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EZ-Japanブログは、真・MFC千夜一夜物語という流体制御機器=マスフローコントローラ(MFC)の解説記事をメインに、闘病復帰体験、猫達との生活が主なコンテンツです

真・MFC千夜一夜物語(第2期)

新年のご挨拶&真・MFC千夜一夜物語 第267話 コンバージョンファクターは1つではない その4


2019年 亥年 新年あけましておめでとうございます。
皆様、いかがお過ごしでしょうか?

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本年もマスフローコントローラ(MFC)&マスフローメーター(MFM)に関する記事を定期的にアップしていきたいと思っております。
どうぞ当ブログを宜しくお願いいたします。


2019
年一回目の更新は、真・MFC千夜一夜物語 で、ラスボスCFとの戦いの第4回目をお届けします。

 

CFへの流量レンジ影響

 第4回目ではマスフロー(MFC&MFMの総称)の流量レンジを変えることでのCFへの影響を確認してみましょう。

ブロンコスト社(Bronkhorst High-Tech B.V.で、流体をアルゴンガスの 大流量MFMモデルでF-113AC-1M0を選定して、このモデルの流量下限フルスケールのFS600SLMと、上限のFS2500SLMを選んでみました。
それぞれ空気換算すると400SLM1670SLMです。
ブロンコスト社で大流量モデルはコンプレッサーエアーが基準流体になります。
この流量レンジで純度の高い窒素ガスを校正用にドバドバとはは使いたくないですよね。
両レンジでCFが大きく変化しているのが下図でわかります。

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600SLMでのCF1.422100FS、ところが2500SLMでは1.562100FSです。
興味深いのは、FS2500SLMモデルの 250SLM10FSでのCF1.404であることです。600SLMモデルの同じ流量ポイントとなる250SLM41.7FSで計算するとやはり1.404なのです。
CF
の変化はアルゴンの流量レンジが大きくなるにつれ、1.4221.568と大きな値に変化していきます。

今度は流体を変えて水素で見てみましょう。(下図)
ここでまた不思議な現象が確認されます。

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水素ではアルゴンと逆の現象が起きるのです。
モデルの最小レンジであるFS400SLMでのCF0.9766100FS、これが最大レンジであるFS1400SLMでは、なんと0.8735100FSとなっています。
アルゴンとは逆に流量レンジが大きくなるにつれ、CF0.97660.8735と小さくなってしまうのです。

実はDecoはこのマルチCFの罠にしっかり嵌って、失敗をしたことがあります。
なまじっか経験が長い為に、“空気と水素のCFは、ほぼ近似していて1である。”というシングルCF時の知識で、「空気換算1670SLMF-113AC-1M0が作れるのだから水素も同じはず・・・」とFLUIDATで確認せずに顧客仕様を決めてしまったことがありました。
蓋を開けたら0.8735倍の1459SLMしか流れないわけで、平謝りして納入前に流量レンジをFS1400SLMに下げてもらったのです。
まさに“生兵法は怪我の元”ですね?お恥ずかしい限りです。

 

今回の比較で興味深いのは、アルゴンも水素も25FS程度の低流量域から100%FSまで大きくCFが曲がっていることです。
これは巻線式センサーで分流構造をとるマスフローにはつきまとう“分流比”の変動が要因と考えられます。
一般的な巻線型のマスフローで採用されている熱式センサーは、測定対象である流体を全量測っているわけではありません。
流量センサーに流れるのは510ml/min程度の流量であり、残りはすべて層流素子(バイパス)部を流れるように設計されています。
これはセンサー管内の流れを層流で維持する為であることは、今までの連載で何度か解説しましたね?

ここで問題になるのは、このセンサー管と層流素子の分流比率です。
その分流比率は、どんな場合でも一定にはならないのです。
高圧から真空(subatmosphericレベル)までの圧力条件、微小流量から大流量までの流量レンジで一定の分流比の維持は難しいのです。
また、ガス種により、アルゴン、二酸化炭素のような重いガス、水素のような軽いガスでは、自ずと校正に使用する基準ガスである窒素や空気とは異なってきてしまうのですね。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan


真・MFC千夜一夜物語 第266話 コンバージョンファクターは1つではない その3

もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」 201812月号(11/26発売)では、マスフローのゼロシフトに対するゼロ調整に関して解説しています。

本ブログと併せてお読み頂けましたら、幸いです。

 

