JPS62268081A - 炉内の抵抗加熱装置のための電力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は炉内の抵抗加熱装置もしくはと−ター（以下ヒ
ーターと称する）に供給される電力を制御するための回
路に関する。

炉内の抵抗加熱装置もしくはヒーターに供給される電力
を制御するために数多の装置および電気回路が開発され
ている。このような炉は。

試料もしくけ標本の物理的性質を機器によって測定して
いる間、被験標本もしくは試料を一定の温度に保持する
動的機械分析装置のような分析計器に用いられている。

試料の物理的性質は温度に直接関連し、従って、温度を
正確に制御する必要がある。多くの試験においては、物
理的性質を１例えば−１００℃〜５００℃のような広い
温度範囲に渡って求めることが必要であり、このような
温度範囲の要件を満すためには、炉もしくはオープンは
温度を迅速に且つ正確に上昇および下降させるものでな
ければならない。

温度制御を行なう際に直面する１つの問題は、ヒーター
に供給される電力がしばしば変動することである。別の
問題としては炉のヒーターの不適切な帰還（フィードバ
ック）制御および不光分な制御にしばしば起因して、炉
の温度変動を正確に制御できない点にある。

上記のような電力供給に伴う問題に対する解決策が米国
特許第３，５５３，４５８号明細書に示されており、こ
れによれば、ヒーターに供給される電力は、ヒーターに
供給される電圧を監視することにより制御されている。

この制御は、電圧の自乗平均値に比例する制御信号全発
生する電圧自乗回路および該制御信号を誤差信号と比較
して負荷に供給される電力を制御する比例制御装置もし
くはコントローラにより達成されている。この方法は、
電圧の自乗平均値に依拠するものであって、制限された
精度が得られるに過ぎない。

米国特許第４，２２３，２０７号明細書には、と−タ−
に供給される電圧を測定して誤差信号を発生し、比較器
によりヒーターに供給される電力を変えることにより上
述の問題を解決するという構成が開示されている。この
技術によればヒーターに電力を供給するためには誤差信
号が存在しなければならないため、ヒーターに供給され
る電力は連続的に変えられることになる。誤差信号が存
在しない場合には、ヒーターには電力は供給されず、炉
の温度は降下し、それにより誤差イぎ号が発生して電力
供給が行われる。

望ましいのは、温度の変動が最小になるようにして炉を
一定の温度に維持するヒーターに一定の電力供給を行う
制？＠装置である。また、炉を特に１周囲温度より低い
温度に迅速に冷却しその温度に炉を維持する手段を得る
ことである。

発明の概要 本発明によれば、交流（ＡＯ）電源から炉内の電気抵抗
ヒーター（加熱装置）に供給される電力を制御するだめ
の電力制御装置において、ａ）温度設定手段、電力測定
装置、比例積分および微分制御技術を用いる出力コント
ローラ装置および所望の出力しにルを決定するための計
算手段とを備えているマイクロプロセッサ、ｂ〕　炉内
に配置されてマイクロプロセッサの温度設定手段に電気
的に接続されている温度測定手段　（該温度測定手段か
らの信号はマイクロプロセッサに供給されて所望電力レ
ベルが計算される）。

Ｃ）ヒーターに供給される電力を測定する電力測定回路
（該電力測定回路は電圧値および電流値を決定してマイ
クロプロセッサの電力測定手段に供給し；該マイクロプ
ロセッサの計算手段により所望電力レベルと測定電力レ
ベルとを比較して、その纜果得られる電力要件をマイク
ロプロセッサの電力コントローラ装置に供給する）。

ｄ）上記ヒーターおよびマイクロプロセッサの電力コン
トローラ装置に電気的に接続されているトライアックを
含むトライアック回路。

ｅ）上記交流電源および電力コントローラ装置に電気的
に接続された電力位相同期装置とを備え、上記マイクロ
プロセッサの電力コントローラ装置は、比例積分および
微分制御技術により交流信号と同期して、上記炉の温度
が設定された温度で正確に制御されるように上記炉内の
ヒーターに電力を供給するために、交流電流の各位相の
計算された期間部分中上記トライアック回路のトライア
ックを点弧する。改良された電力制御装置が提案される
。

