JP2013019870A - Mirror cooling dew-point meter - Google Patents

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Shinichi Honda
真一 本田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mirror cooling dew-point meter which is capable of appropriately correcting a PID constant even if various measurement conditions varies with time.SOLUTION: A mirror cooling dew-point meter 100 comprises a control unit 60 which calculates a manipulation value MV to a temperature control unit 20 to adjust a measured light quantity PV of irradiation light received by a light receiving unit 50 to be a target light quantity SV under PID control, and controls the temperature adjustment unit 20 on the basis of the manipulation value MV. If a result obtained by dividing an amplitude of the manipulation value MV with a proportional gain Kof the PID control is larger than a predetermined amplitude upper limit, the control unit 60 decreases the proportional gain K, and if the result obtained by dividing the amplitude of the manipulation value MV with the proportional gain Kis smaller than a predetermined amplitude lower limit, the control unit 60 increases the proportional gain K.

Description

本発明は、鏡面を冷却して露点温度を測定する鏡面冷却式露点計に関する。   The present invention relates to a mirror-cooled dew point meter that cools a mirror surface and measures the dew point temperature.

鏡面冷却式露点計は、被測定気体中に反射鏡を配置し、この反射鏡を冷却して表面に結露を生じさせ、このときの反射鏡の温度を計測することで、被測定気体の露点温度を測定する装置である。また、露点温度を持続して測定する場合には、反射鏡の温度を調整しながら、結露が生じ始めた状態を維持する必要がある。この制御は、通常、PID制御によって行われる。PID制御に用いる「比例ゲイン」、「積分時間」、及び「微分時間」のPID定数は、高い測定精度を維持するために、被測定気体の状態やセンサーの状態に応じて修正するのが望ましい。   The mirror-cooled dew point meter places a reflecting mirror in the gas to be measured, cools the reflecting mirror to cause condensation on the surface, and measures the temperature of the reflecting mirror at this time, thereby measuring the dew point of the gas to be measured. It is a device that measures temperature. Further, when the dew point temperature is continuously measured, it is necessary to maintain a state in which condensation has started while adjusting the temperature of the reflecting mirror. This control is usually performed by PID control. The PID constants of “proportional gain”, “integration time”, and “derivative time” used for PID control are preferably corrected according to the state of the gas to be measured and the state of the sensor in order to maintain high measurement accuracy. .

特許文献1では、適切なPID定数を求めるための計算式を事前に作成し、この計算式に空気温度や仮露点温度を代入してPID定数を算出する鏡面冷却式露点計が提案されている。また、鏡面冷却式露点計の技術分野ではないが、特許文献2では、ステップ信号を系に加えたときの応答結果から適切なPID定数を求める、いわゆるオートチューニング機能を有するPID調整計が提案されている。   In Patent Document 1, a specular cooling type dew point meter is proposed in which a calculation formula for obtaining an appropriate PID constant is created in advance, and the PID constant is calculated by substituting the air temperature or provisional dew point temperature into the calculation formula. . In addition, although not in the technical field of specular cooling dew point meter, Patent Document 2 proposes a PID adjuster having a so-called auto-tuning function for obtaining an appropriate PID constant from a response result when a step signal is added to the system. ing.

特開2006−126097号公報JP 2006-126097 A 特開平11−161301号公報JP-A-11-161301

しかしながら、特許文献1の鏡面冷却式露点計では、空気温度と露点温度以外の条件、例えば、被測定気体そのもの(特許文献1では被計測気体を空気に限定している)、気体圧力、温調部の劣化、流量変化などの条件の変化には対応することができない。また、引用文献2のオートチューニングによる修正は露点温度の測定とは別に行う必要があり、測定条件が刻々と変化する場合、その変化に対応してPID定数を修正することができない。   However, in the mirror-cooled dew point meter of Patent Document 1, conditions other than the air temperature and the dew point temperature, for example, the gas to be measured itself (the gas to be measured is limited to air in Patent Document 1), gas pressure, and temperature control It is not possible to cope with changes in conditions such as deterioration of parts and changes in flow rate. Further, the correction by the auto tuning of the cited document 2 needs to be performed separately from the measurement of the dew point temperature. When the measurement condition changes every moment, the PID constant cannot be corrected corresponding to the change.

そこで本発明では、様々な測定条件が刻々と変化する場合であっても、PID定数を適切に修正することができる鏡面冷却式露点計を提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a mirror-cooled dew point meter capable of appropriately correcting the PID constant even when various measurement conditions change every moment.

本発明のある形態に係る鏡面冷却式露点計は、被測定気体中に配置される反射鏡と、前記反射鏡を冷却して表面に結露を生じさせる調温部と、前記反射鏡の温度を測定する測温部と、前記反射鏡の表面に照射光を発する投光部と、前記反射鏡の表面で反射した前記照射光を受光する受光部と、PID制御により、前記受光部が受光する前記照射光の測定光量が目標光量になるよう前記調温部に対する操作量を算出し、その操作量に基づいて前記調温部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記操作量の振幅を前記PID制御の比例ゲインで割ったものが所定の振幅上限値よりも大きい場合には前記比例ゲインを減少させ、前記操作量の振幅を前記比例ゲインで割ったものが所定の振幅下限値よりも小さい場合には前記比例ゲインを増加させる。   A mirror-cooled dew point meter according to an embodiment of the present invention includes a reflecting mirror disposed in a gas to be measured, a temperature control unit that cools the reflecting mirror to cause condensation on the surface, and the temperature of the reflecting mirror. A temperature measuring unit to measure, a light projecting unit that emits irradiation light on the surface of the reflecting mirror, a light receiving unit that receives the irradiation light reflected by the surface of the reflecting mirror, and the light receiving unit receives light by PID control A control unit that calculates an operation amount for the temperature control unit so that a measurement light amount of the irradiation light becomes a target light amount, and controls the temperature control unit based on the operation amount, and the control unit includes the operation unit If the amplitude of the amount divided by the proportional gain of the PID control is larger than a predetermined amplitude upper limit value, the proportional gain is decreased, and the amplitude of the manipulated variable divided by the proportional gain is the predetermined amplitude. If it is less than the lower limit, increase the proportional gain. Make.

