導体スイツチ）で構成された
交流位相制御器で、図示しない交流電源から加熱
炉F₁への供給電流I₁を精密に調整する。上記１０
のフイードバツク信号回路は電流電圧変換器で、
上記供給電流I₁に比例した電圧信号として前述の
S_F信号を発生するもので、このフイードバツク信
号系によつて加熱炉温度検出系の遅い応答性をカ
バーして、目標値に対する温度追従性を高め制御
の円滑化を図つている。以上が従来の熱分析装置
の温度プログラム制御系の基本的な構成であり、
公知のものであるが、つぎに第２図によつてこの
考案の実施例を説明する。第１図のものに比し、
S₁〜S₃の切換回路と２１ａ〜２１ｄの信号保持回
路が加わつている。S₁はそれぞれの加熱炉の温度
検出信号S_Ta〜S_Tdであるアナログ信号をたとえば
FET（電界効果トランジスタ）を用いたアナログ
スイツチで電子式に切換えるものであり、S₂も同
様のものである。このためこのばあいの温度制御
演算回路２２内には上記S₁，S₂のコモンの入力部
２２Ｔ，２２ＦにはそれぞれＡ／Ｄ変換器を設け
ている。つぎにS₃であるが、これはそのコモン
S_3Cがマイクロコンピユータ内のバスであり、マ
イクロコンピユータの制御部の指令信号によつて
加熱炉F_a〜F_dのそれぞれに対応して演算した結
果の制御値出力信号をS₁〜S₂と同期してデイジタ
ル信号D_a〜D_dとして切換え出力するものである。
２１ａ〜２１ｄの信号保持回路はその入力側にた
とえばMSI（中規模集成回路）などの半導体によ
るラツチ回路と呼ばれるもので一定時間（後述す
る）上記信号をそのまま保つとともにこれを内蔵
のＤ／Ａ変換器を介してそれぞれのアナログ制御
値出力信号S_ca〜S_cdとして１１ａ〜１１ｄの制御
操作部Ａ〜Ｄに出力するものである。Ia〜Id信号
および１１ａ〜１１ｄと１０ａ〜１０ｄおよび
S_Fa〜S_Fd信号は第１図で説明したものと同一のも
のである。以上がこの考案の実施例装置の構成
で、つぎに第３，４図でその作用を説明する。第
３図は熱プロセスでよく見られる遅れ要素を示す
応答曲線の一例で、このばあい加熱炉F₁，F_a〜
F_dに（ｔ＝０）時点にI_Xの供給電流の変化が与え
られたとき、初期温度Tfから最終温度Teまで図
のようなＳ字形応答をする。ここで、一般に、入
力信号が変化してから出力信号の変化が認められ
るまでに経過する時間をむだ時間というが、熱プ
ロセスにおける応答は理論的に取り扱いにくいの
で、近似的に、応答曲線の変曲点Ｐに接線を引
き、その接線と縦軸の温度Tfの点から横軸と平
行に引いた線との交点を求め、Ｌを等価のむだ時
間（以下の説明においては、単に「むだ時間」と
いう）、Ｔを等価の１次おくれ時間と定義して応
答を考える。熱分析装置の加熱炉の上記Ｌは大小
さまざまであるがきわめて小形のもので約数sec
とされている。このむだ時間Ｌに対し十分短かい
一定時間たとえば50msecを第４図のToと設定し
たのがこの考案の要部の一つである。すなわちむ
だ時間Ｌに対して実用上無視しうる位瞬間的に検
出・比較・演算・切換出力することによつて間欠
制御でありながら連続制御と同等の制御性を保つ
ことのできる理由である。第４図Ａ○〜は４台の
加熱炉F_a〜F_dへの制御出力信号S_ca〜S_cdのタイム
チヤートであり、各炉の構造、容量試料の状況な
どで、同一プログラム設定目標値に対する制御量
の差△Ｓ，△S′のように異なるが、すべてプログ
ラム目標値（定速昇温の降温あるいは恒温制御目
標値）に早く応答でき行きすぎなどの振動をおこ
さず、さらにオフセツトのない最適調整を目ざす
ものである。今図についてのべるとta時点で第
２図のS₁，S₂，S₃がそれぞれ図の示す接点と接続
され、上記したように50msecのToの間において
Ａ／Ｄ変換、PID制御関数での演算、Ｄ／Ａ変換
などが行われ、最適制御信号としてのS_ca1が２１
