熱式ガス質量流量計の応用と選定

Thread Content

この投稿は最後に、*aojiaoya0546によって2016年6月28日19時31分に編集されました。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、利用されており、現在では多くのガス流量測定の場面で使用されています。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おり、多くの製造業者による無責任な宣伝や誤導、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ています。その結果、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ようになっています。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反対する人もいます。私はここ数年、熱式ガス流量計製品の普及と宣伝に尽力してきました。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、実際の推進活動の中で多くの適用上の問題にも直面し、数多くの事例を蓄積してきました。これらの事例をまとめる中で、いくつか自身なりの気付きも得られましたので、皆様と共有させていただきたいと思います。一．熱式ガス質量流量計の歴史的経緯は、20世紀60年代にアメリカでジョン・オーリン博士とジェリー・コーズ博士という二人の著名な学者がいたことに由来する。二人はスタンフォード大学を卒業後、ミネソタ州にあるTSI社に入社し、1968年から70年代初頭にかけて同社の開発部門で働き、主にHVAC分野における風速計の研究に取り組んだ。その後、彼らはTSI社を離れ、共同で独自の熱式ガス質量流量計の研究を始めた。彼らは、熱線式風速計が産業現場での使用には適していないことを理解していた。初期の製品は、風速計や風速センサー、そして空気サンプリング製品であり、これがSierra Instrumentsの初期製品の基盤となりました。シエラ・インストゥルメンツは1973年にミネソタ州で設立されました。1975年、シエラ・インストゥルメンツはミネソタ州からカリフォルニア州に移転しました。数年間協力関係にあった後、1977年に二人は別々の道を歩むことになります。ジョン・オーリン博士はシエラ・インストゥルメンツおよび空気サンプリング製品を引き継ぎ、一方のジェリー・コーズ博士はクルツ・インストゥルメンツを設立し、元の会社の風速計や風速センサー製品を手に入れました。シエラ社は、多成分ガスの応用を含め、空気および天然ガスの熱式流量計測を開発した。シエラの熱式流量計は、製薬業界、バイオテクノロジー、石油化学、製鉄業界など、産業分野で広く利用されています；燃焼気流の測定、天然ガスの流量計測、煙突ガスの監視にも利用されます。シエラは、0.1ミリリットル/分という小さな値から、数百メートル/秒という大きな質量流量に至るまで、ガス流量測定の全領域をカバーしている唯一の企業です。一台ずつ、実際の流量で校正した後に出荷されます。Kurz計器の最も顕著な特長は、発電所での利用です。Kurzは、ガス廃棄物および燃焼ガスの計測・監視用に、一点式および多点式の挿入型熱式流量計を一連開発しました。クルツの計器は、精製、セメント、製紙、その他のプロセス産業にも応用されています。シエラとクルツが登場した同じ時期に、アメリカにはFCIという有名な会社もありました。FCI社は1964年に設立され、当初はカリフォルニアで、油田から送られてくる油が流動しているか静止しているかを測定するための熱式スイッチを製造していました。流量を測定するものではなく、実際の流量計が登場したのは1981年のことです；その年、FCIはスイッチボードに多数の電子部品を搭載し始め、初めてガスを測定する熱式流量計の開発にこぎ着けた。その後、Sierra、Kurz、FCIの3社から出た一部の従業員が、それぞれ熱式ガス質量流量計を製造・研究開発する会社を設立し、徐々に世界の他の地域にも影響を及ぼし、広まっていった。二．熱式ガス質量流量計の原理と構造