かかる構成によれば、個々の測定条件の変化に基づいて比例ゲインを直接求めるのではなく、個々の測定条件の変化が全て反映された操作量の変化に基づいて、比例ゲインを適切な値に修正することができる。そのため、想定していない条件の変化を含む様々な測定条件の変化が生じても、適切な比例ゲインに修正することができる。さらに、比例ゲインの修正は、露点温度の測定を行いながらできるため、測定条件が刻々と変化する場合にも、その変化に応じて適切な比例ゲインに修正することができる。   According to such a configuration, instead of directly obtaining the proportional gain based on the change in each measurement condition, the proportional gain is set to an appropriate value based on the change in the operation amount that reflects all the changes in each measurement condition. It can be corrected. For this reason, even when various measurement condition changes including a change in an unexpected condition occur, it can be corrected to an appropriate proportional gain. Furthermore, since the proportional gain can be corrected while measuring the dew point temperature, even when the measurement condition changes every moment, the proportional gain can be corrected according to the change.

また、上記の鏡面冷却式露点計において、前記振幅上限値及び前記振幅下限値はいずれも固定値としてもよい。   In the above mirror-cooled dew point meter, both the amplitude upper limit value and the amplitude lower limit value may be fixed values.

また、上記の鏡面冷却式露点計において、前記制御部は、前記操作量と前記測定光量の位相差が位相上限値よりも大きい場合には前記PID制御の積分時間及び微分時間を減少させ、前記位相差が位相下限値よりも小さい場合には前記積分時間及び前記微分時間を増加させるように構成してもよい。   In the mirror-cooled dew point meter, when the phase difference between the operation amount and the measured light amount is larger than a phase upper limit value, the control unit decreases the integration time and the differentiation time of the PID control, When the phase difference is smaller than the phase lower limit value, the integration time and the differentiation time may be increased.

また、上記の鏡面冷却式露点計において、前記微分時間は前記積分時間の6分の1となるように設定してもよい。   In the mirror-cooled dew point meter, the differential time may be set to be 1/6 of the integration time.

また、上記の鏡面冷却式露点計において、前記位相下限値は30〜40度であり、前記位相上限は140〜150度となるように構成してもよい。   Moreover, in said mirror surface cooling-type dew point meter, you may comprise so that the said phase lower limit may be 30-40 degree | times and the said phase upper limit may be 140-150 degree | times.

上記のように、本発明に係る鏡面冷却式露点計によれば、様々な測定条件が刻々と変化する場合であっても、PID定数を適切に修正することができる。   As described above, according to the mirror-cooled dew point meter according to the present invention, the PID constant can be appropriately corrected even when various measurement conditions change every moment.

本発明の実施形態に係る鏡面冷却式露点計のブロック図である。It is a block diagram of the specular cooling type dew point meter which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る比例ゲインの設定方法を示したフローチャートである。5 is a flowchart illustrating a method for setting a proportional gain according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る操作量の変化と測定光量の変化を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the change of the operation amount which concerns on embodiment of this invention, and the change of the measurement light quantity. 本発明の実施形態に係る積分時間及び微分時間の設定方法を示したフローチャートである。5 is a flowchart illustrating a method for setting integration time and differentiation time according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るPID定数の修正が行われないときと、行われたときの露点温度の測定値の変化を示した図である。It is the figure which showed the change of the measured value of dew point temperature when correction of the PID constant which concerns on embodiment of this invention is not performed, and when it is performed.

以下、本発明に係る実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Below, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is the same or it corresponds through all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

(鏡面冷却式露点計の構造)
はじめに、図1を参照して、鏡面冷却式露点計100の構造について説明する。図1は、鏡面冷却式露点計100のブロック図である。図1に示すように、鏡面冷却式露点計100は、反射鏡10と、調温部20と、測温部30と、投光部40と、受光部50と、制御部60とを備えている。
(Structure of mirror-cooled dew point meter)
First, the structure of the mirror-cooled dew point meter 100 will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram of a mirror-cooled dew point meter 100. As shown in FIG. 1, the mirror-cooled dew point meter 100 includes a reflecting mirror 10, a temperature control unit 20, a temperature measuring unit 30, a light projecting unit 40, a light receiving unit 50, and a control unit 60. Yes.

反射鏡10は、投光部40から放射された照射光を反射する鏡である。反射鏡10は、薄く、表面が平らに形成されている。また、反射鏡10は、測定容器11の内部に配置されている。測定容器11には、被測定気体101が流入する流入口12と、被測定気体101が流出する流出口13が形成されている。つまり、測定容器11は、その内部を被測定気体101が流れるように構成されている。これにより、反射鏡10は被測定気体101中に配置され、被測定気体101にさらされていることになる。なお、被測定気体101は、特に限定されず、空気以外の気体であってもよい。   The reflecting mirror 10 is a mirror that reflects the irradiation light emitted from the light projecting unit 40. The reflecting mirror 10 is thin and has a flat surface. Further, the reflecting mirror 10 is disposed inside the measurement container 11. The measurement container 11 is formed with an inlet 12 through which the measurement gas 101 flows and an outlet 13 through which the measurement gas 101 flows out. That is, the measurement container 11 is configured such that the gas to be measured 101 flows through the measurement container 11. As a result, the reflecting mirror 10 is disposed in the measured gas 101 and is exposed to the measured gas 101. The gas to be measured 101 is not particularly limited, and may be a gas other than air.

