流量計測の歴史 第18 回…aA0501-070385-9886/05/¥500/論文/JCLS〔連載〕

流量計測の歴史 第18 回＜オートメーション、コンピュータ時代の幕開け＞

小川胖

Yutaka Ogawa

１．面積式流量計の歴史

は普通の温度及び圧力の清浄な液体又は気体に適して

面積式流量計（Area Meter）の歴史は1868年のエいた。

ドモンド・オウグスティン・キャメロイ（EdmondAugustin Chameroy）
が米国特許を取ったのに遡るa

第２図は指示計・記録計・積算計を搭載する同社のロータメータ例を示すものである。

そうであるが、円筒及びピストンによる面積式流量計

第３図左はゼネラル・エレクトリック社のガス炉では 1928 年以前にニュージャーシー・メータ（New標準設備として装備された燃料−空気比用の双子型ロJersey Meter）によって、製品化された。1928 〜
1938 年の 10 年間にピッツバーグ社（PittsburghEquitable）がガス用の指示計内蔵のもの、エクリップス航空（Eclipse Aviation）が航空機燃料ライン用

流体出口

ロータ
メーターMeter）がガス用の記録計内蔵のもの、ブラウン計器コーティング
鉄製棒ス原理）のものをそれぞれ開発した。

ダイヤル型
積算計

AC電源の指示計内蔵のもの、ランバート・メータ（Lambert（Brown Instrument）が遠隔用電気式（誘導バラン

ダイヤル型
遠隔指示計

流体入口

トランス

この10 年間の初期にシャット&コーティング（Schutte& Koerting）が第１図に示すようなロータメータとトランス式ポジショナーして知られるフリー・フロート型を製作し記録計
制御箱

チャート式記録計第２図 同社の指示・記録・積算型ロータメータsた。
このフロートの頂上には螺旋状の溝が切られており、流体が流れるとフロートが回転するため、フロートは流れの中央に位置し、壁との摩擦による誤差を少なくしたという。
従って精度が良くて 、流量範囲は 1 ：200 が可能なほど広いものであった。
形も非常にシンプルで、テーパ・ガラス管60

計測技術 2005. 4.

a垂直流型b水平流型
a

第１図 Schutte & Koerting 社のロータメータs

GE社ファーネス用 b

不透明液体用

第３図 当時のアプリケーション例s

流量計測の歴史 第18 回…sータメータの応用例であり右は不透明な液体用のもの

a タービンメータである。

fスコット（R. W. W. Scott）によれば最初のタービ

1937 年頃からロータメータはフィッシャー&ポータ

ンメータは1938年に米国で開発されている。この概略

ー社（Fischer and Porter Co.）によって大量生産さ図を第５図に示すが螺旋羽根を有しており、空輸燃料れるようになった。の流量計測に使用されていた。当時ロケット・エンジ

1941 年にはフィッシャー&ポーター社のK．フィッンの寿命は短いので、軸受寿命が貧弱でも問題はなかシャ、 ブレックマンらによって「ロータメータによるったが、その後のアプリケーションには軸受特性の改d

流量計測における粘度誤差の削減」 の論文が発表さ善が必要であった。これは二つの異なる解決策によりれている。ブレックマン氏は今でも健在で、戦後、横なしとげられたのである。

河電機やオーバルのコンサルタントを長らく務め、少ボールベアリングなからず日本の流体計測分野で貢献した人物である。

コイル

磁石

面積式流量計の流量測定原理はよく知られている軸支えが、簡単に述べることにしたい。第４図には代表的なテーパ管式を示すが、面積式は差圧式と同様にベルヌーイの定理を用いフロートの上下流の圧力差から次式が成り立つ。流量Qは
Q = C1π
Dt 2 − d f 24() ρ2 ( P − P )1

螺旋羽根ロータ…a2f
第５図 初期のタービンメータ（1938）で表される。
最初の解決策というのは、スラスト荷重に耐えらθれ、寿命も許容できる材料によってスリーブ軸受／スラスト球の組合せを使用したものである。その代表例

dfLkとして、小さなメータにはタングステン・カーバイドのボールベアリングと軸を使用し、大きなメータにはステライトのスリーブと、クローム鍍金とタングステン球を用いたのである。

