EZ-Japan BLOG since 2017 真・MFC千夜一夜物語

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)

真・MFC千夜一夜物語 第296話 流量とは?流量計とは? その5

【お知らせ】

今まで本ブログは、"EZ-Japan BLOG since 2017”と "真・MFC千夜一夜物語”@niftyココログ版の2つで同時連載進行を行って参りましたが、既に告知の通り2019/5/11をもって@niftyココログ版の方を終了させていただきました。こちらのブログ"EZ-Japan BLOG since 2017"版での連載は、変わらず続けて参りますので、どうか千夜一夜=1001話にたどり着く迄、宜しくお願い申し上げます。

 

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 20199月号(8/25発売)は、7月号から引き続き、マスフローコントローラー(MFC)、マスフローメーター(MFM)が属する質量流量計以外の各種流量計(体積流量計)を取り上げて解説を行っています。

 

渦式流量計

 

渦式流量計は、管流路に置かれた渦発生体から生じるカルマン渦のストローハル数を利用するので、カルマン渦流量計 とも呼ばれます。
(カルマン渦流はT・フォン・カルマン博士の命名です。)


下図にあるように渦発生体の後ろには連続した渦が生成されますが、流体の流れが低速時には、この渦の発生は不安定です。
従って安定して渦が発生する流速領域でしか使用できず、気体での使用、また液体でも低流量域での使用は難しい傾向があります。
しかしながら、レイノルズ数が同じならば、流体の物性に依存しないという測定原理上の特長を持つので、限定的には質量流量計と考えることも可能な流量計なのです。

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カルマン渦の測定方法は、超音波を用いる方式と、歪みゲージを渦発生体に内蔵、もしくはその直後に設置する方式が存在しています。

カルマン渦流量計は液体、気体、だけでなく蒸気にも適用でき、流路中には渦発生体のみ設置されるだけで、羽根車のような機械的可動部が無いので経時変化が少なく、差圧式流量計と比較すれば圧力損失が小さい点で有利な方式です。
しかし、前述のとおり“レイノルズ数がある程度以上ないと測定ができない”為に、流量のダイナミックレンジ(測定可能流量レンジ)が狭いという弱点を持っています。

誤解されがちですが、レイノルズ数が高くならなければいけないのは測定部の話で、渦発生体の上流は逆に整流して層流で導入する必要があります。

つまり整流したきれいな流れに対して、渦発生体で生まれた渦だけを測定したいのです。

現在では気体の測定に特化したカルマン渦流量計が自動車のエンジンのエアフローセンサーとして採用されています。
エンジンのアイドリング状態から最高回転数に至るまでの流入させる空気の流量比は実に40倍以上ありますが、超音波方式による検出と渦発生体の構造を工夫して渦を強化する事で可能にできたそうです。

このように測定原理が持つ弱点そのものを補う新しい技術が工夫されており、さらなる進化が期待される流量計なのです。

 

【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295話 流量とは?流量計とは? その4

【お知らせ】

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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 20199月号(8/25発売)は、7月号から引き続き、マスフローコントローラー(MFC)、マスフローメーター(MFM)が属する質量流量計以外の各種流量計(体積流量計)を取り上げて解説を行っています。

 

 

差圧式流量計

 

差圧式流量計に関しては、圧力式マスフロー(MFCMFMの総称)として、この連載でも解説しています。
測定原理はベルヌーイの定理 を基本として導き出されます。
ベルヌーイの定理とは エネルギー保存則のことです。

下図に一般的な差圧式流量計である絞り(オリフィス)式流量計の例を示します。

 

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 流体の流れに絞りを設けた場合、絞りの前の部分のV1に対して、後ろのV2は上昇します。

