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2013年10月23日 (水)

真・MFC千夜一夜物語 第139話 MFC最大の弱点とは・・・ その3

MFC(マスフローコントローラー)最大の弱点は何でしょうか?その一つは温度です。
特に
流体の温度=周囲温度という条件が崩れたときに、MFCはマスフローコントローラー(質量流量制御器)として機能できなくなり最大の危機を迎えるというお話です。

なぜそんな現象が起きるのでしょうか?簡単にご説明しましょう。
MFCのセンサー方式は色々ありますが、センサー管にヒーターユニットがあり、そこを流体が通過する際に生じる熱移動の量を捕まえて流量信号に変換している、というご説明はこの連載でも何度かさせて頂いてます。
つまりMFCのセンサーは“熱“にフォーカスしてセンシングを行うものなのですね。

 ならば「熱の移動を感知するセンサーならば、温度変化という外界の熱環境の変化の影響を受けないはずはない」と言えます。

ここである簡単なMFCのセンサー温度と、流体温度とのモデルでお話ししましょう。

*このモデルは特定のメーカーさんのセンサー方式を説明したものではありません。また、説明のために簡略化や、数値を都合良く加工していますので、ご理解下さい。

仮に100℃に加熱したヒータ(兼センサー)があったとします。
このセンサーに100℃の流体が流れたとき、熱移動は起きるでしょうか?

同じ温度ですから、当然熱移動は起きませんね?
つまり100℃のセンサーに100℃の流体を流しても、そのMFCセンサーから流量出力は得ることができない=0ということです。

今度は0℃の流体を流してみたらどうなるでしょう?
温度差は100℃あるわけですから、流量出力は大きくでるはずです。

これらを図にしてみますと、こんな関係です。

131023_01

 このセンサーの温度特性は、0℃を100%としたとき、-1%/℃の傾きで温度による影響受けると表現できます。
10℃流体温度が上がるだけで、流量センサーの出力が-10%になる・・・そんなセンサーが温度影響を受けないはずのマスフローセンサー=質量流量センサーを名乗ることは当然できません。

 このままでは当然使い物になりませんから、温度補正というセンサーの生出力に対する補正を入れることで、実用性を加味してみましょう。これだけ大きな影響ですから、全てを平らにするのはなかなかもって大変です。ひとまず常温域、25℃をセンターとしたある温度範囲に補正をかけると、こんな出力になります。

131023_02

25℃より低い温度では、センサー出力は多めに出ますので下げる補正を、逆にそれより高い温度では上げる補正をかけているのがわかると思います。

この補正で平坦化した範囲が、よく言われる 精度保証温度範囲 25℃±10℃ というスペックの部分なのですね。
これで一安心。MFCのセンサーとしてふさわしくなりましたね。

 でも、この補正のベースとなる流体温度を正確に測れていなかったら、果たしてどうなるでしょうか?
実は大部分のMFCは流体の温度を直接測って、それをベースに温度補正をしてはいません。

「えっ!そうなの!なんで?」とおっしゃるかもしれませんが、冷静に考えるとそれにはそれで理があることなのです。

 接触式だと、流体によっては腐食や反応物の堆積などで正確な温度が測れない

 非接触で、流れている気体の温度を測れる適切なものがない 

 例え測定できてもレスポンスが遅く、適切に温度補正値にフィードバックできない可能性もある

そのためMFCの温度保証センサーは、MFCのボディやセンサー基板にあるのが常でした。
つまり、温度補正情報には流体そのものの温度ではなく、MFCの周辺温度を使っている事が多いと言うことなのです。

流体温度=MFC周囲温度ならば何の問題もありませんが、もし流体温度≠周囲温度となったら・・・間違った温度情報で補正が行われてしまうことになりますよね・・・

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

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