流量計測の歴史 第15 回…aA0411-020385-9886/05/¥500/論文/JCLS〔連載〕

流量計測の歴史 第15 回＜差圧式流量計メカニズムの歴史＞

小川胖

Yutaka Ogawa

１．差圧計測メカニズムの歴史

う。中世風の建物で実験している風景が何とも楽し

差圧式流量計の場合、差圧を発生するメカニズムのい。

他に、差圧を計測するメカニズムが重要なのである

スピンク（L.K.Spink）
は差圧計測メカニズムについが、これにも長い歴史的変遷がある。計測技術2004て種々分類しているsが時代との関連がないので、そ年７月号＜９．流量計開発の歴史 1 ＞で述べたようの点を別の資料で補足しながら述べることにする。に、１世紀末の古代ローマでは一定流量が流れるようa マノメータに個々の水道管の中に抵抗素子を差し込んでいたこと19世紀末にハーシェルが始めてヴェンチュリーメーを述べたが、ローマの技術者は抵抗素子の前後にガラタを世に出したが、その実験に水銀柱マノメータを使ス・チューブ製マノメータを使用していたかもしれな

わずに、10m 以上にも及ぶ水柱マノメータを使用した

いと空想するのも楽しいことである。16 世紀末にガリ歴史的事実も計測技術2004 年８月号＜流量計開発のレオが「ポンプは吸い込み高さが9m 以上になると吸歴史 2 ＞に述べたが、きっと測定感度を良くしたいい上げられない。
」としたことにトリチェリは興味を覚ためだったと思われる（水銀柱より13.6倍良い）。

え、17 世紀初頭に水の13.6 倍の比重である水銀を入れたガラス管マノメータで大気圧が 760mm（水柱

1910年代になるとウェイマウスはオリフィスによるガス流量計測に水銀マノメータを用いていた。

10.33m）であることを発

第２図はU チューブ式マノメータであるが、原理を見したことも計測技術説明するまでもない。1932 年８月号の Instrument

2004 年２月号＜４．計測に差圧式流量計の技術の芽生え＞で述べた。

ダイアル指示マノやはり 17 世紀にボイル・メータについて記

シャルルの法則で有名であしているが第３図るロバート・ボイルは、第は当時レコーダと１図に示すように４階建てして最も広く使用のレンガ造りの建物の外側されていたメトリに巨大な水の管を固定しック・メタル・ワた。管の一部は中心が観ーク社のもので、察できるように、薄いガラアメリカン・メース管でできていた。最上部

タ社も同様な計器は真空ポンプに接続されてを製作していた。カタログかマニュアルの図面と思わおり、ポンプを動かすと水れるが無修正のまま載せることとする。これは最大圧は管を上昇しはじめたが、力800 lb（約5.6MPa）用で、差圧は2.5、50 及び100どんなにポンプを動かしてインチを用意していた。

も、水は約 30 フィート以上には上昇しなかったとい

40計測技術 2005. 1.

第１図 ボイルの大気圧の実験a

高圧側

低圧側

第２図 U チューブ式マノメータss 水銀フロート式メータ
差圧式流量計がたくさん使用されるようになると、

流量計測の歴史 第15 回…sており、ヴェンチュリーの差圧の大小によって上下動する。この動きが受信器側のコアYと連動し平方根カム E の位置を決める。カム G は１分間に２度回転する。接点Mは固定しており、積算モータOをスタートさせる。接点N はカムE によって発信し、またスケー
ルF を指示し、且つ積算モータO を停止する。リレー
Kは接点M がオープンになった後で且つカムG が接点N を開くまで、回路をクローズドに保つ。従ってモータの運転持続時間は流量に比例し積算カウンタを動かすという。いま一つ作動原理が理解できないが、差圧式流量計における機械−電気的積算計のはしりである。2004年12月号で紹介した、「サーボ操作型ゼロ方式機械−電気系流量計」というのは1920 年頃、リー

