液体、気体、蒸気の流量測定について
安定した製品品質、安全性、プロセス最適化、環境保護——これらは、産業において流量測定がプロセス制御の重要な要素である理由の一部にすぎません。水、ガス、蒸気、鉱油、化学物質など、日々測定が必要な流体は多岐にわたります。当社の豊富な製品ラインアップから、お客様のプロセスニーズに最適な流量計を選択することができます。本ページでは、産業用流量計の測定原理とその適用分野について概要を説明するとともに、スマート測定技術やマルチバリアブルセンサーがどのように付加価値を生み出すかをご紹介します。長年にわたる専門知識を背景に、Endress+Hauserは技術的な深みと業界固有のノウハウを融合した、業界でも幅広い流量測定機器ポートフォリオを提供しています。
利点
- 通信機能付きの単一測定ポイントから上位制御システム向けの完全なソリューションまで、Endress+Hauserの流量計はお客様の要件に合わせて設計されています。
- 自動化されたプロセス制御および最先端の通信インターフェース(フィールドバスシステム)との連携により、近年、流量測定の適用領域はますます拡大しています。
- コリオリ式や熱式による質量流量測定、電磁式・渦式・超音波式による体積流量測定など、さまざまな測定原理から選択可能です。
- 当社のポートフォリオは、基本用途向けのシンプルな流量計から、高度な用途向けのマルチバリアブルおよびスマート測定機器まで幅広く対応しています。配管径1mmの極小アプリケーションから最大4mの大口径までカバーし、ライフサイエンス、石油・ガス、水・廃水、電力・エネルギー分野など、ほぼすべての用途に最適なソリューションを提供します。
なぜ産業プロセスにおいて流量測定が重要なのか
正確な流量測定により、オペレーターはプロセスをより精密に制御することが可能になります。液体、気体、蒸気といった流体の流量を正確に把握することで、最適な運転条件の維持、プラント効率の向上、製品品質の維持・向上が実現します。
また、安全な運転条件の確保においても流量測定は重要な役割を果たします。流量の変動はしばしばプロセス異常や設備故障の兆候であり、不適切な流量は化学、石油・ガス、医薬品などの産業において安全リスクを引き起こす可能性があります。例えば、正確な流量測定装置により、危険で爆発性を持つ流体の漏れを事前に検知・防止することが可能です。
さらに、多くの業界では環境、安全、計量(取引計量)に関する厳しい規制が課されています。流量測定は排出量、廃棄物処理、資源使用の監視に役立ち、法規制への適合を支援します。
流量測定の仕組み — 各種測定技術
流量測定には複数の技術があり、それぞれ異なる流体、プロセス条件、精度要求に適しています。低温液体から水、気体、蒸気の測定まで、幅広い用途に対応しています。
コリオリ測定原理
コリオリ測定原理は、コリオリ力を利用して質量流量を測定します。流量計内部では励振器により1本または複数の測定管が振動します。流体が管内を通過すると、その慣性によって振動にねじれが生じます。2つのセンサーがこの変化を位相差として検出し、それが質量流量に直接対応します。測定原理について詳しくはこちらをご覧ください。
コリオリセンサーは非常に汎用性が高く、液体および気体両方に適しています。その高い測定精度により、ライフサイエンス、化学、石油化学、石油・ガス、食品などの分野における取引計量用途に最適です。
Endress+Hauserのコリオリ流量計製品
コリオリ流量計製品のラインアップは非常に幅広く、あらゆる産業の要件に対応しています。Proline Promassにより、Endress+Hauserは最高精度を誇るマルチ変数コリオリセンサを提供しており、さまざまなプロセス流体における質量流量、密度、粘度の測定に最適です。
ポートフォリオには以下のような流量計が含まれます:
- 極微小流量から大流量まで対応する製品
- サニタリ(衛生)用途向けに特化した製品
- 蜂蜜、ヨーグルト、ビチューメンなどの高粘度液体向け製品
- 水素や二酸化炭素など各種ガス向け製品
センサは非常に堅牢であり、一部のモデルは腐食性酸、液化二酸化炭素、液化天然ガス(LNG)のような極低温流体など、過酷な流体にも特に適しています。さらに、バイオテクノロジー分野におけるシングルユース用途にも対応し、高い測定性能を提供します。 もう一つの重要な用途は計量取引(カストディトランスファー)であり、例えば以下のようなアプリケーションがあります: 原油輸送、精製炭化水素の積み込み/荷下ろしスキッド、牛乳輸送、など
コリオリ流量計の顧客導入事例
ビチューメンの排出時における最高レベルの測定精度
ケチャップの品質をインラインで監視し、チームワークが成果を生む
インライン粘度測定により、ケチャップ製造業者が生産中に品質を継続的に管理し、ラボ試験結果を待つ時間を短縮するとともに、製品ロスを回避し、予期せぬコストを削減できる方法をご覧ください
