流量計測の歴史…aA0410-03
0385-9886/04/¥500/論文/JCLS〔連載〕

流量計測の歴史 第14 回＜差圧式流量計＞小川胖Yutaka Ogawa

今まで羅列的に流量計の歴史を述べてきていたが前e 基本的流体機器の改良号の「水道メータとガスメータ」のごとく、これからr 流体利用技術の発達

は流量計の種類によって歴史をひもといた方がまとめ

t 流体力学の理論の進歩やすいので第２弾として差圧式流量計の歴史について

y 標準化述べることにしたい。

a 受信計装の発達
19世紀の末、ヴェンチュリー管式が広く実用される１．20 世紀になってからの差圧式流量計の急速な発達ようになると、その基礎的原理である差圧の測定装置

20 世紀になって急速に発達したのは、各種差圧式はほとんどがU 字型水銀柱管式で、しかも記録装置を流量計である（第１図参照）。しかしその初期におい駆動する出力を得るために、大きなスピンドルと鋳鉄もいろいろと改良された。しかし、その初期においてては十分な精度の指示・記録あるいは積分装置がなか製のフロートを用いていた（流量計測の歴史＜12．20ったため、あまりよい評価は得られなかった。ところ

世紀初頭の天然ガスの計測＞第４図参照）。また差圧が、このことが逆に圧力−機械変換装置の発達を促すが小さい場合は水柱管式によった。ガス流量が測られことになる。20 世紀前半の流量計の発達の方向についるようになったとき、オイルシールのベル型圧力バラ

sてメドロック（R. S. Medlock） は次のような項目をンス（日本では沈鐘式圧力計と呼ばれたもの）も開発あげている。

された。さらに数年後には、同じ差動原理のリングバ

q 受信計装の発達

ランスも開発される。環状天秤式圧力計と呼ばれたもw 角縁オリフィスの発達のである（文献dによれば、原理は多分第２図及び第３図によるものと思われる）。

ベンチュリ「メートル」の構造

しかし解決しなければならなかった大きな問題は、平方根を引き出す技術であった。さまざまな技法、例
えばカムやリンク機構を指示あるいは記録装置に組み込むなどが行われた。

ベンチュリ管

オリフィス

p2

p2

フローノズルピトー・
ベンチュリ管
ピトー管
第１図 各種差圧式流量計（出典：香月久「水量メートル」（昭和14 年）より）

60

計測技術 2004. 12.

p1
第２図 沈鐘式圧力計dp1
第３図 環状天秤式圧力計 d

流量計測の歴史…s

積分装置について言えば、直線性の保持機構が問題た。しかしこの角をとった縁のオリフィスは制度的にであり、複雑なカムやリンク機構を組み合わせた装置不満足なものであったため、ゲールは苦心してこれをを駆動するためには、強力で正確な時計装置が必要と改良し1909年にサルコメータの名で知られる実用の蒸なり、写真１に示すように、なんと60kg もの錘が用気流量計を開発したが、これは彼の大きな業績とされいられたりしていた。高精度化の要求は色々と独創的ている。その次に来るのが大容量の天然ガスの測定にな発明を生み出したが、結局は加減算・乗除算及び開鋭角で方形の縁の板状オリフィスを使ったウエイマウ

閉のできる機械式計算機となったが、これを組立てるス（Thomas R. Weymouth）の実験で、圧力タップには複雑かつ熟練した技術が必要とされた。また水銀はオリフィスの上流、下流とも１インチのものであっを大量に使用していたので、水銀汚染の問題が生じてたが、その後アメリカの標準となった。ウエイマウス

いたが、1907年にダイヤフラム及びベローズの発明にについては流量計測の歴史＜12．20世紀初頭の天然ガより、ドライフローメータの開発によってこの問題もスの計測＞でも記述しているので参照されたい。1913

