流量計測の歴史…aA0408-01
0385-9886/04/¥500/論文/JCLS〔連載〕

流量計測の歴史＜12．20 世紀初頭の天然ガスの計測＞

㈱オーバル

小川胖

Yutaka Ogawa

１．20 世紀初頭の流量計
20 世紀初頭に使用されていた工業用流量計はせき式、ピトー管、ベンチュリーおよびオリフィスであり、この時期には、それらの使用例や試験結果の技術報告
文献、特に米国では天然ガスの流量計測に関するものが多い。
a ロータリ・ポンプの研究
そんな中で1902 年に「ロータリ・ポンプ」aに関する報告がされており、その中でウィルキン（ John T.
Wilkin）は概略次のような報告をしている。
『ロータリ・ポンプについての文献はReuleaux教授

第１図 二葉形ロータリ・ポンプが1876 年に記した Kinematics of Machinery に詳しいが、その文献を入手するのが困難である。彼にs ピトー管

よると、４葉形または４枚歯の二つの羽根からなるポ

1903年にグレゴリー（W. B. Gregory）は「ピトーンプは1630年から使用されていたという。
ロータリ・ポンプの開発と商業化は1860 年代から1870年代にかけて他の形式のものと歩調を合わせていs管」
について詳しく記しているが、第２図がピトーによって描かれた図面のコピーであり、第３図がダルシーとベイズンによって改良されたものである。

たが、遠心ポンプの値段に対抗するために、羽根の接触面を鋳肌のままで製作したものだから、高圧下でのリークが大きくて性能が上がらず全くの不人気であった。そこで約10 年間注意深く研究し、第１図に示すような完全な上下サイクロイドに機械加工で形成された２つの同形の羽根を持ったロータリ・ポンプを製作した。これは適切に組み立てられ提供すれば、抜群の結果が得られる。二葉形サイクロイドポンプの１回転当りの吐出は正確に羽根が回転する円筒の容積である。別の言い方をすれば、二葉形羽根の面積は外接円の面積の 1 ／ 2 である。この事実はこの形がメータ（流量計）として使用可能であり、その吐出は非常に正確に測定できる。
』と現在ルーツ・メータと呼ばれている流量計を示唆しているのである。ルーツ・メー
タがいつ頃から市場されたかは、また後ほど記述する機会があろう。

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計測技術 2004. 10.

第２図 ピトーによるもの

第３図 ダルシーによるもの

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図が小さくて見にくいと思われるが、よく観察すると、ピトーのものはガラス管の先端が閉じられており、wは前述のピトー管で流速を測り、体積に換算する方法である。

ダルシーによるものは先端が開放できるようになって次に管内流での流量計測の候補はヴェンチュリ・メいる。先が閉じていれば圧力が上がると、先端に閉じータ、オリフィス、ピトー管及びトーマス電気メータ込められた空気が圧縮され、水圧と等圧になるためにであった。ここでトーマス・メータについて述べると、その分水柱が低くなるはずである。ピトーによるピト原理図は第４図によるものである。

ー管の誤差が大きかった理由の一つと思われる。
TEMPERATURE
DIFFERENCEINDICATOR

写真１は1902 年頃に使用されていたピトー管の例である。

POWER
SOURCERESISTANCETHERMOMETERHEATERRESISTANCETHERMOMETER

第４図 トーマス流量計

トーマス（C. C. Thomas）は1911 年にこの流量計を開発したが、現在半導体業界などで盛んに使われている熱線式質量流量計（Thermal mass flowmeter）のはしりである。
この原理は中央にあるヒータで全流体を温め、その前後の温度差（Dt）を測ると、温めるのに必要な電力
E はs式で表される。

写真１ 1892 年に米国特許取得のピトー管

E∽M･Cp･Δt…s

ここで、 M ：質量流量d 天然ガスの流量計測

Cp ：ガスの定圧比熱

1912 年に天然ガスの計測についてはウェイマウス
d

トーマス流量計は非常に正確な計器で、構成も比較（T. R. Weymouth） の報告に詳しく述べられている。

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的簡単であったが、いかんせん75,000ft（2,124m）のご存知のように米国では、非常に多くの天然ガスの井量の天然ガスの計測に約1kW･h に均しい電気エネル戸があるが、天然ガス技術の中で遭遇している最も重ギーが必要であり、この事実は特に現場の天然ガス計要な問題は、ガスの売買において、いかに大容量ガス測の使用上大きなネックであった。

を正確に計測するかであった。

また著者はピトー管は管内流の一部の流速を測り、天然ガスの計測の問題は開放流（Open flow）と管全流量に換算するものであるから、パイプの面粗さで内流（Closed flow）の二つに分かれるが、開放流の流速分布が変わってしまう欠点をも指摘している。

計測には次の二つがある。

結論としては、やはり簡単な構造のオリフィスを推q ボイルシャールの法則を用いる方法

奨している。

w ピトー管で流速を測る方法

フィッシャー（Francis P. Fisher）が述べているよqはガス井戸にタンクを置き、タンクに貯めた天然うにf、1916年代になると、ここ20年間で天然ガスのガスを大気中に放出し、大気圧（P0）と等圧にした需要が急増し、250 万人にガスを供給するようになっ後、放出弁を閉め流入弁を開けて天然ガスを流し込た。このためにはメータリングが必要であった。

み、弁を閉じた時の圧力（Pm）を読む。タンクの容積をVとすると、流入量は
Q=V{（Pm+P0）/P0–1}となる。

メータはここ数年で1 ／50 〜1 ／100 の分流式の比率メータが使われていたが、汚れが問題であった。そ…aの他ピトー管やトーマスメータも検討したが、最終的には大容量の天然ガス計測にはやはりオリフィスをリ計測技術 2004. 10. 51

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コメンドしている。写真２は現場に設置されたオリフ1912 年のウォーカ教授であり、1914 年に再び「メタィスメータであり、いかにも現場らしい風景である。

ンガスの物理法則」というテーマでASME に報告しまた流量を自動的に記録する必要もあり、第５図に示ている。

す差圧ゲージが開発された。これはバラード（H. O.

