液柱式圧力計U字形の管に液体を入れて一端に圧力を加えると、管内の液体は圧力により移動し、二液面間の液位差と加えた圧力がバランスしたところで停止します。このときの液位差を測定して圧力を測定することができます。$$p_{1}-p_{2}=ρgh$$p1、p2:圧力[Pa]、ρ:液体密度[kg/m3]、g:重力加速度[m/s2]、h:液位差[m]上の式から差圧を容易に算出することができます。上図のようなタンク内の水を蒸気で加熱する装置の温度制御を例とします。制御量は、制御対象に属する量のうちで、それを制御することが目的になっている量と定義されています。上図の例では、タンク内の水の温度を所定の値としたいので、タンク内の水温が制御量となります。目標値は、制御系において、制御量がその値を取るように目標として与えられる量と定義されています。上図の例では、タンク内の温水の所定の値が目標値となります。目標値は一定とは限らず、経時変化で値が変わる場合もあります。このときは変化する目標値に制御量を追従させる必要があります。このような制御を、追従制御または追値制御といいます。一方で、目標値が一定の制御を定値制御といいます。外乱は、制御系の状態を乱そうとする外部からの作用と定義されています。上図の例では、タンクに加えられる水の流量や温度が変化すれば制御系の状態が乱されるので、水の供給流量や供給温度は外乱となります。一般的なフィードバック制御の構成を上図に示します。上図はそのまま試験に出題されたこともあるので覚えておきましょう。4つの要素から構成されています。制御対象に外乱が生じると、それを検出部で検出し、比較部で目標値と比較します。目標値と測定値の差異を偏差といい、制御演算部で偏差がなくなるように制御量を決定し、操作部で制御対象に対して操作を行ないます。その後は同じことを繰り返しますが、このように制御量を目標値と比較し、それらを一致させるように操作量を生成する制御をフィードバック制御といいます。ちなみに、上図のような制御系の各要素を信号の流れで表したものをブロック線図といいます。フィードフォワード制御フィードバック制御では、偏差をなくすまでに多少の時間がかかることが欠点です。外乱による偏差量がわかっているならば、外乱を測定して直接制御量を変化させる方が速く処理できます。このような方式をフィードフォワード制御といいます。シーケンス制御あらかじめ定められた順序にしたがって、制御の各段階を逐次進めていく制御方法をシーケンス制御といいます。化学プラントでいうと、バッチ操作がシーケンス制御で行なわれていることが多いです。PID制御PID制御はほとんどの調節計で採用されており、試験でもほぼ毎年出題されているので非常に重要です。調節弁を全開、または全閉にして制御量を目標値に一致させる手法をオンオフ動作といいます。簡単な動作ですが、制御量が目標値より高くなったり低くなったり、波打つように変動するので、目標値にぴったり一致させることはかなり困難です。比例動作オンオフ動作では全開、全閉しかありませんでしたが、調節弁の開度をもっと小刻みに変化させれば、制御量も小刻みに変化させることができます。調節弁の開度を目標値と測定値の偏差に比例させる方式を比例動作(P動作:Proportional)といいます。比例動作の調節計出力[%]は、$$出力=\frac{100}{PB}×e+バイアス$$PB:比例帯[%]、e:偏差[%]上の式で表されます。この式を使って計算する問題が出題されたことがあるので、覚えておきましょう。比例動作の調節計で制御すると、制御の時間経過は一般に下図のような傾向を示します。比例帯が0%のときはオンオフ動作になり、測定値が波打ちます。比例帯を広げていく(値を大きくする)と、波打つ度合いが小さくなり、十分に大きくすると測定値が波打つことはなくなります。比例帯を広げると測定値の動きはゆっくりしたものになり、かつ最終的に偏差が残ります。これをオフセットといいます。このオフセットは、一般に比例帯が広いほど大きくなります。前述した比例動作のみではオフセットが発生します。このオフセットを調節計で自動的になくすために作られたのが積分動作(I動作:Integral)です。(D動作:Derivative)は外乱の影響を速くなくすために作られた動作です。