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2017年4月18日 (火)

真・MFC千夜一夜物語 第231話 コリオリは完全無欠の質量流量計 その1

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 「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2017年4月号(3/25発売)で連載33回を迎えさせて頂きました。
4月号では、マスフローコントローラー(MFC)やマスフローメーター(MFM)で使用する流体(ガス)種から、半導体製造プロセスでよく使用される危険な知億種高圧ガス、その代表格としてモノシランを選んで過去の事故事例を紐解きながら、マスフローを使用する上での注意点を解説しています。

さて、今回からコリオリ式質量流量センサーを搭載したマスフロー(MFC&MFMの総称として使います)のお話です。
コリオリ式マスフロー <出展:ブロンコスト・ジャパン(株)>

Mini_coriflow_m

コリオリに関しては連載第152~155夜“MFCと質量流量計の関係”で一般的なサーマル(熱式)マスフローとの差を解説していますので、今回はその応用編です。
まずはコリオリ式センサーの原理の復習から始めましょう。

フランスの誇るエッフェル塔に名前の刻まれた72人の科学者の一人 Gaspard-Gustave Coriolis(ガスパール・コリオリ)は、回転運動下を移動する物体には、その移動する方向に直角に慣性力が働くことを発見しました。
この力はコリオリ力といわれ角速度と、物体の質量に比例した力が働きます
この回転系に発生する慣性力としてのコリオリ力を流量検出原理としたのがコリオリ式流量センサーです。
コリオリ式流量センサーはU字型やΩ字型(そうでないものもあり)チューブを配置し、そのチューブを振動させ、流体が通過した際にその質量流量に比例して発生するコリオリ力を、チューブの捻れの位相差をピックアップすることで測定する流量センシング方式です。

よく例え話でコリオリ力を説明するのに使われるのが、地球上で極から赤道方向に対して垂直な向きに大砲を発射すると、地球の自転の影響を受けて弾がそれる話です。

160418_02

上の図を見て頂ければ理解しやすいかと思います。
地球という球体を極方向から見て円と考えてもらっても結構です。
これは確かに地球という回転系で発生するコリオリ力の影響なのです。
と、いっても地球規模の回転系ですから、現実の世界では普通の拳銃程度では影響は受けません。
1km以上の射程を持つロングレンジ・スナイパーライフル等ではコリオリ力の影響を計算に入れる必要があり、最近ではその弾道計算をしてくれるスマホアプリがあると聞きます。

この話を誤解して、コリオリ流量計は地球のコリオリ力を利用していると説明されている方もおられますが、先ほどの拳銃の例えのとおり、マスフローや流量計のような小さな配管系では地球の自転から派生するコリオリ力はほぼありません。
だから配管自身を回転運動させないといけないのです。

コリオリ流量センサーでは、配管系を回転させる代わりに振動をさせています。
振動と回転は異なる運動系に見えますが、実は回転軸に対し垂直方向からフォーカスすると同じ動きであることが理解できます。

160418_03

コリオリ式センサーは、回転系に発生する慣性力であるコリオリ力を取り出す目的で作られた仮想回転系と考えてもよいのかもしれません。

【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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