JP2015090605A - 温調可能な分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一旦電源が遮断しても、再通電してから定常運転時の温度となるまでの時間を短縮可能な分析装置を提供する。
【解決手段】温調対象を収容する筐体、前記温調対象に加熱、冷却を行う加熱冷却手段、前記温調対象の温度を検知する第一の温度センサ、前記筐体内の環境温度を検知する第二の温度センサ、温度調整器を備え、前記温度調整器が、第一の温度センサが検知した温調対象の温度を制御量とし、加熱冷却手段の出力を操作量とし、比例−積分−微分制御を行なう温度制御手段と、温度制御を開始する際に、筐体内の環境温度とＰＩＤ制御における積分値との関係式と、第二の温度センサが検知した筐体内の環境温度とに基づき、前記温度制御手段に入力する積分値を設定する積分値設定手段と、第一の温度センサが検知した温調対象の温度と温調対象の目標温度との差に基づき、積分値設定手段による積分値の設定を行なうか否かを判定する判定手段とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、温調可能な分析装置に関する。具体的には、定常運転時に分析装置の電源が一旦遮断されたとしても、再通電時から定常運転時の温度に復帰するまでの時間を短縮可能な分析装置に関する。

装置内の温度制御をＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御で行なう場合、定常運転時（目標温度に到達した状態）では、比例項（Ｐ）と微分項（Ｄ）はゼロとなり、積分項（Ｉ）の操作量のみにより全操作量が決定される。

定常運転時において、装置の電源が遮断されると積分項（Ｉ）の操作量（以下、積分値ともいう）がリセットされる（ゼロになる）。つまり、何らかの事情（例えば瞬間停電やメンテナンス等）により装置の電源が一旦遮断された後、短時間で再通電する場合、装置内の温度は目標温度に近い温度にも関わらず、積分値はゼロからの積算となるため、定常運転時に必要な操作量が不足し、温度が低下し始める。その後積分値が徐々に大きくなることで再び定常運転時の状態に戻るが、当該状態となるまでには長い時間を要する。

給湯器の温度制御においては、出湯停止時に通水量を検知することで積分値を記憶し、再出湯時に当該記憶した積分値を利用して制御を行なう方法が開示されている（例えば特許文献１および２参照）。しかしながら、この方法は、予期せぬ瞬間停電には対処できない。また、半導体処理装置に供給する電力をＰＩＤ調節器で制御する装置においては、停電時に停電直前の積分値をバックアップし、再通電後にそのバックアップした積分値をＰＩＤ調節器に入力して電力供給を再開する方法が開示されている（特許文献３）。しかしながらこの制御装置は、停電時に作動するバックアップ装置を備える必要がある。また停電直前の積分値をバックアップするのみであるため、停電前後で装置の状態が大きく変化した場合であってもその変化を考慮した積分値を入力することはできない。

特開平４−００６３１５号公報 特開平５−０１０５８８号公報 特開平７−１５２４０１号公報

本発明の課題は、試料、試薬、またはそれらを収容する容器等の温調対象を温調可能な分析装置において、定常運転時に予期せぬ瞬間停電やメンテナンス等により一旦電源が遮断しても、再通電してから定常運転時の温度となるまでの時間を短縮可能な装置を提供することにある。

上記課題を鑑みてなされた本発明は、以下の態様を包含する。

すなわち本発明は、
温調対象を収容可能な筐体と、前記温調対象に加熱および／または冷却を行なう加熱冷却手段と、前記温調対象の温度を検知する第一の温度センサと、前記筐体内の環境温度を検知する第二の温度センサと、前記温調対象の温度を制御する温度調整器とを備えた分析装置であって、
前記温度調整器が、
第一の温度センサが検知した温調対象の温度を制御量とし、制御量を目標温度に到達させるための加熱冷却手段の出力を操作量として、比例−積分−微分制御（ＰＩＤ制御）を行なう温度制御手段と、
温度制御を開始する際に、筐体内の環境温度とＰＩＤ制御における積分値との関係式と、第二の温度センサが検知した筐体内の環境温度とに基づき、前記温度制御手段に入力する積分値を設定する積分値設定手段と、
第一の温度センサが検知した温調対象の温度と温調対象の目標温度との差に基づき、積分値設定手段による積分値の設定を行なうか否かを判定する判定手段と、
を有した、前記分析装置である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明の分析装置に備える筐体に収容する温調対象としては、本発明の分析装置で測定する試料、前記試料を測定する際用いる試薬、およびそれらを収容した容器等があげられる。

