熱式ガス質量流量計の応用と選定

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熱式ガス質量流量計は、その独自の優れた特性により、ますます多くのユーザーに認められ、使用されており、現在では多くのガス流量測定の場面で活用されている。しかし、これらの応用分野にも多くの問題や誤解が存在している。多くの製造業者による無責任な宣伝や誤った情報提供、そして製品の品質上の欠陥が、製品の使用に多くの障害や課題をもたらし、多くのユーザーが熱式ガス質量流量計について誤解を抱く原因となっている。中には、熱式流量計があらゆる条件下でのガス流量を測定できると盲目的に考える人もいれば、熱式流量計を拒絶したり反対したりする人もいる。ここ数年、私は熱式ガス流量計の普及と宣伝に力を入れてきました。国内外のさまざまなブランドの流量計に触れる機会もあり、実際の普及活動の中で多くの導入上の問題に直面し、多数の事例を蓄積してきました。これらの事例を振り返ることで、いくつか自分なりの気づきも得たので、皆さんと共有したいと思います。 本稿では、専門的な観点から疑問に答え、各業界の熱工技術者が熱式ガス質量流量計を正しく選択できるよう支援します。3つの観点から順を追って説明します。1．熱式ガス質量流量計の原理を正しく理解する 熱式ガス質量流量計の起源は、ホットワイヤ式風速計にあります。白金の発熱線の温度は、流体の流速の変化と比例関係にある。流速が速いほど、運ばれ去る熱量も多くなる。ここでは、なぜ熱量の変化を測定することでガスの質量流量が得られるのかを簡単に説明します。 公式：H=m×Cp×ΔT 測定される熱量H、温度差ΔTを一定にした場合、比熱容量Cpが一定の気体については、気体の質量流量mを直接求めることができる。 ここでは、なぜガスの質量流量を直接測定するのかを微視的な観点から説明します。 図に示すように、気体分子が加熱された壁面に接触して熱伝導を行い、プローブ上の熱を奪っていく。異なるガス分子の熱を運ぶ能力はそれぞれ異なるため、ガス分子の熱伝導能力が分かっている場合（Cp値が既知）、消費される電力を測定することで直接流れているガス分子の数（ガス分子数は質量数に相当）を求め、それによってガスの質量流量を得ることができる。次の式を変形すると、H=m×Cp×ΔTとなり、m=H/Cp×ΔTという式が得られます。ここで、mはガスの質量流量、Hは補償用の電力の大きさ、Cpは定圧比熱容量でありガスの種類によって異なり、ΔTは2つのプローブ間の温度差です。上記の式から、2つの熱式原理が導き出されます。1つ目は、分母となる温度差を一定に保ち、リアルタイムでガスが持ち去る熱量Hの大きさを測定することによってガスの質量流量を求めるもので、これが現在市場で主流となっている定温度差型熱式です。分子の熱量Hを一定に保ち、温度差の大きさをリアルタイムで測定してガスの質量流量を得る方法が、定出力熱式です。定温度差原理は非常に優れた低流量特性を持ち、質量流量が0.1Nm/sという低い値でも良好な線形性を示します。また、迅速に対応する能力も備えています。定出力原理は高い流速変化を検出でき、大流量の用途において非常に優れた性能を発揮しますが、低流量時の特性は定温度差に劣り、さらに応答時間も定温度差に比べて悪いです。二．熱式ガス質量流量計の優れた性能を正しく理解する 良質な熱式流量計製品には、2つの最も重要な特徴が求められる。すなわち、優れたプローブの製造技術と、完全な実流量校正装置である。これら2つの大きな特徴をそれぞれ分析してみましょう。a.プローブの製造工程：先ほど熱式流量計の原理について説明しましたが、その原理からわかるように、プローブは熱式ガス質量流量計全体の核心部分です。その性能の良し悪しは、流量計の測定精度、再現性、使用寿命、低流量時の特性を決定するものとなります。プローブは白金抵抗線とカバー用のステンレス鋼で構成されています。プラチナの発熱線は導電性があり、カバーのステンレスも導電性があるため、その間の充填材は優れた断熱性を持ちつつ、導電しない必要がある。これにより、すべての熱式流量計の核心である、加熱プローブの充填材および封止工程が浮かび上がってくる。充填層が厚ければ厚いほど、絶縁性は向上するものの、熱伝導性能は低下し、温度に対する感度も悪くなり、同時に応答に遅れが生じる。充填材が有機物の場合、経年により劣化し充填材にひび割れが生じやすく、その結果流量計はゼロ点のドリフトを示します。充填材の中に微小な空気がある場合、このプローブは常に加熱状態にあるため、その微小な空気が膨張し、ゼロ点の変動を引き起こします。 従来の熱式質量流量計では、加熱用の速度センサーがステンレス製のチューブプローブの先端に封入され、センサーとステンレス製チューブの内壁との間に混合物が充填されている。この混合物は、電気的に絶縁されると同時に、できるだけ低い熱抵抗を持つ必要があり、一般的にはエポキシ樹脂、セラミックセメント、耐熱グリース、またはアルミナ粉、酸化マグネシウム粉などが用いられる。このような充填剤を用いた「湿式」センサーにはいくつかの欠点がある。例えば、使用時間が長くなるにつれてその表面の熱抵抗が増大し、出力曲線が低下傾向を示すため、センサーの感度が落ち、最終的には測定精度に影響を与える。