我が国の6種類の工業でよく使われる流量計

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　　我が国では現在、工業用流量測定に使用される製品の種類が非常に多く、さまざまなものがあります。汎用型のものもあれば、特定の用途向けのものもあります。技術者が製品を選ぶ際には、うっかりすると間違った製品を選んでしまい、それがプロジェクト全体に損失をもたらすことになります。以下は、これらの製品に対する私のいくつかの見解です。皆さんの選定の参考になればと思います。 　　1. 超音波流量計：　超音波は流動する流体の中を伝播する際、流体の流速に関する情報を運びます。したがって、受信した超音波によって流体の流速を検出し、それを流量に換算することができる。検出方法によって、伝播速度差法（時間差法）、ドップラー法、ビームオフセット法、ノイズ法、および関連法など、さまざまなタイプの超音波流量計に分けられる。音響式流量計は、ここ数十年で集積回路技術が急速に発展したことに伴い利用が始まった非接触型の計測器で、接触や観察が困難な流体や大口径の流量を測定するのに適しています。水位計と連動して、開放流れの流量測定を行うことができる。超音波流量計は、流体内に測定素子を設置する必要がないため、流体の流れの状態を変えず、追加的な抵抗も生じません。また、計器の設置やメンテナンスも生産ラインの運転に影響を与えないため、理想的な省エネ型流量計と言えます。 　　周知の通り、現在の工業用流量計測においては、大口径で大量の流体を計測することが難しいという問題が一般的に存在している。これは、一般的な流量計では計測用チューブの直径が大きくなるほど、製造や輸送が困難になり、コストが上昇したりエネルギー損失が増加したりするなどの欠点があるからだ。しかし、超音波流量計ではこれらの問題を回避することができる。各種の超音波流量計は管外に設置して非接触で流量を測定できるため、計器のコストは基本的に測定対象となる配管の口径の大きさに関係しません。一方、他のタイプの流量計では口径が大きくなるにつれてコストが大幅に上昇します。そのため、口径が大きいほど、超音波流量計の機能性能比は同じ機能を持つ他のタイプの流量計よりも優れています。良好な大口径流量計とされており、ドップラー式超音波流量計は二相媒体の流量を測定できるため、下水道や汚水などの汚れた流体の測定にも使用できる。発電所において、ポータブル型超音波流量計を用いて水車の取水量やタービンの循環水量など、大口径の流量を測定することは、従来のピトー管式流速計よりもはるかに便利である。超音波流量計は、ガスの測定にも使用できる。管径の適用範囲は2cmから5mで、数メートル幅の明渠や暗渠から500m幅の河川まで対応可能です。 　　また、超音波流量計の流量測定精度は、測定対象となる流体の温度、圧力、粘度、密度といったパラメータの影響をほとんど受けず、非接触型や携帯型の計器としても製造できるため、他のタイプの計器では測定が困難な、強腐食性、非導電性、放射性、および可燃性・爆発性の媒体の流量測定問題を解決することができる。また、非接触式測定の特性を活かし、適切な電子回路を組み合わせることで、1台の計器でさまざまな管径や流量範囲の測定に対応できる。超音波流量計の適応能力も、他の計器とは比較になりません。超音波流量計は上記のような利点を持っているため、ますます注目されており、製品のシリーズ化や汎用化が進んでいます。現在では、さまざまな媒体、使用場面、配管条件に対応するため、標準型、高温型、防爆型、湿式型といった異なるタイプの計器が製造されています。 　　2.タービン式流量計：タービン式流量計は速度式の計測器であり、圧力損失が少なく、精度が高く、起動流量が低く、耐震性と耐脈動性に優れ、流量範囲が広く、メンテナンスが容易などの特徴を持っています。タービン式流量計では、タービンを計測対象の流体の中に設置し、ガスが流量計内に流入すると、特殊な構造を持つ整流器によって整流・加速されます。一定の流量範囲内では、タービンの回転速度は流量に比例します。