ですが、エネルギー保存則がある限り、その場にあるエネルギー、つまり流速、圧力、位置エネルギーの総和は等しくなくてはいけません。
配管が水平に設置され、上下流の高さが変わらないという条件ならば、位置エネルギーに変化はないので、残った要素である圧力が流速の変化に応じて、減じられます。
この原理を利用すれば、P1-P2の差圧から流速を導き出せるのです。
流速がわかれば、配管断面積を掛けることで流量を導き出せますね?
差圧式流量計は体積式流量計ですが、本体に流体の密度データベースを持ち、温度圧力により正確な密度を計算させれば、質量流量計として活用することができます。

 

もう一つ代表的な差圧式流量計に層流(ラミナーフロー)式流量計があります。
下図にあるように層流素子である細管の束を流れる層流状態の流体の流量を細管の上下流の圧力差から算出する方式です。

 

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こちらの検出原理にはハーゲン・ポアズイユ流れの定理が用いられています。
「配管内が層流であるという条件下で、配管抵抗と流体の粘性により配管流路の両端に発生する差圧P1-P2は、流体の体積流量に比例する」という基本原理です。
ハーゲン・ポアズイユの定理に従って記載すると、
「体積流量は、配管半径の4乗に比例し、配管入口圧-出口圧=差圧に比例し、配管長さに反比例し、流体の粘度に反比例する」となります。(ハーゲン・ポアズイユの流れとは、まさに層流状態の流れを示します。
層流と乱流はレイノルズ数 約2300 を境とする配管内の流体の状態の事でしたね?)
層流式流量計は、層流を作り出すという条件からして、絞り式と異なり小流量向けです。

高精度な絶対圧センサーと温度センサーを組み合わせることで、質量流量を測定できるという利点が高く評価され、各国の公的機関で標準流量移転用流量計としても使用されています。

 

層流式流量計にとって重要なのは、測定する流体の粘度を知る事です。
流体の粘度は温度により変化します。
例えばサラダオイルが夏場は比較的サラサラしていても、冬場にはドロっとしてくるのは、温度により粘度が変化しているからです。
粘性は流体の状態や種別により大きく異なる流体固有の物性です。
常温域で粘性変化が大きい流体程、流体温度を正確に測定しないと、測定流量の誤差に影響します。
これは熱式流量計であるマスフローの流量センサーが、測定流体の定圧比熱に左右されるのに似ていますね?つまり熱式と同様流体を固定して、その物性を特定しなくては正確な流量測定ができない流量計なのです。
当然、外部からの温度影響は大敵となるので、温度影響を受けにくい構造=ボディ部の大型化が好ましいです。

熱式マスフローに変わって、ラミナーフロー式マスフローが出現して、半導体製造装置市場で期待されている理由として、熱式センサーのような熱の移動という非常にゆっくりした動きを取らえるのではなく、その10倍以上応答の早い圧力センサーを用いる事での応答特性の改善への期待があったからかもしれません。だが、流量計と言うものは、前述の如く「一つの物理標準ではなく、流れ場を支配する一つ、または複数のパラメータを計ることで、そこから流量値へ変換する」デバイスです。
圧力というパラメータのみで高速かつ正確な流量値を導き出せるわけではありません。
流体の物性に支配される=ガスの流量変換係数であるコンバージョンファクターの信憑性の問題と併せて、今後さらなる改良が期待される方式と言えるでしょう。

 

【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294話 流量とは?流量計とは? その3


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面積式流量計

面積式流量計は、流量計の入門器であり、元祖的な扱いを受けることが多い流量計です。
一般的には面積式と呼ばれることは少なく、フロート式流量計、ガラス管流量計、フローメーター、パージメーター等、多彩な呼称で呼ばれることが多いですね。
でも、こういった通称よりも英語名 Variable area flowmeter (可変面積式流量計)の方が、その測定原理を表していてわかりやすいとDecoは思っています。

その動作原理を簡単に説明しましょう。

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上図にあるように、下から上に向かって広がったテーパー管があったとしましょう。

