渦街流量計の動作原理

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一、動作原理　流体中に渦発生体（抵抗体）を設置し、渦発生体の両側から交互に規則的な渦が発生する。この渦をカルマン渦列と呼び、図1に示す。渦列は渦発生体の下流で非対称に配列する。渦の発生周波数をf、測定対象となる流体の平均流速をU、渦発生体の正面幅をd、表面の直径をDとする。カルマン渦列の原理により、次の関係式が成り立つ：f=SrU1/d=SrU/md （1）ここで、U1は渦発生体の両側の平均流速で、単位はm/sである；Sr--ストラウハル数；m――渦発生体の両側のアーチ状部分の面積と、管の断面積との比率。図1 カルマン渦列における管内の体積流量qvは、qv=πD²U/4=πD²mdf/4Sr (2)となる。また、K=f/qv=-1 (3)。ここで、Kは流量計の計器係数であり、パルス数/m³（P/m³）で表される。Kは、渦発生体や管路の幾何学的寸法に関連するだけでなく、ストラウハル数にも関連している。ストラウハル数は無次元パラメータであり、渦発生体の形状やレイノルズ数に関連しています。図2は、円柱状の渦発生体におけるストラウハル数と管路のレイノルズ数の関係を示したものです。図からわかるように、ReD=2×104～7×106の範囲ではSrは一定値と見なすことができ、これが計器の正常な動作範囲である。ガス流量を測定する際のVSFの流量計算式は、図2のストラウハル数とレイノルズ数の関係曲線に示されており、qVnおよびqVは、それぞれ標準状態（0℃または20℃、101.325kPa）および運転状態における体積流量で、単位はm3/hです；Pn、Pはそれぞれ標準状態および運転状態における絶対圧力で、単位はPaです；Tn、Tはそれぞれ標準状態および運転状態における熱力学的温度で、K単位；Zn、Zは、それぞれ標準状態および運転状態におけるガスの圧縮係数である。上式からわかるように、VSFが出力するパルス周波数信号は流体の物性や成分の変化の影響を受けず、すなわち計器係数は一定のレイノルズ数範囲内では渦発生体および管路の形状寸法などにのみ関係している。しかし、流量計として物質収支やエネルギー計量において質量流量を測定する必要がある場合、流量計の出力信号では体積流量と流体の密度の両方を同時に監視しなければならず、流体の物性や組成も流量計測に直接的な影響を与えます。二、構造 VSFはセンサーとコンバータの2つの部分で構成されており、図3に示す通りである。センサーには渦発生体（抵抗体）、検出素子、計器本体などが含まれる；コンバータには、プリアンプ、フィルター整流回路、D/A変換回路、出力インターフェース回路、端子、支持枠、保護カバーなどが含まれる。近年、スマート流量計ではマイクロプロセッサや表示・通信、その他の機能モジュールもコンバータ内に搭載されている。図3 渦街流量計（1）渦発生体　渦発生体は検出器の主要な部品であり、計器の流量特性（計器係数、線形性、測定範囲など）および抵抗特性（圧力損失）と密接に関連している。その要求事項は以下の通りである。1）渦が渦発生体の軸方向に同期して分離するよう制御できる；2）広いレイノルズ数範囲において、安定した渦の分離点が存在し、ストローハル数が一定に保たれる；3）強力な渦街を発生させ、信号の信号対雑音比が高い；4）形状と構造がシンプルで、加工や幾何学的パラメータの標準化が容易であり、さまざまな検出素子の取り付けや組み合わせも可能；5）材質は流体の性質に適合し、耐腐食性、耐摩耗性、および温度変化に対する耐性を有する必要がある；6）固有周波数は渦街信号の周波数帯域外にある。図4に示すように、形状の多様な渦発生体が開発されており、それらは単一渦発生体と複数渦発生体の2つに分類される。単一渦発生体の基本形は円柱、長方形柱、三角形柱であり、他の形状はすべてこれらの基本形の変形である。三角柱形の渦発生体は、図5に示すように、最も広く利用されているタイプです。図中のDは計器の口径です。渦街の強度と安定性を向上させるために、複数の渦発生体を使用することができるが、その適用は一般的ではない。d/D=0.2～0.3；c/D=0.1～0.2；b/d=1～1.5；θ=15°～65°⑵検出素子式流量計には、渦の信号を検出する5つの方法がある。1）渦発生体に設置された検出素子を用いて、発生体の両側の圧力差を直接検出する；2）渦発生体に圧力導入孔を設け、その圧力導入孔に検出素子を取り付けて発生体の両側の圧力差を検出する；3）渦発生体周囲の交番環流の検出；4）渦発生体背面の交流圧力差の検出；5）尾流中の渦列の検出。これら5つの検出方法に基づき、異なる検出技術（熱感応、超音波、応力、ひずみ、静電容量、電磁気、光電、光ファイバーなど）を用いることで、表1に示すようにさまざまなタイプのVSFが構成される。表1 旋渦発生体と検出方式一覧表
