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

MFC

真・MFC千夜一夜物語 第401話 MFCの流量はなぜずれるの? その5

熱式マスフローコントローラー(MFC)のユーザーから、「MFCも流量出力は変化が無いのに、どう考えても流量がずれているように思えるのですが・・・」という問い合わせを頂く事があります。
一つの原因はゼロシフトでしたが、もう一つの問題に関して解説していきましょう。 
それは分流比の変化から生じる流量異常です。
今回は分流比のお話の基礎となる乱流と層流のお話から始めましょう。

既に何度かお話ししていますが、「層流」に対になる言葉は「乱流」ですね?
小川に清流が流れている状態を思い浮かべてみましょう。
ここに木の葉を流してみると、流れが穏やかなとき(=流速が遅いとき)は、姿勢を乱さずまっすぐ流れていきます。
つまり隣り合った流れの層がお互いを乱さず、整然と流れている様です。
ところが流れが激しくなるとき(=流速が速いとき)は、木の葉はクルクルと回転したり、蛇行したりしながら流れていきます。
これは隣り合った層がお互い不規則に混ざり合って流れる様です。
前者の状態を「層流」、後者の状態を「乱流」と呼びます。

層流時の流速分布は中央部を頂点とした放物線状になります。(ハーゲン・ポアズイユの流れ
それに対して流速が上がって乱流状態になると、流速分布は中央部で均一で側壁部直前で急激な速度勾配が発生する形となるのです。
乱流状態は隣り合った層がつねに混じり合っている状態と勘違いされますが、必ずしもそうではありません。
層流であろうと乱流であろうと、流れに乱れは生じます。
ただ、層流運動の下では、すぐにその乱れは収まってしまうのです。
逆に乱流状態でも乱れが発生しないこともあります。
だが、その状態でも乱れを起こす要因があれば、即大きな乱れが発生してしまうのです。
要は乱流という状態では、そこで何が起こっているかわからない状態であり、更にその流れがいかなる状態に至るかを予測するのが大変難しい状態のことです。
そのような状態で、熱式センサーが上流から下流への熱の移動を正確に捉えられているかと言えば、難しいとかんがえるべきでしょう。

層流、乱流の区別を付ける指数として用いられているのが、「レイノルズ数(Re)」です。
特に層流状態から流速が上がって乱流になる瞬間を「臨界レイノルズ数(Rec)」で表しています。

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MEMS型がシンプルな全量測定や簡単な分流構造で済むのに対して、巻線型は非常に複雑な構造をとっています。
流体にセンサー管の外周に巻かれた抵抗発熱体から与える熱を確実に伝え、且つ効率よく奪わせるために各メーカーはセンサー管の内径を0.3~0.8mm程度の細い管状に設計してあります。
当然、この非常に細い管中の流れを臨界レイノルズ数以下の層流運動状態に保てる流速は制限され、その結果流量も制限されます。
上の式を見れば、円筒の直径(d)がレイノルズ数を決定する事がわかりますね?
センサー管内径の違いにより多少の差はあっても、5~20mL/min程度の微少流量しか流せないことになるのです。
故にMFCの用途上では98%強の流量域を測定するためには、残りの流量を受け持つバイパスがどうしても必要になります。
バイパスはセンサー管と同じ「差圧対流量」特性を持つ物をフルスケール流量に応じてn本選ぶのが基本です。
環境条件に変化があっても、センサーに流れる流量のn倍という一定の分流比を維持しやすいからです。
この仕組みを応用すれば、センサー管単独では流せないような大流量にも対応することが可能になるのです。
ただし、10L/minを超えるような流量となると、このやり方では途方もない本数の層流素子を必要とすることになるため、メーカーは工夫を凝らして、極力構造を単純化しながらも、分流比を維持できるバイパスモジュールを採用しています。

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

真・MFC千夜一夜物語 第400話 MFCの流量はなぜずれるの? その4

真・MFC千夜一夜物語も、とうとう400回を迎える事が出来ました。
最初のこのブログを始めた頃は、まさかこんな回数まで書けるとは思っていなかったのですが・・・
千夜一夜、つまり1001回が最終回予定の本ブログ、果たして後601回分を書き上げられるでしょうか?
今後とも宜しくお願いいたします。

熱式マスフローコントローラー(MFC)のユーザーから、「MFCも流量出力は変化が無いのに、どう考えても流量がずれているように思えるのですが・・・」という問い合わせを頂く事があります。
一つの原因はゼロシフトでしたが、もう一つの問題に関して解説していきましょう。 
それは分流比の変化から生じる流量異常です。

