渦流量計の動作原理: 流量の測定方法と使用時期

渦流量計は、再現可能な流体効果を使用して流量を測定します。つまり、液体、ガス、または蒸気がメーター本体内の固定された障害物を通過すると、下流に交互の渦が形成されます。メーターはこれらの渦の周波数を検出し、その信号を流速と流量に変換します。

このため、渦流量計は蒸気ライン、圧縮空気システム、工業用ガス、冷却水、および多くの清浄な低粘度液体で広く使用されています。-流路内に回転部分がなく、流体の状態や設置が適切であれば、比較的少ないメンテナンスで安定した測定が可能です。

ただし、渦流量計は万能な解決策ではありません。低流量、パイプの強い振動、流れプロファイルの乱れ、湿った蒸気、非常に粘性の高い液体、汚れた媒体、不適切なサイジングはすべて、渦信号に影響を与える可能性があります。このガイドでは、動作原理、計算ロジック、適用範囲、選択ポイント、よくある間違いについて説明しており、渦流量計あなたのプロセスに適しています。

渦流量計とは何ですか?

渦流量計は、渦放出を使用して流体速度を測定するインライン流量測定装置です。メータボディ内部の流路にはブラフボディ、シェダーバー、ボルテックスジェネレータと呼ばれる固定障害物が配置されています。流体がこの障害物を通過すると、流体は分離し、下流に交互の渦を形成します。

このメーターは、回転するタービンや可動機械要素によって流量を測定するものではありません。代わりに、通過する渦によって引き起こされる圧力変動または機械振動の周波数を測定します。このため、渦メーターは、蒸気、都市ガス、圧縮空気、一般的なプロセス サービスなど、可動部品が望ましくない用途にとって魅力的です。

アプリケーションが主に蒸気測定に関係する場合は、次のようなさまざまな渦モデルを比較することもできます。蒸気流量計または渦蒸気流量計最終選考前に。

渦流量計の動作原理を簡単に言うと

1. 液体がメーター本体を通過する

流体は固定パイプセクションを通ってメーターに入ります。流路の途中では、断崖体が部分的に流れを遮断し、乱します。その目的は、流れを止めることではなく、安定した再現可能な分離パターンを作成することです。

2. ブラフ ボディが交互の渦を生成する

流体がブラフ ボディの周りを流れると、一方の側から分離し、次にもう一方の側からも分離します。これにより、下流に規則的な一連の渦が形成され、これはカルマン渦列と呼ばれることがよくあります。エンドレスハウザーは、断崖体の周囲で発生する渦の頻度は平均流速に比例し、したがって体積流量に比例すると説明しています。エンドレスハウザーの渦測定原理は、この関係に関する有用な技術リファレンスを提供します。 :contentReference[oaicite:9]{インデックス=9}

3. センサーが渦周波数を検出

渦が通過するたびに、小さな圧力変化や振動が発生します。センサーはこれらの変化を検出し、電気信号に変換します。多くの渦メーターは、圧電センサーまたは容量センサー設計を使用して、ブラフボディの周囲の圧力振動を検出します。DwyerOmega の渦流量計ガイドこれらのセンサーの種類と信号検出におけるその役割について説明します。 :contentReference[oaicite:10]{インデックス=10}

4. トランスミッタは周波数を流量に変換します

トランスミッタはセンサー信号をフィルタリングし、渦放出周波数を計算し、それを流速に変換します。メーターが速度とパイプ面積を知ると、体積流量を計算できます。ガスと蒸気の場合、システムでは、補償された体積流量または質量流量を計算するために、温度と圧力の補償も必要になる場合があります。

流量はどのように計算されますか?