本発明の他の態様によれば、炉を周囲温度未満に命運に
冷却し、炉を低温に維持することを可能にする炉に取付
けられた冷却装置が提供される。この冷却装置において
は、上述の装置に類似の温度制御装置が用いられる。

実施例の説明 本発明による電力制御装置は、炉の温度を常に監視し、
且つヒーター（加熱装置）に供給される電力を監視して
制御することにより炉内のヒーターに供給される電力を
正確に制御するものである。温度は、炉内で温度変動が
最小になるようにして一定のレベルに維持される。また
。

炉の温度は制御装置によφ迅速に且つ正確に上昇或いは
低下させることができる。本発明の他の態様によれば、
周囲温度より低い温度に炉を迅速に冷却し、且つ該低い
温度を正確に維持することを可能にするように、類似の
電力制御装置を用いて冷却液或いは気体、例えば窒素を
炉に供給する冷却装置が提供される。このような制御装
置を用いることにより、炉は約−１５０℃〜５００℃の
範囲に維持することができ、そして例えば、１００°Ｃ
〜−５０゛Ｃに迅速に変えることができる。動的機械分
析装置のような計器により行われる多くの物理的試験に
おいては、広い範囲に渡る温度に関する物理的データが
要求されるが１本発明による電力制御装置およびヒータ
ーはこのような計器と共に用いることができる。

第１図は、電力制御回路の一態様を示す。典型例として
、カンタル合金からなる加熱線のような抵抗型ヒーター
２を有するデユワ−フラスコのような断熱された二重壁
フラスコから構成される炉もしくはオーブン１は交流（
ＡＣ）電源６に接続されている。熱電対（Ｔｏ）４が、
炉１内に配置されていて、炉温に直接関連する該熱電対
４からの電圧信号は、必要な標準接続回路を有する典型
的には「０Ｆ−０７Ｊにすることができる演算増幅器５
に供給される。増幅された信号はそこで電圧／周波ａ（
ｖ／ｉ’）変換器６に供給され。

次いで典型的には「Ｉｎｔｅ１８０１８６型」マイクロ
プロセッサとすることができるマイクロプロセッサ７に
供給される。

マイクロプロセッサ７は一般に、第１図に温度設定８の
ブロックに示しであるように、オはレータが温度を測定
したり、一連のプログラムされた温度を設定したり或い
は２つの温度間の勾配を設定することができるようにキ
ーボードを備えている。この温度設定により、熱電対に
起源を発する周波数信号から求められる炉の温度と比較
される所望の互変が得られる。そこで、マイクロプロセ
ッサ７は下記の累次方程式を用いて所望の出力レベル９
を計算する。

温度誤差＝設定温度−炉温 誤差総和＝誤差総和十設定温度 所望電力＝（Ｐ×温度誤差）＋ （工Ｘ誤差総和）＋ Ｄｘ（炉温。−炉温ｎ−１λ 上式中、Ｐ、■およびＤは最適な性能に合わせて選択し
た比例定数１積分定数および微分定数である。

上述の累次方程式は下記の微分方程式に基づく　。

上式中、Ｐは比測定ｅ１１ ｅは温度誤差、 工は積分定数、 Δｔは標本区間（時間）、 Ｄは微分定数。

ｎは指示された変数の現在のサンプリングを表わし、一
方、ｎ−１は先行のサンプリングで求められた値を表わ
す。

ヒーター２に供給される瞬時電力は、ヒーター２と並列
に接続されている典型的には１２：１の逓減変圧器とす
ることができる変圧器１０から構成される電力測定回路
によって測定される。