MFCの流量をゼロに設定すれば判別できるゼロシフト問題と異なり、非常に見つけにくく厄介なのがこの問題です。
巻線型分流構造のMFCで生じるセンサーとバイパス(層流素子)とに分流比が、出荷時より変化してしまう現象のことですね。
この現象は、塩素ガスのような腐食性ガスや、シラン系のガスで生じやすいのですが、状況によってはコンプレッサエアーからの圧縮空気でも発生します。
つまり、どんなガスでも生じる可能性はある問題だと言えるでしょう。

では、MFCの巻線型流量センサー構造解説から始めましょう。
巻線型熱式流量センサーの構造図を下図に示します。

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巻線型の流量センサーの構造を説明したこの図でわかるように、巻線型流量センサーは、必ずしもMFCに流入してくる流体の全量を測っている訳ではありまえん。
その為、この方式を「巻線型分流方式」と呼称することがあります。
どんなフルスケール流量のマスフローでも、そのセンサー管に流れる量は多くても10mL/min程度の微少流量で、残りの流量はバイパスに流れます。
どちらかというと流量センサー管が、全体のほんの一部の流れをサンプリング測定しているような構成です。
なぜこのような構造が必要なのかという答は「層流素子」という言葉にあります。
熱式流量計が正確に流量を測定するためには、管内を流れる流体が層流運動状態であることが必要条件だからです。
層流素子自体は抵抗素子に過ぎず、ある一定の量をセンサー管に正確に分流するという役割を果たしながら、「層流を作るための素子」として機能しており、流量測定の相棒である流量センサー管内部に「層流」を作る為に、過剰な量の流体を定量的に「バイパス」させている部品であると考えてもいいのです。

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真・MFC千夜一夜物語 第399話 MFCの流量はなぜずれるの? その3

熱式マスフローコントローラー(MFC)のユーザーから、「MFCも流量出力は変化が無いのに、どう考えても流量がずれているように思えるのですが・・・」という問い合わせを頂く事があります。
一つの原因はゼロシフトが生じている場合です。これについて引き続き解説していきましょう。 

ゼロシフトの生じる原因は以下の6つでした。
センサー巻線の抵抗値変化
ガスの熱対流現象
流量制御バルブでの出流れ
ゼロの誤調整
設置環境の変化 
その他 外的要因

今回の問い合わせでは②③④⑥は無いという前提ですので、①から⑤になります。
その中で最も発生しやすいのが①です。
巻線型熱式流量センサーに用いられている巻線(ニクロム線)の抵抗値変化です。
巻線型流量センサーは、上流/下流の対になった巻線が、ヒーターと測温抵抗体の役割を果たしており、流量信号を取り出すためのブリッジ回路を形成しています。(ヒーターと測温抵抗体の役割を分離して、上流測温抵抗体、ヒーター、下流測温抵抗体の3つで構成される方式もあります。)この対になる測温抵抗体の測定する温度の平衡状態が、流量=0のポイントです。
ここに流体が流れ込んでくると、上流側の熱を奪って、下流側に運んでいくことになり、バランスが変化します。
この時の上流下流での温度変化量が流量に比例する・・・というのが、マスフローに代表される熱式流量計の基本原理でしたね?

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巻線型熱式流量センサーは未だにMFCで最も多く使われているセンサー方式です。
上流と下流に同じ抵抗値でバランスするようにブリッジ回路を構成しているのですがが、通電状態では常に100℃近い温度を発熱しているヒーターを何年も使用していれば、当然経年変化が生じます。
最後には、抵抗値が無限大=断線状態となり機能喪失が起こります。
これがいわゆるマスフローの寿命です。
メーカーによるセンサー方式の差や、巻線の個体差もあり、一概に何年とは定義しにくいものでして、昔は1~2年、最近の製品はメーカーの努力でかなり安定が良くなってきているので、5~8年は断線せずに使えてしまいます。
だが、断線に至らずとも、抵抗値変化が上流下流の巻線双方に同じタイミング、かつ同じ量だけ発生するような幸運は、まずありえません。
その為、初期の抵抗値バランスはいずれ崩れ、ゼロシフトが発生することになるのです。

この現象への対処方法としては、ゼロ調整用のボリュームや、ゼロリセットスイッチを用いて都度ゼロを再調整する方法があります。
ただセンサー巻線の抵抗は継続的に劣化している場合、つまりマスフローの寿命が近い場合、「ゼロ調整しても、しばらく時間が経過するとまたずれる」といった困った状況が生じます。
こういった現象が確認された場合、応急処置は都度ゼロの再調整で構わないが、早期にメーカーに修理に出した方がいいですね。
そうすればセンサーは新品に交換され、リフレッシュされて戻ってきます。
機械にも永遠の命は無いのです。
不安要素を抱えたまま運用するより、早期のメンテナンスこそが、大きなトラブルを回避する一番の策なのです。