調温部20は、反射鏡10を冷却する部分である。反射鏡10を冷却することで、反射鏡10の表面に被測定気体101中の水分を結露させることができる。調温部20は反射鏡10の下方に配置されている。本実施形態に係る調温部20は、ペルチェ素子を使用しているが、冷却機能を有する他の装置を用いてもよい。ペルチェ素子は、2種類の金属の接合部に電流を流すと一方の金属から他方の金属へと熱が移動する「ペルチェ効果」を利用した素子である。ペルチェ素子に流す電流の電流値を調整することで、吸熱量を変化させることができる。また、ペルチェ素子に流す電流の方向を変えれば、冷却側と放熱側を入れ替えることができる。つまり、反射鏡10を加熱することもできる。調温部20は、制御部60によって制御される。制御部60から調温部20の操作量MVについての信号が送信されると、駆動回路21がこの信号を受信し、駆動回路21は、この操作量MVに応じた電流を調温部20に供給する。   The temperature adjustment unit 20 is a part that cools the reflecting mirror 10. By cooling the reflecting mirror 10, moisture in the measurement target gas 101 can be condensed on the surface of the reflecting mirror 10. The temperature adjustment unit 20 is disposed below the reflecting mirror 10. Although the temperature control part 20 which concerns on this embodiment uses the Peltier device, you may use the other apparatus which has a cooling function. A Peltier element is an element that utilizes the “Peltier effect” in which heat is transferred from one metal to the other when a current is passed through a junction of two types of metal. The amount of heat absorption can be changed by adjusting the current value of the current flowing through the Peltier element. Moreover, if the direction of the current passed through the Peltier element is changed, the cooling side and the heat dissipation side can be interchanged. That is, the reflecting mirror 10 can be heated. The temperature adjustment unit 20 is controlled by the control unit 60. When a signal about the operation amount MV of the temperature adjustment unit 20 is transmitted from the control unit 60, the drive circuit 21 receives this signal, and the drive circuit 21 supplies a current corresponding to the operation amount MV to the temperature adjustment unit 20. Supply.

測温部30は、反射鏡10の温度を測定する部分である。測温部30は反射鏡10の裏面側に取り付けられている。ただし、本実施形態の反射鏡10は薄いため、測温部30は実質的に反射鏡10の表面温度を測定していることになる。なお、測温部30は、反射鏡10の裏面に接触して温度測定を行うものに限らず、例えば赤外線を利用して反射鏡10の表面温度を非接触で測定するものであってもよい。測温部30は、測定した温度についての信号を温度表示部31に送信するとともに、後述する制御部60のPID定数設定部62にも送信する。温度表示部31では、測温部30から送信された信号に基づいて反射鏡10の温度が表示される。後述するように、温度表示部31で表示される温度が被測定気体101の露点温度となる。   The temperature measuring unit 30 is a part that measures the temperature of the reflecting mirror 10. The temperature measuring unit 30 is attached to the back side of the reflecting mirror 10. However, since the reflecting mirror 10 of this embodiment is thin, the temperature measuring unit 30 substantially measures the surface temperature of the reflecting mirror 10. Note that the temperature measuring unit 30 is not limited to the one that contacts the back surface of the reflecting mirror 10 and measures the temperature, but may measure the surface temperature of the reflecting mirror 10 in a non-contact manner using, for example, infrared rays. . The temperature measuring unit 30 transmits a signal about the measured temperature to the temperature display unit 31 and also transmits to a PID constant setting unit 62 of the control unit 60 described later. In the temperature display unit 31, the temperature of the reflecting mirror 10 is displayed based on the signal transmitted from the temperature measuring unit 30. As will be described later, the temperature displayed on the temperature display unit 31 is the dew point temperature of the gas 101 to be measured.

投光部40は、反射鏡10の表面に照射光を発する部分である。投光部40は、反射鏡10の斜め上方に配置されており、反射鏡10の表面に対して斜めに照射光を照射するように構成されている。本実施形態に係る投光部40は、LEDを用いているが、光を発する他の装置を用いてもよい。また、投光部40は、そこから発する照射光の光量が一定になるように制御されている。投光部40から照射する照射光の光量を一定にするには、例えば、照射された照射光を光学的に分岐し、分岐した方の光の光量をモニターして、その光量が一定になるように投光部40を制御すればよい。   The light projecting unit 40 is a part that emits irradiation light to the surface of the reflecting mirror 10. The light projecting unit 40 is disposed obliquely above the reflecting mirror 10 and is configured to irradiate irradiation light obliquely with respect to the surface of the reflecting mirror 10. Although the light projecting unit 40 according to this embodiment uses an LED, another device that emits light may be used. Further, the light projecting unit 40 is controlled so that the amount of irradiation light emitted therefrom is constant. In order to make the amount of irradiation light irradiated from the light projecting unit 40 constant, for example, the irradiated irradiation light is optically branched, and the amount of light of the branched light is monitored, and the amount of light becomes constant. The light projecting unit 40 may be controlled as described above.

受光部50は、反射鏡10の表面で反射した照射光を受光する部分である。受光部50は、反射鏡10の斜め上方であって、投光部40と対向する位置に配置されている。受光部50は、例えばフォトトランジスタやフォトダイオードを使用することができる。また、受光部50として撮像カメラを用いてもよい。なお、本実施形態では、受光部50が投光部40から照射された照射光の正反射光を受光する正反射光検出方式を採用している。ただし、受光部50が投光部40から照射された照射光の乱反射光を受光する乱反射光検出方式を採用してもよい。受光部50は、受光した照射光の光量(測定光量)PVについての信号を増幅回路51に送信し、増幅回路51はこの信号を増幅して制御部60へ送信するように構成されている。なお、受光部50が撮像カメラの場合には、画像処理を行えば測定光量PVを得ることができる。   The light receiving unit 50 is a part that receives irradiation light reflected by the surface of the reflecting mirror 10. The light receiving unit 50 is disposed obliquely above the reflecting mirror 10 and at a position facing the light projecting unit 40. For the light receiving unit 50, for example, a phototransistor or a photodiode can be used. Further, an imaging camera may be used as the light receiving unit 50. In the present embodiment, a regular reflection light detection method in which the light receiving unit 50 receives regular reflection light of the irradiation light emitted from the light projecting unit 40 is employed. However, you may employ | adopt the irregular reflection light detection system in which the light-receiving part 50 receives the irregular reflection light of the irradiation light irradiated from the light projection part 40. FIG. The light receiving unit 50 is configured to transmit a signal regarding the light amount (measured light amount) PV of the received irradiation light to the amplification circuit 51, and the amplification circuit 51 amplifies this signal and transmits it to the control unit 60. When the light receiving unit 50 is an imaging camera, the measured light quantity PV can be obtained by performing image processing.

