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2015年2月11日 (水)

真・MFC千夜一夜物語 第179話 MFCに液体を流してはいけないの?その2

日本工業出版さんの「計測技術」誌上の「マスフロー千夜一夜物語<質量流量計の基礎>」という連載も2015年2月号で11回目を迎えさせて頂きました。
これも一重に、本ブログや連載をお読み頂いている皆様のおかげと思っております。
改めてお礼申し上げます。

さて、熱式センサーに液体を流すことはなぜ難しいのでしょうか?
この原因は、気体と液体での密度にあります。
ご存じの通り、同じ流体で液体と気体での密度は大きな開きがあります。
例えば水(H2Oの液体状態) 0.999972 g/cm3@4℃でほぼ1g/cm3です。
それに対して水蒸気(H2Oの気体状態)では、0.598kg/m3=0.000598g/cm3@大気圧、100℃になります。
H2Oは密度の大きさでいうと液体>固体>気体という珍しい順番になる異常液体ですが、液体>気体の関係は他の物質と同じです。

ここでおなじみの熱式流量計の基本式を見てみましょう。

150211_01

質量流量を決める要素でΔT:熱移動量に対して、分母側のCp:定圧比熱が大きな影響を果たすことになります。
定圧比熱とは一定圧条件で物質のある単位量を単位温度上昇されるのに必要な熱量ですから、気体であろうと液体であろうと関係はないはずなのですが、これは質量当たりを考えた場合で、体積で考えると話は大きく異なります。
水を例に取れば、先ほどの密度で計算すれば、必要な体積は大きく異なることがわかります。
つまり液体は少ない体積で多くの熱を奪えるので、ヒーターから与える熱量もその分大きくしないと大きな体積流量レンジを測定できないということになるのです。

これは熱いものを醒ますことを考えてもらえばわかります。
空冷より水冷の方がどう考えても少ない体積で熱を奪えるでしょう?
液体用熱式センサーは、その原理上微少流量に限られてしまうという特長があるのでした。

先ほどの基本原理から来る問題は、これだけではありません。
液体を測定している熱式センサーに、気泡が混ざった液体が入り込んだらどうなるでしょう?

150211_02

気泡といっても立派な気体です。
つまり、液体と気体が混合した状態の流体なのです。
液体と気体では単位体積当たりでの熱容量に大きな違いがあるのですから、流量センサーは液体が通過した時と気体が通過した時でその熱の奪われ方が大きく異なる為に、異常な値を出力してしまうことになります。
これでは、気泡が入ると正確な流量測定はできませんし、この流量出力を基にMFC(マスフローコントローラ)として流量制御をしようものなら、ハンチングして使い物になりません。

「気泡が入った液体なんて希でしょう?」とおっしゃる方がおられるかもしれませんが、 「気体が溶け込んでいない液体なんて希でしょう?」と返させて頂きます。
確かに液体を充填する際のボトルなどではわかりにくくても、配管で運ばれる際に液体にかかる圧力を低下させたり、温度を上昇させたりするポイントがあった場合、気泡は発生します。
温度を上げた場合は、沸騰する前のヤカンを考えてもらえばよいと思います。
また、キャビテーションという圧力低下による現象もあります。
例え常温であっても、流路が急に狭くなり、流速が上がって、液体の圧力が飽和蒸気圧以下に低下すれば液体は沸騰します。(ベルヌーイの定理)

こういった難関が熱式センサーを液体で使用する際には存在しているのでした。
とはいえ特に1番目の特性は、こと微少流量に限って考えれば、むしろあまり温度を上げずに流量を計ることが出来るという利点にもなりますので、液体用MFM(マスフローメータ)&MFC(マスフローコントローラ)という分野が成立するわけです。

【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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