熱式ガス質量流量計は熱拡散原理を利用している。熱拡散技術は、過酷な条件下でも優れた性能と高い信頼性を持つ技術であり、その典型的なセンサー要素には2つの熱抵抗体（白金抵抗線）があり、1つは速度センサーで、もう1つは配管内の温度を測定するセンサーである。これら2つのセンサーをガス中に置くと、温度センサーは配管内のガスの温度を測定し、速度センサーの内部には電熱線があり、温度センサーが測定した温度よりも高い温度（つまり配管内のガスの温度）まで加熱され、その値が一定に保たれる。気流が速度センサーの熱を奪うことで、温度差が小さくなる。温度差を一定に保つためには、加熱を補償するための追加の電力が必要であり、この補償用電力の大きさはガスの質量流量に比例する。 工業用パイプラインに使用される熱式流量センサーでは、速度プローブと温度プローブの両方が白金抵抗で構成されており、頑丈な保護ケースを備えている。白金線は流体と直接接触しないため、広く利用されている。保護ケースは基本的に316L材質が使用され、腐食性のあるガス媒体の場合にはハステロイ材質やタンタル材質が用いられる。以下で、式を使って熱式の測定原理を具体的に説明し、なぜ熱式流量計が質量流量計なのかを明らかにしていきます。公式：H=MxCpxΔT。熱量Hを測定し、温度差ΔTを一定に保つと、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。微視的な観点から、なぜガスの質量流量を測定するのかについて再び見てみましょう。ガス分子が加熱された壁面に触れることで熱伝導が起こり、センサー上のプローブの熱が奪われてしまいます。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値が既知である場合）、消費される電力を測定することによって流れているガス分子の数を直接求めることができる。分子の数は質量に相当するため、これによってガスの質量流量を得ることができる。白金製の電熱線の外側にステンレス製の保護管を装着することで、電熱線の寿命や耐腐食性の問題を解決し、**熱式技術の応用範囲を拡大することができた。しかし、この工程は非常に困難だった。白金製の電熱線は導電性があり、保護シースのステンレス鋼も導電性がある。そのため、両者の間に入れる充填材は熱伝導性が非常に良くなければならないが、同時に非導電性である必要がある。これが、あらゆる熱式流量計の核心となる――加熱プローブ用の充填材および封止技術につながるのである。世界中の熱式流量計メーカーを見渡しても、この問題を真に解決できるブランドはごくわずかです。国内のメーカーでは、有機系材料であるエポキシ樹脂やセラミックセメント、耐熱グリース、酸化アルミニウム粉、酸化マグネシウム粉などが使用されている。このような材料を用いたセンサーにはいくつかの欠点があり、例えば使用時間が長くなるにつれて表面の熱抵抗が増大し、出力曲線が低下する傾向にある。その結果、センサーの感度が落ち、最終的に精度に影響が出る。これらの材料を使用すると、センサーの寿命が短くなったり、故障率が**高くなる**という弊害があります。国内にも多くのメーカーが存在し、海外ブランドの製品を多数分析し、数多くの研究開発を行ってきました。しかし、科学研究の蓄積が不足しているため、研究開発スタッフや資金力が非常に弱く、効果的な解決策が長らく見出せず、その結果、製品の性能は海外の先進水準と大きく差があり、製品の応用が制限されています。アメリカのSIERRA社のジョン・オーリン博士は、彼のチームと共に数十年にわたる綿密な努力と不断の研究を重ね、ついに1999年に、ガスの質量流量を測定するための特許取得済みの画期的な技術である、ドリフトのない「ドライセンサー」を完成させました。Dryセンサーの特許技術では、ナノレベルで絶縁性に優れる無機物を充填し、高圧成形を行うことで、ナノサイズの充填材をより緻密に配置します。これにより、センサーが10年間にわたってゼロドリフトを起こさないことを保証します。熱式ガス質量流量計においては、非常に先進的な測定原理があり、製造業者も科学的かつ規範的な品質管理手法を持っているものの、優れた技術指標を達成するためには、科学的かつ厳密な実流量校正技術も必要となる。私たちは熱式の原理を知っており、流体の質量は加熱される電力に比例し、また測定対象となる流体媒体の比熱容量とも密接な関係がある。各種気体媒体の比熱容量は、温度によってその値が異なり、中にはその差がさらに大きい気体媒体もある。単に常圧空気で校正し、その後補正するという方法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、実流校正されていない流量計で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。この点において、国内には実流校正技術を有する企業はなく、すべて開ループ式の低圧空気校正が採用されている。