渦流量計またはタービン流量計?

Vortex flow meter1 Turbine flow meter1

動作原理

(I) 渦流量計: カルマン渦ストリート効果の工学的応用

渦流量計は、よく知られているカルマン渦ストリート効果に基づいて動作します。{0}流体が非-流線型の物体、つまり渦発生器を通って流れるとき、規則的に間隔をあけた2列の渦が下流側の両側に交互に生成されます。この渦は整然と並んでいるように見え、カルマン渦列と呼ばれます。これらの渦の発生頻度は流体の速度と密接に関係しています。渦周波数を正確に測定することにより、流体速度が巧みに計算され、流量が決定されます。

たとえば、川のそばに立って、水が石の上を流れ、石の背後に小さな回転渦を生み出しているのを想像してみてください。これらの渦の速度を数えることができれば、水の流量を大まかに見積もることができます。渦流量計はこの原理を利用していますが、より正確で科学的です。渦発生による微小な圧力変化や振動をセンサーで検知し、電気信号に変換します。信号処理と計算を経て、流体の流量を正確に表示できます。

(II) タービン流量計：流体の運動エネルギーの回転速度の測定

タービン流量計は流体の力に依存してタービンを回転させます。流体が流量計に入るとき、流体はまずガイドベーンを通過します。ガイドベーンは交通監視員のように機能し、安定した流量と方向でタービンに影響を与えるように流体を組織化します。流体の衝撃によりタービンは急速に回転し始め、その回転速度は流体の流量に直接比例します。これは、ファンを使用して風車に電力を供給するのと似ています。風が強ければ強いほど、風車の回転は速くなります。

タービンの回転速度を正確に測定するために、タービン流量計は磁電センサーを使用します。タービンの回転部分には磁気導体が設置されています。タービンが回転すると磁気導体も回転し、磁気回路の磁気抵抗が周期的に変化します。電磁誘導の原理によれば、この磁気抵抗の変化により、コイル内に対応する電気パルス信号が誘導されます。これらの電気パルス信号の周波数を収集、分析、処理することにより、対応する流体流量を計算して表示することができます。

動作原理を理解した上で、渦流量計とタービン流量計の性能特性を比較します。これは、実際のアプリケーションでより適切な選択を行うのに役立ちます。

性能特性

(I) 精度性能

精度の点ではタービン流量計が優れており、誤差範囲は通常 ±0.5% - ±1% 以内に制御され、非常に高い測定精度を誇ります。これは、高精度の天秤を使用して計量するのと似ており、非常に正確な値が得られます。-この高精度により、タービン流量計は、貿易決済やファインケミカル製造など、極めて高い流量精度が必要な用途に最適です。石油取引では、買い手も売り手も石油の流量を正確に測定する必要があります。タービン流量計の高精度により公正・公平な取引が保証され、測定誤差に起因する経済紛争を防ぎます。

渦流量計は優れた精度も備えており、一般に誤差範囲は ±1% - ±2% です。タービン流量計よりもわずかに精度が劣りますが、このレベルの精度はほとんどの産業用途には十分です。精度要件が特に厳しくない工業生産プロセスでは、渦流量計はその固有の特性により、生産プロセスに信頼できる流量データを提供するという重要な役割を果たすこともあります。

(Ⅱ)対象媒体

渦流量計はオールラウンダーのようなもので、さまざまな媒体タイプに高度に適応します。{0}液体、気体、蒸気などを簡単に扱うことができます。化学製品の製造では、さまざまな特性を持つ流体の流量を測定することが必要になることがよくあります。渦流量計は、このような複雑な媒体環境でも安定して正確に動作できます。さらに、流体の密度や粘度の変化に対してあまり敏感ではありません。このような媒体の特性が多少変化しても、渦流量計は高い測定精度を維持できます。

一方、タービン流量計はどちらかというと「クリーンフリーク」に似ています。水や軽油など、清潔で低粘度の液体の測定に適しています。-これは、タービン流量計の内部に回転部品があるためです。流体に浮遊粒子、泡、その他の不純物が含まれている場合、タービンローターの損傷や詰まりを引き起こしやすく、測定精度に重大な影響を与え、場合によっては流量計の誤動作を引き起こす可能性があります。純粋な液体原料の流量を測定する必要がある食品および飲料業界では、タービン流量計はその高精度と清浄な液体への優れた適応性により、優れたパフォーマンスを発揮します。ただし、不純物を含む排水の流量を測定する必要がある場合には、タービン流量計は適していません。この場合、渦流量計の方が良い選択となる可能性があります。