Dt

第２の解決策というのは軸受摩擦とスラスト荷重を減少するために流体の力を利用するものである。
この考え方のすばらしいところは、軸周りに昇圧した液体薄膜を創生するジャーナル軸受にもあった。こQ
第４図 面積式の原理図

れは摩擦吸引トルクを減少し、性能改善に有意なスラスト荷重を最小にする効果がある。この設計の最初のものは第６図に示す、かの有名なポッターメータである。

ここでP1、P2 はそれぞれフロート上流側及び下流側の圧力、ρ は作動流体の密度、C1 は縮流係数、Dt、df
はそれぞれ図に示すシリンダー内径及びフロート外径上流側力を発生するために形成された中心体サポートフィン
羽根スラストベアリングである。
平衡力

２．戦前におけるその他の流量計の歴史
その他の流量計は戦前（1945 年以前）ではまだ実用化には至っていない。しかしタービンメータ、電磁流量計、超音波流量計などはその兆しが現れてはいた

補正力

ロータ支え磁石
スラスト力f
第６図 初期のスラスト補正デザイン（Pottermeter）

ようである。

計測技術 2005. 4. 61

流量計測の歴史 第18 回…d

何故スラスト力が減少するかもう少し説明しよう。
流体が羽根にあたると羽根は回転すると同時に、流れの方向にスラスト力を生じる。しかし図に示すように羽根を支える中心体の部分で最も流路が狭まるので、流速が最も早くなるが、ベルヌーイの定理によっaハスケル流速計b

ホッフ流速計て、圧力が最も低くなる。すると下流側の圧力が高いため中心体は上流側に押されてスラスト力を軽減する力が生じるのである。この設計は現在のタービンメータにも生きているのである。
s 電磁流量計f
さて現在工業分野で最も需要が伸びている電磁流量計はどうであったのであろうか。
既に述べたようにこの歴史は古く1832 年のファラデーのテームズ川での実験にまで遡る。1917 年にはスミスとスレピアン（Smith and Slepian）が電磁石の船舶測程器用の特許を取っている。これは船体から水中に磁界を放射し、電極を船体に設置し船の速度を測るものであった。最初の流量計的な装置は1930 年にウc

オッツ流速計 TYPE V IBdオッツ流速計 TYPE V

イリアムス（E. J. William） によって報告されているが、単に学術的興味の範疇を出ないものであったという。血流計測用の装置として最初に用いたのは1932年のファブレ（P. Fabre）である。1936年にはコリン（A. Kolin）が血液の速度を量的に測定する電磁流量計を発表したが、汎工業用としては戦後の発展を待たねばならない。
g

第７図 1900 年代の流速計gd 流速計（Current Meter）

工業用ではないが川の流速や風速を計るものとして古くから流速計があり、17世紀のフックの風速計に遡（James Watt）が1788 年に蒸気エンジンを速度制御るものである（流量計測の歴史＜６．産業革命からフするために、遠心力式調速機を設計したことが最初でランス革命へ＞参照のこと）。1900 年代の米国では川あると言われている。この調速機は若干改造されたもの流速を測るものとして、大別するとコップ型とスクのが現在でも使用されている。次は、1858年にブルーリュー型があった。スクリュー型を第７図に示すが上ネル（Isambard K. Brunel）が海洋航海船の重量物からハスケル（Haskell）、ホッフ（Hoff）、及びオッを回転させるために、ステアリング・モータを発明しツ（Ott）メータである。これらのメータは流速が1ft/sたことであるh。しかし近代自動制御理論が確立した（0.3m/s）以上なら計測ができた。米国地質調査学会のはかなり後で、1944 年にオルデンブルグjがラプラなどが1901 年頃からこれらの流速計を用いた論文をス変換を平易に導入し、制御の質に重点をおいた理論発表している。

を展開した。あの第２次世界大戦でヒトラー率いるドまた風速計については、フリーズ（Friez）の遠隔k指示型のものがすでに空港で用いられていた 。

イツ本土が壊滅的な爆撃を受けている最中のことであるのに驚く。従って本格的に発展するのは戦後を待つことになる。

３．自動制御とコンピュータの歴史

流量計を調べている最中に、1938 年１月号の現在の工業プロセスでは温度、圧力及び流量制御がInstrument のピゴット（R. J .S. Pigott）が記した付き物である。現在自動装置のことをオートメーショ「工業流量計と自動制御」kに目がとまった。彼はガルン（Automation）と言っているが、オートメーショ

フ研究開発社の主任技術者であり、1916 年からンの最初は 18 世紀に遡り、ジェームス・ワット

ASME の流量計研究委員会の議長で、且つASME の62

計測技術 2005. 4.

