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2016年3月30日 (水)

真・MFC千夜一夜物語 第211話 圧力式MFCとは?その2

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20164月号(3/25発売)で連載22回を迎えさせて頂きました。

今回はMFC(マスフローコントローラー)の周辺機器に関する解説記事となっております。

本ブログと併せて、宜しくお願い致します。

さて圧力式MFCとはどういったものかというお話です。

圧力式MFCとは、差圧式流量センサーを搭載した差圧式流量計で、オリフィスのような絞り部を設け、その上流下流の圧力差を測定することで流量を導き出す「絞り式流量計」と、層流素子を使用した「層流式流量計」に分類されます。

 

絞り式流量計は、オリフィス式、ベンチュリーノズル式等に更に分類されますが、測定原理はベルヌーイの定理を基本としています。
ベルヌーイの定理はエネルギー保存則です。

図に示すように、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。

160330_01

でも、エネルギー保存則に基づく限りその場にあるエネルギー、流速、圧力、位置エネルギーの総和は等しくなるはずです。
例えば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、流速の変化に応じて、圧力が減ることになるのです。
この原理を利用すれば、1次圧:P1-2次圧:P2の差圧から流速を導き出せるというものです。

層流式流量計は、層流素子である細管を流れる層流状態の流体流量を細管の上下流の圧力差から算出する方式です。
絞り流量計も層流式流量計も、どちらも差圧を計っているから同じでしょ?と思いがちですが、層流流量計の検出原理には、ハーゲン・ポアズイユ流れの定理が用いられているのが差です。

160330_02

「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」というのが層流式流量計の基本原理になります。
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、流体の粘性に反比例する」です。
層流とは、MFCの基本原理解説で使ってきた言葉なので皆さんも聞き慣れた言葉かもしれませんね。

この2方式を比べた場合、同じ差圧を測定することで流量を導き出す原理を使ってはいますが、その圧力損失を作り出す構造が大きく異なることがわかるかと思います。
どちらか というと層流式の方が、流量と差圧が比例関係あることから、流量計として直線性の良い素直な流量出力を得ることが出来るので好ましいのですが、反面絞り式 ほど大きな差圧は作り出せないので、上下流の圧力センサーの分解能が良くないといけないというハードルがあります。

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

 

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