第３図 U ゲージ&フロート式メータfド&ノースラップ社（Leeds & Northrup）で開発したCentrimaxという商品名のものである。これは傾斜水銀フロート式メータが50 年近く、最もよく使用されUチューブ型に分類されるもので、最初の使用は1909た。原理的には第４図に示すものであるが、1928 〜年のGE の「うば車」という流量記録計に遡るもので37 年代には何百という新しい流量装置が出現していあるという。
第６図はアメリカン・アスカニヤ社の第２要素（Askaniaる。

secondary elemennt）といわれているもので、1932

低圧側年に米国に導入されたものである。これはオリフィス

高圧側の放物線状の高圧側脚rからばね平衡調整器tに移動した水銀の量を秤で測ることによって、流量を計測し、その指示目盛は、非秤である放物線状脚のおかげで、流量単位に等目盛付けされるという。uがその指針である。しかし高温や腐食環境に問題があったようだ。

水銀d ベル式メータ
ベル式メータというのは低差圧で伝送距離が長かっs

第４図 水銀フロート・メータ

たり、低圧力で計測したり、広い測定範囲が必要な場
その内で第５図はモーレイ&ジョーンズ社（Morey合に特に採用された。第７図がその原理図である。

& Jones）のエレクトロフローである。原理を説明す

差圧が大きくなるほど伏せたベルの中の水銀が押出ると、水銀マノメータのフロートにコアX が結合されされて低圧側の水銀が上昇し、ベルが浮力で上昇しポ

コアY

リレーI
L

H

カムE
カムG

リレー
KM

コア
Y
コア
X

モータO

N
カムE
スケールF

フロートG
マノメータ

ギヤーR
モータJ

スケールF カウンタP

第５図 モーレイ&ジョーンズ社のエレクトロフロー

計測技術 2005. 1. 41

流量計測の歴史 第15 回…dq

ゴム製バルブ板
低圧側接続口先端シャットオフ
スピンドル

qオリフィス・プレート
w閉止コックe５方向弁r固定チャンバー
t可動チャンバー
y接続キャピラリー・チューブ
uポインターwe

フォーク状レバー
ガイドリンク
均圧バルブ
レドックス・ベル水銀t

水銀排出プラグ
高圧側接続口u
第８図 レドックス・ベル型計測機構dry

力によってリング中の水銀が低圧側に押出され、バランスを保つために時高圧側

低圧側

計方向に回転しポインタ
第６図 アスカニアの計測機構dーが動く仕掛けになっている。こうしたタイプやポインター
低圧側

普通の水銀フロート・メータは特に平方根出力機構を有していないので、平方根機構を有する積分器につなげる必要があ

平方根ベルる。第10 図は1932 年頃に使われていたコッホレーン積分器（Cochrane

第９図 リング・バランス・メータsIntegrator）である。この機構について説明する

高圧側s

第７図 ベル式計測機構

インターが振れる仕掛けになっている。
発電所や製鉄所などの工業会社で広く使用されたのが第８図に示すレドックス・ベルであった。このタイプもベル・フロートによって直接平方根が引出され、ペン・アームは直接流量に比例し、チャートが流量ユニットに内蔵されていた。レドックス・ベルはシンプ
レックス・バルブ&メータ社やベーレイ・メータ社が使用していた。
f 重量バランス式メータ
水銀重量バランス式はヨーロッパで広く使用されていた。その中でも最も人気のあったのは第９図に原理図を示すリング・バランス・メータであった。
これはすぐ解るように、流体が流れると高圧側の圧42

計測技術 2005. 1.

第10 図 コッホレーン積算計d

流量計測の歴史 第15 回…fと、まずフロートの運動はカム（cam）軸上のピニオのレコーダは多量の水銀が使われていたので、泥棒のン（pinion）に伝達される。カム（cam）は平方根を夕方の仕事として十分金になったという。