解決した。

年にヒックシュタイン（E. O. Hickstein）は圧力タップを上流側2.5 ×管径、下流側８×管径に適用したデータを公表した。1916 年にはジャド（Horace Judd）がヴェナ・コントラクタ・タップの適用を提唱し、初めて偏心・切欠き形のオリフィスに言及している。
ヴェナ・コントラクタ・タップの流量係数データはASMEによって1935年に完成され発行された。
この間英国ではホジソンがゲールの業績に刺激されて、1909 年に今日使用されているようなD とD/2 の組合せタップを持つP 型方形縁の薄板オリフィスを開発した。このオリフィスには下流側に45度の面取りがしてあった。第４図に現在のD、D/2 タップオリフィ
スを示す。
オリフィス板ニップル
アダプタ

写真１ 初期の積分装置as 伝送と記録
水道設備でヴェンチュリ管を使う場合に、ポンプ場あるいは貯水池から管理室まで信号を送らなければならなかったが、1910年頃にはポテンショメータ式ある
いは抵抗式の伝送器が実用化されていた。1920 年代の面白い開発の一つに音声伝送器があり、これはフロートの位置を読取る人の声を音管で録音盤に入れ、そ第４図 現在のD、D/2 タップオリフィスgの音声を電話で送る方式である。1900 年前半はこうした機械的受信計装技術が着々と進んだ時代でやがて来る電子技術を受入れる基盤を用意したと言える。

ホジソンはさらに1909年から24年にかけて多くのオd オリフィス式の発達

リフィスを開発し色々な口径比及び広範囲レイノルズオリフィスの原理が理解され始めたのは17世紀中頃

数に対する流量係数曲線を設定している。になってからであるが、最初の特許はマックス・ゲー

こうした中、ドイツでは圧力タップをオリフィスのルに認可されたものだそうである。それは上流側、下上下流の面から直接取り出すコーナタップを開発し、流側とも角を丸めた縁を持つもので、流体の通過量は使用した。第５図は現在使用されているコーナタップ

1850年頃のナビエより導かれた公式によって算出されである。

計測技術 2004. 12. 61

流量計測の歴史…d

示すように本流にオリフニップル
オリフィスガスケット
オリフィス板 オリフィスリング

H

ィスを用い、分流に羽根車を用いたシャント型メータを開発した。

a b

このメータの原理はオB

リフィス前後の差圧によ

C E
φDって、分流管に流れが生じて翼車を回転させる。

R1R2FfFlowdirection
0.6041 dφdφcA

羽根車の回転が取り出されて、右の写真に見られるようなカウンターで蒸気量が計測されるものである。
第５図 現在のコーナタップオリフィスg

またこの時期を通じて技術者や研究者を悩ませ

f 基本的流体機器の開発た問題に脈動流の計測がハーシェルはヴェンチュリー管を開発したとき、上あった。ホジソンはこれa）d<2 D
3
第７図 現在のフローノズルg

流側に長いテーパ管は必要ないのではないかと考えてにも徹底した研究を行ってホジソン数というものを導いたようである。それを商品で実証したのもホジソン入している。

で、1912 年に設計した「オリヴェント」においてこれホジソン数は流量測定系の脈動を減衰させるためにを明らかにし、小型化とコストダウンに貢献した。

必要なバッファー・タンクの大きさを推算するために考えられたものである。

第６図に現在の標準型の円錐型ヴェンチュリー管を示す。
流量測定のノズルは1847 年のフローデに遡る。彼
は水中を引張る板にかかる摩擦に関する実験でヒント分流管を得たということである。そして1928年頃にはフロー翼車

ノズルは差圧式の中で主要な位置を占めるようになり、1930 年ドイツでは、短い形のフローノズルの流量係数に関する研究に着手した。日本では、主としてドイツ規格DIN によるものを用いている。アメリカでもオリフィス

これをISA で採用している。第７図は現在採用されているフローノズルの寸法図である。
工場では動力および処理工程で蒸気の使用量が増加指示装置へしてきたため、積算装置を含めた小型蒸気メータが必要となってきた。そこでホジソンは1923年に第８図に第８図 ホジソンが開発した現在のシャント型メータhR30.5d±0.02dd
第６図 現在の円錐型ヴェンチュリー管g62

計測技術 2004. 12.

