真・MFC千夜一夜物語 第229話 MFCの制御不良とは? その11

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2017年3月号(2/25発売)で連載32回を迎えさせて頂きました。
MassStream_06.jpg
3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、水素、ヘリウム、アルゴン、アンモニアを取り上げ、運用上の注意点等を解説しています。
特にアンモニア制御にうってつけのDecoの一押しであるMASS-STREAMも出てきますよ!
本ブログと併せて、宜しくお願い致します。

今回からはMFCは制御しようとするのだけれど、その流量制御の過程がおかしな場合のお話です。今回は「応答遅れ」ですね。

・ガス導入時に応答が遅れる
この問題は、前回のオーバーシュートの話と同じくMFC応答調整に問題がある場合、PID定数設定が不適切な場合に生じます。
簡単に言えばオーバーシュートを起こす原因と逆方向なだけです。
MFCに搭載されている熱式流量センサーの生出力の応答性能は悪いですよ=遅いですよという話をしてきました。
熱移動を捉えるという原理からして、熱が早く移動するわけはないのですから、当たり前です。
PID制御はP=Proportional(比例)、I=Integral(積分)、D=Derivative(微分)で、それぞれが「現在の偏差」、「過去の偏差の累積値」、「未来の偏差の将来予測」に基づいて流量出力(PV)=流量設定入力(SV)になるよう制御を行うのですが、それがだるい調整を施したMFCは応答性がダラダラと立ち上がる応答遅れを起こしやすいのです。

ですが、流量制御特性がスローだというのは、あるプロセスでは必ずしも悪ではありません。
チャンバーの真空を破壊してしまったり、パーティクルを巻き上げるオーバーシュートなんかよりも御しやすいところがあります。
”過ぎたるは、なお及ばざるがごとし・・・”なのでしょうか?
しかし、高速応答を前提にプロセスが組まれているような装置では確実に命とりです。

これが仕様に記載された条件と、現実のそれからの異差が原因で生じている場合は、速やかに条件を修正すべきでしょう。
MFCの使用される圧力条件が、本来の仕様にある圧力条件とは異なる、非常に差圧の小さい場合や、仕様ガスよりも重いガス、例えば水素(H2)のMFCに六フッ化硫黄(SF6)を流そうとした場合にこういった応答遅れは発生しやすいのです。
圧力条件ならばボンベからの供給圧を上げてやることで解決します。
この問題が生じている時に怖いのが、たまたま設定流量が少なめで制御させている場合で、将来的にレシピの変更で設定流量を大きくした時にMFCの必要差圧が取れずに設定信号(SV値)と流量信号(PV値)が一致しないトラブルへ発展することがあります。
そういった意味ではより大きなトラブルの前兆ともとらえることができます。

仕様上の問題はそのままで、どうしてもMFCでなんとか対応したい場合は、オーバーシュートと同じく現場でMFCを再調整するしかありません。
PCと通信して応答特性を調整できるツールの出番です。
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こういったツールは、メーカーにより互換性がないものですから、使用しているMFCにそういったデジタルツールが用意されているかを確認しておいた方がいいでしょうね。

最後に”MFCというパッケージで比較した場合は、ソレノイドアクチュエーターモデルはピエゾモデルより応答が遅いという訳ではないのですよ”とDecoがよくご説明します。
これらのアクチュエーターは、そもそも熱式センサーの生出力の応答性能より格段に速いのですから・・・
でも、サーマルアクチュエーターだけは別です。
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このアクチュエーターは、MFCの最初の世代のベストセラー FC-260やSEC-400シリーズに搭載されており、熱膨張率のよい素材をヒーター線で温める事で“伸ばす“アクチュエーターです。
(よくサーマルMFCというとアクチュエーターが、このサーマルアクチュエータータイプの事を言うと勘違いしておられるお客様がおられましたが、ここでいうサーマルはセンサーの“熱式“のことです。)
サーマルアクチュエーターはセンサーの応答性能よりはるかに遅いので、先ほどお話しした応答性の再調整は、かなり難しいと考えた方がよいです。
いや、そもそもこの世代にデジタルMFCは無いので、PCから現場で再調整などというスマートな手法は使えませんが・・・