(III) コストとメンテナンス

コストの観点から見ると、渦流量計は初期投資が比較的低いため、予算が限られている企業にとっては魅力的です。さらに、保守コストも低く、年間保守費用は元の機器価格の約 1% です。その主な理由は、可動機械部品がないこと、構造がシンプルで堅牢であること、稼働中の故障が少ないことなどにより、メンテナンスの負担と頻度が軽減されることです。長期的な産業プロジェクトでは、渦流量計のメンテナンスコストが低いため、企業はかなりの資金を節約できます。-

タービン流量計は、より高度な製造プロセスと精度要件があるため、初期投資が比較的高くなります。ただし、メンテナンスにかかるコストを過小評価してはなりません。内部には回転部品があるため、測定精度と正常な動作を確保するには、定期的な校正と潤滑が必要です。タービン流量計の年間メンテナンスコストは、元の機器の価格の 3% ～ 5% に達する場合があります。使用中は、流体の不純物や腐食によるタービンの詰まりを防ぐために、タービンの回転を定期的にチェックする必要があります。タービンの摩耗が見つかった場合は、速やかに部品を交換する必要があります。これらのメンテナンス作業には、一定の人員とリソースの投資が必要です。

選択に関する考慮事項

実際の用途では、流量計の性能にとって、適切な設置と使用が非常に重要です。以下に、渦流量計とタービン流量計の設置と使用に関する考慮事項をいくつか示します。

(I) 設置箇所

渦流量計は設置条件の要件が比較的緩和されており、これが産業分野での人気の理由の1つです。一般に、上流および下流の直管セクションに対する要件は低くなります。通常、上流側の直管部分の長さは管径の 10 倍 (10D) だけでよく、下流側の直管部分の長さは管径の 5 倍 (5D) だけあれば十分です。これにより、限られたスペースや複雑な配管レイアウトでも簡単に設置できます。また、渦流量計は設置方向に自由度があり、水平設置、垂直設置が可能です。水平に設置する場合は、センサーの位置に注意し、気泡や不純物が測定に影響を与える可能性があるため、配管の最下部に設置することは避けてください。垂直に取り付ける場合、センサー内部のガスの蓄積を避け、測定精度を確保するために、流体は下から上に流れる必要があります。

対照的に、タービン流量計には設置条件に対するより厳しい要件があります。上流側には管径の20倍（20D）の直管部、下流側には管径の5倍（5D）の直管部を厳密に保証する必要があります。これは、タービン流量計の測定精度が流体の流れの安定性に大きく依存するためです。十分に長い直管部分のみが、流体が流量計に入るときに安定した流速と方向を維持できることを保証し、タービンブレード上の渦や乱流などの不安定な流れの状態によって生成される不均一な力を回避し、それによって測定結果の精度を保証します。上流側の直管部の長さが不足すると、流量計に流入する流体の流れが不規則になり、測定誤差が大きくなる場合があります。タービン流量計を設置するときは、流体の方向に特別な注意を払う必要があります。流体の流れの方向がセンサーハウジングの矢印で示されている方向と一致していることを確認する必要があります。取り付け方向を間違えるとタービンが正常に回転せず、正確な流量測定ができなくなったり、流量計が破損する恐れがあります。

(Ⅱ)使用上の注意

渦流量計を使用する場合は、外部干渉を避けるために特別な注意を払う必要があります。渦流量計は渦によって発生する信号を検出して流量を測定するため、信号は比較的弱く、外部の電磁場や振動などの影響を受けやすくなります。したがって、設置中、渦流量計は大型モーターや変圧器などの強い電磁干渉源から遠ざける必要があります。同時に、信号に対する電磁干渉の影響を軽減するために、流量計が適切に接地されていることを確認してください。渦流量計を振動の強い環境に設置する場合は、流量計に振動が伝わり測定精度に影響を与えないように、制振パッドやフレキシブルジョイントを使用するなど、効果的な制振対策が必要です。

タービン流量計の場合、使用中に激しい振動や衝撃を避けることが重要です。流量計内部のタービンは精密な回転部品であるため、激しい振動や衝撃が加わるとタービンローターの変形や破損、ベアリングの磨耗が促進され、流量計の測定精度や寿命に影響を与える可能性があります。日常の操作では、パイプラインの振動を引き起こす可能性があるため、流量計の近くで大型機器を起動または停止しないでください。また、パイプラインシステムの保守や修理の際には、タービン流量計に偶発的な衝撃がかからないよう注意してください。また、タービン流量計の測定精度は流体の温度や圧力の変化に影響されますので、使用中の流体の温度や圧力が流量計の動作範囲内に収まるように注意してください。温度と圧力の変動が大きい場合、精度を確保するために測定結果の補正と補正が必要になる場合があります。