さて、本物語のラスボスの一つCFの信憑性”との戦いの最中です

前回はCFへの温度影響を確認しましたが、今回は圧力影響に関してです。

Bronkhorst HIGH-TECH B.V.(以下ブロンコスト)WEBで提供しているFLUIDATonthe Net”(以下FLUIDAT) を使って今度は、ガスをアルゴンにして解説しましょう。

 
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上図ではアルゴンガス、FS100SCCMMFM での比較です。
今回は圧力条件(流体の供給圧)での比較となります。
マスフローの一般的な構造を下図に示しますが、ここでいう圧力は流量センサー管にかかる圧力になるので、一次圧のことを言い、MFCの際の二次圧や差圧は関係ありません。

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*以前、UNIT社とそのフォロワーにあったMFC二次側に流量センサーを置く=流量制御バルブ→流量センサーという特異なレイアウトのMFCにとっては、ここは二次圧となるのですが、これではセンサー管内の圧力がプロセスで変動しやすくなり、あまり好ましくなかったのではないかとDecoは思っています。)


0.1MPa
条件と、選定したMFMの圧力定格最大値である10MPaで比較してみましょう。
結果は0.1MPa1.387100FSという、我々マスフロー業界の人間としては、CF表で馴染みのあるアルゴンのCF1.4に近い値となったのですが、10MPaだと1.181100FSという驚きの数値となるました。
更に高い圧力でのCF変化を調べるべく、モデルを変えて定格40MPaまで耐えられるEL-FLOW F-131Mを選んでみます。

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上図にあるように、40MPaでのCF0.9587100FSと、これはもうアルゴンのCFとは思えない値まで下がっています。
前回の温度変化の影響よりも、気体が圧縮されることで密度が変化する圧力変化影響が非常に大きいのが見て取れます。

 

 「これほど極端な高圧条件でマスフローを使わないので問題ない。」というユーザーが当然多いと思います。
因みにMFM F-111B-100の真空10kPaA)での値は1.391100FSでした。
0.5MPa
での値は1.378100FS 0.8MPa1.371100FSですから、例え高圧=1MPa未満であるからといって、CFへの圧力影響が皆無ではないことを、頭に入れておいてくださいね。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第265話 コンバージョンファクターは1つではない その2


もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」誌 201812月号(11/26発売)では、マスフローのゼロシフトに対するゼロ調整に関して解説しています。

本ブログと併せてお読み頂けましたら、幸いです。

 

さて、本物語のラスボスの一つがやっと現れたのですが、CFというものがどれくらい厄介で一筋縄ではいかないのか?をご理解いただくのに、何個か例を挙げて解説しましょう。

以下はおなじみの熱式流量センサーの一般例と流量式です。


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熱式流量計の流量式にはCp=流体の定圧比熱というファクターが含まれています。

気体を測定対象とする場合、圧力条件のよるエンタルピーの変化量が大きい為に定圧比熱を用います。

何度もお話ししてきましたが、熱式流量計を質量流量計として機能させるためには、流体種を固定する必要があります。

それは定圧比熱を正確に求めないといけないからなのです。

 

窒素の定圧比熱は1気圧=1013hPaA)条件の場合、0℃で1043J/kg℃であり、50℃でも同値です。

それに対して
水素(0℃:14193J/kg℃→50℃:14403 J/kg)
二酸化炭素(0℃:829J/kg℃→50℃:875 J/kg)
アンモニア(0℃:2144J/kg℃→50℃:2181 J/kg)
メタン(0℃:2181J/kg℃→50℃:2303 J/kg)
このように大きなもので5%を超えるガスもあります。

 

では、早速、ブロンコストさんがWEBで提供している“FLUIDATonthe Net”(以下FLUIDAT)を使って、二酸化炭素の0℃と50℃条件でのCF計算を行い、結果を比較してみよう。


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FLUIDATの操作は簡単で、実ガス“Fluid from”に二酸化炭素=CO2を、校正基準とする流体として“Fluid to”で窒素=N2を選択し、各々の条件を入れます。
フルスケール流量(以下FS)100SCCMなのでMFM F-111B-100を選定します。

二酸化炭素の流体温度を0℃と50℃、窒素の流体温度は20℃固定として、その流量をSCCMmln/minNormal:ノルマル)、すなわち 0℃ 1013hPa(A)の体積流量に換算し表記しています。

CF0℃で0.7685100%FSですが、50℃では0.7301100FSまで変化しています。

 

窒素、FS100SCCM仕様のMFMで二酸化炭素を流して測定する際に、指示値が100SCCMであっても、流体温度が0℃なら76.85SCCM50℃なら73.01SCCM、実際は流れているということになるのです。
FS100SCCM
に対して3.84SCCMの差は大きいですね?

