1

流体計測特論第三回

流量計測

流体工学特論2

流量計測の概要
流量測定
製品の生産量・原料（牛乳、石油、天然ガス等）の使用量
エネルギー消費量（蒸気・燃料、冷却風（水））生産活動に直結した量の把握・制御
上下水処理・公害物質の維持管理(1)管路内の液体・気体の流れ(2)開水路内の流体の流れ(3)開放空間における気体の流れ(4)粉粒体の流れ
参考文献

実用流量測定 松山裕著

ISBN4-87973-144-7

流体工学特論1

3

測定量による分類
体積流量
単位時間当たりにその管路を流れる流体の体積
送風機の流量やポンプの流量

質量流量
単位時間当たりにその管路を流れる流体の質量
圧縮機の流量、エンジン内のガソリン供給量

積算流量
過去のある時点から現在までに管路を流れた流体の体積
水道計、ガス流量計
流体工学特論流量計の分類（
1）
流量計の分類（1）4流体工学特論

2

5

４
名称

体積流量計

適用流体
液体気体

蒸気特徴

差圧式

絞りの前後の差圧と流量の関係 Q～∆P1/2

○

○

○

圧損大
実流検定不要電磁式

導電性流体が磁界を横切ると速度に比例した起電力が発生する
テーパー管内のフロートの浮上量と流量がほぼ比例する。
流れを横切る超音波の速度が流速によって変化する性質を利用
熱量を流体に与えたときの温度上昇が流量に比例する振動する U 字管に発生するコリオ
リ力と質量流量が比例
流体の体積を「ます」で測定し、その回数を記録

○

×

×

○

○

○

○

○

△

圧損なし
導電性流体のみ
精度低
電力不要
圧損なし

△

○

×

安価

○

△

×

○

○

×

カルマン渦の周波数と流速の関係を利用
タービンの回転数が流速に比例する性質を利用

○

○

○

圧損なし
導電性流体のみ
精度良
固形物を含む流体には適用不可
圧損小

○

○

△

面積式
超音波式
熱 式
質量流量計
コリオリ式
容積式

積算体積流量計

原理

渦式
タービン式

高精度
軸受け寿命

流体工学特論6

エネルギー・ロスz流体のエネルギーを利用

差圧式、面積式、容積式、渦式、タービン式→ 流体損失大、電源不要
z流体のエネルギーを利用しないもの

電磁式、超音波式、コリオリ式、熱式→ 流体損失なし、外部電源必須
流体工学特論3

7

差圧式流量計z絞り部の前後で圧力差が生じる

ベルヌイーの定理・連続の式
z流量は圧力の1/2乗に比例Dpdv1 2 p1 v 2 2 p 2+=+
= const2 ρ12 ρ2d2

①

縮流の影響

②

流体工学特論

差圧式による流量計測

8JIS 8762
Q = 0.1264αεβ 2D2∆pρ

α : 絞り部の流量係数
ε :気体の膨張係数
β :絞り直径比 d/D
流体工学特論4

オリフィス9z中央に穴のあいた仕切り板（流出係数 C=0.60)
圧損大、製作が容易

流体工学特論ノズル10z長円ノズル、ISA1932ノズル（流出係数 C=0.9～1.0)
圧損小、加工精度

流体工学特論5

11

ベンチュリ管z流れを乱すことが少なく、圧力損失も小さい。製作コストが高く、設置スペースが大きい点が問題

流体工学特論

12

精 度
絞り機構
オリフィス
ISA1932 ノズル
長円ノズル
円すい型ベンチュリ

ノズル型ベンチュリ

流出係数の不確かさ±0.6% (β=??0.6). ?±β% (β>??0.6)??
±0.8% (β=??0.8). ?±(2β??-0.4) % (β>??0.6)??
±2.0%±0.7%（鋳放し入り口円すい管付きベンチュリ管）±1.0%（旋削入り口円すい管付きベンチュリ管）±1.5%（板金溶接入り口円すい管付きベンチュリ管）±(1.2+1.5β4)% δqm  2  β  2 δ D  2  β  2 δ d  2 =    + 444 qm   1 − β   D 
 1− β   d  δ C  2  δ ε  2 1  δ ∆p  2 1  δ ρ  2
 + 
+ +  + C   ε  4  ∆p  4  ρ 

流量の測定精度は1%～2%程度
流体工学特論6

13

測定上の注意z流体の密度及び粘度がわかっていること
z流体に固形物、気泡が混入していないこと
z流体の流れに脈動がないこと
z管路、絞り部を流体が満たしていること
z圧力比が0.75以上あること
z絞り機構の上流に直管部をつけること（25D～30D)

