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

二酸化炭素

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。


181203_01
 

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252話 マスフローメータ(MFM)の運用に関して その4


もう一つのMFC千夜一夜物語である日本工業出版さんの「計測技術」誌 20186月号(5/25発売)は、コリオリ式マスフローメータ(MFM)を用いたマスフローポンプ(質量流量ポンプ)の解説ですので、本解説と合わせてお読みいただけたらと思います。

 

 

さて今回はマスフローメータ(MFM)特有の問題を解説しましょう。
二酸化炭素を流した場合や、微小流量MFMで顕著なのが、測定の為ガスを流入させた際にMFMの流量出力が実際に流している流量値よりはるかに低い、もしくはゼロに近い値になってしまう現象です。
これはセンサーが過度の突入流量で過冷却されたことから、ゲインを得られなくなってしまっている場合が多いです。

180612_01

上図で示すように、熱式流量センサーは流量0の状態で上流、下流の温度がバランスしています。
ここに流れが生じると、上流の熱を流体が奪い下流へ運ぶため、上流温度<下流温度となり、ブリッジ回路のバランスが崩れ、流量を出力します。
フルスケール流量を少し超えたくらい(120-150%程度)までは流量が増加すれば出力も増加する関係にあります。(デジタルマスフローはデジタル処理の関係で、出力を110-120%で飽和させてしまいます。)
もちろんフルスケールを超えた出力値に対して、それがどこまで出力されるか?はメーカーにより異なりますが、その領域ではカタログ仕様を満たす保証はありません。
でも、増加傾向にあることは確かです。
ただ、そこから過度に大きな流量が流れた場合、今度は下流側の温度も奪われ双方の温度がダウンしていく現象が起きてしまいます。
そうすると流量出力は急激にダウンしていき、最後は完全に0となってしまうのです。
これがオーバーフローによる過冷却現象です。
例としては、二次側の容器を昇圧してから、供給するガス流量をMFMで測定したいラインがあった場合、その容器昇圧時はMFMをバイパスするラインを設けて、そこから大量のガスを容器に流し込むべきところを、MFMラインにそのまま流してしまった場合に発生しやすい現象です。
 


10ml/min未満の微小流量用MFMで生じやすい理由は、その流路構成にあるります。(下図)

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巻線方式を採用しているマスフローのセンサー管は510ml/min程度の流量を流し、残り大部分は層流素子側を通過させる分流構造です。
ところがフルスケール流量が微小レンジになると、当然バイパス側は不要となるので流路を閉ざし、全量をセンサー管に流す構造となりまう。その為、突入してきた大流量を逃がす流路がなく、全てセンサー管で受けることになってしまいます。

 二酸化炭素のような冷却能力が高い流体の場合は、小流量でもこの現象が起きやすいので要注意です。
こういった問題はマスフローコントローラ(MFC)の場合、二次側に流量制御バルブオリフィスが存在するので、過度の流量が流れるのを食い止めていることもあり、あまり発生しない現象です。
予防策はフルスケールを遥かに超える大きな流量をMFMに流さない事です。
流す必要があるなら、必ずMFMのバイパス配管を設ける必要がります。

  

【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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