即ち、この電力測定回路は電圧Ｅを決定して、この電圧
Ｅは、典型的には「パーブラウン（Ｂｕ　ｒｒＢｒｏｗ
ｎ）　４２１４型」の倍率器１１に供給される。

典型的には１：１２の逓昇変圧器とすることができる第
２の変圧器１２が、典型例としてＣＬ１Ωの抵抗器とす
ることができる抵抗器Ｒ３０と並列に接続されて（・る
。なお、抵抗器Ｒ３０はヒーターと直列に接続されてい
る。ヒーターで用いられる電流工も測定されて倍率器１
１に供給される。そこで、該倍率器１１は電圧Ｅおよび
ｔ流工を、弐Ｐ−Ｉ工を用いて電力値に変換し、この電
力値を表わす信号は電圧／周波数（〕／ｆ）変換器１５
に供給され、そしてこの変換器１３は電力を表わす周波
数信号をマイクロプロセッサ７の電力測定装置１４に供
給する。

電力コントローラ（訊］＃装置ン１５は電力線路の各半
サイクル毎に電力を測定し、所望の電力レベルを測定電
力と比較して、交流（ＡＣ）電流の仄の半サイクルに対
するトライアック１７の点弧パルスの遅延量を調整する
。この調整は下記の累次式を用いて半サイクル毎に行わ
れる。

電力誤差総和＝電力誤差総和士所望電カー測定電力位相
遅延＝最大遅延−（Ｋｘ電力誤差総和）上式中、最大遅
延は半サイクルの期間（即ち６ＣＪＨｚの場合ａ３ミリ
秒）であり：。

Ｋは電力誤°差認和の換算係数である。

交流電源６には、電力位相同期回路１６が接続されてい
て、電力コントローラ１５を交流電力と同期する働きを
なす。この同期回路は、基本的には、交流電力が零ボル
トを通過する毎に１つのパルスを発生する。

電力コントローラ１５は、各半サイクルの出発点として
同期信号を用い、「位相遅延」計算によって求められる
遅延後にトライアック点弧パルスを発生し、それにより
、ヒーターに供給される電力レベルを制御する。電力コ
ントローラはトライアックインターフェース回路１８゜
典型的にはトライアック１７のゲートに接続されたパル
ス変成器駆動回路を介してトライアック１７に接続され
ている。

第２図はトライアックの点弧サイクルとそれによって得
られるＡＣ電流の関係を示す。ＡＣ！圧は各零通過毎に
１つのパルスを発生する同期回路により監視される。電
力コントローラはこの／ぞルスを検知して、予め定めら
れた値だけトライアック点弧パルスを遅延するためにタ
イマを起動する。トライアック点弧パルスが発生すると
、該トライアックはオンに切換わってこの半サイクルの
残りの期間中電流を通す。このプロセスは半サイクル毎
に繰返される。

炉の急速な冷却を行うため或いは炉を周囲温度より低い
温度で作動させるために、炉を液体窒素源からの窒素ガ
スで冷却することができる。

第１図は使用することができる適当な冷却装置を示す。

液体窒素タンク１９は液体窒素およびヒーター２０を備
えている。ヒーターはタンク内に圧力を生じさせるため
に用いられ、この圧力はタンクの出口ポートに配置され
ている圧力変換器２５によって検知される。圧力が上昇
すると１ｇ、体窒素およびガスの混合物はタンクから断
熱転送管２２を介して炉に転送され、それにより炉１が
冷却される。液体／ガス混合物の量は温度の関数として
制御されるタンク内の圧力に比例する。

圧力Ｖ換器２３からの（言号は電圧／周彼奴変次器２４
に供給される。この変換器２４は底圧信号を周波数信号
に変換し、そこでこの周波数信号はマイクロプロセッサ
７の圧力測定装置２５に供給される。所望圧力レベル装
置２６はこの圧力測定値ならびに設定温度から、所望圧
力レベルを計算して、その値を゛ｔカコントローラ２７
に供給する。電力コントローラ２７および１５は同一の
装置であるが、説明の便宜上、この電力コントローラは
２つの別個の装置として取扱っている。電力コントロー
ラ２７はトライアックインターフェース回路２９を介し
てトライアック２８に接続されていて、そしてヒーター
２０に接続されているトライアック２８の点弧パルス位
相を制御する。この電力コントローラによりトライアッ
クは、計算されたサイクル部分期間中交流電流により付
勢される。

