JP3311128B2 - 材料の加熱温度変動試験における加熱温度制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は材料の加熱温度変動試験
における加熱温度制御方法に係り、特に、試験片内に大
きな温度勾配を与えるような加熱、冷却法を用いて試験
片に所望波形の温度サイクルを加えるように加熱温度を
制御する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各種エンジン、各種タービン、各種容器
や装置においては、運転の開始、休止の繰り返しによっ
てそのときの温度変化に伴う熱応力の繰り返しを受け、
更に運転中の熱負荷の変動によっても小さな振幅の変動
熱応力を受けるが、このような熱疲労はこれらの性能、
安全性、破損寿命などを左右する強度現象の内で最も重
要なものの一つである。

【０００３】熱疲労試験の一つに、外部から機械的ひず
みを重畳させ、一定の温度振幅のもとで任意の大きさの
ひずみ振幅を与えることができるようにした機械的ひず
み重畳型の試験があり、この温度サイクルと重畳して外
力の繰り返しを受ける熱疲労を機械的応力が重畳する熱
疲労或いは熱機械的疲労と称している。

【０００４】図５はこのような試験に使用される電気油
圧サーボ式試験機を示し、同図において、１はピストン
とシリンダとからなり油圧により作動するアクチュエー
タ、２は該アクチュエータの動作を制御するサーボ弁、
３はロードセル、４はチャック５を介してロードセル３
及びアクチュエータ１間に装着された試験片、６はアク
チュエータ１の変位を検出する変位検出器、７は試験片
４のひずみを検出するひずみ検出器、８は試験片４の加
熱、冷却を行う高周波加熱器と空気吹付器とからなる加
熱冷却手段、９は試験片４の温度を検出する温度検出器
である。１０はロードセル３、変位検出器６、ひずみ検
出器７、温度検出器９からの信号を受け、サーボ弁２、
加熱冷却手段８を制御して、試験片４に所定の温度サイ
クル、ひずみサイクルを加えるようにする制御装置であ
る。この制御装置１０は予め定められた制御プログラム
に従って動作する例えばマイクロコンピュータにより構
成されている。

【０００５】加熱冷却手段８は、図６に示すように、高
周波加熱コイル８ａに中空でかつ内周面に空気吹付孔８
ｂを有するものを使用し、制御装置１１内の図示しない
高周波発生源の出力を制御することによって加熱が制御
され共に、エアバルブ８ｃの比例制御により制御装置１
１内の図示しないエアコンプレッサからの圧縮空気が空
気吹付孔８ｂから噴出される量を制御することによって
冷却が制御されるようになっている。

【０００６】以上の構成において、従来の制御装置１１
では、温度制御テーブルにストアされた温度目標データ
に基づいて加熱手段をフィードバック制御することで、
温度上昇時には実際の加熱温度と目標温度との間の偏差
は小さくすることができるが、温度下降時には自然放熱
では目標温度通りに実際の温度は下がらず、偏差が非常
に大きなものになる。

【０００７】そこで、目標通りの温度サイクルで試験片
４を加熱できるように冷却手段によって、強制的に温度
を下降させることができるように、冷却用の空気量を予
め定めた空気量制御データを予め作成し、これを空気量
制御テーブルに格納しておき、冷却制御をこの空気量制
御テーブルに格納したデータを利用して加熱制御と独立
に行うことが、特開昭６２−２０６４２９号公報におい
て提案されている。この提案の方法は、特に、加熱手段
の制御系と冷却手段の制御系との間に大きな開きがあっ
て制御系が不安定になり、ハンチング現象を起こすこと
がないようにしている点に特徴がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法で
は、温度制御波形が例えば三角波、待ち時間を含む台形
波などであると、空気量を決めるパラメータが多く、取
り扱いが面倒であるという問題があった。

【０００９】よって本発明は、上述した従来の問題点に
鑑み、制御系のハンチング現象を起こさず、かつ取り扱
いが面倒でなく、比較的簡単に試験片の加熱温度を目標
温度に沿って制御できるようにした材料の加熱温度変動
試験における加熱温度制御方法を提供することを目的と
している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明により成された加熱温度変動試験における加熱温
度制御方法は、試験片に加える温度サイクルを指令する
目標温度信号と、試験片の温度を検出する温度検出器か
らの検出温度信号との偏差を偏差演算手段により求め、
該求めた偏差の大きさに応じた偏差信号に基づき偏差が
０になるように加熱冷却手段を制御し、試験片内に大き
な温度勾配を与えるような加熱、冷却法を用いて試験片
に所望波形の温度サイクルを加えるように加熱温度を制
御する方法において、目標温度信号による温度サイクル
の最高温度まで試験片を加熱した後、最低温度まで試験
片を冷却する際に、予め定めた値を越えた前記偏差信号
の成分を積分手段により積分し、該積分手段により得ら
れた積分値に基づいてエアバルブの開度を調整し、前記
加熱冷却手段に送る冷却用の空気の量を制御し、目標温
度信号による温度サイクルの最低温度まで試験片を冷却
した後、最高温度まで試験片を再度加熱する前に、前記
積分手段の積分値をリセットし、以後前記手順を繰り返
すことを特徴としている。