“「湿度」センサーの充填材は、速度センサーと熱膨張係数が異なるため、使用期間が長くなるにつれて老化やひび割れなどが生じ、最終的にはセンサーの測定精度が基準を下回り、長期的な精度の維持が困難になります。このような封止材や充填剤は、短期間では違いが分からないが、半年や1年経つと再現性の低下やゼロドリフトといった問題が現れる。右側はアメリカのSIERRA製の熱式流量計プローブの構造図で、スヤレの速度センサーは現在、世界で唯一の真の「ドライ」センサーです。その独自の封止技術により、速度センサーとステンレス製の内壁との間が完璧に充填され、充填剤として有機物を使用せず、白金イリジウムの無機物が用いられています。スヤレの熱式流量計製品は、感度と再現性が最適化されており、いかなる状況下でも速度センサー内の充填材に亀裂が生じることはなく、亀裂によるドリフトの問題も発生しません。これにより測定精度が大幅に向上し、長期にわたって高い精度を維持することができます。 SIERRAは、ヒート式の中核部品に独自のナノレベルの絶縁性能を持つ無機物を充填し、さらに高圧成形によってナノレベルの充填材をより密にし、10年間ゼロドリフトが起こらないようにしています。2つの異なるパッケージング技術も、異なる品質の製品を生み出している。b. 実流量校正技術：まず、熱式ガス質量流量計の実流量校正の重要性について説明しましょう。先ほど、熱式の測定原理について説明しましたが、その原理から、熱式ガス質量流量計の測定は、測定対象となるガス媒体の熱伝導特性と密接な関係があることがわかります。また、各種ガス媒体の比熱容量は、温度や圧力によって異なる値を示します。常圧または負圧の空気を用いて校正し、それを修正する方法だけで高性能な流量計を得ようとするのは、科学的ではありません。実際に、実流量で校正されていない流量計を用いて非空気媒体を測定すると、データの偏差が非常に大きくなることが証明されている。現在、市場に出回っている熱式ガス質量流量計のほとんどは、オープンループの負圧空気を用いて校正された後、高圧環境下での値に補正されるか、またはアルゴン、二酸化炭素、酸素、水素、アンモニアなどの他のガスに対して補正されます。修正校正を行うと必然的に測定精度が保証できなくなり、低圧で校正された計器は高圧環境で使用し、空気媒体で校正された計器は他のガス媒体で使用する場合、測定精度は保証できない。三．熱式ガス質量流量計の適切な選定 流量計測における故障発生率についてのデータによると、流量計の不適切な選定が約70％を占め、流量計の品質やその他の要因が30％を占めている。これにより、選定が流量計測においていかに重要であるかがわかる。熱式ガス質量流量計のユーザーは、既存の流量計を交換する場合を除き、自分で特定の型番の流量計を選定しないよう特に注意する必要があります。この作業は専門家である販売側に任せるのが最善です。できるだけ完全な運転条件のデータといくつかの技術的要件をご提供いただければ結構です。例えば、流量の範囲（推奨される流量の単位は立方メートル）、測定対象となる媒体、配管の内径、配管の材質、動作圧力、動作温度、防爆が必要かどうか、流量計の動作環境温度、信号電源の要件、精度等級、どのようなプロセスで使用されるか（プロセス制御か計量か）、測定対象となる媒体の乾燥度や清浄度などです。混合ガスの流量を測定する際には、各媒体の割合のパーセンテージ値を必ず示さなければならない。最後に一言：現場に条件が許せば、流量計は一体型を選んでください。分割型の場合、伝送用の信号ケーブルは測定ブリッジの一部として機能するため、本来抵抗値を持っています。どんなに優れたものであっても、測定プローブの抵抗値が非常に小さいため、このケーブルの抵抗値が必然的に電子回路の演算や処理に影響を与えます。さらに現場環境の影響により、抵抗値は変動してしまいます。分割型を選ぶ場合は、分割間隔はできるだけ短くすることをお勧めします。測定対象のガスが空気以外の他のガス媒体の場合は、海外で実流量校正が行われた熱式流量計製品を選択することをお勧めします。これは必ず覚えておくべき点です。もちろん、測定データに高い要求がなく、偏差の大きさは気にせず、単に流量の傾向を見るだけであれば、安価な熱式流量計製品を選ぶこともできます。安値でダンピングされた製品には、自分で十分注意しましょう。基本的なコストを計算して、製品の品質を保証できる流量計かどうかを確認しましょう。避けて通れない最も基本的なコストがあります。DN50以下のガス流量計の校正にかかる費用は、およそ1000元程度です（地域によって計量機関の料金が異なるため、若干の差が生じます）。DN100以下は1500元です。DN100以上では、管径が1サイズ大きくなるごとに校正コストは約1000元程度上昇します。熱式ガス質量流量計を正しく選定する上で最も重要なのは、より多く学び*、測定原理や製品の性能を把握し、製造元の営業担当者と積極的に意見交換を行い、各ブランドの特徴を明確にすることです。自分自身を踏み固め、自分の要求に合った熱式ガス質量流量計製品を正しく選択できるのです。（海川化工フォーラムより転載、著作権は原著者に帰属）