「マスフローメーカーのカタログ仕様を比較して、繰り返し性や精度に関しての議論をしている場合ではない!」と思えてきます。

このようなガスは、流量センサーでの温度差ΔT/定圧比熱Cpという流量式に対し、更に流体温度による補正が必要になります。

 

FLUIDATではデータ不足か?CF計算ができなかったのですが、温度でCFが劇的に変化するガスの代表はフッ酸(HFです。

筆者の経験では常温から100℃の間で、なんと!0.33から1.00まで変化します。

「ちょっと待ってよ!」と言いたくなる差ですね。

その腐食性の強さがクローズアップされるフッ酸ですが、それ以上に熱式流量センサーを搭載するマスフローの天敵といってもいい流体な理由はこれです。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

真・MFC千夜一夜物語 第264話 コンバージョンファクターは1つではない その1

 

もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」誌

201812月号(11/26発売)では、マスフローのゼロシフトに対するゼロ調整に関して解説しています。

本ブログと併せてお読み頂けましたら、幸いです。

 

さて、2018年の最後のシリーズになるのは、業界の偉大な先達が「マスフロー(マスフローコントローラ(MFC)、マスフローメータ(MFM)の総称)にとっての、パンドラの箱」と喩えられた程の禁忌・・・というのは大げさかもしれませんが、それ程の難解かつ悩ましい内容であるコンバージョンファクター(CF)に関するお話です。

 

熱式流量計は、流体の物性である比熱をその流量式に組み込んでいます。

その為、同じ質量流量計に分類されるコリオリ式流量計のように流体が何であるか?不明な状態では正確な流量測定ができない弱点があり、その意味で「限定した条件下での質量流量計です」というお話は何度かこのブログで触れています。

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「でも、流体種が特定できればCFによる換算で校正流体との感度比(=流量比)を補正できますよね?」というご意見があるかと思います。

確かにその為のCFなのですがが、実は基準ガスに対する各流体の感度比を表すCFは一つの流体に付き一つとは限らないのです。

流体の温度、圧力による物性の変化だけでなく、分流構造を採るマスフローのセンサー管と層流素子(バイパス)との分流比が、流量レンジと圧力条件との組み合わせで変動する影響と思われるものもあり、一つの流体でも複数のCF=マルチCFで管理せざるを得ないのが、マスフローの現状なのです。


この事を認識されているユーザーは、少ないかと思います。

マスフローに熟達した配管システム設計の方でも御存知でなかったり、ライトユーザーに至っては、メーカーの出していた一対一のCF表を鵜呑みにする(鵜呑みにしてしまっても仕方ないと思いますが・・・)ばかりであった為に、マスフローの指示する値と実ガス流量値への隔たりへの不信感だけが世の中に広がっていってしまいました。

Decoはこの状況を憂いていた人間の一人でした。

ただ、このパンドラの箱を開ける勇気がなかったのも事実です。

なぜならこの問題は、CFの信憑性という実ガス表記されたマスフローの示す流量のナーバスな部分をお話しする事であり、あまり事前知識がない方にご説明すると、マスフローという製品そのものへの不信感につながってしまうからです。

そこで、まずマスフローを理解いただく事が先だという事で、本連載を続けてきました。

263話を終え、そろそろこの物語のラスボスの一人であるこの問題に触れてもいいかな?と思いましたので、勇気をもって書いていきますね。

幸い強力な助っ人もいます。

 

現在、Decoの知る限りマルチCFに関して、積極的に情報発信し、ユーザーの啓蒙を計っているのはBronkhorst HIGH-TECH B.V.(以下ブロンコスト社)です。

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今回のシリーズでは、彼らがWEB上で世界に公開しているCF計算ツールであるFLUIDATⓇ on the Net”(以下FLUIDAT)を教材に、マルチCFが必要となる事例を挙げて、解説していこうと思いますので、宜しくお願いしますね。

 

あ・・・前もって言っておきますが、このシリーズでラスボスを倒すところまではいきませんので・・・倒せるのはやはり1001話目でしょうか?