ａの保持回路を経て１１ａに出力され、加熱電流
Iaを制御する。50msecたつたtb時点でS₁〜S₃は
切換わるが、上記２１ａに保持されたSac₁はそ
のままIaの制御を持続し、S₁〜S₃が１周して再び
図の関係にもどるまで、すなわち50msec×４（加
熱炉台数）＝200msec＝T_Lの関連続制御するもの
である。図〜図も同様の作用を示している。
図は第１図の加熱炉F₁の温度信号S_Tの変化曲
線の例として示したもので、ゆるやかな温度勾配
でのtaからの上記一定値制御時間0.2secは十分瞬
間的で、いいかえると0.2secごとに制御出力を更
新する連続制御であることを示している。

以上がこの考案の実施例として４台のかなり熱
容量の異なる加熱炉の同時制御装置の構成と作用
の説明であるが、この考案はプログラマ１台に限
定されるものでなく、たとえば２台としてそれぞ
れ異なるプログラムで複数台づつの加熱炉の同時
制御もできる。また温度制御演算回路も必ずマイ
クロコンピユータでなくてもアナログ演算回路で
も構成できるし、加熱炉の種類によつては切換回
路にリレーなどを用いてもよい。

この考案は以上のように構成されているので従
来の熱分析装置が加熱炉と制御装置が１対１で構
成されていたための欠点を解消し、使用されるほ
とんどすべての加熱炉の熱応答のむだ時間に対し
ほとんど無視できる位の瞬間的の一定時間内にお
いて制御信号を更新し、これを加熱炉台数分だけ
の時間（これも十分短かい時間）連続制御すると
いう構成によつて１対１の構成での制御性と同等
の精密温度制御ができるもので、このため品質管
理面では低廉な設備で同種の試料の分析時間の大
幅な短縮ができ、また熱物性研究の面では、異な
る技法による異種の加熱炉を同一プログラムで測
定することで分析結果の解析などが容易となるな
どの広い使用範囲での有効な装置を提供しえたも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の熱分析装置の一般的な構成を示
すブロツク図、第２図はこの考案の実施例として
４台の加熱炉（異種または同種類）を同一プログ
ラムで同時測定する装置の構成ブロツク図、第３
図は加熱炉などの熱プロセスの応答曲線説明図、
第４図〜は４台の加熱炉の制御出力信号のタ
イムチヤート、図は１台の加熱炉の温度特性の
一例図である。 F_a〜F_d……複数の加熱炉（同種または異種）、
T_a〜T_d……加熱炉温度、S_Ta〜S_Td……制御量信
号、Ｌ……加熱炉の熱応答のむだ時間（sec）、
T_p……切換えの一定時間（上記Ｌのたとえば1/1
００以下の時間）（msec）、S_P……プログラム制御
目標値信号、S_ca〜S_cd……制御値出力信号、S₁〜
S₃……同期して切換える３つの切換器、T_L……
上記T_pに加熱炉台数を乗じた積の時間（msec）。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 試料の温度を変化させながらその物性の変化を
   温度の関数として測定する装置において、同種ま
   たは異種の複数の加熱炉を設けそのそれぞれの温
   度を制御量信号として検出し、これら制御量信号
   およびフイードバツク信号回路からのフイードバ
   ツク信号を前記加熱炉の熱応答のむだ時間に比し
   十分に短かい一定時間ごとに順次切換え的に共通
   のプログラム制御目標値信号と比較し、その偏差
   をなくする制御値を演算出力する手段と、この出
   力された制御値信号を前記切換えと同期して前記
   複数の加熱炉に対応して設けた信号保持回路に順
   次入力するとともに、この保持された制御値信号
   によつてそれぞれの加熱炉を前記切換えの一定時
   間に加熱炉台数を乗じた積に相当する時間連続的
   に温度制御する手段とを設けたことを特徴とする
   熱分析装置。