基本的な関係は次のとおりです。

f=St × V / d

• f= 渦放出頻度
• セント= ストローハル数
• V= 流速
• d= ブラフ ボディの特徴的な幅

速度が決定されると、体積流量は次のように計算できます。

Q = V × A

• Q= 体積流量
• V= 平均流速
• A= パイプ断面積-

• 

実際の工業用メーターでは、通常、ユーザーはこれらの値を手動で計算しません。送信機はメーターの校正データと内部アルゴリズムを使用します。実際には、この用語も目にすることがあります。Kファクター、単位体積あたりに生成されるパルスの数を表します。 K ファクターは、トランスミッターが周波数またはパルス信号を実際の流量測定値に変換するのに役立ちます。

この関係は、ストローハル数がメーターの動作範囲内で安定している場合に最もよく機能します。そのため、渦流量計は正しいサイズ、適切なレイノルズ数、安定した流量プロファイル、および適切な設置に依存します。速度が低すぎる場合、渦が弱すぎて確実に検出できない可能性があります。流れが大きく乱れると、渦パターンが不安定になる場合があります。

蒸気とガスが補償を必要とする場合が多い理由

液体サービスの場合は、体積流量で十分な場合があります。蒸気と気体の場合、密度は圧力と温度によって変化します。ある圧力および温度におけるガスまたは蒸気の立方メートルは、別の条件における立方メートルと同じ質量を表さないため、これは重要です。

蒸気システムの場合、重要な問題はメーターが渦を検出できるかどうかだけではありません。また、測定システムが動作条件の変化を補償できるかどうかも重要です。温度補償、圧力補償、または外部信号を使用して使用する渦流計圧力トランスミッター質量流量やエネルギーの計算に役立つ読み取り値を提供できます。

高温蒸気またはユーティリティ サービスの場合、ユーザーは、高温渦流量計-または高温挿入渦流量計-、パイプのサイズ、プロセス温度、設置条件、および必要な精度によって異なります。

渦流量計の主要コンポーネント

ブラフボディ

ブラフ ボディは、渦の放出を作成する固定の障害物です。その形状は重要です。形状や幅、位置が適切でないと、渦パターンが弱くなったり不安定になったりして、測定の信頼性が低下する可能性があります。

センサー素子

センサーは渦によって生じる圧力変動や振動を検出します。フローを直接「見る」わけではありません。渦列が作り出す繰り返し信号を読み取ります。

送信機

トランスミッターはセンサー信号を受信し、ノイズをフィルターし、周波数を計算し、校正データを適用して、流量値を出力します。製品設計に応じて、出力にはパルス、4 ～ 20 mA、HART、RS485、Modbus、またはその他の産業用通信信号が含まれる場合があります。蓄積流量が必要なシステムでは、メーターを併用することもできます。トータライザー流量計またはフローコンピュータ。

温度と圧力の入力

蒸気とガスの場合、オプションの補償入力は密度変化の補正に役立ちます。これは、単純なライン速度ではなく、質量流量、補正された体積流量、またはエネルギーの監視が目的の場合に特に重要です。

渦流量計はどこで一般的に使用されますか?

蒸気流量測定

渦流量計は、ボイラー、熱交換器、繊維工場、食品加工、化学プラント、公共システムの飽和蒸気や過熱蒸気用によく選択されます。蒸気は、この技術が高温に対応でき、流路に回転部品がないため、渦流量計の最も強力な応用分野の 1 つです。

ただし、蒸気の質は重要です。湿った蒸気、凝縮水のスラグ、または不安定な二相流は、信号品質と測定の信頼性に影響を与える可能性があります。-蒸気サービスの場合は、圧力、温度、蒸気の状態、配管サイズ、予想流量範囲、補償の有無などをご確認ください。関連モデルについては、を参照してください。蒸気用渦流量計.

圧縮空気と産業用ガス

渦流量計は、速度、圧力、温度、密度が流量計の指定範囲内にある場合に、圧縮空気、窒素、天然ガス、その他の工業用ガスを測定できます。ガスサービスにおける主なリスクは、低速または低密度での信号強度の低下です。通常の流量がメーターの最小範囲に近い場合、測定値が不安定になる可能性があります。

ガス流量が非常に少ない場合、熱式質量流量計ガス質量流量アプリケーションを直接対象としているため、場合によってはより適している場合があります。

水ときれいな低粘度液体-

渦流量計は、冷却水、プロセス水、きれいな低粘度液体に使用できます。{0}}これらは、液体が十分にきれいで、流れが安定しており、パイプの設置により安定した速度プロファイルが得られる場合に考慮されることがよくあります。

