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🌡️ 📆 令和6年5月24日

🔷 工学としての化学と自然科学としての化学―単位操作、計測と制御、SI単位と品質管理―

山形大学  理工学研究科(工学系)  物質化学工学専攻  🔋 C1 立花和宏

🔚 👨🏽‍🏫 工業技術概論 Web Class files syllabus 53001 📆 🎑 後期・火曜日 🏫4-116教室 C1

産業の世界史

  1 🗺 世界 の産業革命
時代区分 世相 🌍ヨーロッパ 🌍中央アジア 🌍アフリカ 🌎アメリカ 🌏アジア
地質 6万年前 ホモサピエンスアフリカ出発
2万年前 氷河期
15000年前 農耕と定住
原始 BC.20000 ラスコー壁画
BC.3200シュメール 文字 *
BC.300 アラビア 数字 *
BC.1000 🔷 ローマ 🔷 イタリア半島 ローマ BC.500 🔷 仏教 エジプト 象形文字
メソポタミア 楔形文字
オルメカ文明
古代 の発明と漢字
中世
1455グーテンベルグの活字印刷(神聖ローマ)
宗教革命
1583年ガリレオ振り子の等時性 (*
1604年、ガリレイ(伊) 落体の法則を発見、地動説を発表。
🎵 純正律から平均律へ *
大航海の時代-地球球体説、地動説、羅針盤の改良、 木材加工-
近世 🔥 動力 💪
市民革命
ガウス分布 =正規分布、ガウス(独)
1687 ◇ ニュートン (英)、万有引力の法則を 発見。 ニュートン、 微分積分学 1760 ワット、 蒸気機関🚂を発明 (英) 1831ファラデー電磁誘導の法則(英) 発見
🎵 🎵 ピアノ
💪 発電 1800ボルタ電堆(ボルタ、独) 1886ホール(米)エルー(仏)法
1906 ハーバーボッシュ法(独)
1877 蓄音機
日本の産業革命
( 鉄道、郵便、電話、生糸)
通信
1946 情報 エニアック ()
1948 物理 トランジスタ ()
1949年 PS版*
写真製版)
1948PCM通信 *
1957二重積分 ADC * 1949年PS版(写真製版)

コンピュータ 1971 4004(4bit) *
1976 Z80(8bit,2.5MHz) *
1978 8086(16bit,5MHz) *
1964🇯 🇵日立製作所大型汎用 コンピュータを開発 ()
1982 PC9801
2015 SDGs 1999 ADSL(50.5Mbps)
2000 WiFi™ ()
1995 デジタルカメラ(🇯🇵日)
未来 2030 エネルギーミックス
2050 カーボンニュートラル
工業の歩み デジタル庁

1 ) 2 )


単位操作

  2 単位操作
単位操作の分類 背景 特徴
溶解 溶かす
分離・抽出 濾す
加熱 🔥 温度 茹でる、煮る、蒸す
🏞 製鉄
1500℃
冷却 💪 第一次産業革命 冷ます 酸素
加圧 💪 第一次産業革命 つぶす、圧力釜 🏞 アンモニア
撹拌・混合 混ぜる
解砕・分散 3 ) 砕く、マヨネーズ、チョコレート
乾燥 干す
蒸留・分留 🏞 ナフサ ウイスキー
ろ過・再結晶・塩析
電解・電析 第二次産業革命 🏞 アルミニウム q.64 めっき

化学反応を起こさせる操作すなわち反応操作(unit process)のほかに、いろいろな物理的な操作を必要とする。この物理的な操作を単位操作(unit operation)という 4 ) 5 )


単位を決める産学官

  3 単位を決める産学官
組織 説明
計量法 計測 単位に国際単位を使うと法律で定めている 6 ) 取引 や証明 に使う計測器は、定期的に検定・検査しなければならない。
JIS Z 8203
国際度量衡委員会

測定の信頼性と用語

  4 測定の信頼性と用語
用語 定義 備考
誤差 error
偶然誤差 random error 反復測定において、予測が不可能な変化をする測定誤差の成分
系統誤差 systematic error 反復測定において、一定のままであるかまたは予測可能な変化をする測定誤差の成分
ばらつき dispersion 測定値がそろっていあいこと。また、ふぞろいの程度。 偶然誤差とほぼ同義。
かたより bias 測定値の期待値と真値の差 系統誤差とほぼ同義。
不確かさ uncertainty 測定値に付随する、合理的に測定対象量にむすびづけられる値の広がりを特徴づけるパラメータ 知識の曖昧さも含む
反復 replicate 同一の測定対象量に対する測定を複数回行うこと 測定条件が同一かどうかによらない。 実験計画法では、ブロック単位での実験を指す。
繰り返し replicate 同一の測定対象量に対する 測定手順、オペレータ、操作条件、場所が同一の、短期間での測定の反復 操作条件は、因子。 繰り返し数は、標本数に相当する。
再現性 reproducibility 測定の再現条件下での測定の精密さ
精密さ precision 精度。 ばらつきの小ささを表す。
精確さ accuracy 確度
測定値 規定された測定手順に実施によって得られる 測定を反復するときは、個々の値、もしくは代表値(平均値や中央値など)のいずれも測定値と呼ぶ。
指示値 測定器が提示する