電磁誘導の原理を利用して、流体の体積流量に比例するパルス信号が生成され、この信号は前置増幅器によって整形された後、実際の流量としてLCD画面に表示されます。もし、同じ温度・圧力センサーで検出された信号も一緒にインテリジェント流量計算装置に入力して演算処理を行えば、標準状態での流量が求められ、それもLCD画面に表示されます。タービン式流量計はインペラ式の計測器であり、その動作原理は比較的シンプルです。タービン式流量計の本体には、パイプの中央にタービンが設置されており、その両端はベアリングによって支えられている。流体がパイプを流れるとき、その流れがタービンの羽根に衝突し、タービンに駆動トルクが生じる。このトルクによってタービンは摩擦トルクや流体の抵抗トルクを克服して回転する。一定の流量範囲内で、かつ一定の流体の粘度の場合、タービンの回転角速度は流体の流速と比例する。したがって、タービンの回転角速度から流体の流速を求めることができ、それによってパイプを流れる流体の流量を計算することができる。また、タービンの回転速度は、ケースの外側に取り付けられたセンサコイルによって検出される。タービンの羽根がケース内の永久磁石によって生じる磁力線を切ると、センサコイル内の磁束に変化が生じる。センサコイルは検出された磁束の周期的な変化信号を前置増幅器に送り、信号を増幅・整形して流速に比例するパルス信号を生成する。このパルス信号は、単位変換および流量積算回路に送られ、累積流量値が算出されて表示される。同時に、このパルス信号は周波数電流変換回路にも送られ、パルス信号がアナログ電流値に変換され、それによって瞬間流量値が示される。 　　タービン流量計は速度式流量計の一種で、その音訳により国内では透平流量計とも呼ばれています。タービン式流量計は、測定する媒体の違いによって、ガス用タービン式流量計と液体用タービン式流量計に分けられます。さまざまな流量計の中で、タービン式流量計は再現性が高く、精度が最も優れた製品です。構造がシンプルで部品数が少なく、軽量でメンテナンスが容易、流通能力が高い（同じ口径でより多くの流量を通すことができる）、そして高いパラメーター（高温、高圧、低温）にも対応できるなどです。タービン式流量計は、石油、有機液体、無機液体、液化ガス、天然ガス、都市ガス、低温流体など、以下のような測定対象に広く使用されています。海外の液化石油ガス、精製油、軽質原油などの輸送および集配ステーションでは、大規模な原油輸送パイプラインの始点・終点において、取引決済に大量に利用されている。 　　3.電磁流量計：　電磁流量計は、1960年代に電子技術の発展に伴って急速に発展した新しい型の流量測定計器です。ファラデーの電磁誘導の法則に基づいて作られており、導電性を持つ流体の体積流量を測定するために使用されます。その独自の長所により、現在では工業分野におけるさまざまな導電性液体の測定に広く応用されている。例えば、各種酸、アルカリ、塩などの腐食性液体や、各種可燃性・爆発性媒体、さらには各種工業廃水、パルプ、スラリーなどである。 　　測定原理はファラデーの電磁誘導の法則に基づいています。つまり、導電性の液体が電磁流量計を流れると、その液体内には平均流速V（体積流量）に比例した電圧が発生し、この誘起電圧信号は液体に接する2つの電極によって検出され、ケーブルを通じてアンプに送られ、その後統一された出力信号に変換される。 電磁流量計の測定原理に基づき、流れる液体は最低限の導電率を持つ必要がある。 　　電磁流量計の主な特徴は以下の通りです。
①電磁流量計の送信機の構造はシンプルで、可動部品がなく、流体の流れを妨げるような制御部品もありません。そのため、流体が流れる際に余分な圧力損失が生じることはなく、また摩耗や詰まりといった問題も発生しません。特に、固体粒子を含むスラリーや汚水などの液固二相流体、さらには粘度が高い各種スラリーの測定に適しています。また、構造上可動部品がないため、耐腐食性のある絶縁コーティングを施したり、耐腐食性の高い材料を使用して電極を作ることができ、優れた耐腐食性能を発揮します。これにより、さまざまな腐食性のある媒体の測定にも利用できます。