したがって、非空気媒体に適用する際、高い性能が求められる場合は、できるだけ空気で校正された製品を選ばないようにしてください。三．応用と選定 熱式ガス質量流量計の応用上の特長：a.極めて広い測定範囲：熱式ガス質量流量計は、他の流量計にはない優れた特徴を持っている——つまり、0.05Nm/sという非常に低い値から100 Nm/sという高い値までを測定できる極めて広い測定範囲を有しており、一部のメーカー製品では200Nm/sを超える流速も測定可能である。b.真の質量流量計：熱式ガス質量流量計は、他のガス流量計とは異なり、圧力や温度の補正を行う必要がなく、直接ガスの質量流量を測定するため、真の直接式質量流量計である。c. 圧力・温度補償装置なし：熱式ガス質量流量計は、他の誘導式流量計とは異なり、ガス流量を測定する際に必ずしも圧力および温度検出装置を備える必要はない。**現場での機器設定が簡略化され、故障やメンテナンスの頻度が減少した。d. 圧力損失が少ない：熱式ガス質量流量計は、特殊なセンサー設計により、**流体の流れによって生じるセンサー部の圧力損失を低減し、断面積が既知のあらゆる形状の配管に適用可能である。e. 設置が簡単：熱式ガス質量流量計は設置工事の負担が極めて少なく、挿入型構造を採用しているため、オンラインでの設置やメンテナンスが可能で、**工事費用とメンテナンスコストを削減できます。f. 計測方法が多様：熱式ガス質量流量計は、ユーザーの実際の現場状況や計測要件に応じて、単点計測や多点計測などのソリューションを提供できます。単点測定とは、1台の流量計を直接使用して、配管内の実際のガス流量を測定することです。多点測定は主に大口径パイプラインの流量測定に用いられ、パイプラインの断面に配置された複数の流量計の信号を流量コントローラーに入力して処理し、正確な流量値を得る。これは、企業の技術改革や工程上の制約によって流れ場が不安定になる、大口径流体の計測において非常に有用である。長年にわたる多数の実験研究により、熱式ガス流量計は出力特性が優れており、特に低流量時に高い感度を示し、流量測定範囲は100：1以上にも及ぶことがわかっています。ガス流量測定の分野には特別な応用例があるものの、未解決の問題も多く存在します。低消費電力の問題として、熱式プローブには一定の加熱電流が必要なため、バッテリー駆動による低消費電力動作を実現することは難しい。湿度の影響と補正の問題については、湿度環境の調整や検出が困難であるため、熱式流量計における湿度の影響を示す実験データや補正方法は、現時点では有効なものが存在しない。粉塵の影響についてですが、熱式プローブが長期間にわたって粉塵を含む気流環境下で動作する場合（主に湿った粉塵で、乾いた粉塵はプローブに付着しにくい）、プローブの表面が汚染され、その放熱性能も変化します。これにより流量計の出力特性も変わってしまいますが、具体的な影響度については現時点ではデータで示すことができません。もう一つは、さまざまな媒体が変化する場面で使用できないことです。複数の媒体が混在する作業条件において、各媒体の割合が変わらない場合は、補正係数を用いて補正すれば要件を満たすことができます。また、現場の作業温度が100度以上といった大きな変動を示す場合、熱式ガス流量計を使用すると精度が低下するため、慎重に選定する必要があります。熱式ガス質量流量計の選定方法は？データによると、流量計の故障発生率において、不適切な流量計の選定が約70％を占めています。選定が流量計測にとっていかに重要かがわかる。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、自ら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。できれば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、混合ガスの流量を測定する場合は、各媒体の割合をパーセンテージで示す必要があります。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。どれだけ優れていても、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。分離型を選ぶ場合は、分離距離はできるだけ短くすることをお勧めします。 以上が、ここ数年間の私のいくつかの体験です。皆さんのお役に立てば幸いです。相談したいことがあれば、プライベートで話し合ってください。