検出素子は渦街信号を電気信号に変換するが、この信号は微弱でありさまざまな成分のノイズを含んでいるため、流量に比例したパルス信号を得るためには増幅、フィルタリング、整形などの処理が必要である。⑶ 変換器の検出方式に応じて、表2に示すような異なる特性を持つプリアンプを装備する必要がある。⑷ 計器本体は、図7に示すように、クランプ式とフランジ式に分けられる。図7 計器本体 三、取り付け上の注意事項 VSFは、配管内の流速分布の歪みや回転流、流動の脈動などに敏感な流量計であるため、現場での配管の取り付け条件に十分注意し、製造元が定めた取扱説明書の要求に従って行う必要がある。VSFは屋内または屋外に設置できます。地中に設置する場合、水没の可能性があるため、シーラント型センサーを選ぶ必要があります。センサーは配管上に水平、垂直、または傾斜して取り付けることができますが、液体やガスを測定する際には気泡や液滴の干渉を防ぐため、取り付け位置には注意が必要であり、図16に示す通りです。図16 混相流体の取り付け (a) 液体を含むガスの流量計の取り付け；（b）気泡を含む液体の流量計を設置する際には、図17に示すように、上下の直管区間に必要な長さが確保されていることがVSFの取り付けにおいて不可欠である。様々な資料においてデータに差異があるのは、渦発生体がまだ標準化されておらず、形状や寸法の違いがどれほど影響するかがまだ検証されていないためかもしれない；各種の抵抗部品に必要な直管区間の長さに関する実験研究はまだ不十分であり、未成熟な状態にある。節流型差圧流量計と比較して、この分野の研究はまだ初期段階にある。図17 タービュレンスフローメーターにおける上下流の直管部長さの要求条件 （a）90°エルボ；（b）同心拡管；（c）同心収縮全開バルブ；（d）異なる平面にある2つの90度エルボ；（e）調節弁　半開状態；（f）同一平面にある2つの90°エルボセンサーと配管の接続は図18の通りである。配管と接続する際は、以下の点に注意してください。図18 センサーと配管の接続 1）上流・下流の配管内径Dとセンサーの内径D`は同じであり、その差は以下の条件を満たす：0.95D≤D`≤1.1D。2）配管はセンサーと同心でなければならず、同軸度は0.05D`未満でなければならない。3）シールパッドは配管内に突き出てはならず、その内径はセンサーの内径より1～2mm大きくてもよい。4）流量遮断検査およびセンサーの洗浄が必要な場合は、図19に示すようにバイパス配管を設置する必要がある。図19 旁通配管の概念図5）振動がVSFに与える影響を軽減することは、VSFの現場設置において重要な課題として注目すべきである。まず、センサーの設置場所を選ぶ際は、振動源を避けるように心がけてください。次に、小口径に弾性ホースで接続する方法も検討できる。第三に、配管支持物の設置は効果的な減振方法であり、ある配管支持方法は図20に示されている。図20は、配管支持の設置例であり、前後の直管部分や流量調整器などを含む一式の設置内容です。これらは高精度な測定を実現するための手段であり、特に製造工場でこれらを組み立てることで設置品質がより確保されます。図21はその設置例を示しています。図21 高精度測定の配管設置および電気設置においては、センサーとコンバーターの間はシールドケーブルまたは低ノイズケーブルを用いて接続することが重要であり、その距離は取扱説明書で定められた範囲を超えてはならない。配線する際は、高出力の電源線から離して行い、できるだけ別の金属カバーで保護すること。「一点接地」の原則に従い、接地抵抗は10Ω未満でなければならない。全体型と分離型のいずれもセンサー側でアースする必要があり、コンバーターのケースのアース点はセンサーと「同じアース」にしなければならない。四、故障の現象と対処法