このテーパー管の材質は、流量目盛とフロートの位置を視認する必要性から透明なガラス製でが多いです。

だから、ガラス管流量計という通称が付いたのだと思われます。

テーパー管の中にフロートが設置されてあり、このフロートは一次側(テーパー管下部)から流入する流れに押されて上方に動きます。

フロートが上がるにつれて、テーパー管の内壁とフロートの間のギャップ部の面積の差が拡大することで流体が抜け出る量が増え、フロートを押し上げる力が弱くなります。
最終的にフロートはその押上げ力と重さがバランスした位置で止まり、その位置が流量を表す仕組みなのです。
テーパー管を利用しない直管式も存在してはいますが、この方式では逆にフロートにテーパー加工が施されており、流路面積が変化する仕組みには変わりはありません。

 

面積式流量計は、テーパー管のサイズとフロートを選定することで微小流量から大流量まで幅広い流量レンジに対応させることが可能です。
基本的に流量測定はあくまで目視によるものです。

その為、電源供給、電気信号による流量値の伝送が不要であるという利点を持っています。
電気的に防爆であることから、他方式の流量計よりも設置場所を選ばない利点も大きいのです。黎明期の半導体製造装置や分析装置等の気体微小流量測定から大流量金属管(Armored Variable Area Flowmeter)等のプラント計装用途まで使用され、使いやすく息が長い流量計となっています。

読値に対する温度圧力補正計算を行うことで正確な体積流量を測定できますし、それに密度ファクターを加えることで質量流量を算出できます。
 だが、電気信号を発しない、目視が測定手段という事は、必ず流量計を見て、値を読み取る作業に従事する人間の存在が必要となるということです。
また、フロートの最大断面積部分で目盛を読むという作業には、個人のスキル差が表れやすく、練度が必要となります。

 

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そして装置の操作パネルの目視しやすい場所に流量計本体を設置する配管レイアウトを必ず組まなくてはならず、更に流量計の設置姿勢は基本的に入口が下、出口を上にする垂直設置しか選べない為に、装置配管レイアウトの自由度が下がる欠点があります。
流量過多、もしくは不足を監視して警報を出力するような用途には向かないし、MFCのような流量信号を利用したフィードバック流量制御にも対応できません。

構造上、樹脂製Oリングでテーパー管を保持しなくてはならず、リーク性能は低めで、腐食性流体には対応が難しい事もあり、半導体製造装置では熱式のMFCにその座を奪われたイメージがあります。

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 上図のように赤外線、もしくは磁力により流量上下限警報出力取り出せるようなオプションや、近年ではフロート位置をビデオカメラで撮影して、その画像処理により異常を検知するといった周辺機器の進化によりアプリケーションを拡充しており、「面積式は熱式MFCにいずれ全て取って代わられる」と囁かれて既に四半世紀以上経過していますが、そのコストメリットもあり、まだまだ根強く広い分野で使用されている流量計なのです。

 

【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293話 流量とは?流量計とは? その2

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流量計とは?

流量を測定する目的で使用されるのが「流量計」ですが、そもそも流量自体は物理標準ではないので、流れを支配する一つ、または複数のパラメータを計って、そこから流量値へ変換するものが「流量計」だと言えます。

目的に応じた流体に適応でき、適切な流量域をカバーできる流量計を選択することが、正しい流量計測&測定の第一歩となります。

JISを紐解くと多種多様な流量計の定義があります。(下図)

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面積式流量計(Variable area flowmeters)、
パーシャルフリューム式流量計(Parshall flume type flowmeters)、
電磁式流量計(Electromagnetic flowmeters)、
渦式流量計(Vortex flowmeters

・・・等々多くの流量計があるのですが、ここであれ?っと思うのは、熱式流量センサーを搭載したMFCMFM いわゆるマスフローと普段我々が呼称している流量計の記述がないことです。
この話を講習会などでお話しすると、皆さん不思議な顔をされます。

実はマスフローはSEMI standardのみがその拠り所なのです。


「えっ?うちは半導体産業じゃないけど、MFCをたくさん使ってるよ!」

と、おっしゃる読者は結構おられるのではないでしょうか?