【００１１】

【作用】上記手順において、目標温度信号と、試験片の
温度を検出する温度検出器からの検出温度信号との偏差
を偏差演算手段により求め、該求めた偏差の大きさに応
じた偏差信号に基づき偏差が０になるように加熱冷却手
段を制御し、試験片内に大きな温度勾配を与えるような
加熱、冷却法を用いて試験片に所望波形の温度サイクル
を加えるように加熱温度を制御する方法において、目標
温度信号による温度サイクルの最高温度まで試験片を加
熱した後、最低温度まで試験片を冷却する際に、予め定
めた値を越えた前記偏差信号の成分を積分手段により積
分し、該積分手段により得られた積分値に基づいてエア
バルブの開度を調整し、前記加熱冷却手段に送る冷却用
の空気の量を制御し、目標温度信号による温度サイクル
の最低温度まで試験片を冷却した後、最高温度まで試験
片を再度加熱する前に、前記積分手段の積分値をリセッ
トし、以後前記手順を繰り返すことを特徴としている。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明による方法を実施する加熱温度変
動試験における加熱温度制御装置の一例を示し、同図に
おいて、図５について上述したものと同等の部材には同
一の符号を付している。同図において、１１１は試験片
に加える温度サイクルを指令する例えば三角波状の目標
温度信号と温度検出器９からの検出温度信号との偏差を
演算する偏差演算部であり、この偏差演算部１１１が出
力する偏差信号Ｅｅは出力制御部１１２に印加される。

【００１３】出力制御部１１２は偏差信号Ｅｅが０にな
るように加熱冷却手段８の高周波加熱コイル８ａに供給
する高周波加熱電流を制御する。偏差演算部１１１から
の偏差信号Ｅｅは偏差処理部１１３にも印加され、この
偏差処理部１１３では偏差信号Ｅｅが予め定めた値以上
に大きくなったときに、加熱冷却手段８に送る空気量を
制御するエアバルブ８ｃの開度を調整する開度制御信号
を生成してエアバルブ８ｃに印加する。偏差処理部１１
３には目標温度信号の反転を検出する反転検出部１１４
により温度上昇点の検出信号も印加され、この検出信号
を入力した偏差処理部１１３はこれに応じてエアバルブ
８ｃを閉じて冷却を停止させるようにする。

【００１４】上述の偏差処理部１１３は、図２に示すよ
うに、偏差信号Ｅｅが予め定めたしきい値Ｅｓより大き
くなったとき、Ｅｅ−Ｅｓなる差信号Ｅｃを出力する差
分手段１１３ａと、この差分手段１１３ａの出力が接続
された積分機能部１１３ｂと、この積分機能部１１３ｂ
が出力する積分値を直流増幅してエアバルブ８ｃを駆動
するドライバ回路１１３ｃと、反転検出部１１４からの
検出信号の入力に応じて積分機能部１１３ｂの積分値を
リセットするリセット回路１１３ｄとを有する。上記積
分機能部１１３ｂは、図３に示すように、抵抗Ｒを介し
て所定の時定数で充電されるコンデンサＣとオペレーシ
ョンアンプＯＰとにより構成されることができ、またリ
セット回路１１３ｄは同図に示すように検出信号によっ
てオンされコンデンサＣの放電路を形成するスイッチＳ
Ｗにより構成されることができる。

【００１５】以上の構成の制御装置を使用した本発明の
加熱温度変動試験における加熱温度制御方法を以下説明
する。図１に示すように、試験片に加える温度サイクル
を指令する三角波状の目標温度信号を偏差演算部１１１
に加えると、偏差演算部１１１は目標温度信号と、試験
片の温度を検出する温度検出器からの検出温度信号との
偏差を求め、該求めた偏差の大きさに応じた偏差信号Ｅ
ｅを出力する。この偏差信号Ｅｅを入力した出力制御部
１１２はこの偏差信号Ｅｅに基づき偏差が０になるよう
に加熱冷却手段の高周波加熱コイル８ａに供給する高周
波電流を制御し、三角波状の目標温度信号のピークに対
応する温度サイクルの最高温度まで試験片を加熱する。