本発明の分析装置に備える第二の温度センサを備える位置としては、温調対象以外の位置であって、定常運転時における温調対象を収容した筐体内の環境温度を反映する位置であればよく、通常は筐体内部の温調対象から離れた位置に備えるが、筐体内部が断熱状態でなければ、筐体外部に備えてもよい。また第二の温度センサを環境温度を反映する度合いの異なる複数の位置にそれぞれ備え、これら温度センサで検知した温度に基づき得られた温度（例えば、加重平均温度や各センサ間の温度差に基づき得られた温度）を筐体内の環境温度とみなしてもよい。

本発明の分析装置に備える温度調整器には、
第一の温度センサが検知した温調対象の温度を制御量とし、制御量を目標温度に到達させるための加熱冷却手段の出力を操作量として、比例−積分−微分制御（ＰＩＤ制御）を行なう温度制御手段と、
温度制御を開始する際に、筐体内の環境温度とＰＩＤ制御における積分値との関係式と、第二の温度センサが検知した筐体内の環境温度とに基づき、前記温度制御手段に入力する積分値を設定する積分値設定手段と、
第一の温度センサが検知した温調対象の温度と温調対象の目標温度との差に基づき、積分値設定手段による積分値の設定を行なうか否かを判定する判定手段とを有している。

具体的には、定常運転時に電源が遮断され、再通電した時点での第一の温度センサが検知した温調対象の温度と温調対象の目標温度との温度差が一定のしきい値以内である場合、判定手段は積分値設定手段による積分値の設定を行なうと判定し、積分値設定手段が、筐体内の環境温度とＰＩＤ制御における積分値との関係式と第二の温度センサが検知した筐体内の環境温度とに基づき、温度制御手段に入力する積分値を設定し、当該設定した積分値を初期積分値として、ＰＩＤ制御による温度制御を再開する。一方、再通電した時点での第一の温度センサが検知した温調対象の温度と温調対象の目標温度との温度差が一定のしきい値を超える場合、判定手段は積分値設定手段による積分値の設定を行なわないと判定し、初期積分値をゼロとした通常のＰＩＤ制御による温度制御を再開する。

積分値設定手段で積分値を設定するために用いる、筐体内の環境温度とＰＩＤ制御における積分値との関係式は、例えば、あらかじめ本発明の分析装置を筐体内の環境温度が異なる環境下で設置してＰＩＤ制御を行なうことで得ることができる。

本発明の分析装置で、定常運転中に電源が遮断された後の再通電時に、温調対象の温度を制御するには、例えば、
（１）筐体内の環境温度と温調対象の温度をＰＩＤ制御するための積分値との関係式をあらかじめ作成し、
（２）再通電時における、第一の温度センサが検知した温調対象の温度と温調対象の目標温度との温度差を算出し、
（３）判定手段により、（２）で算出した温度差が、所定のしきい値以内であるかを判定し、
（４−１）（２）で算出した温度差が（３）のしきい値以内である場合、積分値設定手段により、第二の温度センサで検知した筐体内の環境温度を（１）で作成した関係式に適用し、得られた積分値を初期積分値として温度制御手段に入力することで温調対象の温度をＰＩＤ制御し、
（４−２）（２）で算出した温度差が（３）のしきい値を超える場合、初期積分値をゼロとした通常のＰＩＤ制御で、温調対象の温度を制御すればよい。

本発明の分析装置は、温調対象を収容可能な筐体と、前記温調対象に加熱および／または冷却を行なう加熱冷却手段と、前記温調対象の温度を検知する第一の温度センサと、前記筐体内の環境温度を検知する第二の温度センサと、前記温調対象の温度を制御する温度調整器とを備えた分析装置であって、
前記温度調整器が、
第一の温度センサが検知した温調対象の温度を制御量とし、制御量を目標温度に到達させるための加熱冷却手段の出力を操作量として、比例−積分−微分制御（ＰＩＤ制御）を行なう温度制御手段と、
温度制御を開始する際に、筐体内の環境温度とＰＩＤ制御における積分値との関係式と、第二の温度センサが検知した筐体内の環境温度とに基づき、前記温度制御手段に入力する積分値を設定する積分値設定手段と、
第一の温度センサが検知した温調対象の温度と温調対象の目標温度との差に基づき、積分値設定手段による積分値の設定を行なうか否かを判定する判定手段と、を有することを特徴としている。