流体工学特論14

電磁流量計
ファラデーの法則
磁性流体が磁界を横切る際に発生する起電力Eと流量Qは比例関係にある

E = kBDvQ=

管壁：絶縁物（フッ素樹脂、セラミックス）

πD
4kB

E

流体工学特論715

電磁流量計の実際の構成
物体の混入など低周波数の外乱：スラリー・ノイズ
励磁周波数が低いと応答性悪化
ローパス・フィルター
電極+

測定管増幅器

ハイ・フィルター

励磁コイル

低周波：商用電源周波数の1/8程度
高周波：商用電源周波数の1.5倍程度
流体工学特論電磁流量計の特徴

16

z流体の温度・圧力・密度・粘度の影響を受けない
z導電率の影響を受けない
z混入物があっても測定可
z圧損がないz出力と流量が比例z高精度（0.5%)z逆流測定可能z応答が早い

流体工学特論817

超音波流量計z伝播時間差式

音波：流れの方向では早く流れに逆らう場合は遅くなる

θ
τ/2

τ/2
T1
T2

流速分布の補正v = kv
k = 1.119 − 0.011 ⋅ log(Re D )流体工学特論18

超音波流速計の測定原理
D / cosθD / cosθ, T 2 −τ =C + v sin θC − v sin θ2 D / cosθT 2 −T1 =v sin θ2C2 D / cosθT 2 + T 1 +τ =CD ⋅ (T 2 − T 1)v=
 T 2 +T1
2−τ sin 2θ ⋅ 2

T 1 −τ =流体工学特論9

19

超音波流速計の特徴
z圧損がないz出力が流速に比例し、流速0でも測定可
z管路の外部から測定可能
z大型機材ほど相対的に安価
z出力と流量が比例z逆流測定可能流体工学特論20

渦流量計
zカルマン渦の基本周波数（Strouhal数）

f = Stv
D

Stは形状、Re数の関数vd

渦

渦の周波数→力または圧力を測定
流体工学特論10

21

渦発生装置の形状
剥離渦の安定性円柱の剥離点→不安定
角柱やΤ字型

流体工学特論

渦流量計の特徴

22

z構造が簡単z原則として稼動部分がない
z流量の測定範囲が広い
z比較的精度が高い（1％程度）
z圧力損失は差圧式の半分以下
z流体・液体・蒸気に利用可能

問題点
z低レイノルズ数流れでは誤差大z流量が0の場合の確認ができない
流体工学特論11

コリオリ式流量計

23
F=2mωV
回転方向

回転方向
軌道

軸心回転方向軌道 軸心回転方向
流体工学特論24

コリオリ式流量計
振動U字管に流体を流す。
チューブに働く半力はコリオリ力に比例
コリオリ力：流量に比例

流体工学特論12

コリオリ式流量計

25

コリオリ力

コリオリ力

コリオリ式流量計の特徴

流体工学特論26z質量流量が直接得られる
z高精度(0.15%)
z広範な流体の計測が可能
z流速分布の影響がない
z流量測定範囲が広い（1/100)
z脈動流に追従可能

短所
z圧力損失大z外部の振動に弱い
流体工学特論13

27容積式流量計
原理
・一定容量の「ます」を検査器内に作り、この「ます」を通過する回数を測定する。

Q=4NV
流体工学特論28

容積式流量計z積算体積流量測定の精度良z流体の物性の影響が少ない
z高粘度液の測定に適している
z流量計前後の直管が不要
z外部エネルギーの供給が不要

短所
z粘度が高いと圧力損失大
z粘度が低いと精度が悪い（もれ）zごみや固形物があると故障しやすい
流体工学特論

14

29

面積流量計
Af Wf
Α

Q = kA ∆ p / ρ∆p =W f / Af
Q = kAWf
Af ρ

z管の中のフロートの上昇量と流量が比例
流体工学特論30

面積式流量計の特徴
z動力が不要。爆発性雰囲気でも使用可
z気体・液体・蒸気いずれでも測定可能
z直管長は不要
z流量測定範囲が広い（最大値の10～100%)z安価
z圧力損失小短所
z精度はあまりよくない
z固形物を含んだ流れには適さない
流体工学特論

1531

熱式流量計
原理
加熱物体の周りを流体が流れる：流体温度上昇
単位時間の移動熱量=定圧比熱×上昇温度×質量流量q& = Cp (T 2 − T 1 )G
温度計

ヒーター
流れ
Τ1

Τ２

流体工学特論32

熱式流量計の分類
z温度測定法

熱源前後の温度差から流量を算出
z消費電力測定法

ヒーターに加えた消費電力から熱量を求め、流量に換算
発電機内部の質量流量測定に利用

流体工学特論16

33

熱式流量計の特徴
z気体の質量流量の測定が可能（ほかの測定法では温度・圧力補正が必要）
z微少流量の測定が可能 （±1％）
短所
z気体の種類が変わると誤差大
z管径が細い場合、詰まることがある

流体工学特論34

タービン流量計
流路内に羽根車を設置する。
羽根車の回転数は流量に比例

軸流羽根車

接線流羽根車
流体工学特論1735

タービン流量計の特徴
z出力が流量に比例しており、精度が高い±0.2~0.5%z低粘度流体ほど測定範囲が広いz高圧力流体の測定に適している
z小型で大容量の測定が可能
z応答性がよいz圧力損失が小さい

短所
z流れが乱れていると測定誤差大
z部品の消耗が激しい

流体工学特論18