制御装置は炉の温度範囲を１周囲温度より一１５０″Ｃ
も低い範囲に拡げることができる。また、冷却装置は延
長された期間このような低周囲温度を正確に維持し、こ
のような温度範囲の温度での試験全可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一態様による加熱および冷却用の制
御装置の全体的構成を示すブロックダイヤグラムであり
、そして第２図はマイクロプロセッサからの信号に基づ
くトライアック点弧パルスと関連して同期信号を示す交
流電流および電圧曲線を示す図である。 １・・・オープン（炉）、２・・・抵抗型ヒーター。 ３・・・交流（ＡＣ）電源、４・・・熱電対（ＴＯ）、
　　５・・・演算増幅器、　　６，１３．２４　・・・
電圧／周波数（ｖ／ｆ）変換器。 ７・・・マイクロプロセッサ、８・・・温度設定、　　
１０．１２・・・変圧器、１１・・・倍率器、１４・・
・電力測定装置。 １５．２７・・・電力コントローラ、１６・・・電力位
相同期回路、　　１７．２８・・・トライアック、　　
１８．２９・・・トライアックインターフェース回路、
１９・・・液体窒素タンク、２０・・・ヒーター、２２
・・・断熱転送管、２５・・・圧力変換器、２５・・・
圧力測定装置、　　８．２６・・・所望圧力レベル装置
。 特許出願人　　イー・アイ・デュポン・ド・ネモアース
・アンド・コンパニー 外２名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）交流（ＡＣ）電源から炉内の電気抵抗ヒーター（加
   熱装置）に供給される電力を制御するための電力制御装
   置において、 ａ）温度設定手段、電力測定装置、比例積分および微分
   制御技術を用いる電力コントローラ装置、所望の電力レ
   ベルを決定するための計算手段とを備えているマイクロ
   プロセッサ、 ｂ）炉内に配置されてマイクロプロセッサの温度設定手
   段に電気的に接続されている温度測定手段（該温度測定
   手段からの信号は前記マイクロプロセッサに供給されて
   所望電力レベルが計算される）、 ｃ）ヒーターに供給される電力を測定するための電力測
   定回路（該電力測定回路は電圧値および電流値を決定マ
   イクロプロセッサの電力測定手段に供給し、該マイクロ
   プロセッサは計算手段により所望電力レベルと測定電力
   レベルとを比較して、その結果得られる電力要件をマイ
   クロプロセッサの電力コントローラ装置に供給する）、 ｄ）前記ヒーターおよびマイクロプロセッサの電力コン
   トローラ装置に電気的に接続されているトライアックを
   含むトライアック回路、および ｅ）前記交流電源および電力コントローラ装置に電気的
   に接続された電力位相同期装置 とを備え、前記マイクロプロセッサの電力コントローラ
   装置が比例積分および微分制御技術により交流信号を同
   期して、前記炉の温度が設定された温度で正確に制御さ
   れるように前記炉内のヒーターに電力を供給するために
   、交流電流の各位相の計算された期間部分中前記トライ
   アック回路のトライアックを点弧することを特徴とする
   炉内の電気抵抗ヒーターに供給される電力を制御するた
   めの電力制御装置。 ２）温度測定手段が、熱電対、該熱電対に電気的に接続
   されて該熱電対により発生される電圧信号を増幅する増
   幅器と該増幅器およびマイクロプロセッサに電気的に接
   続されて、前記熱電対による発生される電圧信号を、マ
   イクロプロセッサによって計数することができる周波数
   に変換する電圧／周波数変換器とを備える特許請求の範
   囲第１項記載の電力制御装置。 ３）電力測定回路が、電圧を測定するためにヒーターに
   並列に接続され且つ倍率器の１つの入力端に電気的に接