まぁ、だからこそ、このような連載をDecoが続けさせて頂けるのですが・・・ 

 

それはさておき流量計の種類は非常に多い事がわかりますね?

上述を含めても10種類は下らないでしょう。(下図)

 
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なぜこれほどの種類の流量計が必要なのでしょうか?

それは測定対象である流体の状態(液体、気体、蒸気)と種類(空気、窒素、酸素・・・)、流量レンジと配管径、圧力レンジ、使用温度、電源仕様、信号仕様、そして法規関連(安全保障貿易管理法令、高圧ガス保安法、防爆構造)・・・という様々な条件をすべてカバーできる“万能流量計”が存在していないからなのです。


では、次回から個々の流量計の代表例を取り上げて解説をしていきましょう。

 

【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291話 フィールドバス vs 産業用イーサーネット vs マスフロー!その6

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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 20198月号(7/25発売)は特集ページとのボリューム調整の関係で休載となっております。連載第56回は9月号になりますので、お楽しみに!

 
最後にDecoのスタンスを御説明しておきます。

Decoは特定のフィールドバスや産業用イーサーネットの推進論者でも、逆にアンチでもありません。

おそらくマスフローメーカーや関係者のほとんどが同じく中立位置だと思います。
それは今回の連載でお話ししてきましたように、「基本的に通信ネットワークの選択は、マスフローコントローラー(MFC)、マスフローメーター(MFM)の流量測定・制御性能向上に寄与する訳ではない。」からです。

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読者の皆さんからの問い合わせを頂く都度、「スレーブに位置づけられるマスフローのポジションでは、マスターであるPLCや流量制御を行う上位システムのメーカーがどこか?で選択すればよいのですよ。
決して“DeviceNetTM対応だからすごいマスフロー”という事はないので、勘違いしないで下さい。」と、お答えし続けてます。

2年前はフィードバスと産業用イーサーネットのシェア競争は、まだフィールドバスに軍配が上がっていましたが、それも2018年で逆転しました。

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出典:HMSインダストリアルネットワークス 産業用ネットワーク市場シェア2018

 

 

そろそろ生き残りを見極めて山を張るべきなのか?
それともあらゆる可能性を考えてマルチに対応できるモジュール化した製品を作り上げるべきか?
マスフローメーカーの立場は非常に難しいです。

前者なら日本での製品化実績の少ないModbus を狙ってみるのも良いし、後者ならば前回紹介したブロンコスト社を参考にしてモジュール化を進めてみるのはどうでしょうか?

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出典:ブロンコスト・ジャパン(株)


いずれにせよ、これからのマスフローは各種フィールドバス及び産業用イーサーネットに対応していけるポテンシャルをもった製品を市場に出していかなくてはならない のは確かだと思います。
今となっては大きな責任を負わないDecoが上述のようにああすればいい、こうすればいいと放言してしまい申し訳ないのですが、この辺りがどこへ転がっていくのかは、また2年後くらいの当ブログ記事で答え合わせをさせてください。

 

 【権利関係 引用元】

本ブログ記事(第286話~291話)中のDeviceNetTM ODVAOpen DeviceNet Vendor Association)、PROFIBUSは、PROFIBUS User OrganizationCC-Linkは三菱電機株式会社、Ethernetは富士ゼロックス株式会社、EtherCATBeckhoff Automation GmbH の登録商標です。

 

本ブログ記事(第286話~291話)中 産業用ネットワーク市場シェア2018の図表は Anybus News ”産業用ネットワーク市場シェア動向 2018 HMSインダストリアルネットワークス株式会社統計) — 産業用 Ethernet がついにフィールドバスのシェアを上回る” by Thomas Carlsson | 2 16, 2018 から引用させていただきました。

改めて御礼申し上げます。

 
*EZ-Japanは8/10(土)から18(日)まで夏季休暇を頂きます。
真・MFC千夜一夜物語の次回更新は、8/20(火)を予定しております。

猛暑が続きますし、どうぞ無理をせず、水分補給としっかりした食事で夏を乗り切ってください。

【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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