この世代のMFCが2017年に活躍している図は無いとDecoは思っています。
ただ、大学の研究室にお邪魔するとヒョコっと現れますので、念の為・・・

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

02/25のツイートまとめ

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RT @hello_pantech: 明日はピザ祭り🍕🍕🍕150円と200円のピザをお出しします🌼お楽しみに😍🍕 https://t.co/q1lC8BVTzU
02-25 21:04

02/23のツイートまとめ

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RT @BronkhorstJP: ブロンコスト/サービスのblog : [FAQ]測定値と設定値が一致しているマスフローは健全か https://t.co/XOc9gwKXcb
02-23 06:22

02/22のツイートまとめ

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02-22 11:53

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02-22 11:52

RT @kentakeuchi2003: フラッシュメモリの発明は、当時東芝のエンジニアだった舛岡先生の「HDDを半導体メモリで置き換える」という夢で始まった。奇想天外に見えた舛岡先生の夢が実現しつつある時に、東芝のフラッシュメモリ事業は海外企業に売却され、東芝本体にはHDD事…
02-22 11:52

コンバージョンファクターは1つではない

コンバージョンファクター(CF)のお話です。
校正基準ガス(N2もしくはAir)からマスフローで使用するガスへの流量換算係数のことです。

「あるガスのCFを教えてください」というお問い合わせに対し、「メーカー、型式、分流構造、温度、圧力により異なるので、即答はできませんよ。」と回答して、不思議そうな顔をされることがあります。
N2=1、Ar=1.4、といった形の明快な回答をお望みとしたら、すみません。
CFは1つのガスに1つとは限りません。
むしろマルチCFであると考えてもらった方がいいのです。

<熱式流量センサーの原理>
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最近やってしまったDecoのミスの話をしましょう。
H2 1500ln/min(=L/min[N] 0℃,1013hPa校正)レベルの大流量MFMの引き合いを頂いた際に、”H2のCFはほぼ1の筈だから、ブロンコストのEL-FLOWの最大流量は1670ln/minとカタログにあるし、少々CFに曲がりがあっても大丈夫だな。”と、ご紹介してしまったのですが、後からブロンコストさんのFLUIDAT® on the Netで計算したり、ブロンコスト・ジャパンさん問い合わせてみたら・・・
「EL-FLOWシリーズでH2 1500ln/minは、Air換算したらモデル上限の1670ln/minを超えてしまうから流せない・・・」
という結果になり、お客様にお詫びすることになってしまいました。

以下はFLUIDAT® on the NetでH2とN2のCF計算をしてみた結果です。
*ブロンコストは大流量に関しては校正ガスはAirですが、記事中でのCFの説明上、基準をN2にわざと変えて計算しています。
170221_01.jpg

F.S.10%では0.9964だったCFが100%では0.8590と大きく曲がっているのがわかるかと思います。
試しにこの1/100のスケールで計算してみると・・・

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1.014~1.048 徐々に増えてはいますが、まだ1の周辺ですよね?
この感覚で大流量モデルのサイジングを考えてしまったのが、今回のDecoの落とし穴でした。

反省、反省・・・お客様、ごめんなさい

ブロンコストさんは便利なツール FLUIDAT® on the Net を公開しておられます。
登録いただければ、無償でお使いいただけます。
(コンペジターの方は無理でしょうけど・・・)

こういった便利なツールを活用して、Decoのように経験があだとなる思い込みで失敗しないよう、皆さんは気を付けてくださいね!

MFC豆知識 by EZ-Japan Deco



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02/20のツイートまとめ

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RT @Yam_eye: これだけのことなのにこんなにワクワクする。そこにデザインのヒントがある。 https://t.co/5QApxh3rJX
02-20 16:52

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RT @BronkhorstJP: ブロンコスト/マスフローのblog : 供給圧力・差圧変動時のマスフローコントローラの挙動 https://t.co/Gh6qTkIdrV https://t.co/gbqR4DQ67r
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02/17のツイートまとめ

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RT @jascokun: 技術情報のWeb基礎セミナーに、超臨界流体の基礎(2)「超臨界流体関連技術の歴史」を掲載しました!https://t.co/dCgplYe3ch
02-17 09:08

RT @AIST_JP: 【プレスリリース】ナノ炭素材料の安全性試験総合手順書を公表―自主安全管理を支援し、CNT、グラフェンの普及拡大に貢献―https://t.co/RILVjHFZHO https://t.co/ovfLNHf0Qn
02-17 09:08