流量計測の歴史 第18 回…f複会長でもある重鎮であった。この論文中で自動制御の歴史が垣間見られる。この論文は遠隔制御を可能とした。
アメリカン・メータは薄膜モータ制御弁に圧縮空気Ⅰ．量（容積式）メータを受入れる，あるいはそれから排出するロータリ弁をⅡ．比率（推測式）メータ作動するために、通常の差動記録計を用いた定流量制

Ⅲ．制御

御器を製品化した。

から成り立っているが、Ⅰ、Ⅱについては前月号及び一部今月号で既に述べている。

アスカニアは第８図に示す比率制御システムを開発している。

まず序文では、

16「過去10 年間（1928 〜1938）に流体計測のあらゆる3形体が相当進歩し、その工業的用途が倍増してきた。
その理由は二つあり、一つは正確に量を知って、流体の値段を評価すること（水供給、電力及びガスに加えて計量することが必要な場所でまず評価された）；二
つ目は流量計に対し、計測の商業的精度をより改善す45ることであった。更にこの10 年は工業用流体の自動2制御から引出される優位性の評価が育ったことをも見17

逃されない。即ち、11318q a 重量及び b 体積の遮断（著者注：現代用語10のバッチに相当するものと思われる）

9w a 重量比率または b 体積比率に応答する一次19要素をもった流量の自動制御である。ここでの４つの分類から明らかなように、制御系の性能が満足するかしないかは、１次計測要素に大きく依存するので、流量計測も自動的に進歩してしまうのである。
」と述べている。

第８図 アスカニアの比率制御装置j

また工業流体の自動制御は温度及び圧力に関するものが多く、ここ10 年間（1928 〜1938）で急速に発展してきたとしている。その内流体量制御の一例としてこれについて説明すると、オリフィス４を通る「支アスカニアの体積計によって駆動される遠心式タコメ配する」流れが増加すると、ダイアフラム９により高ータ機構と制御弁による流れ制御（Flow Control）い差圧がかかり、ジェットパイプ13 ともども左へ動をあげている。

き、ジェットパイプから噴出する油がパワー・シリン流量制御（Flow-rate Control）については一般的

ダー16の左端に入るので、バルブ３が更に開く。結果に理解されることからはまだ程遠かったが、少なくと的にオリフィス５を通る「制御される」流れが増加

も前４半世紀におけるよりも直近の10 〜15 年でははし、ダイアフラム10をまたぐ差圧が増加して、右へ動るかに広く発展してきた。

き、ジェットパイプ13 を平衡位置に戻す。比率の調

この分野に対して大きく貢献したのはH. C. Smootであった。この天才発明家は、感度、力、速度及び安整はジェットパイプ13 と腕17 の間を上下方向に動くスライダー18によって行われる。

定性が設計において基本的要素であることを明らかにこの17の二つの腕は反対の位置で支点となっている

し、推測を止め、数学的に計算すべきであることを認ので、二腕間の作動リンクであるスライダー18をシフ識した最初の人であった。彼の没後ですら数年間、あトさせると、ダイアフラム９と10間の負荷比率が変化