計測誤差とメンテナンスコストを大幅に削減
Arkemaが、維持管理コストと計測誤差が許容できない水準に達した容積流量計を、質量流量計へ置き換えた事例をご紹介します。
ビチューメンの排出時における最高レベルの測定精度
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計測誤差とメンテナンスコストを大幅に削減
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電磁式測定原理
電磁式測定原理の基礎はファラデーの電磁誘導の法則にあります。この法則では、磁場中を移動する金属棒には電圧が誘起されるとされています。電磁流量計(磁気誘導式)では、2つのフィールドコイルによって人工的な磁場が生成されます。電気的に帯電した流体中の粒子がこの磁場を横切ると、電圧が誘起され、電極によって測定されます。この電圧は流体の流速に比例し、したがって流量にも比例します。測定原理の詳細については、こちらをご参照ください。
電磁流量計(マグメータとも呼ばれます)は、圧力、温度、密度、粘度の影響を受けません。そのため、導電率が5 μS/cm以上のすべての導電性液体に対して、固形物の有無にかかわらず測定が可能です。これらの計測機器は、連続流量の測定・監視、充填、および定量供給などの用途に適しています。代表的な用途としては水管理分野が挙げられますが、それに加えて食品・飲料、ライフサイエンス、化学プロセス、さらに研磨性スラリーを扱う採鉱やトンネル建設といった過酷環境での用途にも適しています。
Endress+Hauserの電磁流量計製品
Proline Promag製品ファミリーは、あらゆる産業分野および内径2 mmから3 mまでの配管に対応する汎用的な製品です。これらの電磁流量計は、水および排水用途において高い精度を提供するだけでなく、高温プロセスやサニタリ用途、さらには設置スペースが限られた環境でも使用可能です。また、外部電源がない遠隔地向けの機種も用意されています。いくつかの機種は配管内の障害物の下流側に設置可能でありながら、高精度の測定や取引用計量にも対応します。
電磁流量計には可動部や流路の絞りがなく、圧力損失の原因となる要素が存在しません。そのため非常に堅牢であり、メンテナンスも最小限で済みます。
電磁流量計の導入事例
持続可能な電力ネットワーク拡張のための測定技術
A-Nord高圧直流送電線の建設において、Hölscher Wasserbauが環境規制を遵守しながら、地下水を持続可能な方法で汲み上げ、処理し、再び戻している取り組みをご紹介します
電解プロセスにおける信頼性の高い計測
ペンドルトン市の下水処理施設における流量計の活用
オレゴン州ペンドルトン市が、その下水処理施設において、0 x DNのフルボア構造により設置制約のないPromag W流量計を活用し、計測性能の向上を実現している事例をご紹介します
持続可能な電力ネットワーク拡張のための測定技術
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ペンドルトン市の下水処理施設における流量計の活用
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渦流(ボルテックス)測定原理
渦流測定原理は、流体が非空力的形状の障害物(ブラフボディ)を通過する際に渦(カルマン渦列)が発生するという現象に基づいています。例えば、橋脚の後方で見られる現象です。ボルテックス流量計のセンサ内部には、配管の中央にブラフボディが設置されています。この障害物の後方では、流体が一定の流速に達すると渦が発生します。渦の発生頻度は平均流速に比例し、その結果、体積流量にも比例します。ブラフボディの両側に生じる交互の圧力変動は、容量式センサによって検出されます。測定原理の詳細についてはこちらをご覧ください。
ボルテックスセンサは、液体・ガス・蒸気の流量測定に幅広く適用可能であり、特に化学、石油化学、発電、熱供給などの厳しい条件下において高い信頼性を発揮します。これは、圧力、密度、温度、粘度の変化の影響をほとんど受けないためです。代表的な用途には、飽和蒸気または過熱蒸気、圧縮空気、窒素、水素、二酸化炭素などの工業用ガス、液化ガス(極低温)、および純水、溶剤、熱媒油、ボイラ給水、凝縮液などの液体が含まれます。
Endress+Hauserのボルテックス流量計製品