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真・MFC千夜一夜物語 第398話 MFCの流量はなぜずれるの? その2

熱式マスフローコントローラー(MFC)のユーザーから、「MFCも流量出力は変化が無いのに、どう考えても流量がずれているように思えるのですが・・・」という問い合わせを頂く事があります。

ハンチングやオーバーシュート、応答遅れ、出流れといったMFCの不具合でもP.V.をモニターすることで容易に異常を検知できるトラブルならば早期発見が可能です。
でもP.V.に異常が現れず、表面上MFCには何ら問題がないように思える状態で流量制御をさせていたら、実験結果や製品品質に問題が確認されている事がわかり、遡れば数か月前から・・・といった事態は、非常に大きな損害を発生させることになりますね?
ここで考えられる原因は二点です。
一点目はゼロシフトが生じている場合で、もう一点は実際に流量信号と実流量にずれが生じている場合です。
各々を解説していきましょう。 

ゼロシフトから生じる流量異常

ゼロシフトとはマスフローの流量出力のゼロ値が理論上の流量ゼロからずれる事象です。
MFCが制御する実流量に影響を及ぼします。
このゼロシフトがなぜS.V.=P.V.状態で流量異常を引き起こすのか解説しましょう。
フルスケール100SCCMのMFCがあったとします。
このMFCにゼロシフトが生じていない場合の制御されている実ガス流量は100SCCMの筈ですね?
ところが-5SCCM分のゼロシフトが起きたとすると、どうなるでしょうか?
実流量0でP.V.は-5SCCMであるということは、逆にP.V.が0になった時点で実流量は+5SCCMです。
つまり流量センサーからの出力であるP.V.のゼロのシフトが発生した場合、流量測定の基準がシフトするので下図にあるように制御される流量はその誤差を含んでしまう事になるのです。
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ゼロシフトの発生原因に関しては、本ブログでも解説済みですが、大きく分けて以下の6つの原因が考えられます。
①センサー巻線の抵抗値変化
マスフローの流量センサーに使用されている対になる巻線の抵抗値バランスが崩れてしまっている。

②ガスの熱対流現象
マスフローのセンサー管と層流素子(バイパス)部で熱対流現象が発生している。

③流量制御バルブでの出流れ
MFCの流量制御バルブの前後に圧力差があり、制御バルブを閉止してもわずかにガスが漏れ出している。

④ゼロの誤調整
マスフローのゼロ調整の際に、正確な値に調整できていない。

⑤設置環境の変化 
マスフローの設置環境(温度、湿度)が変化している。

⑥その他 外的要因
マスフローの外部機器=流量表示計でのゼロシフトや、信号系でのノイズ影響、通信異常等の外的要因が存在している。

さて、この中のどこにフォーカスすればいいでしょうか?

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真・MFC千夜一夜物語 第397話 MFCの流量はなぜずれるの? その1

式マスフローコントローラー(MFC)のユーザーから、「MFCの流量出力は変化が無いのに、どう考えても流量がずれているように思えるのですが・・・」という問い合わせを頂く事があります。
Decoも現役営業時代は嫌な汗が背中に流れる気がするお問い合わせでした。
さて、何がMFCに起きているのでしょう?

本ブログで何度か解説していますが、MFCは外部から与えられる流量設定入力(S.V.)と内蔵している流量センサーからの流量出力(P.V.)が一致するように、流量制御バルブの開度信号(M.V.)を可変させています。
そのお陰で供給圧力が変化したとしても、つまりなどで配管の抵抗が変化した際に本来は人間がバルブ開度を変えて都度手動制御していたのに代わって、自動で流量制御してくれる便利な機器なのです。

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この自動制御の仕組みに登場するS.V、.P.V.、そしてM.V.に何らかの問題があるのではと思いますね?そしてこれらの信号の内、S.V.は変化がない事は今回の前提なのでひとまず除きます。
(メンテ時の配線接続ミスやデジタルコマンドのミス等は実はあるのですが・・・)

では、P.V.はどうでしょう?
これも変化が無いという前提での質問でしたね?
でも、確かにP.V.=流量信号に変化はないのですが、その流量信号自体が実流量とズレてきていたらどうなるでしょう?
これはP.V.=S.V.となるようにM.V.を可変させているMFCにとって、大変厄介な問題が生じている事になります。
次回から解説していきましょう。

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

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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