外乱により制御量が大きく変化した場合に、比例動作の出力では瞬間的に大きい出力を出すことは困難です。そこで、制御量の変化速度を検出し、これに比例した出力を比例動作出力に加えることで大きな出力を出すことができます。組み合わせて使用します。PID動作のラプラス変換表示PID動作のラプラス変換表示は以下の式で表されます。頻出なので覚えておきましょう。下図のように目標値をステップ的に変更した場合を考えます。このとき、測定値は目標値より高くなったり低くなったりして振動しながら、最終的に目標値に一致します。一時的に目標値をオーバーした量を行きすぎ量またはオーバーシュートといい、a1/Aで表されます。目標値に到達するまで測定値の振動が繰り返されますが、その振幅はどんどん減衰していきます。この度合いを減衰比といい、a2/a1で表されます。測定値が制御の目的から許容された範囲に入るまでの時間を整定時間といいます。このあたりの語句はよく出題されるので覚えておきましょう。ステップ応答法ステップ応答法は、制御動作を行なっていない状態で、調節弁開度をステップ状に変化させて測定値の変化を見る方法です。下図にステップ応答の例を示します。ある測定値をステップ状に変化させるとこのような挙動を示します。比例帯だけにして、比例帯を狭くしていき、制御系に持続的な振動を起こさせる方法です。このときの比例帯と振動の周期を測定します。ステップ応答と比較してあまり詳細な内容が出題されることはないイメージです。追値制御カスケード制御カスケード制御は、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目標値を決定する制御、と定義されています。燃焼炉内の温度を空気流量で調整する場合、温度調節計の出力信号が、空気流量調節計の目標値となっています。二つ以上の量の間に、ある比例関係を持たせる制御、と定義されています。比率制御はボイラーなどの空燃比制御などに使用されています。プログラム制御プログラム制御は、あらかじめ定められた変化をする目標値に追従させる制御、と定義されています。バッチ的に処理するプロセスによく使用されています。調節弁による流量操作ポンプのH-Q曲線の内容が出題されやすいです。以下にH-Q曲線のグラフを示します。本来、縦軸は揚程Hですが、エネルギー管理士では縦軸が圧力として出題されることが多いようです。意味合いは変わりません。上図で調節弁開度を小さくして絞ると、圧力損失が増加し、ポンプの流量はA点からB点に移り流量が減少します。上図の圧力損失の内訳は出題されやすいので覚えておきましょう。おわりにエネルギー管理士(熱分野)課目IVの計測及び制御の分野について解説しました。現場に詳しい人ほど得意な分野となっています。コメントをキャンセルメールアドレスが公開されることはありません。※サイト次回のコメントで使用するためブラウザーに自分の名前、メールアドレス、サイトを保存する。date*日本語が含まれない投稿は無視されますのでご注意ください。ガスタービン)について解説します。実務で動力プラントに馴染みのある方は得点源となりますが、そうでない方には少し難しい分野だと思います。法令分野のうち、一般高圧ガス保安規則から出題される内容について解説します。一般則だけではなく高圧ガス保安法全体での複合問題が多く、他の出題分野より難易度は高めでしょう。ガス甲種機械:検定試験の出題分野を解説この記事では高圧ガス甲種機械の出題分野である、材料力学について解説します。化学工学専攻の人は、大学で材料力学を習うことはほとんどなく、会社の実務でも自分で計算することはないため難しく感じる分野だと思います。1種に合格したブログ管理人が、過去の出題傾向から頻出分野を紹介するシリーズです。この記事では大気有害物質特論についてまとめています。1種に合格したブログ管理人が、過去の出題傾向から頻出分野を紹介するシリーズです。この記事ではばいじん・粉じん特論についてまとめています。法令分野のうち、液化石油ガス保安規則(以下、液石則)から出題される内容について解説します。出題数は少ないですが、出題範囲も狭く勉強しやすい分野です。【課目IV:熱利用設備(ボイラ・内燃機関・ガスタービン等)】エネルギー管理士(熱分野)の出題分野を解説プロフィールこのブログを運営しているルートです。化学メーカーで働くケミカルエンジニアです。