②電磁流量計は体積流量を測定する装置であり、測定時には測定対象となる媒体の温度や粘度、密度、導電率（一定範囲内）の影響を受けません。したがって、水で校正すれば、他の導電性液体の流量も測定でき、追加の補正は必要ありません。

③電磁流量計の測定範囲は非常に広く、同じ装置で1：10という比率で測定が可能です。また、電磁流量計は測定対象となる媒体の平均流速に比例して動作し、軸対称的な流れの状態（層流か乱流か）には影響されません。

④電磁流量計には機械的な慣性がなく、反応が迅速で、瞬間的な流量の変動も測定できます。また、線形性も良好です。そのため、測定信号をコンバータを介して直接標準信号に変換して出力することができ、現場での表示や遠隔地への送信も可能です。

電磁流量計には上記のような優れた特性がありますが、現在ではいくつかの欠点もあり、そのため使用に制限があります。主な欠点は以下の通りです。
①電磁流量計は、ガスや蒸気、または大量のガスを含む液体の測定には使用できません。
②電磁流量計は、導電率が非常に低い液体の測定にはまだ適していません。測定対象となる液体の導電率は10^-5(S/cm)以上でなければならず、これは蒸留水の導電率に相当します。石油製品や有機溶剤などには使用できません。 　　③測定管の絶縁ライニング材料が温度によって制限されるため、現在の工業用電磁流量計では高温高圧の流体を測定することはできない。 　　④電磁流量計は流速分布の影響を受け、軸対称な分布の条件下では流量信号は平均流速に比例する。したがって、電磁流量計の前後にも一定長さの直管部が必要である。　　⑤電磁流量計は外部の電磁干渉の影響を受きやすい。　　4.渦街流量計（旋渦流量計）：　　渦街流量計はカルマン渦の原理に基づき、閉じた管路内の流体流量を測定する新しいタイプの流量計である。優れた媒体適応能力を持つため、温度や圧力の補正を行わなくても、蒸気、空気、ガス、水、液体の実際の体積流量を直接測定できる。また、温度センサーや圧力センサーを装備すれば、標準状態での体積流量や質量流量も測定可能であり、節流式流量計にとって理想的な代替製品である。渦街流量計とは、流体の中に1本（または複数本）の非流線形な抵抗体を設置し、流体がその抵抗体の両側で交互に分離して規則的な渦を生み出すものです。一定の流量範囲内では、渦の分離頻度は管内の平均流速に比例します。さまざまな形態の検出素子を用いて渦の頻度を測定することで、体積流量を算出します。渦街流量計は、液体、ガス、または蒸気の測定に適しています。 　　動く部品もなく、汚れの心配もありません。渦街流量計は騒音を発生させ、また渦を生成するためには流体の流速が高いことが求められます。渦街流量計は、センサーに使用される検出プローブが渦発生体と分離しているため、また、耐高温性を持つ圧電結晶片が媒体に触れないため、構造がシンプルで汎用性が高く、安定性に優れているという特徴を持っています。 　　渦街流量計は、ガス、液体、蒸気など、さまざまな媒体の工業用パイプラインにおける流体流量の測定に主に使用されます。その特徴は、圧力損失が少なく、測定範囲が広く、精度が高いことであり、測定対象の体積流量においては、流体の密度や圧力、温度、粘度といったパラメータの影響をほとんど受けません。可動部品がないため、信頼性が高くメンテナンス量も少ない。計器のパラメータは長期にわたって安定します。信頼性が高く、-20℃～+250℃の動作温度範囲で動作可能です。模擬標準信号とデジタルパルス信号の両方が出力される。5.フロート式流量計（ローター式流量計）：金属管フロート式流量計は、実際には可変面積式流量計である。通常、垂直な円錐形の管と、その中で流量の大きさに応じて自由に上下に動くフロートを備えている。流体が下方から上方に向かって円錐管を流れると、流体の運動エネルギーによってフロートに生じる推力Sと、流体の浮力Aによってフロートが上昇する。円錐管の内壁とフロートとの間の環状流路面積が大きくなるにつれて、フロート上で生じる流体の運動エネルギーによる推力Sは低下する。推力Sと浮力の合計が浮子自体の重力Gに等しくなると、浮子は平衡状態となり、ある一定の高さで安定する。この高さに対応する目盛りが、流量計を通過する流量を示す。センサーは流量の大きさをフロートの変位量に変換し、磁気結合システムを通じてそのフロートの変位量をコンバーターに伝え、流量の大きさを示します。 　　フロート式流量計は、工業の自動化プロセス制御においてよく使用される、面積流量を測定する計器です。体積が小さく、検出範囲が広く、使いやすいなどの特徴があります。液体、ガス、および蒸気の流量を測定するために使用でき、特に低流速・小流量の媒体の流量測定に適しています。 　　6. 熱式（ガス）質量流量計：　熱式ガス質量流量計は熱拡散原理を利用しており、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す。その典型的なセンサー要素には2つの熱抵抗（プラチナRTD）があり、1つは速度センサーで、もう1つはガスの温度変化を自動的に補償する温度センサーです。これら2つのRTDが媒体内に置かれると、一方の速度センサーは環境温度よりも高い一定の温度差で加熱され、もう一方の温度センサーは媒体の温度を検出するために使用される。速度センサーを流れるガスの質量流量は、センシング素子の熱伝達量によって計算される。ガスの流速が上がると、センサーが媒体に伝える熱量が増えるため、より多くの電力が供給される必要がある。そして、電子ユニットがRTDを加熱するための電力は、質量流量と一定の関係にある。 　　熱式ガス質量流量計は、ガス流量計測における新しいタイプの計器であり、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できます。1つのセンサーで極めて低い範囲から高い範囲までの測定が可能です。単一ガスおよび一定比率の複数成分ガスの測定に適しています。その原理は、流体が熱を吸収する速度が質量流量と直接関連しているというものです。移動する気体分子が熱抵抗に衝突すると熱を吸収して運び去り、流量が大きいほど熱抵抗に接触する分子が多くなり、吸収される熱量も多くなる。熱の吸収は、ある気体の分子数や熱的特性、流動特性に関連している。