Endress+Hauserの多変数ボルテックス流量計であるProline Prowirlシリーズは、質量流量、補正体積流量、エネルギー流量(例:熱量差)、温度、さらにはプロセス圧力を同時に測定できます。また、同一の機器でガス、蒸気、液体のすべてのアプリケーションに対応可能です。本製品ファミリーは高い堅牢性で知られており、過酷な条件下でも高精度な測定値を提供します。Prowirl 200は、蒸気品質(ドライネス分率)の監視機能を備えた世界初のボルテックス流量計であり、蒸気プラントの質量およびエネルギーバランスの高精度化を実現します。さらに、ゼロ点ドリフトがないため長期安定性に優れ、Kファクターがライフタイムで安定し、適切なサイジングにより広いレンジアビリティを実現できます。
サーマル(熱式)測定原理
サーマル流量測定原理は、ガスの質量流量を測定するために対流熱伝達に基づいています。ガスが加熱された表面の上を流れると、熱を奪い取り、その表面を強制的に冷却します。熱式流量計はこの現象を利用して流量を測定します。熱式質量流量計のセンサは通常、2つの温度素子で構成されています。1つはガスの温度を測定し、もう1つは自身を加熱するか、または自身の温度を測定します。加熱された素子は、ガス温度に対して一定の温度差を保つように制御されており、電子回路が流量の変化に応じて供給電力を調整します。この供給電力が流量の指標となります。測定原理の詳細についてはこちらをご覧ください。
サーマル質量流量計は、特に低流量かつ低圧条件において、さまざまな用途で産業用ガスの消費量測定や流量監視に適しています。主な用途として、圧縮空気の監視、天然ガス消費量の測定、二酸化炭素や窒素の監視、プロセスガスの流量制御、漏れ検知、配管ネットワークにおけるサブメータリングなどが挙げられます。
Endress+Hauserのサーマル流量計製品
Endress+Hauserのサーマル質量流量計であるProline t-massシリーズは、多様な単一ガスおよびガス混合物に対応する柔軟な設定機能、広い測定レンジにおける優れた性能、包括的な診断機能、現場での機器検証およびプロセス安定性の監視機能を備えている点が特長です。t-mass機器は優れたレンジアビリティを持ち、圧力損失がほとんどなく、低流量域での高い感度を実現し、さらに圧力補正や温度補正を必要としません。これにより、プロセスの安全性と測定精度の向上、運用コスト(OPEX)および設備投資(CAPEX)の削減、運用の柔軟性向上、エネルギーおよびプロセスの最適化が可能となります。多変数対応機器では、質量流量、補正体積流量、エネルギー流量、温度の出力が可能です。Proline t-mass流量計は、インライン型と挿入型があり、挿入型は大口径配管や矩形ダクトでの測定に適しています。
超音波測定原理
超音波流量測定原理は、流れに逆らって泳ぐ場合は、流れに沿って泳ぐ場合よりも多くのエネルギーと時間を必要とするという事実に基づいています。このため、この測定方法は「伝搬時間差方式(トランジットタイム差方式)」と呼ばれます。測定管内または外部に設置されたセンサが、交互に超音波信号を送受信し、その伝播時間を測定します。流体が流れ始めると、流れ方向の信号は加速され、逆方向の信号は遅延します。この時間差は流量に直接比例します。測定原理の詳細についてはこちらをご覧ください。
超音波流量計は、導電率、圧力、粘度に関係なく、液体および気体の測定に使用できます。柔軟性とコスト効率が重要な流量監視、ネットワークバランシング、検証用途に最適です。また、石油化学、化学、水処理などの厳しいアプリケーションにも適しています。具体例としては、商取引用計測(カストディトランスファ)、漏れ検知、水配給ネットワーク、冷暖房サイクルにおけるエネルギー計測、石油化学や製油所の移送ライン、工業プロセスなどが挙げられます。
Endress+Hauserの超音波流量計製品
Endress+HauserのProline Prosonic FlowおよびFLOWSICファミリーの超音波流量計は、インライン測定と非接触型(クランプオン)測定の両方に対応しています。インライン型流量計は、石油化学、化学、水処理分野の要求の厳しいアプリケーションにおいて高い測定精度を提供します。クランプオンセンサは、短期間の設置や恒久的な測定に適しており、プロセスを停止することなく後付けが可能であるほか、腐食性・危険性・有毒性のある流体、高圧・高温プロセス、最大4メートルの大口径配管にも対応できます。
さらに、FlowDC機能により、上流直管長を大幅に短縮でき、スペースの限られた場所でも設置が可能です。そのほかの利点として、圧力損失がゼロ、メンテナンスが最小限で済むこと、長寿命であることなどが挙げられます。
超音波流量計による顧客成功事例
困難な条件下でも信頼性の高い流量測定
Schluchseewerk AGが、Endress+Hauserのクランプオン式超音波流量計を活用し、Wehrの揚水発電所においてタービン効率の測定および最適化をどのように実現したかをご紹介します
プラント加熱システムのエネルギー効率向上
多変数流量計のメリットとは?