本発明の分析装置は、定常運転時に電源が遮断後、再通電する際、温調対象の温度と温調対象の目標温度との差に基づき、積分値設定手段による積分値の指示を行なうか否かを判定し、積分値設定手段による積分値の設定を行なう場合は、筐体内の環境温度とＰＩＤ制御における積分値との関係式に基づき初期積分値を設定する。そのため再通電時に操作量の不足が生じたり、また過大なオーバーシュートを生じることなく、定常運転時の温度に復帰する時間を短縮することができる。

評価に用いた分析装置を示す図である。 図１に示す分析装置に本発明を適用したときの温度制御の一例を説明するブロック線図である。 本実施例で、積分値設定手段で積分値を設定するために用いる、筐体内の環境温度とＰＩＤ制御における初期積分値（デューティ比）との関係式を示した図である。 筐体外の環境温度１５℃で再通電したときのインキュベータ温度の変化を比較した図である。 筐体外の環境温度２０℃で再通電したときのインキュベータ温度の変化を比較した図である。 筐体外の環境温度２５℃で再通電したときのインキュベータ温度の変化を比較した図である。 筐体外の環境温度３０℃で再通電したときのインキュベータ温度の変化を比較した図である。

以下、実施例および比較例を用いて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら例に限定されるものではない。

評価に用いた分析装置を図１に示す。図１に示す分析装置は、反応容器１０を載置し温調可能な、温調用のラバーヒータ２１とアルミ板２２とを有したインキュベータ２０と、インキュベータ２０を収容した筐体３０と、インキュベータ２０の温度を検知する温度センサ４１と、筐体３０側壁に設けた筐体内の環境温度を検知するための温度センサ４２と、を備えている。なお温度センサ４１は反応容器１０内の溶液温度を反映した値を示すよう、樹脂製スペーサ５０を介してアルミ板２２に載置している。

図１に示す分析装置に本発明を適用したときの温度制御の一例を図２に示すブロック線図を用いて説明する。通常の温度制御では、温度センサ４１でインキュベータ２０の温度を検知し、インキュベータ２０の目標温度（設定値）との差をＰＩＤコントローラ（温度制御プログラム）に入力し、当該コントローラがＰＩＤ演算を行なった結果をラバーヒータ２１に出力（操作量）することで、インキュベータ２０を温度制御している。

図１に示す分析装置の電源が一旦遮断された後、再通電する場合は、温度センサ４１で検知したインキュベータ２０の温度とインキュベータ２０の目標温度との差を算出し、その値が一定のしきい値以内の場合は、積分値設定プログラムによりＰＩＤコントローラへ初期積分値を入力する。なお一定のしきい値を超える場合は、初期積分値を与える効果が薄くなるので、初期積分値をゼロとした通常のＰＩＤ制御をすればよい。筐体３０内の環境温度はインキュベータ２０の温度に影響を与え、定常運転時における、インキュベータ２０を温度制御する際の操作量（実質的にＰＩＤ制御の積分値に等しい）を決定するとともに、筐体３０内のインキュベータ２０以外の温度も決定する。そこで、あらかじめ筐体３０内の環境温度とＰＩＤコントローラに入力すべき初期積分値との関係式を積分値設定プログラムに入力し、積分値設定プログラムは、温度センサ４２が検知する筐体３０内の環境温度を前記関係式に適用することでＰＩＤコントローラに入力する初期積分値を設定する。このような制御を行なうことで、再通電時から定常運転時の温度になるまでの時間を短縮することができる。

本実施例で、積分値設定プログラムに入力する、筐体３０内の環境温度（Ｘ［℃］）とＰＩＤコントローラに入力すべき初期積分値との関係式を以下の式（１）に示す。なお前記関係式は、あらかじめ図１に示す分析装置を筐体内の環境温度が異なる環境下（１８℃、２３℃、２８℃または３３℃）で設置し、インキュベータ２０の温度が３７℃となるようＰＩＤ制御した結果をプロットして（図３）得られた式であり、積分値はラバーヒータ２１に電力を供給するパルスのデューティ比（Ｙ［％］）として表記している。