7 ) 8 )


生産方式とオートメーション

  5 生産方式とオートメーション
種類 分野 計測と制御
プロセスオートメーション 石油精製、化学、 製紙製鉄、冶金 温度圧力、 流量、 液位( 液面)、 成分濃度
メカニカルオートメーション 物品( 自動車、 半導体など)の加工、組み立て、ハンドリング、輸送、包装、貯蔵 位置、形状、寸法、姿勢、 画像
オフィスオートメーション 会計、簿記、統計、伝票処理 文字数字

工場ではさまざまな自動化が行われています 9 )

温度圧力 、 流量 、液位 ( 液面)、 組成 (成分、濃度) は、プロセス変量(プロセス変数)と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。


代表的プロセス制御

  6 代表的プロセス制御
名称 特徴
PID制御 * 1次遅れ系とステップ応答
ON-OFF制御 オンオフ動作とも言います。 電気ポットや冷蔵庫など家電製品にもよく使われます。
P制御 比例動作とも言います。 偏差(オフセット)が残る欠点があります。
I制御 積分動作とも言います。 偏差が残りません。 P制御とI制御を組み合わせた制御をPI制御と言います。
D制御 微分動作とも言います。単独で使われることはないが、制御動作を早めるので P制御やPI制御と組み合わせてPD制御やPID制御として使います。 PID制御は、もっとも使われる制御です。
スイッチング制御 デジタル制御です。オンオフ制御とも言えますが、パルスのデューティを変える PWMDA変換とすることで、PID制御をデジタル的に実現できます。 トランジスタやサイリスタ、パワーMOSFET、IGBTなどの半導体スイッチで急速に普及しました。

温度、圧力、流量、液位、濃度などをプロセス変量と言います。 10 )

設定値(目標値)と計測値の偏差をもとに、プラントを操作することを、制御と言います。 目標の値に保ちたいプロセス変量を制御量といい、それを支配する量を操作量と言います 11 )

制御信号を表現した図をブロック図(ブロックダイアグラム)と言います。センサーの出力を、比較に戻すことを フィードバック 12 ) と言います。フィードバックに基づく制御をフィードバック制御と言います。これに対してフィードバックを行わない制御は、 シーケンス制御と言います。 コンピュータを使った高度な制御は、現代制御(多変数制御)と言います。

アナログ制御ではなく、 センサーの出力をAD変換し、マイコンで比較計算して、パルスでデジタル制御します。

*

長さ・高さの計測

  7 長さ・高さの計測
大分類 小分類
ものさし メスシリンダーでは、液位から体積がわかります。
ノギス バーニア(副尺)があり、精度0.05mmで測定
ハイトゲージ
マイクロメータ 最大測定長500mm、精度0.01
ダイヤルゲージ
液面計 タンクの残量など
レベルスイッチ タンクが満タンかどうか

温度計

  8 温度計
大分類 小分類 使用温度範囲
接触式 液体封入ガラス温度計
バイメタル温度計
  • 白金抵抗温度計
  • サーミスタ温度計
熱電温度計
  • B熱電対
  • R熱電対
  • K熱電対
  • T熱電対
非接触式 光高温計
放射温度計 体温

温度 は、物質の 状態や反応速度、化学平衡と関係します。 プロセス の管理指標として重要なプロセス変数です。 プラントには対数の 温度計が使われます 13 ) 14 )

p V = n R T

温度圧力 、 流量 、液位 ( 液面)、 組成 (成分、濃度) は、プロセス変量(プロセス変数)と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。


圧力計

  9 圧力計
大分類 小分類 特徴用途
液柱式 U字管マノメーター
傾斜管マノメーター
弾性式 ブルドン管圧力計
ベローズ圧力計
ダイヤフラム圧力計
電気式 抵抗線ひずみ計

圧力 は、物質の 状態や反応速度、化学平衡と関係します 15 ) オートメーションで計測されます。

p V = n R T

温度圧力 、 流量 、液位 ( 液面)、 組成 (成分、濃度) は、プロセス変量(プロセス変数)と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。