制御部60は、受光部50が受光した照射光の光量(測定光量)PVに基づいて調温部20を制御する部分である。上述のように、反射鏡10を冷却すると、その表面には結露が生じる。反射鏡10の表面に結露が生じると、結露が生じていないときに比べ、受光部50に至る照射光の光量が低下する。つまり、受光部50における測定光量PVが低下し始めたときの反射鏡10の温度(温度表示部31に表示される温度)が被測定気体101の露点温度となる。なお、乱反射光検出方式の場合には、反射鏡10の表面に結露が生じると、乱反射する照射光の光量が増加することから、受光部50における測定光量PVが増加し始めたときの反射鏡10の温度が露点温度となる。   The control unit 60 is a part that controls the temperature control unit 20 based on the light amount (measured light amount) PV of the irradiation light received by the light receiving unit 50. As described above, when the reflecting mirror 10 is cooled, condensation occurs on the surface thereof. When dew condensation occurs on the surface of the reflecting mirror 10, the amount of irradiation light reaching the light receiving unit 50 is lower than when no dew condensation occurs. That is, the temperature of the reflecting mirror 10 (the temperature displayed on the temperature display unit 31) when the measured light quantity PV in the light receiving unit 50 starts to decrease becomes the dew point temperature of the gas 101 to be measured. In the case of the irregular reflection light detection method, if condensation occurs on the surface of the reflecting mirror 10, the amount of irradiation light that is irregularly reflected increases. Therefore, the reflecting mirror when the measured light amount PV in the light receiving unit 50 starts to increase. A temperature of 10 is the dew point temperature.

さらに、結露が始まったときの状態を維持すれば、温度表示部31の表示温度は常に被測定気体101の露点温度を示していることになる。これを実現するためには、測定光量PVが低下し始めたときの値を目標光量SVとして記憶し、目標光量SVと測定光量PVとが一致するように調温部20を調整すればよい。より具体的には、測定光量PVが目標光量SVよりも大きい場合には反射鏡10の温度が下がるように調温部20の冷却強度を上げ、測定光量PVが目標光量SVよりも小さい場合には反射鏡10の温度が上がるように調温部20の冷却強度を下げればよい。   Furthermore, if the state when the dew condensation starts is maintained, the display temperature of the temperature display unit 31 always indicates the dew point temperature of the gas 101 to be measured. In order to realize this, the value when the measured light amount PV starts to decrease is stored as the target light amount SV, and the temperature adjustment unit 20 may be adjusted so that the target light amount SV and the measured light amount PV coincide. More specifically, when the measured light quantity PV is larger than the target light quantity SV, the cooling intensity of the temperature control unit 20 is increased so that the temperature of the reflecting mirror 10 is lowered, and when the measured light quantity PV is smaller than the target light quantity SV. The cooling intensity of the temperature control unit 20 may be lowered so that the temperature of the reflecting mirror 10 increases.

ここで、制御部60は、CPU等からなり、機能的手段として、PID制御部61と、PID定数設定部62とを有している。このうち、PID制御部61は、上述した制御を行う部分、すなわち測定光量PVが目標光量SVと一致するように調温部20の操作量MVを算出し、この操作量MVに基づいて調温部20を制御する部分である。PID制御部61は、操作量MVをPID制御の基本式である下記の(1)式を用いて算出している。(1)式のうち、「K」は比例ゲイン、「T」は積分時間、「T」は微分時間をそれぞれ示している。上述したように、これらの3つの定数をあわせて「PID定数」と呼んでいる。また、(1)式のうち「e」は、(2)式に示すように、目標光量SVと測定光量PVの差(誤差)である。

Figure 2013019870
Here, the control unit 60 includes a CPU or the like, and includes a PID control unit 61 and a PID constant setting unit 62 as functional means. Among these, the PID control unit 61 calculates the operation amount MV of the temperature adjusting unit 20 so that the above-described control, that is, the measured light amount PV coincides with the target light amount SV, and the temperature control is performed based on the operation amount MV. This is a part that controls the unit 20. The PID control unit 61 calculates the operation amount MV using the following equation (1) which is a basic equation of PID control. In the equation (1), “K P ” indicates a proportional gain, “T I ” indicates an integration time, and “T D ” indicates a differentiation time. As described above, these three constants are collectively referred to as “PID constants”. Further, “e” in the equation (1) is a difference (error) between the target light amount SV and the measured light amount PV as shown in the equation (2).
Figure 2013019870

また、制御部60のうちPID定数設定部62は、PID定数を適切な値に設定し、必要により修正を行う部分である。PID制御部61による制御によれば、上記のように調温部20の冷却強度を上げたり下げたりするため、操作量MVは一定の振れ幅で変化することになる。PID定数をいかに設定するかは、この操作量MVの振れ幅にも影響する。例えば、PID定数が適切でなければ、操作量MVの振れ幅が大きくなりすぎることがある。この場合には、反射鏡10の温度の振れ幅(測定された露点温度の振れ幅)も大きくなり、精度の高い測定を行うことはできない。これとは逆に、操作量MVの振れ幅が小さくなりすぎることもある。この場合には、測定光量PVを示す信号に外乱が入って操作量MVの値が大きく振れると、収束するまでに時間がかかり、この場合にも精度の高い測定を行うことはできない。つまり、PID定数を適切に設定することは、上記のような状態を回避し、精度の高い測定を行うことにつながるのである。以下、PID定数設定部62によるPID定数の設定方法について説明する。   The PID constant setting unit 62 of the control unit 60 is a part that sets the PID constant to an appropriate value and corrects it if necessary. According to the control by the PID control unit 61, since the cooling strength of the temperature control unit 20 is increased or decreased as described above, the operation amount MV changes with a constant fluctuation width. How the PID constant is set also affects the amplitude of the manipulated variable MV. For example, if the PID constant is not appropriate, the amplitude of the manipulated variable MV may become too large. In this case, the fluctuation width of the temperature of the reflecting mirror 10 (the fluctuation width of the measured dew point temperature) is also increased, and high-precision measurement cannot be performed. On the contrary, the fluctuation range of the manipulated variable MV may become too small. In this case, if a disturbance occurs in the signal indicating the measurement light quantity PV and the value of the manipulated variable MV fluctuates greatly, it takes time to converge, and even in this case, highly accurate measurement cannot be performed. That is, appropriately setting the PID constant avoids the above-described state and leads to highly accurate measurement. Hereinafter, a method for setting the PID constant by the PID constant setting unit 62 will be described.