RT @AIST_JP: CNTなどのナノ炭素材料を扱う事業者や試験機関の自主安全管理を支援するために「ナノ炭素材料の安全性試験総合手順書」を完成し、公表しました。製造・加工現場の自主安全管理を支援することで、ナノ炭素材料の普及拡大に貢献します。https://t.co/RIL
02-17 09:08

RT @AIST_JP: 2/17まで東京ビッグサイトで開催されているナノテク展に出展しています!高強度でよく延びるバルクナノ結晶合金など、最新のナノテク材料・デバイス関連の研究や食糧・水の安定供給のための技術を展示しており、研究者が直接ご説明いたします。産総研ブース5V-03…
02-17 09:08

02/15のツイートまとめ

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RT @Hikoujima95: *焙煎出来立て情報・H29,2月14日*本日のお勧めは【トラジャ】シティローストです。スッキリとした苦味をお楽しみいただけます。そのほか数種類出来立てです‼︎ https://t.co/HjHrttAXzJ
02-15 08:55

02/14のツイートまとめ

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RT @Hikoujima95: *焙煎出来立て情報・H29,2月13日*本日のお勧めは【マンデリン】フレンチローストです。独特な苦味をお楽しみいただけます。そのほか数種類出来立てです‼︎ https://t.co/97ElRoH7ff
02-14 10:57

真・MFC千夜一夜物語 第228話 MFCの制御不良とは? その10

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2月号(1/25発売)で連載31回を迎えさせて頂きました。
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2月号では、コンバージョンファクター(CF)に関する少し掘り込んだ解説から始まり、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)種による注意事項を解説しています。
本ブログと併せて、宜しくお願い致します。

さて、「ガス導入時のオーバーシュートが過大」というMFCの制御不良の解説の続きです

今回解説しますのは、MFC側の応答調整、PIDの微調整では解決できない=MFCの制御の問題ではなくて生じるオーバーシュートに解説です。
実はこの解説はすでに何度かこのブログでお話ししています。
MFCが流量設定入力値(SV値)と流量出力値(PV値)を常にイコールにしようと制御しようとするシステムであるが故に発生するトラブルです。

① ガス導入時にMFCの流量制御バルブが全開になってしまっているパターン

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上図を見ていただければ思い出していただけたかと思います。
MFCの設定信号を入れた状態で前後の閉止バルブを閉めた状態にすると、MFCにはSV>PVの状態が発生します。
その為、MFCはSV=PVとなるようバルブ制御信号(MV値)をバルブがより開く方向へ出力してしまいます。
しかし、ガスは止まっていますから、PVそこに閉止バルブが開いてガスが流入してくると、当然MFCの制御は最大流量から始まってしまいます。
しかも、熱式流量センサー、特に直接流体に接触しない構造の巻線式は応答性が決して良くないので、多量のガスが流れてしまったことを検知するのにラグが生じるので、バルブがPV=SVになるようクローズ方向へ制御に入るのは大量のガスが流れた後になったしまうことが多いです。

最悪のパターンは、古い設計の巻線式センサーを積んでいるMFCで熱を奪う能力が高いガス(二酸化炭素等)を使用していた場合、センサー部で与えている熱を流体が奪いきってしまい過冷却状態となり、しばらくセンサー出力がダウンしてしまい、実流量よりはるかに少ないPVしか出力しなくなった為に、やはりPV
この問題はMFCへ流量設定信号を送る制御側に主たる責任があります。
バルブの開閉タイミングに合わせてMFCへの流量設定信号も可変させる事で解消ができます。
つまり流体が流れないときは、設定信号もゼロにするかバルブを強制的に閉モードにするように工夫しておけば、避けられるトラブルなのですね。

【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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02/13のツイートまとめ

Kuroda_EZJ

RT @gizmodojapan: スティーブ・ルカサーも絶賛。TOTOの『Africa』ブルーグラスアレンジ https://t.co/uT9QQvUCmF https://t.co/WPzagtrrYv
02-13 11:40

RT @AIST_JP: 日経テクノロジーonlineに記事「"見えないモノ"の可視化に向け、産総研がセンサー開発加速」を掲載しました。ノロウイルスや肺がん検知、生体情報モニタリング、インフラ監視などIoT/CPSに向け実用化が近いセンサー技術を紹介します。https://t…
02-13 11:32