質量測定器具

  10 質量測定器具の例
器具 特徴
電子天秤 最大計量(最大秤量)は600g程度、最小計量単位0.1g程度が多い。
精密電子天秤 精秤に使う。 最小計量単位0.001g以下。
上皿天秤
クッキングはかり
クッキングスケール
主に調理で使う秤。 最大計量(最大秤量)は1kg程度、最小計量単位0.1g程度が多い。
体重計
セルフレジ

08 工業技術概論 ( 202308 品質管理 q.153 12 情報処理概論

物質量を測定するには、質量か体積(容量)を測定します。 16 ) 。 質量は、式量を使って物質量に換算します。 体積は、密度を使って、質量にしてから、式量を使って物質量に換算します。


回路計のスペック例

  11 回路計のスペック例 ( Linkman LDM81B )
項目
測定方法 重積分AD変換
寸法 145×75×36(D×W×H)
重量 約185g(電池含む)
直流電圧(DCV)
入力抵抗、 10MΩ 、40MΩ
交流電圧(ACV)
入力抵抗、 10MΩ 、40MΩ
直流電流(DCA)
測定最大電圧降下、 1.2V、100mV
交流電流(ACA)
測定最大電圧降下、 1.2V 、100mV
抵抗(Ω)
解放回路電圧 200mV以下 あらかじめ測定コードを短絡させ、down-lead時の抵抗を測ってください。 測定時には、表示される値からdown-lead時の抵抗を引いて計算してください。 それが正しい値になります。


分率と濃度

  12 分率と濃度
物理量 単位 応用例
物質量 mol
質量分率 重量分率 重量百分率 質量% 、wt%、mass%、ppm 食塩相当量などは、重量百分率のほうがわかりやすいと思う。
体積分率 体積百分率 体積% 、vol%、ppm 気体では、 体積分率 モル分率 分圧 は同じ。 二酸化炭素濃度など。
モル分率 (濃度百分率) 相対湿度とか。
質量体積分率 (重量体積分率) 化学的酸素要求量 生物化学酸素要求量
体積モル濃度 mol/m3 mol/L 滴定とか。
重量モル濃度 mol/kg
質量/体積濃度 mol/kg
また,質量百分率(質量パーセント),体積百分率,物質量百分率のような用語は用いる べきではない(後述の計量法は例外) 17 )
溶媒蒸気圧は、ラウールの法則に従い、 ガスの溶解量はヘンリーの法則に従う。 このよう溶液の溶媒または、溶質の化学ポテンシャル μ( ミュー ) は、濃度表示法に対応して、各々次式で表される ただし、x,m,Cは、注目成分のモル分率、重量モル分率、容量モル分率を各々示す。 18 )

温度圧力 、 流量 、液位 ( 液面)、 組成 (成分、濃度) は、プロセス変量(プロセス変数)と呼ばれ、計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。


図面


下書き

図面番号
  1 機械製図の下書き(第三角法)

尺度を決める。輪郭線、中心マーク、部品欄、表題欄を下書きする。 正面図と配置を決める。中心線と基準線を細く描く 19 )


図面番号
  2 機械製図(第三角法)

中心線、外形線、かくれ線 の順に正確な線の太さで描く。寸法線、寸法補助線、引き出し線、参照線を描く。 寸法、寸法補助記号などを記入する。 輪郭線、中心マーク、部品欄、表題欄を描く。 20 )

創作された設計図は、 図形著作物です * 。 工業上利用することができる工業製品の意匠は、意匠権として 知的財産権に含まれます。著作権は、著作物の成立で発生しますが、 意匠権は、特許権と同じく、特許庁に申請しなければ発生しません。


図面の線

  13 図面の線
線の種類 用途
太い実線 外形線
細い実線 寸法線、引出線、ハッチング
細い破線 かくれ線
細い一点鎖線 中心線、基準線
細い二点鎖線 想像線

製図(drawing)は工学部の基本。 外形線は太く0.7mm≒2pt以上で書きます。 あいまいな線は描いてはいけません。 Z8317-1:2008 によると矢印の末端記号は30°塗りつぶし矢,30°白抜き矢,30° 開き矢,90°開き矢,斜線(45°傾斜)と規定されており, 寸法数字の記述スペースから90°開き矢に近似される矢印記号に修正をしました. また,寸法数字ですが,最近の機械製図の教科書 21 ) や Z8317-1:2008 の例をみると,寸法数字はローマン体なので,イタリック体斜体)からローマン体(立体) に修正しています.直径記号φは斜体のようです. html で描くときには svgなどのベクター形式を使います。 (工業技術基礎)


参考文献


✍ 平常演習
💯 課外報告書 Web Class

QRコード
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/52247/53001_08.asp
名称: 教育用公開ウェブサービス
URL: 🔗 https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/
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名称: サイバーキャンパス「鷹山」
URL: 🔗 http://amenity.yz.yamagata-u.ac.jp/
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