   続された変成器と、電流を測定するために抵抗器に並列
   に接続されると共に倍率器の第２の入力端に電気的に接
   続された第２の変成器とを備え、前記倍率器は電圧およ
   び電流信号を電力信号に変換し、さらに、前記倍率器に
   電気的に接続されて電力信号を受け、該電力信号を、マ
   イクロプロセッサの電力測定装置に供給される周波数信
   号に変換する電圧／周波数変換器とを備える特許請求の
   範囲第１項記載の電力制御装置。 ４）トライアック回路が、トライアックおよぴ電力コン
   トローラ装置に電気的に接続されたトライアックインタ
   ーフェース回路を含み、該トライアックインターフェー
   ス回路は前記電力コントローラ装置によって決定される
   点弧パルス位相を、前記トライアックが交流電流の各位
   相の計算された部分期間中点弧するように該トライアッ
   クに伝達される信号に変換する、特許請求の範囲第１項
   記載の電力制御装置。 ５）マイクロプロセッサが、下記の微分方程式、所望電
   力＝ｐｅ＋ＩΣ＾ｎ＿ｏｅ△ｔ＋Ｄ＾（ｅｎ＾−＾ｅｎ
   −１）／△ｔに従って電力を制御し、 上式中、Ｐは比例定数、 ｅは温度誤差、 Ｉは積分定数、 △ｔはサンプリング区間（時間）、 Ｄは微分定数、 ｎは指示された変数の現在のサンプリングを表わし、 （ｎ−１）は先行のサンプリングで求められる値を表わ
   す 特許請求の範囲第１項記載の電力制御装置。 ６）炉を周囲置度以下の温度に維持するために炉に取付
   けられた冷却装置のための電力制御装置において、 ａ）温度設定手段、ガス圧力測定装置、比例積分および
   微分制御技術を用いる電力コントローラ装置そしてガス
   圧力を決定するための計算手段を備えているマイクロプ
   ロセッサ、 ｂ）前記炉に接続され冷却用の液体およびガスを格納し
   ている圧力タンク、 ｃ）前記タンク内の圧力を測定するためにタンクに配置
   されて前記ガス圧力測定装置に電気的に接続された圧力
   変換器、 ｄ）前記タンク内の液体およびガスを加熱しそれにより
   液体およびガスを炉内に強制的に供給するヒーター装置
   、および ｅ）前記ヒーターおよびマイクロプロセッサの電力コン
   トローラ装置に電気的に接続されたトライアックを含む
   トライアック回路を備え、前記マイクロプロセッサの出
   力コントローラ装置は比例積分および微分制御技術によ
   り交流電流信号を同期して、前記トライアック回路のト
   ライアックを、交流電流の各位相の計算された部分期間
   中点弧して電力を圧力タンク内のヒーターに供給し該タ
   ンク内の液体を加熱し、そして炉の温度が周囲温度より
   も低い設定温度で正確に制御されるように前記液体およ
   びガスを炉に供給する。 ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電力制御
   装置と組合せて用いられる電力制御装置。 ７）圧力変換器およびマイクロプロセッサのガス圧力測
   定装置に、該圧力変換器の信号をマイクロプロセッサに
   よって計数することができる周波数に変換する電圧／周
   波数変換器が電気的に接続されている特許請求の範囲第
   ６項記載の電力制御装置。 ８）トライアック回路が、トライアックおよび電力コン
   トローラ装置に電気的に接続されたトライアックインタ
   ーフェース回路を備え、該インターフェース回路は電力
   コントローラ装置によって決定される点弧パルス位相を
   、前記トライアックが交流電流の各位相の計算された部
   分期間中点弧するように前記トライアックに伝達される
   信号に変換する特許請求の範囲第６項記載の電力制御装
   置。 ９）タンク内の液体およびガスが窒素である特許請求の
   範囲第６項記載の電力制御装置。