(比例ゲインの設定方法)
まず、図2及び図3を参照して、PID定数のうち比例ゲインKの設定方法について説明する。図2は、比例ゲインKの設定方法を示したフローチャートである。また、図3は、操作量MVの変化と測定光量PVの変化を示した概念図である。なお、以下で説明する制御は、制御部60のPID定数設定部62によって遂行される。
(Proportional gain setting method)
First, referring to FIGS. 2 and 3, the procedure for setting the proportional gain K P of the PID constants. Figure 2 is a flowchart illustrating a method of setting the proportional gain K P. FIG. 3 is a conceptual diagram showing changes in the manipulated variable MV and changes in the measured light quantity PV. The control described below is performed by the PID constant setting unit 62 of the control unit 60.

はじめに、図2に示すように、比例ゲインKを初期値に設定する(ステップ201)。このとき、積分時間T及び微分時間Tもあわせて初期値に設定する。そして、PID定数を初期値に設定した状態でPID制御部61によりしばらく調温部20を制御させる。なお、PID定数の初期値は、反射鏡10の温度によって決定される。具体的には、反射鏡10の温度に応じた適切なPID定数が予め記憶されており、実際の反射鏡10の温度に基づいてPID定数の値が決定される。反射鏡10の温度は、測温部30から送られた信号に基づいて算出することができる。なお、PID定数の初期値は、いずれも反射鏡10の温度が高くなるに従って小さくなる。 First, as shown in FIG. 2, the proportional gain K P is set to an initial value (step 201). At this time, set to an initial value also to the integration time T I and the differentiation time T D. And the temperature control part 20 is controlled for a while by the PID control part 61 in the state which set the PID constant to the initial value. The initial value of the PID constant is determined by the temperature of the reflecting mirror 10. Specifically, an appropriate PID constant corresponding to the temperature of the reflecting mirror 10 is stored in advance, and the value of the PID constant is determined based on the actual temperature of the reflecting mirror 10. The temperature of the reflecting mirror 10 can be calculated based on a signal sent from the temperature measuring unit 30. Note that the initial value of the PID constant decreases as the temperature of the reflecting mirror 10 increases.

上記のPID定数の初期値は、被測定気体101が空気、気圧が標準大気圧、温度が24°C、流量が毎分1リットルという条件下において適切とされているものである。そのため、被測定気体が空気以外の気体である場合や、気圧が標準大気圧でないなどの条件下では、ここで設定したPID定数の値が必ずしも適切ではなくなる。また、調温部20で用いるペルチェ素子が劣化するなどした場合にも、PID定数の値は適切でなくなる場合がある。   The initial values of the above PID constants are appropriate under the conditions that the gas to be measured 101 is air, the atmospheric pressure is standard atmospheric pressure, the temperature is 24 ° C., and the flow rate is 1 liter per minute. Therefore, when the gas to be measured is a gas other than air or when the atmospheric pressure is not the standard atmospheric pressure, the value of the PID constant set here is not necessarily appropriate. Also, when the Peltier element used in the temperature control unit 20 deteriorates, the value of the PID constant may not be appropriate.

続いて、操作量MVの振幅(振れ幅)の平均値を求める(ステップ202)。測定光量PVが比較的安定している場合には、図3に示すように操作量MVは一定の振れ幅(振幅)で振れているため、操作量MVの振幅を求めやすい。振幅を測定しにくい場合には、スムージングなどの処理を行ってもよい。また、外乱によって急激に操作量MVが大きく振れるような場合や、測定光量PVが目標光量SVから大きく外れている場合などは、その時の操作量MVを排除して平均値を求めるようにしてもよい。その他、振幅を求める計算手法としてはいかなる方法を用いてもよい。   Subsequently, an average value of the amplitude (vibration width) of the manipulated variable MV is obtained (step 202). When the measurement light quantity PV is relatively stable, as shown in FIG. 3, the manipulated variable MV fluctuates with a constant fluctuation width (amplitude), so that the amplitude of the manipulated variable MV can be easily obtained. If it is difficult to measure the amplitude, processing such as smoothing may be performed. In addition, when the manipulated variable MV suddenly fluctuates greatly due to disturbance, or when the measured light quantity PV deviates significantly from the target light quantity SV, the average value may be obtained by eliminating the manipulated variable MV at that time. Good. In addition, any method may be used as a calculation method for obtaining the amplitude.

続いて、ステップ202で算出した振幅の平均値をそのときに設定されている比例ゲインKで割って正規化する(ステップ203)。正規化する理由については、後述する。なお、以下では、振幅の平均値を正規化した値を「正規化値」と呼ぶこととする。 Subsequently, the average value of the amplitude calculated in step 202 is divided by the proportional gain K P set at that time and normalized (step 203). The reason for normalization will be described later. Hereinafter, a value obtained by normalizing the average value of the amplitude is referred to as a “normalized value”.

続いて、正規化値が、振幅上限値よりも大きいか否かを判断する(ステップ204)。この振幅上限値は、事前に設定された固定値であって、精度の高い測定が行える正規化値の上限値である。そして、正規化値が、振幅上限値よりも大きい場合には(ステップ204でYES)、比例ゲインを現状の値から一定量だけ減少した値に修正する(ステップ205)。これにより、操作量MVの振幅は減少する。また、正規化値が、振幅上限値よりも小さい場合には(ステップ203でNO)、ステップ206へ進む。   Subsequently, it is determined whether or not the normalized value is larger than the amplitude upper limit value (step 204). This amplitude upper limit value is a fixed value set in advance, and is an upper limit value of a normalized value that enables highly accurate measurement. If the normalized value is larger than the amplitude upper limit value (YES in step 204), the proportional gain is corrected to a value reduced by a certain amount from the current value (step 205). As a result, the amplitude of the manipulated variable MV decreases. When the normalized value is smaller than the amplitude upper limit value (NO in step 203), the process proceeds to step 206.