らゆるタイプの設計に影響を与えたという。

する仕掛けになっている。

この頃シンプレックスとビルダー（Simplex andテイラー及びフォックス・ボロー社はそれぞれ独自

Builder）は水道、濾過及び汚水に関する制御システの空気作動装置によって、流量制御分野に参入した。

ムを作っている。更にビルダーは制御器の運転にクロまた両社とも実用的なバルブポジショナーを開発しノフロー（Chronoflo）伝送器を付加し、距離の長いた。

計測技術 2005. 4. 63

流量計測の歴史 第18 回…g

すでに＜ 14．差圧式流量計＞で一部紹介したが、1812 年になって、英国オ1937年にスミス（ED S. Smith, Jr.）他が「工業計器、ックスフォード大学で、数学

l

その理論と応用」 で流量、レベル、圧力及び速度な教授のバべッジ（Charles

どの変数を計測する工業計器をニュートンの第２法則

B a b b a g e ）が 階 差 機 関から慣性と機械的摩擦による特性に関し機械力学的に（Difference Engine）と呼ぶ展開し、減衰係数を導入し、振動系の減衰特性などを計算器を設計し、11 年後に論じている。この理論は1924年のドライスデールによは 解 析 機 関 （A n a l y t i c a l

る、「電気計器−振動回転系の取扱い」¡0を参照していEngine）と呼ぶ別の計算器

るが、そもそも振動工学は1917 年のウィテーカーがを考案した。どちらも商品化¡1はしていないがバベッジの設「解析動力学」 を記しているのが端緒であろう。
¡2

さらに、1940 年にはベックが「温度計の時間遅延」

計は第 10 図に示す今日のコ

写真１
チャールス・バベッジ¡6を発表しており、すでにその議論の中で電気系のCRンピュータの基本機能をすべて考慮した驚くべきもの等価回路を用いて過渡特性などが論じられている。

であった。近代の電算機は彼の先駆者的機構に負うと温度計の時間遅延については1912 年のハーパの論ころが大きい。

¡3

文 に遡ることができる。1941 年にはピーターズが中央処理装置「自動制御の実験研究」¡4を、1944 年にはディッケイが¡5制御装置「工業プロセス用電気式計器」 を発表している。
その中で第９図は当時温度、流量、レベルなどに使用された60Hz AC 用の電子式増幅器の例である。真

データ

情報
入力装置

記憶装置

出力装置

空管時代なので現在の増幅回路に比べいかにも大きな情報の流れ寸法である。

演算装置

制御信号の流れ
コンデンサー・抵抗部

リアクタ・トランス部
電源トランス

第10 図 今日のコンピュータ基本機能¡6モータ制御
反応ユニット1885年にフェルトが発明したキー操作型計算機が商増幅管品として成功した最初の加算器であった。数年後バローズ（W. S. Burroughs）が印字機構の付いた金銭登録機を製作し、商業界に革命をもたらした。今日では土台板部

勘定計算とレシート発行のできる金銭登録機を使用していない商店はほとんどないであろう。
接続プラグ
モータ制御管

感度調整

フィルター
コンデンサ

整流管

第11図にこれらの歴史的な計算器を示す。
1887 年に は ヘ ル マ ン ・ホ レ リ ス （HermannHollerith）がパンチカード方式を使用した。

第９図 当時の電子増幅ユニット¡5

電気的データ処理が本領を発揮するのは第２次世界大戦中であった。新しく開発した武器に関し極めて重さて現在の自動制御ではコンピュータが付き物であ¡6るが、コンピュータの歴史をざっと見てみよう 。

要な弾道計算が必要であった。このためにブッシュVannevar Bush）が開発したアナログ・コンピュー計算機の元祖はエジプトや中国で紀元前に既に使わタが一般的に使われた。この種のコンピュータは政府れていたソロバンである。機械的に加減算を行うことの契約の下で数多くの大学で成功裏に製作された。

ができた最初の本当の計算機は1642 年にフランスのしかしあるケースでは、アナログ・コンピュータよ科学者パスカル（Blaise Pascal）によって発明されたりももっと早くて正確な計算ができるコンピュータがものである。同じ17 世紀にドイツの哲学者で且つ数学必要となり、ディジタル・コンピュータが開発される者であったライプニッツ（Gottfried Wilhelm vonようになった。ハーバート大学のエイケン博士（Dr.

Leibnits）は加減算のみならず、掛け算、割り算及びH. H. Aiken）は自動連続制御計算機またはハーバー平方根の計算ができる機械を開発した。

ド・マークⅠと呼ばれる半電気的機械を兵器海軍工廠

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計測技術 2005. 4.