試験は写真３に示す装置を用いてオハイオ州立大学

Ballard）が推奨したものである。このゲージはガス圧の物理学研究所で行われた。これを図示すると第６図

力がゲージ範囲を超えた場合、マノメータの中の水銀のようになるが、校正された内径3mm のガラス細管レベルが図のa の開口部より下に下がり、水銀本体にに天然ガスを充填し、水銀が入ったポットにセットダメージを与えないようになっており、圧力が下がれし、重錘式圧力発生器 B によって圧力を変化させた。

ば、水銀が元の位置に戻る工夫が凝らしてあった。ボ

このときの水銀柱の高さを拡大鏡 F のついたスケールールの上下動がペンに伝わるいわゆるペンレコーダでで読み、封じ込められたガスの体積の変化を測定するある。

わけである。

写真３ 試験装置１

写真２ 井戸に設置されたオリフィスメータ

第６図 試験装置図

さてこのようにしてボイルの法則からの偏差を測定aした結果の一部を第７図に示す。
第５図 バラード差圧ゲージ

この図から見ると49気圧の天然ガスはボイルの法則よりも約16%も体積が少なくなるという結果であった

さてこのように天然ガスの流量計測を行っているう（筆者も実はこの偏差の問題で若い頃に苦い経験をしちに、天然ガスはどうもボイルの法則に合わないことたことがあった。今まで液体流量計測のみを担当してに気がつきだし、イアハルト（Robert F. Earhart）いたが、渦流量計に携わるようになり、確か50 気圧は次のように述べているg。

位のブタンガスの流量測定で、大気圧換算流量が3019世紀末から、ある種の気体でボイルの法則が合わ〜40%少なく指示してしまう問題が発生したのであないことが指摘されていたが、天然ガスがボイルの法る。このボイルの法則からの偏差係数を知らなかった則に合わないことを最初に言い出したのはおそらくのである）。

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相対体積30201003020

ボイルの法則PV

偏差カーブ

実際の法則PV

10偏差［%］

40102030400

絶対圧力［atm］
第７図 天然ガスのボイルの法則からの偏差

現在ではボイルの法則式に偏差係数Z を乗算した気体の状態式が使用されている。

PV=ZRT…d
ここで P は気体の絶対圧力、V は気体の体積、T は気体の絶対温度、R はガス定数である。また、偏差係数 Z は混合ガスの各々の成分率、臨界圧力、臨界温度、プロセス温度、圧力の関数であり複雑である。
f ASME 圧力継手規格
この時代ASME を調べてみても、水道メータや天然ガス用メータのレポートはあるが、石油プラントに使用されているメータについてのレポートは見られないのである。フォード自動車会社が設立されたのは1903 年であり、1911 年にフォードが自動車の大量生産を開始したので、石油プラント及びガソリンスタンドにおける流量計測の問題はもう少し先のばしということかもしれない。
しかし米国では油井や天然ガス井戸からの配管が必定であったので、1914 年にフランジと配管継手の米国規格が制定されている。第８図にフランジ規格、第９図に配管継手を図示するが、現在の規格と比較してみても大差はないように思える。
さて1916 年といえば、日本では大正５年の時代であるが、技術的にどんな時代であったのであろうか。
1916 年に本田光太郎がKS 磁石鋼を発見し、1918 年に東北大学に金属材料研究所が設立されているが、科学技術の普及はやっと緒に就いたといえる。
「電気界」
が明治 41 年（1908 年）、「電気評論」が大正２年（1913年）、「鉄鋼」が大正４年（1915 年）、「機械学会誌」、「日立評論」が大正７年（1918 年）に創刊号が発刊されたといったところである。日本の流体計測技術を侮辱することになるかもしれないが、当然、当時流量計測のケの字あるいはメータのメの字も技術誌には出て来ない時代なのである。

第８図 パイプ接続用フランジ図

第９図 配管継手図＜参考文献＞a John T. Wilkin “Rotary pumps” Transaction of ASME, Vol.
24, 1902
s W. B. Gregory “The Pitot tube” Transaction of ASME, Vol.
25, 1903
d Thos. R. Weymouth “Measurement of natural gas”
Transaction of ASME, Vol. 34, 1913
f Francis P. Fisher “Establishing a standard of measurement
for natural gas in large quantity” Transaction of ASME, Vol.
38, 1916
gRobert F. Farhart “Deviation of natural gas from Boyle’slaw” Transaction of ASME, Vol. 38, 1916

h “Report of the committee on standardization of flanges andpipe fittings” Transaction of ASME, Vol. 40, 1918

【筆者紹介】
小川 胖㈱オーバル 技術顧問
〒236-8645 横浜市金沢区福浦1-9-5TEL ：045-785-7259

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