RT @Bronkhorst: In 3D metal printing processes, Bronkhorst Mass Flow Controllers are used for efficient shielding gas supply https://t.co/m
02-13 08:06

RT @BronkhorstJP: ブロンコスト/マスフローのblog : 防塵防滴のマスフロー用延長ケーブル https://t.co/dWr03TmmS8 https://t.co/BXkmAajTB0
02-13 08:06

RT @Yam_eye: 「人間の手ってなんて美しいんだ」と思いながら描いてる絵だと思います。 https://t.co/acZps7lx43
02-13 08:02

RT @Hikoujima95: *焙煎出来立て情報・H29,2月11日*本日のお勧めは【ケニアマウンテン】シティローストです。スッキリとした苦味をお楽しみいただけます。そのほか数種類出来立てです‼︎ https://t.co/zDbahh2tXs
02-13 08:01

02/12のツイートまとめ

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RT @Bronkhorst: Bronkhorst e-commerce channel Mass Flow ONLINE released two MASS-VIEW's for higher gas flow rates (max. 500 ln/min) https:/…
02-12 11:06

02/09のツイートまとめ

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RT @BronkhorstJP: [FAQ]アスベスト含有について…欧州の法律で禁止されており、使用しておりません。
02-09 09:01

RT @BronkhorstJP: [FAQ]RoHS対応について…対応のもの、対象外のものなど製品により異なります。お問い合わせ下さい。
02-09 09:01

02/08のツイートまとめ

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RT @BronkhorstJP: ブロンコスト/サービスのblog : 再校正・修理不可案件 https://t.co/JLAPNMBR5N https://t.co/CBc5iciB0t
02-08 09:19

微小流量マスフローでお困りではありませんか?困ったときのブロンコスト頼み その2

前回からの続きです。
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微小流量のマスフローコントローラ(MFC)&マスフローメーター(MFM)は、なぜ製造が難しいのでしょうか?

マスフローのセンサーには5~10SCCMの流量が流れてしまいますので、それより小さいフルスケールレンジの製品を作ろうとすると、まず層流素子(バイパス)への流れを遮断して、センサーチューブだけにガスが流れるようにしなくてはなりません。
(つまりセンサーを流れる流量以下に微小流量用マスフローは全量計測をしています。)
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更に物理構造でセンサーに流れる流量を制限するか、もしくはそのまま流して微小レンジをピックアップして増幅するかでセンサーのスケールをダウンさせないといけません。この手法は不安定要因(前者の場合、流量制限機構が及ぼす流れへの影響、後者の場合、SN比の悪化)を抱えるため歩留まりが悪くなります。

また、この微小流量をどうやって校正するのか?という一番大きな問題も生じます。
例えば(株)平井さんの国際MRA対応JCSS校正証明書付きの音速ノズル方式気体流量校正システムhttp://www.hirai-system.com/kousei_mr/ の最低流量は10mL/min、直接校正をお願いした場合でも5mL/minです。
FS=1SCCMのマスフローの校正はできません。
ボリュームメーターでやっても・・・ボリュームメーターで測定できるレンジに到達するまで延々と気の遠くなる時間をかけて微小流量で流体を流し続けないと測定できる流量に達しません。昔、微小流量校正作業中とは知らずに、校正室のドアを開けて室内に気圧変動を起こしてしまった結果、微小流量MFCの校正を台無しにして怒られた若き日のDecoがいたりします。
部屋の気圧変動が影響するくらいなのですから、こういった難易度の高い作業は、他の流量レンジのマスフローと一緒に作業できるはずもなく、人が少なくなった時間帯で作業されることもありました。つまり微小流量マスフローは、工場の生産性そのものを落としての対応が必要とされてしまう性格の製品であり、今の合理化が叫ばれる風潮では敬遠されやすい製品なのですね。

では、ご紹介したブロンコストさんはどうかというと、基本的な構造や製造時の負荷は同じはずですが、全てのマスフローの調整がデジタル化で人の手を介さない自動調整であることのメリットがあると思います。
海外工場で生産して輸入されるが故に、国産の製品よりも輸送工程での時間がかかるのはどうしようもない事なのですが、それでも4週間強で微小流量マスフローはお届けできています。
(当然繁忙期などにはもっとかかることもあると思いますが・・・)