引出すように成型されている。積算指標（integrator

しかしこうしたことは単なる厄介ごとであったが、index）上のピン（pin）はカムに対して上昇し、指示化学薬品に水銀フロート式を用いた場合に色々と問題アーム（index arm）の位置が流量に一致するようにが生じたのである。水銀はアンモニアのような普通のなる。計器の時計によって駆動される往復動レバー薬品と爆発性成分を形成し危険であった。写真工業で（oscillating lever）は積算指標上に乗っている爪は液体金属がほんの少し混入しても、フィルムの質が（pawl）とピンを運ぶ。ピンが落込み点（knock-off落ちるので水銀フロート式を使いたがらなかった。

point）に達すると、爪が噛合い、積算カウンタ

石油工業においても、ある有機硫化物成分は水銀と（counting train）の第１列に取付けられた円板（disk）石油に対してエマルジョン促進剤として作用するたを進める。帰りのストロークでは、爪は円板上を自由め、フロート式メータの水銀柱の比重が変わってしま状態となる。１分毎にサイクルが繰り返される。

い、精度悪化をきたした。こうした水銀を使いたがら

前号でも述べたように水銀は環境上にも芳しくないものであったが、差圧式流量計による流量計測上欠かないユーザの要求によって、第12図に示すベローズ式メータが登場することになる。

せないものであった。戦後の1950 年代においてすら、まだ主流を占めており、フォックスボロー社では写真１に示すような水銀フロート式メータを、また同じよ充填液

うにハーガン社では第11図に示すようなリング・バランス・メータを宣伝していた。

高圧側

低圧側

第12 図 ベローズ式メータs

最初に特許が許可されたのは1901 年に第13 図に示すベローズ作動式ボイラー用水位計であった。発明者
はこの特許が流量計測にも使用できることを述べており、事実５年後にある製造メーカが水道業でこれを市場し脚光を浴びている。

写真１ Foxboro 社の水銀フロート式メータg

第11 図 Hagan 社のリング・バランス・メータg

g ベローズ式メータ
水銀フロート式は、過度な差圧がかかると、水銀が計器から噴出し、損失することがしばしば生じた。たとえチェック・バルブや水銀受皿が設けられ、こうした損失を防いだり、減少させたりしたとしても、水銀の消費は高かった。
笑い話ではないが、水銀消費はこうしたオーバ・レンジだけではなく、泥棒の仕業もあった。フロート型

第13 図 ベローズ作動式ボイラー用水位計h

計測技術 2005. 1. 43

流量計測の歴史 第15 回…g

第15 図は1958 年頃の北辰電機製のベローズ式差圧

次の特許は第14 図に示すような1911 年にヴェンチ計である。測定室には２個のベローズがあり、両ベロュリ管にベローズ式メータを用いたものである。

ーズの底部は中央板に固定されており、両側のベローズに連結棒で互いにつながっている。両ベローズの内部にはシール液が封入している。連結軸の右端にはスプリングが固定され、スプリングの他端は支持板で中央板に固定されている。即ち２個のベローズの弾性力が釣り合い、スプリングと差圧が釣り合うような形になっている。左側の高圧測定室と低圧測定室の差圧によって、両ベローズは右に変位するので、連結軸に固定されたディスクがミニチュアボールベアリングを介して駆動アームを押し、トルクチューブによってその回転運動が外部に伝達される。シール液が環境温度変化で膨張圧縮するが、その分量はバイパス路を経て、フリーな温度補償ベローズと高圧ベローズの間の空間

第14 図 ヴェンチュリ管に用いたベローズ式メータhに逃げる、あるいはそこからから充填されるようになっており、精度上の影響を無くし、あるいはベローズの変形を防いでいる。

これは過度な流量に対してベローズが壊れないようこのようにして、差圧式流量計は進化してきたが、に、圧力上昇によって圧縮するように設計されてい最後にアメリカン・メータ社が 1940 年の The oilた。
その後様々なアイディアによってベローズ式メータ

and Gas Journal jに大々的に記載した石油プラントが市場したが、周囲温度変化の影響が大きくまた破裂における計装の中のオリフィス・メータ実施例を紹介し易く、これが前出のフォックスボロー社の温度補償する。第16図は米国コンティネンタル・オイル・会社付きの水銀フロート式などがまだ使用される理由にものヴィレ・プラッテ（Ville Platte）・プラント（ルイなっていた。しかし1943年に写真２に示すようなバージアナ州）における油井からプラントを経由してパイトン計器社（Barton Instrument Corp.）で温度補正プ・ラインへの油とガスの流れ図である。

