渦流量計 – metoree本番管理

渦流量計とは

渦流量計は、カルマン渦を利用した流量計です。

カルマン渦とは、流体の流れの中に置かれた物体 (渦発生源) の下流に発生する渦列を指します。物理学者であるカルマンが理論的に解明したことから、「カルマン渦」という名前が付きました。

渦流量計は構造が簡単で堅牢です。精度がよく、流量範囲が広く、多種類の流体に対応していることが大きな特徴です。

渦流量計の主な使用用途は以下です。

渦流量計は気体・液体・蒸気を測定できるので、あらゆる流量計測シーンに使うことができます。

注意点は渦が発生しないと測定ができないため、渦発生のための適切な口径を選定することです。低流量範囲ではカルマン渦が発生しなくなり、流量を測定することはできません。

渦流量計はカルマン渦を数えることで流量を測定します。
カルマン渦の周波数は流速に比例するので、パイプの中に渦発生用の障害物を設置して発生する渦を数えることで流速がわかります。

具体的な数式を用いた説明は以下の通りです。

渦周波数をf (Hz) 、渦発生体の代表長さをd (m) 、流速をv (m/s) とすると、

f = S・v/d

という式が成立します。ここで、Sは、ストローハル数と呼ばれる比例定数です。渦発生体の形状や寸法で決定される数です。

流量Q (m3/s) は、管の断面積をA (m2) とすると、

Q = A・v = A・f・d/S = K・f

で、あらかじめ流量と周波数の比例定数Kを求めておけば、周波数から流量を求めることが可能です。

実際の渦発生体の形状は、三角形状、平面形状、台形形状などがあり、台形形状が最も正確性が高いと考えられています。渦の検出方法は、渦によって生じる力をセンサ (圧電素子か半導体歪ゲージ) で電気信号にして検出し、変換器で増幅しパルス信号またはアナログ信号として取り出されます。

配管内の流体の流量を測定する計器としては、他にも差圧式流量計やコリオリ式流量計などがあります。差圧式流量計はシンプルな構造ですが、測定精度がやや低いことがデメリットとなり、コリオリ式では使用できる流体が限定されることがデメリットとなります。

一方、渦流量計は、検出部に設置されている渦を発生させる物体の下流で生じたカルマン渦による圧力変化を測定し、流量へ変換します。渦流量計は液体・固体・気体のいずれも測定ができ、機器がシンプルであることが特徴です。

多くの流量計に言えることですが、流量測定をより正確に行うためには測定器の上流側配管の直管部はある程度長さが必要になります。渦流量計では、配管内での旋回流や流速分布が不均一である場合は、測定に影響を及ぼします。従って流体は層流であることが必要条件となります。

以上より、流量計の上流は整流としなければならず、バルブや温度計、圧力計などが配管内に突き出ていないようにしなければなりません。なお、必要な直管部の長さは配管の設計によって異なります。

蒸気の流量測定に差圧式流量計が使用される場合も多いです。差圧式流量計は仕組みは簡単ですが、流量精度は他の流量計と比較すると劣ります。

その際、蒸気の測定に渦流量計を用いると精度良い流量の測定が可能です。

蒸気の場合は、温度・圧力によって密度が異なります。渦流量計では流量の測定精度が高いだけではなく、質量流量への換算ができるように温度センサーが付属している計器もあります。

また、主にボイラーでは蒸気は湿り蒸気となっているため、差圧式よりも渦流量計が最適です。しかしながら、この湿り蒸気の温度・圧力・乾き度による影響で渦式流量計においても精度が低くなることがあります。

蒸気用の渦流量計は検出部に乾き度センサーを内蔵しており、質量流量の換算ができるように工夫されています。

参考文献
https://www.keyence.co.jp/ss/products/process/flowmeter/type/karman.jsp
https://www.oval.co.jp/techinfo/keisoku/vortex.html
https://www.tokyokeiso.co.jp/techinfo/magazine/pdf/flow5.pdf
https://www.yokogawa.co.jp/solutions/products-platforms/field-instruments/flow-meters-j/vortex-flow-meters-j/vortex-flow-meters-jj/digitalyewflo-series-products/