φDR2

φ2=7〜15°

R1

スロート部
圧力取出し口

φdX

φD

流れ±1°
φ1=21°

上流側
圧力取出し口

X流量計測の歴史…f３．差圧式流量計の原理
差圧式流量計は現在でも各工場におけるプロセスにおいて最も多く使用されている流量計である。ここでINDICATING
RECORDER

簡単に差圧式流量計の原理をレビューしてみよう。
第10図にオリフィス板に上流から流体が流れてきたときの圧力分布図を示す。
今オリフィスの寸法を図のように取り、上流側断面
REMOTE
COUNTERMAGNETICSWITCHKNIFE
EDGE
FULCRUMa における流体の密度を r1、圧力をP1、下流側断面bにおける圧力をP2 とすると、オリフィスを流れる流体の質量流量Qm は

MERCURY
U-TUBETACHOMETER

Qm = e C

FLYBALLSYSTEMp / 4 ◊ d2

2 / r1 ( P1 - P2 )1- b4…aと表せる。

COUNTER

ここで
MOTOR INTEGRATORVOLTAGESUPPLY

第９図 サーボ操作型ゼロ方式機械−電気系流量計

２．プロセス制御の芽生え

b ：絞り口径比 =d/D
C：流出係数e ：膨張補正係数
a式はオリフィス板、ヴェンチュリー管、及びフローノズルに普遍的に使用でき、差圧流量計の種類によって係数C、e が変わるだけである。

1937 年にアメリカのスミス（ED S. Smith）がjASME で「工業計器、その理論と応用」という題でオリフィス板ba

プロセス制御について詳しく述べている。この中では今日確立されている自動制御理論から始まり、温度制

υ1D

御、圧力制御への応用例が示されている。

υ2d

第９図はオリフィスによる流量計測に当時応用された「サーボ操作型ゼロ方式機械−電気系」と称されるシステムである。この作動原理はパイプ中のオリフィ
P'1スの両側に発生する差圧によって、図に示すようにU圧力損失

P1

チューブの左右に入る水銀の量がアンバランスにな

P3P'2る。するとU チューブの中心のナイフエッジに対し反P2時計方向に回転しようとする。すると電磁スイッチが第10 図 オリフィス板前後の圧力分布

働き電流が流れサーボモータを回しそれと連係しているフライボールの回転によって発生する遠心力によっ＜参考文献＞てバランスを保つようになる。流量が大きくなればなa 小泉袈裟勝，「流体のスペシャリストたちへ、過去からのメッセー
ジ−流量計の開発過程におけるエピソード−」，オーバルSpecialty,

るほどU チューブの傾きが大きくなろうとするので電磁スイッチの働く回数が増え、サーボモータの回転数

No.4, 1989.1
s R. S. Medlock “The historical development of flow metering”が増える仕組みになっている。タコメータはフライボールの回転に対する微分装置で瞬間指示計となるが、一方ヘッドと流量の間および遠心力と回転速度の間には、実質的に二次関数関係が存在するので、カウンタ

Brown Boveri Kent Plc.
d 辰田 正，「圧力の測定と測定器の取扱に就いて」，科学と工業，第１巻，６号，1925
fL. K. Spink “Principle and Practice of Flow MeterEngineering” The Foxboro Co.

ーは流れの総量を示す積算計となる。さらにこの装置

g 「流量計測A to Z 」，日本計量機器工業連合会編

は流量と総量の両方を受信器に伝送するものであっh 松代正三，「改定 流量」，コロナ社

た。

j ED S. Smith, JR., et al “Industrial Instrument, Their Theoryand Application” Transaction of ASME, 1937

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