液体が導電性で、用途に廃水、スラリー状の流れ、または最小限の圧力障害が含まれる場合、{0}}電磁流量計より良い選択かもしれません。非侵入型インストールの方が重要な場合は、-超音波流量計比較してみる価値はあるかも知れません。

化学およびプロセス用途

化学サービスでは、ボルテックスメーターは互換性のある液体、気体、または蒸気を測定できますが、材料の互換性を注意深くチェックする必要があります。腐食、コーティング、堆積物、結晶化、または高粘度は、ブラフボディの状態を変化させたり、渦の形成を妨げたりする可能性があります。

渦流量計の利点

• 可動部品なし:流路にはローター、タービンホイール、ギア機構がないため、機械的摩耗が軽減されます。
• 蒸気、ガス、液体に適しています。動作条件が適切であれば、同じ測定原理で複数のプロセス媒体に使用できます。
• 蒸気および高温サービスに適したオプション:{0}}渦流量計は、公共施設の蒸気や高温の用途で広く使用されています。-
• 正しい条件下での安定した出力:メーターのサイズが正しく設置されている場合、渦周波数により再現可能な信号が得られます。
• 有用な産業生産物:多くのモデルは、プロセス制御とモニタリング用のパルス、アナログ、デジタル通信出力をサポートしています。

製品側の利点に関する関連説明については、サイトマップに次のページも含まれています。{0}渦流量計の利点.

制限事項: ボルテックスメーターが最良の選択ではない場合

• 非常に低い流量:渦の発生は検出できるほど強力でなければなりません。通常の流量が低すぎると、メーターが安定性を失う可能性があります。
• 強いパイプ振動：外部振動は流量信号のように見えたり、センサー出力にノイズを追加したりすることがあります。
• 短い直管配管:エルボ、減速機、ポンプ、および制御バルブは、速度プロファイルを歪め、渦の形成に影響を与える可能性があります。
• 汚れた、粘着性のある、または粘度の高い液体:{0}}堆積物や粘性のある流れは、渦パターンを弱めたり、ブラフ ボディの効果的な形状を変化させたりする可能性があります。
• 不安定な二相流:{0}}湿った蒸気、気液混合物、または脈動流は信頼性を低下させる可能性があります。{0}
• 間違ったサイズ設定:パイプの直径のみで選択すると、通常の動作流量で弱い渦信号が発生する可能性があります。

渦流量計と他のタイプの流量計の比較

ボルテックス流量計とタービン流量計の比較

A タービン流量計回転ローターを使用して流量を測定します。きれいな液体や一部の気体に対しては正確な精度が得られますが、可動部品にはより多くのメンテナンスが必要になる場合があります。ボルテックスメーターには回転部品がないため、蒸気や公共サービスに最適です。動作条件が安定しており、必要な性能がタービン技術に適合する特定の清浄な液体用途では、タービン メーターが好まれる場合があります。

ボルテックス vs 電磁流量計

電磁流量計は、電磁誘導を利用して導電性液体を測定します。蒸気、ガス、非導電性液体は測定できません。-渦流計は蒸気や多くのガスを測定できますが、汚れたもの、粘着性のあるもの、または流量が非常に少ない用途にはあまり適していません。-水や廃水などの導電性液体の場合、磁気メーターは比較に値することがよくあります。

渦流量対差圧流量計

オリフィス プレートなどの差圧計は、圧力降下を生成し、差圧から流量を計算します。それらは広く使用されており、多くの植物でよく知られています。一部の蒸気またはガスサービスでは、渦流量計がよりコンパクトな統合ソリューションを提供する場合がありますが、プラントの規格、既存の計装、または特殊な動作条件で DP システムが必要な場合には、依然として DP システムが好まれる場合があります。

ボルテックス流量計と超音波流量計

超音波流量計は音波を使用して流量を測定します。一部のクランプオン設計はパイプの外側に取り付けることができ、パイプを切断できない場合に便利です。渦メーターはプロセスラインに設置する必要がありますが、蒸気や多くの工業用ガスまたは液体サービスには実用的です。詳細については、関連ページを参照してください。超音波流量測定原理.