Ｙ＝−０．０００２×Ｘ^２＋０．００１７×Ｘ＋０．１２８９・・・式（１）
ちなみに筐体３０内の環境温度２３℃、２８℃または３３℃での積分値は、定常運転時の積分値（デューティ比）と同じ値であるが、筐体３０内の環境温度１８℃での積分値は、定常運転時の積分値（デューティ比）の９０％としている。これは、目標温度（３７℃）と環境温度との温度差が大きいため、定常運転時の積分量をそのまま適用するとオーバーシュートが大きく生じるためである。

図２に示す分析装置を、筐体外の環境温度１５℃、２０℃、２５℃または３０℃の環境下で設置し、温度センサ４１が検知するインキュベータ２０の温度が３７℃の一定温度となった時点で分析装置の電源を遮断した。遮断後、再通電してから８０秒後に以下の（Ａ）または（Ｂ）に示す制御で温調を実施した。ここで温調の開始を８０秒遅らせたのは、分析装置を構成するハードウェアおよびソフトウェアの起動に要する時間を考慮したためである。
（Ａ）温調再開時に初期積分値をゼロとした通常のＰＩＤ制御（比較例）
（Ｂ）温調再開時に温度センサ４２が検知した筐体３０内の環境温度を前記式（１）に代入し、得られた積分値（デューティ比）を初期積分値としてＰＩＤコントローラに入力する制御（実施例）
筐体外の環境温度１５℃（筐体内の環境温度１８℃）の環境下で設置したときの結果を図４に示す。（Ａ）の制御（比較例）を行なったときは、目標温度範囲（許容値）（３７．０℃±０．２℃）となるまでに約２２分要したのに対し、（Ｂ）の制御（実施例）を行なったときは約８分で目標温度範囲に到達しており、約１４分の時間短縮を達成している。

筐体外の環境温度２０℃（筐体内の環境温度２３℃）の環境下で設置したときの結果を図５に示す。（Ａ）の制御（比較例）を行なったときは、目標温度範囲（許容値）（３７．０℃±０．２℃）となるまでに約２０分要したのに対し、（Ｂ）の制御（実施例）を行なったときは約５分で目標温度範囲に到達しており、約１５分の時間短縮を達成している。

筐体外の環境温度２５℃（筐体内の環境温度２８℃）の環境下で設置したときの結果を図６に示す。（Ａ）の制御（比較例）を行なったときは、目標温度範囲（許容値）（３７．０℃±０．２℃）となるまでに約１８分要したのに対し、（Ｂ）の制御（実施例）を行なったときは約４分で目標温度範囲に到達しており、約１４分の時間短縮を達成している。

筐体外の環境温度３０℃（筐体内の環境温度３３℃）の環境下で設置したときの結果を図７に示す。（Ａ）の制御（比較例）を行なったときは、目標温度範囲（許容値）（３７．０℃±０．２℃）となるまでに約１２分要したのに対し、（Ｂ）の制御（実施例）を行なったときは温調開始時点ですでに目標温度範囲に到達している。

以上をまとめると、遮断後の再通電時に前記（Ｂ）の制御を行なうことで、再通電時から定常運転時でのインキュベータ温度になるまでの時間を短縮できることがわかる。

１０：反応容器
２０：インキュベータ
２１：ラバーヒータ
２２：アルミ板
３０：筐体
４１、４２：温度センサ
５０：樹脂製スペーサ

Claims (1)

1. 温調対象を収容可能な筐体と、前記温調対象に加熱および／または冷却を行なう加熱冷却手段と、前記温調対象の温度を検知する第一の温度センサと、前記筐体内の環境温度を検知する第二の温度センサと、前記温調対象の温度を制御する温度調整器とを備えた分析装置であって、
   前記温度調整器が、
   第一の温度センサが検知した温調対象の温度を制御量とし、制御量を目標温度に到達させるための加熱冷却手段の出力を操作量として、比例−積分−微分制御（ＰＩＤ制御）を行なう温度制御手段と、
   温度制御を開始する際に、筐体内の環境温度とＰＩＤ制御における積分値との関係式と、第二の温度センサが検知した筐体内の環境温度とに基づき、前記温度制御手段に入力する積分値を設定する積分値設定手段と、
   第一の温度センサが検知した温調対象の温度と温調対象の目標温度との差に基づき、積分値設定手段による積分値の設定を行なうか否かを判定する判定手段と、
   を有した、前記分析装置。

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