ステップ206では、正規化値が、振幅下限値よりも小さいか否かを判断する。この振幅下限値は、事前に設定された固定値であって、精度の高い測定が行える正規化値の下限値である。正規化値が、振幅下限値よりも小さい場合には(ステップ206でYES)、比例ゲインを現状の値から一定量だけ増加した値に修正する(ステップ207)。これにより、操作量MVの振幅は増加する。また、正規化値が、振幅下限値よりも大きい場合には(ステップ206でNO)、ステップ202に戻り、上記の各ステップを繰り返す。   In step 206, it is determined whether or not the normalized value is smaller than the amplitude lower limit value. This amplitude lower limit value is a fixed value set in advance, and is a lower limit value of a normalized value that allows highly accurate measurement. If the normalized value is smaller than the amplitude lower limit value (YES in step 206), the proportional gain is corrected to a value increased by a certain amount from the current value (step 207). Thereby, the amplitude of the manipulated variable MV increases. When the normalized value is larger than the amplitude lower limit value (NO in step 206), the process returns to step 202 and the above steps are repeated.

このように、上記の各ステップを繰り返すことにより、正規化値は振幅下限値から振幅上限値の範囲に入り、この範囲に入った状態を維持することができる。正規化値がこの範囲に入ることにより、精度の高い測定を行うことができる。   As described above, by repeating the above steps, the normalized value enters the range from the amplitude lower limit value to the amplitude upper limit value, and the state within this range can be maintained. When the normalized value falls within this range, highly accurate measurement can be performed.

なお、ステップ202において、振幅の平均値を比例ゲインKで割っているのは、比例ゲインKの値に関係なく振幅を評価するためである。例えば、比例ゲインKが大きい場合には適切な値であったとしても振幅は大きくなる。そのため、比例ゲインKの大小を無視して振幅を同じ上限値及び下限値で一律に評価することはできないのである。このように正規化することにより、振幅上限値および振幅下限値を比例ゲインKの大小にかかわらず固定値にすることができる。 Note that, in step 202, what dividing the average value of the amplitude in the proportional gain K P is to evaluate the amplitude regardless of the value of the proportional gain K P. For example, when the proportional gain K P is large, the amplitude is large even if it is an appropriate value. Therefore, it is not possible to ignore the magnitude of the proportional gain K P to evaluate uniformly amplitude with the same upper and lower limit values. By normalizing in this way, the amplitude upper limit value and the amplitude lower limit value can be fixed values regardless of the magnitude of the proportional gain K P.

ただし、正規化していない振幅の平均値について評価することもできる。この場合には、比例ゲインKに比例するように比例振幅上限値(振幅上限値に比例ゲインKをかけたもの)および比例振幅下限値(振幅下限値に比例ゲインKをかけたもの)を設定し、これを基準にして評価すればよい。つまり、ステップ204における、正規化値が振幅上限値よりも大きいか否かの判断は、操作量MVの振幅の平均値が上記の比例振幅上限値よりも大きいか否かの判断と同義であり、ステップ206における、正規化値が振幅下限値よりも小さいか否かの判断は、操作量MVの振幅の平均値が上記の比例振幅下限値よりも小さいか否かの判断と同義である。 However, it is possible to evaluate an average value of amplitudes that are not normalized. What this case, multiplied by the proportional gain K proportional amplitude upper limit value in proportion to P (as the amplitude upper limit value multiplied by a proportional gain K P) and the proportional amplitude lower limit (proportional gain K P to the amplitude lower limit ) And set it as a standard. In other words, the determination of whether or not the normalized value is larger than the amplitude upper limit value in step 204 is synonymous with the determination of whether or not the average value of the amplitude of the manipulated variable MV is larger than the proportional amplitude upper limit value. In step 206, the determination as to whether the normalized value is smaller than the amplitude lower limit value is synonymous with the determination as to whether the average value of the amplitude of the manipulated variable MV is smaller than the proportional amplitude lower limit value.

(積分時間及び微分時間の設定方法)
次に、図3及び図4を参照して、PID定数のうち積分時間T及び微分時間Tの設定方法について説明する。図4は、積分時間T及び微分時間Tの設定方法を示したフローチャートである。なお、以下で説明する制御は、制御部60のPID定数設定部62によって遂行される。
(Integration time and derivative time setting method)
Next, a method for setting the integration time T I and the differentiation time T D among the PID constants will be described with reference to FIGS. Figure 4 is a flowchart illustrating a method of setting the integration time T I and the differentiation time T D. The control described below is performed by the PID constant setting unit 62 of the control unit 60.

はじめに、図4に示すように、積分時間T及び微分時間Tを初期値に設定する(ステップ401)。このとき、比例ゲインKもあわせて初期値に設定する。そして、PID定数を初期値に設定した状態でPID制御部61によりしばらく調温部20を制御させる。PID定数の初期値の決定方法は、図2のステップ201の説明で述べたとおりである。なお、本実施形態では、積分時間Tと微分時間Tの割合は、6対1になるように設定する。つまり、微分時間Tは、積分時間Tの6分の1になるよう設定する。 First, as shown in FIG. 4, to set the integration time T I and the differentiation time T D to the initial value (step 401). At this time, the proportional gain K P is also set to an initial value. And the temperature control part 20 is controlled for a while by the PID control part 61 in the state which set the PID constant to the initial value. The method for determining the initial value of the PID constant is as described in the description of step 201 in FIG. In the present embodiment, the ratio between the integration time T I and the differentiation time T D is set to be 6: 1. That is, the derivative time T D is set so as to be one-sixth of the integration time T I.

続いて、周期的に変化する操作量MV及び測定光量PVの位相差の平均を求める(ステップ402)。操作量MVの変化と測定光量PVの変化との間には図3に示すような位相差が生じる。この位相差は、PID制御部61が操作量MVを表す信号を送信してから測定光量PVが変化し始めるまでの時間(無駄時間)と、測定光量PVが変化し始めてから変化し終わるまでの時間(一次遅れ)に起因している。   Subsequently, the average of the phase difference between the manipulated variable MV and the measured light quantity PV that periodically changes is obtained (step 402). A phase difference as shown in FIG. 3 occurs between the change in the manipulated variable MV and the change in the measured light quantity PV. This phase difference is the time (dead time) from when the PID control unit 61 transmits a signal indicating the manipulated variable MV until the measured light quantity PV starts to change, and from when the measured light quantity PV starts to change until it finishes changing. This is due to time (first order lag).