【００１６】その後、目標温度信号がピークから減小し
始めると、偏差演算部１１１の出力が反転し、これに応
じて加熱冷却手段の高周波加熱コイル８ａに供給する高
周波電流を停止するが、一度加熱した試験片の温度はな
かなか低下せず、目標温度信号と検出温度信号との偏差
が徐々に大きくなる。この偏差の増大によって、図４
（ａ）に示すように偏差信号Ｅｅが予め定めた所定値Ｅ
ｓ以上に大きくなると、差分手段１１３ａの出力に図４
（ｂ）に示すような差信号Ｅｃが出力されて積分機能部
１１３ｂに供給されるようになる。積分機能部１１３ｂ
は差信号Ｅｃを積分し、図４（ｃ）に示すような積分信
号Ｅｉを出力し、この積分信号Ｅｉをドライバ回路１１
３ｃに供給する。ドライバ回路１１３ｃは積分信号Ｅｉ
の大きさに応じて目標温度信号と検出温度信号の偏差が
０になるようにエアバルブ８ｃの開度を調整してエアバ
ルブ８ｃを通じて供給する空気量を制御する。

【００１７】そして、目標温度信号による温度サイクル
の最低温度まで試験片を冷却した後、目標温度信号が再
度増大するようになると、これを反転検出部１１４が検
出して検出信号を出力し、これをリセット回路１１３ｄ
に印加する。これによってリセット回路１１３ｄが積分
機能部１１３ｂを構成する積分コンデンサＣの放電回路
を形成し、瞬時に積分値をリセットし、積分信号Ｅｉを
０に立ち下げるので、エアバルブ８ｃが瞬時に閉じら
れ、次の加熱の準備が完了する。

【００１８】なお、上述のように積分機能手段１１３ｂ
を使用し、その時定数Ｔ₀ を閉ループである加熱温調系
の時定数より十分に大きくすることにより、加熱温調系
と独立の空気量制御ループを実現することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、目
標温度信号による温度サイクルの最高温度まで試験片を
加熱した後、最低温度まで試験片を冷却する際に、予め
定めた値を越えた偏差信号の成分を積分し、得られた積
分値に基づいて冷却用の空気の量を制御し、温度サイク
ルの最低温度まで試験片を冷却した後、最高温度まで試
験片を再度加熱する前に、積分値をリセットする手順を
繰り返すので、積分の時定数を加熱温調系より十分に大
きくすることにより、加熱温調系と独立の空気量制御ル
ープを実現することができ、制御系のハンチング現象を
起こさず、かつ取り扱いが面倒でなく、比較的簡単に試
験片の加熱温度を目標温度に沿って制御できるようにな
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による材料の加熱温度変動試験における
加熱温度制御方法を実施するために使用する装置の回路
構成を示す図である。

【図２】図１中の偏差処理部の具体的な回路例を示す図
である。

【図３】図２中の積分機能部及びリセット回路の具体的
な回路例を示す図である。

【図４】図２中の各部の状態を示す波形である。

【図５】加熱温度変動試験に使用される電気油圧サーボ
式試験機を示す図である。

【図６】図５中の加熱冷却手段の具体例を示す図であ
る。

【符号の説明】 ４ 試験片 ８ 加熱冷却手段 ８ｃ エアバルブ ９ 温度検出手段（温度検出器） １１１ 偏差演算手段（偏差演算部） １１３ａ 差分手段 １１３ｂ 積分手段（積分機能部） １１３ｄ リセット回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試験片に加える温度サイクルを指令する
   目標温度信号と、試験片の温度を検出する温度検出器か
   らの検出温度信号との偏差を偏差演算手段により求め、
   該求めた偏差の大きさに応じた偏差信号に基づき偏差が
   ０になるように加熱冷却手段を制御し、試験片内に大き
   な温度勾配を与えるような加熱、冷却法を用いて試験片
   に所望波形の温度サイクルを加えるように加熱温度を制
   御する方法において、 目標温度信号による温度サイクルの最高温度まで試験片
   を加熱した後、最低温度まで試験片を冷却する際に、予
   め定めた値を越えた前記偏差信号の成分を積分手段によ
   り積分し、 該積分手段により得られた積分値に基づいてエアバルブ
   の開度を調整し、前記加熱冷却手段に送る冷却用の空気
   の量を制御し、 目標温度信号による温度サイクルの最低温度まで試験片
   を冷却した後、最高温度まで試験片を再度加熱する前
   に、前記積分手段の積分値をリセットし、 以後前記手順を繰り返すことを特徴とする材料の加熱温
   度変動試験における加熱温度制御方法。