付き破裂防止型の計器が初めて作られた。
これを見ると徐々に現代の差圧伝送器に形が似てきつつあるように思える。写真２と同類のベローズについては松代正三氏の「改定流量」lに詳しく記述されているので紹介したい。

トルク・チューブ・シャフト
導管

オリフィス板トルク・チューブ
グランド・ロック・ナット
連結軸

ダンパリング
シール液
高圧測定室

低圧ベローズベローズ
高圧ベローズ
レンジ・スプリングの支持板
低圧測定室
バイパス路

スプリング支持板
レンジ・スプリング

高圧ヘッド
中央板

ディスク

低圧ヘッド

取付けボルト ダンパ弁 ミニチュア・ボール・ベアリング

写真２ 温度補正付き破裂防止型ベローズ式メータh44

計測技術 2005. 1.

第15 図 写真２の内部構造l

流量計測の歴史 第15 回…hするメトリック・アメリカ

低圧セパレータ

高圧
セパレータ

ン・レコーディング・オリフ

デゾルター

熱交換器
蒸気

ィス・メータ群が設置された
油水ミキサー

ターミナルへ
水冷却器

貯蔵タンク

輸送ポンプ

ボイラーへ

生産油井

淡水

塩水

壮大なる風景である。この高圧ガスはスクラバーを経由して500lb/in2（3.5MPa）で運転されている高圧吸収塔へとプロパンより 塩水注入弁
軽いガスブタン流れる。そこから工場用燃料やレンタル燃料として、やはりオリフィス・メータを経てから出荷される。これが何と

高圧
吸収塔

ブタン・スタピライザー

生ガソリン貯蔵塔

ガソリン
ガソリン
スタビライザー

プラント燃料
リース燃料

油井入口

高圧コンプレッサー

低圧
コンプレッサーM

私が生まれた頃のアメリカの技術力なのである。このようオリフィス・メータに壮大な石油プラントは数多容積式流量計くあった。
次の写真４はカナダにおけ第16 図 ヴィレ・プラッテ油井からの油及びガスの流れ図jる帝国石油会社（ImperialOil Ltd.）の精油所の制御室風景を示すものである。このように自動制御と記録計は、精油所運転のメディアとして一般的に受入れられてきた。こうしてオペレータは液体比重計と比重瓶に代わって、一組の温度、圧力、流量計指示記録及び自動時計装置を目の前にすればよくなったのである。彼の問題は予め決めた、あるいは最適な条件で運転を安定に保つことであった。そうすることが可能な限り、彼の仕事はじっと計器板を監視することになったのである。
我が国は1941 年12 月８日未明真珠湾を奇襲して太平洋戦争に突入していったが、よくもこのように巨大写真３ 壮大なオリフィス・メータ群j

且つ技術力のある国を相手に戦争を吹っかけたものだとつくづく思うのである。
＜参考文献＞
a 「マクミラン 世界科学史百科図鑑２」，原書房
s L. K. Spink “Principle and Practice of Flow MeterEngineering” The Foxboro Co., 初版1930
dR. J. S. Pigott “Industrial Fluid Metering and AutomaticControl” Instrument, January 1938

f M. F. Behar “Flow Measurement and Control” Instrument,
August 1932
写真４ 1940 年代の精油所の制御室lg Instrument, January 1950h Claude B. Nolte “History of Bellows-actuated Flow Meter”
Instrument, January 1950
j American Meter Co. “Inducted into Head Service” The oil

この流れ図の上部にある複数の生産油井から油ガス混合流が高圧セパレータで気液に分けられ、ガスがヘッダーに集められる。写真３はそのガスの流量を計測

and Gas Journal, Vol.39, No.22, 1940k The oil and Gas Journal, vol.39, No.16, 1940l 松代正三：「改定 流量」，コロナ社

計測技術 2005. 1. 45