続いて、位相差の平均が位相上限値よりも大きいか否かを判断する(ステップ403)。この位相上限値は、事前に設定されている固定値であって、精度の高い測定が行える位相差の上限値である。位相差の平均が位相上限値よりも大きい場合には(ステップ403でYES)、積分時間T及び微分時間Tを現状の値から一定量だけ減少した値に修正する(ステップ404)。積分時間Tと微分時間Tの割合が6対1になるように設定することは上記のとおりである。以上のように積分時間T及び微分時間Tを減少させることで、操作量MVの変動と測定光量PVの変動の位相差が小さくなる。一方、位相差の平均が位相上限値よりも小さい場合には(ステップ403でNO)、ステップ405へ進む。なお、位相上限値は、140〜150度であるのが望ましく、144度であるのがより望ましい。位相差が144度を超えると、操作量MVの変化に対する測定光量PVの応答性が遅くなり、適切な制御が行えなくなる結果、測定精度が低下するからである。 Subsequently, it is determined whether or not the average of the phase differences is larger than the phase upper limit value (step 403). This phase upper limit value is a fixed value set in advance, and is an upper limit value of the phase difference that allows highly accurate measurement. If the average of the phase differences is larger than the phase upper limit value (YES in step 403), the integration time T I and the differentiation time T D are corrected to values that are reduced by a certain amount from the current values (step 404). As described above, the ratio of the integration time T I and the differentiation time T D is set to be 6: 1. By decreasing the integration time T I and the differentiation time T D as described above, the phase difference between the variation of the measured light amount PV and variation of the manipulated variable MV is reduced. On the other hand, if the average of the phase differences is smaller than the phase upper limit value (NO in step 403), the process proceeds to step 405. The phase upper limit value is desirably 140 to 150 degrees, and more desirably 144 degrees. This is because if the phase difference exceeds 144 degrees, the response of the measurement light quantity PV to the change in the manipulated variable MV becomes slow and appropriate control cannot be performed, resulting in a decrease in measurement accuracy.

ステップ405では、位相差の平均が位相下限値よりも小さいか否かを判断する。位相差の平均が位相下限値よりも小さい場合には(ステップ405でYES)、積分時間T及び微分時間Tを現状の値から一定量だけ増加した値に修正する(ステップ406)。積分時間T及び微分時間Tを増加させることで、操作量MVの変動と測定光量PVの変動の位相差が大きくなる。なお、位相下限値は、30〜40度であるのが望ましく、36度であることがより望ましい。位相差が36度を下回ると、安定性が低下し、適切な制御が行えなくなる結果、測定精度が低下するからである。一方、位相差の平均が位相下限値よりも大きい場合には(ステップ405でNO)、ステップ402へ戻り、上記のステップを繰り返す。 In step 405, it is determined whether or not the average of the phase differences is smaller than the phase lower limit value. If the average of the phase difference is smaller than the phase limit value (YES at step 405), it corrects to a value increased by a predetermined amount the integration time T I and the differentiation time T D from the current value (step 406). Integration time to increase the T I and the derivative time T D, the phase difference between the variation of the measured light amount PV and variation of the manipulated variable MV is increased. The phase lower limit value is desirably 30 to 40 degrees, and more desirably 36 degrees. This is because if the phase difference is less than 36 degrees, the stability is lowered and proper control cannot be performed, resulting in a decrease in measurement accuracy. On the other hand, when the average of the phase differences is larger than the phase lower limit value (NO in step 405), the process returns to step 402 and the above steps are repeated.

このように、上記の各ステップを繰り返すことにより、操作量MVの変化と測定光量PVの変化との位相差は、位相下限値から位相上限値の範囲に入り、この範囲に入った状態を維持することができる。上記の位相差がこの範囲に入ることにより、精度の高い測定を行うことができる。   In this way, by repeating the above steps, the phase difference between the change in the manipulated variable MV and the change in the measured light quantity PV enters the range from the phase lower limit value to the phase upper limit value, and remains in this range. can do. When the above phase difference falls within this range, highly accurate measurement can be performed.

本実施形態に係るPID定数(比例ゲインK、積分時間T、及び微分時間T)の設定方法によれば、上述した正規化値や位相差が所定の範囲から外れた場合、それが何に起因するかにかかわらず、PID定数が修正される。そのため、想定していない条件の変化を含む様々な測定条件の変化が生じたとしても、適切なPID定数に修正することができる。また、本実施形態に係るPID定数の設定方法によれば、露点温度の測定を行いながらPID定数を修正できるため、測定条件が刻々と変化する場合であっても、これに対応して適切なPID定数に修正することができる。 According to the setting method of the PID constants (proportional gain K P , integration time T I , and differential time T D ) according to the present embodiment, when the above-described normalized value or phase difference is out of a predetermined range, Regardless of what causes it, the PID constant is modified. For this reason, even if various measurement condition changes including a change in conditions that are not assumed, it can be corrected to an appropriate PID constant. In addition, according to the method for setting the PID constant according to the present embodiment, the PID constant can be corrected while measuring the dew point temperature. It can be modified to a PID constant.

(PID定数修正の効果)
次に、図5を参照して、本実施形態に係るPID定数の修正の効果について説明する。図5は、測温部30が計測した反射鏡10の温度の時間変化を示した図である。つまり、鏡面冷却式露点計100によって測定される露点温度の時間変化を示した図である。なお、試験に用いた被測定気体101の露点温度は実際には変化していない。露点温度の振れは、PID制御によるものである。図5のうちグラフの左側にあたる10〜30秒の部分は上述したPID定数の修正が行われていないときの結果を示しており、グラフの右側にあたる30〜80秒の部分は上述したPID定数の修正が行われているときの結果を示している。上述したように、本実施形態では、PID定数の初期値は、被測定気体101が空気であって、気圧が標準大気圧、温度が24°C、流量が毎分1リットルという測定条件の下、適切であるとする値に設定されている。
(Effects of PID constant correction)
Next, the effect of correcting the PID constant according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram showing a change over time of the temperature of the reflecting mirror 10 measured by the temperature measuring unit 30. That is, it is a diagram showing the change over time in the dew point temperature measured by the mirror-cooled dew point meter 100. Note that the dew point temperature of the gas to be measured 101 used in the test does not actually change. The fluctuation of the dew point temperature is due to PID control. In FIG. 5, the portion of 10 to 30 seconds corresponding to the left side of the graph shows the result when the above-described PID constant is not corrected, and the portion of 30 to 80 seconds corresponding to the right side of the graph is the above-described PID constant. Shows the results when corrections are made. As described above, in this embodiment, the initial value of the PID constant is measured under the measurement conditions in which the gas to be measured 101 is air, the atmospheric pressure is standard atmospheric pressure, the temperature is 24 ° C., and the flow rate is 1 liter per minute. Is set to a value that is appropriate.