 

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

 

真・MFC千夜一夜物語 第263話 マスフローに防爆仕様は存在するの? その10


もう一つのMFC千夜一夜物語が掲載されている日本工業出版さんの「計測技術」誌 201810月号(9/25発売)ですが、マスフロー千夜一夜物語は誌面都合で休載です。

11月号をお待ちくださいね。

 

まずは下の図を見てください。

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この組み合わせは、タイトルにあるようにMFM部は本質安全防爆ですが、流量調整弁やポンプに対しては、あくまで耐圧防爆構造のものを選択しています。

賢明な皆様には既にこの構成が 本ブログの第261話 ”マスフローに防爆仕様は存在するの? その8” で取り上げたATEX本質安全防爆構造のEX-FLOW MFCタイプと似通った構成である事に気が付かれたでしょう。
そもそも流量センサーと流量制御バルブ、そしてPIDコントローラを一体化したMFCという形態は、本質安全防爆が必要な危険場所では存在し得ないのです。

なので、ブロンコスト自身は流量発信器のTIIS認証に特化し、ユニバーサル・ワンループ・プロセスコントロールモジュールの開発は計装技術に造詣の深い()タテヤマ製作所に委ね、流量制御弁やポンプは複数の国産メーカーでリリースされている耐圧防爆構造の既存品を顧客の必要としているプロセスに応じて組み合わせてもらうというブロンコスト・ジャパン()の戦略は、市場の現実をよく見据えた鋭いものであると思えてきます。

TSIP-002-CREX-FLOWを流量発信器として本質安全防爆ループを形成する相棒ですが、そのパートナーはEX-FLOWには限りません。
TIIS
認証本質安全防爆発信器ならば、他の測定方式の流量発信器でも、または圧力発信器でも構わないのです。
圧力発信器を用いれば、本質安全防爆構造圧力センサーとなり、更に流量調整弁を接続すれば、APCAutomatic Pressure Controller)を形成することもできます。
APC
の場合、圧力発信器の位置が容器の上流か、下流かによって容器の入口圧制御/出口圧制御と役割が変わる性格があるのは、以前ご説明したと思います。
センサー部とバルブ部が一体型のMFCのような形はAPCとしての汎用性をスポイルしてしまうので、このようなセンサー部と制御バルブの配置を固定されないスタイルが市場では歓迎されるとDecoは思います。

 

連載10回をかけてマスフローでの防爆の解説とブロンコスト・ジャパン()の新製品 本質安全防爆構造MFMEX-FLOW”、そしてコンビを組む(株)タテヤマ製作所のユニバーサル・ワンループ・プロセスコントロールモジュール“TSIP-002-CR”との接続による本質安全防爆構造MFMとしての運用、その応用編としてフローコントローラへの拡張の可能性の解説を行ってきました。

今までと異なり、防爆に関してグレーゾーンは少なくなってきています。

TIIS認証品が無いので、代わりの方法で…というのは通りにくくなり、TIIS認証品で構成する事を例外なく求められるようになると思えます。
そういったタイミングでTIIS認証本質安全防爆防爆構造MFMが世に出たのは必然だったのかもしれません。

防爆に限らずワールドワイドでビジネスを展開する際に、必ず各国でのローカル規格認証の問題が付きまといます。
もちろんメーカーは、それらを尊重してビジネスを展開していかなくてはならないのですが、国々の規格への個別対応には当然コストと時間を必要とします。
これがメーカーの負担になっている事は否めません。

しかし、安全規格の場合、それは即ち人命にかかわるものなのだから、緩和、国際共通化していくには難しい側面もあるかもしれません。
でも、ローカルルール化が過ぎたレベルになり新規参入を拒む障壁になってしまうのも避けたいところで、悩ましいところですね。
今回のオランダのマスフローメーカーであるブロンコストのTIIS認証取得が、良い意味での”ペリーの黒船“になってくれればとDecoは思っています。

 

【あなたにMFCの夜が来る~真・MFC千夜一夜物語】by Deco EZ-Japan

 

EZ-Japan(イージージャパン)Deco こと 黒田です。 2014年6月開業です。流体制御機器マスフローコントローラーを中心に”流体制御関連の万(よろず)屋”として情報発信しています。 日本工業出版「計測技術」誌で”マスフロー千夜一夜物語”の連載中です。
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