【プラント設計の基礎】流量測定方法について代表的な方法を解説！【差圧・電磁・渦】

液体の体積流量は、化学、精製、石油とガス、水/廃水、電力、医薬品、食品と飲料、その他を含む多くの産業におけるプロセスの監視と制御にとって最も重要なパラメータの1つです。

流れは安全な範囲内に保たれなければなりません。流量の監視は、低または高 – 低条件が破られた時期を示します。これらはしばしばオペレータへの警報として提供されます。

リアルタイム制御では、流量を制御システム内のインターロックとして使用することができます。たとえば、タンクや容器が空になる前に遠心ポンプを停止させることなどです。

流量測定情報の主な用途は、PID制御ループ内のプロセス変数として連続プロセスを最適化することです。例えば、流量測定値を制御弁位置決めループ内のプロセス変数フィードバックとして使用して、設定値をその所望の値にまたはその近くに維持することができる。

液体の体積流量を測定するために使用される3つの主要な技術は、差圧、渦、そして電磁流量計です。

特定のアプリケーションのためのこれら3つの測定方法の中からの選択は、多くの場合、類似の状況下で以前にどの技術がうまく使用されたかに基づいています。

流量測定の専門家と相談することで、代替手段の特定や、流量測定とプラントの性能をさらに向上させる可能性がある最近の技術革新に関する情報など、さらなる洞察を得ることができます。

差圧、渦、および電磁流量計に関する測定上の課題は、新しいテクノロジを採用することで解決できます。

差圧で流量を測定する

差圧による流量測定は、最も一般的で実績のある流量測定技術であり、数十年間使用されてきました。

差圧流量計は、特に給水ラインや排水ラインに見られるような大きなラインサイズ（通常は直径8インチ以上）のアプリケーションで、体積流量を測定するための費用対効果の高い方法です。

他の技術とは異なり、差圧流量測定は導電性および非導電性の流体で使用できるため、広範囲の気体や液体で使用できます。

差圧流量計の主要要素は、配管内に絞りを設けることによって圧力降下を生じます。この圧力降下は差圧トランスミッタによって測定されます。オリフィスプレート、ピトー管（パイプ内の媒体の静圧と流動圧力の差を測定する）、で絞りを作成することによってベルヌーイの式を用いて流速を計算することができます。

差圧流量計は広く適用可能です。差圧流量測定の問題は、流れの乱れを減らすためにオリフィスプレートの前に配管の直径の10倍の直管、出口側には直径の5倍の直管が必要です（厳密にはエルボがある場合などによって多少違いますのでJISを参考にしてください）。

距離制限内で配管が曲がるとオリフィスプレートでは測定が不正確になる可能性があります。

渦流量計

渦流量計は、カルマン渦に従って流体の流れを測定します。ここでは、障害物に衝突する流体が、流体の速度に比例した周波数で障害物の背後に交互の渦または低圧領域を生成します。測定された周波数は流速に変換され、流速は体積流量に変換されます。

工業用渦計は1968年に導入され、蒸気、ガス、およびきれいな液体の流れを測定するためによく使用されてきました。すべての流量計測技術と同様に、渦計を適用する際には課題と解決策があります。

典型的な渦設計は、渦を生成するのに必要な動きを生成するために、センサまたは開口障害物の周りに小さな自由空間または隙間を有します。流体中の粒子状物質は隙間を詰まらせ、センサーの動きを妨げ、不正確な流量測定をもたらします。

「低流量カットオフ」と呼ばれる最小流量が渦を形成するために必要とされます。測定範囲の下限流量はこの最小値を下回る可能性があるため、測定できず速度を上げるために流量計と配管のサイズを小さくする必要があることがよくあります。

レデューサー渦流量計は、高価なプロセス配管を変更することなく低流量の測定を可能にするように設計され、メーター本体に組み込まれた同心円状のレデューサーを持っています。現場で追加の上流と下流の配管の必要性を排除します。

場合によっては、体積流量ではなく質量流量が推奨されます。

例えば、プロセス – 蒸気効率計算では、飽和蒸気流の好ましい測定単位は、体積率とは対照的にkg/hです。

圧力計または温度補正を使用して渦計が流体の質量流量を測定できるようにすることができます。これらの補正測定値をメーターに統合すると設置コストと複雑さが軽減されます。

電磁流量計

電磁流量計は、導電性流体が磁場を通過するときに電圧が発生するというファラデーの電磁誘導の法則の原理に基づいて動作します。発生する電圧は、次の式で表される磁界の強さ、導体の長さ、および導体の速度に比例します。

E = KBLV

ここで：

• E =電極で測定された電圧
• K =メーター定数
• B =磁場密度（磁場の強さ）
• L =導体の長さ（電極間の導電経路の長さ）
• V ＝導体（導電性流体）の流速

このようにして流速、ひいては体積流を得ることができます。

電磁流量計は1952年に導入され、膨大な数の導電性液体の流速を測定するために使用されています。それらは流体の流れに障害物を導入しないので、それらは、圧力降下やメータの摩耗など多くの問題を回避できます。

電磁流量計は研磨剤やスラリーを測定することができます。さらにライナーおよび電極は化学的に攻撃的または研磨性の流体との適合性を考えて多くの材料から選択できます。メーターの接液面はプロセス流体の特性に合わせて選択でき、メーターの寿命を延ばします。

材料技術と設置技術の進歩は信頼性をさらに向上させ、メーターの寿命を延ばすことができます。全溶接設計を特徴とするメーターと、湿気や汚染から保護する隔離されたコンパートメントを使用すると信頼性が向上します。

耐油性の向上、透過性の低下、および石油生産における生産水の測定などの用途での耐油性を備えたライナーは、ライニングプロテクターや摩耗から保護する硬化材料などの選択肢と同様に、耐用年数を延ばすことができます。

設置方法は速度を管理して磨耗をさらに減らすか、温度勾配を管理して浸透速度を減らすことができます。

品質要件および規制要件では、メーターが正確に流量を測定し続けることを定期的に確認する必要があります。

これは通常、メーターをオフラインにしてキャリブレーションを検証できるようにする必要があります。スマートメータ検証は、流量計をオフラインにしたり特別な機器を使用せずに性能を検証できるように、この技術が流量計に組み込まれている場合に認められた方法です。

工業計測と制御の基礎―メーカーの技術者が書いたやさしく計装がわかる (keiso books)

計装メーカが書いたフィールド機器・虎の巻―差圧・圧力伝送器/電磁流量計/渦流量計