この状況で、被測定気体101の流量を毎分2リットルにすると、グラフの左側に示すように、測定された露点温度が比較的大きく振れる。被測定気体101の状態が、予定している測定条件(流量条件)とは異なるからである。ところが、本実施形態に係るPID定数の修正が行われると、図5のグラフの右側に示すように、PID定数の修正が行われていない場合に比べ、測定された露点温度が安定する。以上のような実験結果からも、上述したPID定数の修正が精度の高い露点温度の測定に非常に有効であることがわかる。   In this situation, when the flow rate of the gas to be measured 101 is 2 liters per minute, the measured dew point temperature fluctuates relatively large as shown on the left side of the graph. This is because the state of the gas to be measured 101 is different from the planned measurement conditions (flow rate conditions). However, when the PID constant is corrected according to the present embodiment, as shown on the right side of the graph of FIG. 5, the measured dew point temperature is stabilized as compared to the case where the PID constant is not corrected. From the experimental results as described above, it can be seen that the above-described correction of the PID constant is very effective in measuring the dew point temperature with high accuracy.

以上、本発明の実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、温度表示部31を有しておらず、反射鏡10の温度のデータ(露点温度データ)が記憶装置に記憶されるような鏡面冷却式露点計であっても、本発明に含まれる。   As described above, the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to these embodiments, and even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention. It is included in the present invention. For example, a mirror-cooled dew point meter that does not have the temperature display unit 31 and stores the temperature data (dew point temperature data) of the reflecting mirror 10 in the storage device is also included in the present invention.

本発明に係る鏡面冷却式露点計によれば、様々な測定条件が刻々と変化する場合であっても、PID定数を適切に修正することができる。よって、鏡面冷却式露点計の技術分野において有益である。   According to the mirror-cooled dew point meter according to the present invention, the PID constant can be appropriately corrected even when various measurement conditions change every moment. Therefore, it is useful in the technical field of specular cooling type dew point meter.

10 反射鏡
20 調温部
30 測温部
40 投光部
50 受光部
60 制御部
100 鏡面冷却式露点計
101 被測定気体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Reflecting mirror 20 Temperature control part 30 Temperature measuring part 40 Light projection part 50 Light receiving part 60 Control part 100 Mirror surface cooling-type dew point meter 101 Gas to be measured

Claims (5)

被測定気体中に配置される反射鏡と、
前記反射鏡を冷却して表面に結露を生じさせる調温部と、
前記反射鏡の温度を測定する測温部と、
前記反射鏡の表面に照射光を発する投光部と、
前記反射鏡の表面で反射した前記照射光を受光する受光部と、
PID制御により、前記受光部が受光する前記照射光の測定光量が目標光量になるよう前記調温部に対する操作量を算出し、その操作量に基づいて前記調温部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記操作量の振幅を前記PID制御の比例ゲインで割ったものが所定の振幅上限値よりも大きい場合には前記比例ゲインを減少させ、前記操作量の振幅を前記比例ゲインで割ったものが所定の振幅下限値よりも小さい場合には前記比例ゲインを増加させる、鏡面冷却式露点計。
A reflector disposed in the gas to be measured;
A temperature control unit that cools the reflecting mirror and causes condensation on the surface;
A temperature measuring unit for measuring the temperature of the reflecting mirror;
A light projecting unit for emitting irradiation light to the surface of the reflecting mirror;
A light receiving unit for receiving the irradiation light reflected by the surface of the reflecting mirror;
A control unit that calculates an operation amount for the temperature control unit by PID control so that a measurement light amount of the irradiation light received by the light receiving unit becomes a target light amount, and controls the temperature control unit based on the operation amount; With
The control unit reduces the proportional gain when the amplitude of the manipulated variable divided by the proportional gain of the PID control is greater than a predetermined amplitude upper limit value, and reduces the amplitude of the manipulated variable by the proportional gain. A mirror-cooled dew point meter that increases the proportional gain when the divided value is smaller than a predetermined lower limit amplitude.
前記振幅上限値及び前記振幅下限値はいずれも固定値である、請求項1に記載の鏡面冷却式露点計。   The specular cooling dew point meter according to claim 1, wherein both the upper limit value of amplitude and the lower limit value of amplitude are fixed values. 前記制御部は、前記操作量と前記測定光量の位相差が位相上限値よりも大きい場合には前記PID制御の積分時間及び微分時間を減少させ、前記位相差が位相下限値よりも小さい場合には前記積分時間及び前記微分時間を増加させる、請求項1又は2に記載の鏡面冷却式露点計。   The control unit decreases the integration time and the differentiation time of the PID control when the phase difference between the operation amount and the measured light amount is larger than the phase upper limit value, and when the phase difference is smaller than the phase lower limit value. The specular cooling dew point meter according to claim 1 or 2, wherein increases the integration time and the derivative time. 前記微分時間は前記積分時間の6分の1となるように設定される、請求項3に記載の鏡面冷却式露点計。   The specular cooling dew point meter according to claim 3, wherein the differential time is set to be 1/6 of the integration time. 前記位相下限値は30〜40度であり、前記位相上限は140〜150度である、請求項3又は4に記載の鏡面冷却式露点計。   The specular cooling dew point meter according to claim 3 or 4, wherein the phase lower limit value is 30 to 40 degrees, and the phase upper limit value is 140 to 150 degrees.
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