精度を高めるための取り付けのヒント

十分な直管配管を維持する

渦流量計には安定した流量プロファイルが必要です。メーカーのマニュアルに従って、特にエルボ、減速機、膨張機、ポンプ、制御バルブの近くに十分な上流および下流の直管を備えたメーターを設置してください。必要な長さはモデルやパイプの配置によって異なります。

パイプの強い振動を避ける

センサーは小さな圧力変動や振動を検出するため、外部振動が信号に干渉する可能性があります。適切なパイプサポートを使用し、重量振動源の近くにメーターを設置することは可能な限り避けてください。

メーターのサイズを実際の流量範囲に合わせる

配管径に適合するという理由だけでボルテックスメーターを選定しないでください。通常の流れが低すぎる場合、渦信号が弱くなる可能性があります。場合によっては、小さいメーターサイズを使用すると速度が向上しますが、選択する前に圧力損失とプロセス限界を確認する必要があります。

流体の状態を確認する

流体は安定した渦の形成をサポートする必要があります。大量の堆積物、不安定な脈動、二相流、または高粘度があると、測定の信頼性が低下する可能性があります。

サイトマップから読み取る関連インストールの詳細については、を参照してください。渦流量計の設置位置の選定そして渦流量計の設置箇所.

適切な渦流量計の選び方

見積もりを依頼したり、モデルを選択したりする前に、次のプロセス情報を準備してください。

• 流体の種類：飽和蒸気、過熱蒸気、圧縮空気、ガス、水、薬液
• パイプサイズとパイプ材質
• 通常、最小、最大流量
• 使用圧力
• 動作温度
• 流体の密度と粘度（入手可能な場合）
• 必要な出力信号（パルス、4 ～ 20 mA、HART、RS485、Modbus など）
• 精度要件
• 上流側と下流側の直管長を選択可能
• 設置方向とプロセス接続
• 材料の適合性要件
• 防爆エリアまたは危険エリアの要件（該当する場合）-
• 温度と圧力の補正が必要かどうか

実際的なルールは、パイプのサイズではなく、通常の動作流量から始めることです。メーターは、最小および最大の条件をカバーしながら、通常の範囲全体で快適に動作する必要があります。通常の流量が測定可能下限に近すぎる場合、メーターが物理的にパイプに適合していても、渦信号が不安定になる可能性があります。

一般的な症状とその意味

• 低流量では測定値がありません:流速が最小測定範囲を下回っている可能性があります。
• 読み取り値が不安定:考えられる原因としては、配管の振動、流れの乱れ、接地不良、脈動などが考えられます。
• フローが停止しているときに読み取りが存在します。外部からの振動や電気ノイズが信号に影響を与えている可能性があります。
• 設置後の大きな偏差:メーターがバルブ、ベンド、レデューサー、ポンプに近すぎる可能性があります。
• 蒸気の測定値がエネルギー使用量と一致しません:補償が欠落しているか、不正確であるか、不適切な圧力および温度入力に基づいている可能性があります。

関連するトラブルシューティングのコンテンツについては、次を参照してください。渦流量計故障時の点検手順そして渦流量計のトラブルシューティング方法.

結論

渦流量計の動作原理は概念としてはシンプルですが、実際のプロセス条件に敏感です。断崖体が交互の渦を生成し、センサーが渦の周波数を検出し、送信機がその周波数を流量に変換します。このため、渦流量計は蒸気、ガス、圧縮空気、水、および多くのきれいな低粘度液体に役立ちます。-

信頼性の高い結果を得るには、パイプ サイズのみに基づいて選択しないでください。流量範囲、最低速度、圧力、温度、密度、粘度、直管の長さ、振動、補償の必要性、流体の清浄度はすべて性能に影響します。これらの条件が適切な場合、渦流量計は工業用流量測定に有力な選択肢となります。それらが適切でない場合は、磁気、タービン、超音波、熱質量、または差圧技術を比較すると、より良い決定が得られます。