流量計測の歴史 第18 回…h勢であった。
他の先駆者としてノイマン博士（Dr. John von
N e u m a n n ）が 挙 げ ら れ る 。彼 は 「 つ む じ 風（Whirlwind）」と呼ばれるコンピュータに貢献し、国そろばんパスカルの計算機家標準局がSEAC（Standards Electronic AutomaticComputer）としてこれを建造した。また彼はプログラム内蔵方式を着想した一人でもあった。
このようにディジタル・コンピュータは終戦直前にやっと緒に付いたばかりの状態と言ってよい。しかしバベージの計算機

ブローズの加算機

自動制御技術とコンピュータ技術が結合して、工業界が飛躍的に躍進することは想像にかたくないことであ第11 図 歴史的な計算機の数々hった。
以上で戦前（1945 年以前）の「流量計測の歴史」のために設計した。マークⅠは国際商業用機械会社はほぼ調べつくしたように思われる。
さてこれからはいよいよ「第２次世界大戦後の流量（IBM）と共同で建造され、1944 年完了した。
一方ペンシルベニアのモーア技術大学で1943 年に計測の歴史」に話しは移るわけであるが、オートメーモークリー博士（Dr. J. W. Mauchly）
が最初の汎用設ションとコンピュータによる全世界的な戦後復興が始計の全電気式コンピュータを思いついた。この装置はまり、流量計測もその潮流に乗って大躍進を遂げるこENIACコンピュータ（Electric Numerical Integratorとになる。

and Calculator）と呼ばれ、1945 年に完成した。写真２はエニアックの一部であるが、世界最初の計数形電子計算機とされている。左から起動ユニット、除算器＜参考文献＞
a 「流量計測A to Z」，日本計量機器工業連合会編
s M. F. Behar “Flow Measurement and Control” Instrument,

兼開平器累算器及び２台の高速乗数パネルである。エニアックではおよそ18,800 本の真空管、1,500 個のリ

1933 Dec.
d

レー、70,000 個の抵抗、6,000 個のスィッチが使用されていた。しかし計算速度はマークⅠの約1000 倍もInstruments 1941 Marchf

めたのである。
エニアックの能力は当時として画期的なものであっgンピュータ）がやがて姿を消し、トランジスター（第Floyd A. Nagler “Use of Current Meters for Precise
Measurement of Flow” Transactions of A. S. M. E, 1933h “Popular Science” Vol.9, 10, Grolierj

R. C. Oldenbourg, H. Sartorius “Dynamik selbsttätiger
Regelungen” Oldenbourg München 1944

たが、演算素子に真空管を使用していたため故障率が高く、性能が不安定であった。真空管（第１世代のコR. W. W. Scott “Developments in Flow Measurement”,
Applied Science Publishers

早かったので、「エニアックはマークⅠをまるで水車のように古めかしい存在にしてしまった。
」と言わし

Kermit Fisher Seymour Blechman “Elimination of theViscosity Error in Flow Measurement with Rotameters”kR. J. S. Pigott “Industrial Fluid Metering and AutomaticControl” Instrument, 1938 Jan.

l２世代のコンピュータ）が取って代わるのも時代の趨

ED S. Smith “Industrial Instruments, Their Theory andApplication” Transaction of A. S. M. E, 1937

¡0 V. Drysdale “Electrical Measuring Instrument-Treatment ofoscillating rotational systems” Ernst Benn, Ltd., London, 1924
¡1 E. T. Whittaker “Analytical Dynamics” 1917
¡2 Rudolf Beck “Thermometric Time Lag” Transaction of A. S.
M. E, 1940
¡3 D. R. Harper “Thermometric Time Lag” 3rd, U. S. Bureau ofStandards, Bulletin No.185, 1912, p.659¡4J. C. Peters “Experimental Studies of Automatic Control”
Transaction of A. S. M. E, 1941

¡5 P. S. Dickey 他，“Electronic-Type Instruments for IndustrialProcesses” Transaction of A. S. M. E, 1944
¡6 小田 徹：「コンピュータ史」，オーム社，1983¡7
写真２ 世界最初の計数形電子計算機¡7

渡辺了介訳：「デジタル計算の道具史」，ジャスト・システム，
1995

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