もう1点加えるなら、“流量測定機器”というニッチな分野に製品を送り出すということの責任を理解しておられる、言い換えるなら”流量測定メーカーとしての矜持“を持つ企業さんだからかもしれません。
流体測定&制御には細かな仕様があります。
ガス種だけで100以上、それが微小流量から大流量まで。
その中で一番数が出る美味しいところだけをやりたいのは経営者としては当然なのかもしれませんが、ある意味で供給責任を放棄する行為でもあります。
この業界経験が長い経営者は自社の顧客を裏切る行為と躊躇しますが、他業界から来たビジネスクールで学んできたような経営者は、容易に決断しがちなのかな?とも思います。
Decoには後者のそれは顧客に対する“信義の不履行”に思えるのですが・・・

実はブロンコストグループにはBronkhorst Calibration CentreというISO17025(検査、分析、測定などを行う試験所及び校正業務を行う機関に対する品質要求)を取得し、オランダのVSLに基づく校正事業を生業とする部門があります。
VSLは相互承認協定(MRA)により米国NISTや日本のNMIJと互換がありますから、こちらで発行された校正証明書は日本国内で発行されるJCSS流量校正証明書と同等です。

170207_02.jpg
Bronkhorst Calibration Centre Data Sheetより引用
正直、こういった校正機関を社内で持つということは、コストだけを考えたら大きな負担となるはずです。
でも、それが製品への大きな信頼へとつながります。

流量測定&制御業界に長年携わり、その社会的な責任を理解し、流量測定に関してここまで真剣に取り組んでいるメーカーだからこそ、Decoが今一番強くお勧めしているメーカーさんなのです。
是非一度お試しを!

【EZ-Japanここでもう一押し】by Deco EZ-Japan

02/06のツイートまとめ

Kuroda_EZJ

RT @BronkhorstJP: ブロンコスト/マスフローのblog : MASS-VIEWの流量単位切り替え https://t.co/UfnO0ejW89 https://t.co/Kqfq0N2zr9
02-06 12:39

02/04のツイートまとめ

Kuroda_EZJ

RT @Hikoujima95: *焙煎出来立て情報・H29,2月3日*本日のお勧めは【コロンビア】シティローストです。ほどよい苦味と酸味のバランスをお楽しみいただけます。そのほか数種類出来立てです‼︎ https://t.co/SxnhD2XMYI
02-04 20:31

02/02のツイートまとめ

Kuroda_EZJ

RT @BronkhorstJP: ブロンコスト/マスフローのblog : 分析機器搭載用 液体用マスフローメータ https://t.co/cwpnHOhbm9 https://t.co/ujPbiEjq6D
02-02 14:10

02/01のツイートまとめ

Kuroda_EZJ

RT @BronkhorstJP: ブロンコスト/サービスのblog : MFC詰り https://t.co/cdE7SSn1oG https://t.co/gKx1vhnYcV
02-01 13:42

日本工業出版(株)計測技術2017年2月号発売中です。マスフロー千夜一夜物語<質量流量計の基礎>第31回が掲載されてます。宜しくお願いしします。 https://t.co/Mg7l3HmcPT
02-01 13:33

01/31のツイートまとめ

Kuroda_EZJ

RT @hello_pantech: 本日の500円プレートはあんバターー😍💋😍 https://t.co/SBnqITvHnL
01-31 17:07

RT @Hikoujima95: *焙煎出来立て情報・H29,1月31日*本日のお勧めは【エチオピア・モカ】シティローストです。芳醇な香りをお楽しみいただけます。そのほか数種類出来立てです‼︎ https://t.co/wbLNgoyQyY
01-31 17:07

プロフィール

EZ-Japan(イージージャパン)代表 黒田 誠

Author:EZ-Japan(イージージャパン)代表 黒田 誠
MFC千夜一夜物語のDeco こと 黒田 誠 です。
2014年6月より流体制御機器マスフローコントローラーを中心に”流体制御関連の万(よろず)屋”EZ-Japan(イージージャパン)として開業いたしました。

流体の流量・圧力・温度に関わる計測・制御技術の伝承と、新技術のご紹介を行うエバンジェリスト(伝道師)の仕事を生業といたしております。

日本工業出版さんの「計測技術」誌で”マスフロー千夜一夜物語”の連載を続けさせて頂いています。

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