多変数流量計は、より少ない機器でプロセスに関する多くの情報を取得できるため、コスト削減とプロセス効率の向上に貢献します。
Endress+Hauserの多変数流量計は、複数のプロセス変数を同時に測定でき、産業用途において大きな利点を提供します。例えば、複数のパラメータに関するリアルタイムデータにより、より高度なプロセス制御や診断が可能になります。これにより、正確な定量供給、バッチ処理、漏れ検知、エネルギー使用の最適化など、さまざまな用途においてプロセスの最適化を実現できます。 さらに、1台の機器で複数のセンサを代替できるため、設備投資(CAPEX)の削減、設置の簡素化、メンテナンスコストの低減にもつながります。
Endress+Hauserはどのような多変数流量計を提供していますか?
コリオリ式のPromassファミリーは、多変数測定機能で特に知られています。これらの流量計は、流量だけでなく、質量流量、密度、温度、さらには粘度まで測定可能です。そのため、定量的な流量情報において最も高い精度を実現するとともに、流体の品質に関する重要な情報も提供します。この追加情報は、商取引用計測、濃度測定、プロセス管理、品質管理、さらにはバランス計算などに有用です。同様に、Promagファミリーの電磁流量計は、体積流量、導電率、温度といった複数のパラメータを1台で測定できます。これらは水処理・下水処理、ユーティリティ、品質監視、エネルギー用途に適しています。 また、Prowirlファミリーのボルテックス流量計は、体積流量、温度、圧力を同時に測定可能です。これにより、ガスの補正体積流量やエネルギー、蒸気の質量・エネルギー・熱量差(Δ熱量)、さらにはドライネス分率まで高精度に算出できます。その結果、ユーティリティおよびエネルギー管理において最大限の効率を実現できます。
各製品の詳細については、それぞれの機器が測定可能なパラメータおよび提供されるメリットをご確認ください。
流量計はいつスマートになるのか?
スマート流量計とは、単なる測定機器から、プロセス最適化、予知保全、上位システムとのシームレスな統合を実現する戦略的資産へと進化した流量計を指します。これらは、デジタル化が進む現代において不可欠な要素です。Endress+Hauserは、Heartbeat Technology、高度な診断機能、多様な接続オプションといった革新により、この変革を実現しています。
Heartbeat Technologyによるスマート計装
Endress+HauserのHeartbeat Technologyは、スマート計装の中核を担います。診断、検証、監視機能により、プロセスおよび機器の詳細なインサイトを提供し、プロセス最適化や状態監視を可能にします。トレーサブルな検証、機器性能への信頼性向上、法規制対応、予知保全、校正間隔の延長など、さまざまな利点をもたらします。
Promagにおける付着指数
水処理プラントの運用者は、配管内の付着物による予期せぬダウンタイムに直面することがよくあります。Heartbeat Technologyに統合された特許取得済みの付着指数は、電磁流量計において付着状況を常時監視し、トレンド分析を可能にします。これにより、状態ベースのメンテナンスや洗浄サイクルの最適化、コスト削減、突発的な停止の低減が実現され、プラント稼働率とプロセス信頼性の向上につながります。
HBSIによるセンサ健全性の信頼向上
Heartbeat TechnologyのHBSI値は、電磁流量計における磁場強度の変化を監視することができます。この機能により、プラント運用者は磁気干渉およびそれがProline Promagの測定精度に与える影響を検知できます。
Proline Prosonic FlowのFlowDC機能
Endress+HauserのFlowDC機能は、乱流を引き起こす配管部品の下流でも、超音波流量計の規定測定性能を保証します。これにより、限られたスペースでも設置の自由度が高まり、直管長の大幅な短縮や、エルボや配管縮径部の直後への設置が可能になります。
シームレスな統合、プラント制御、データ管理のためのソリューション
プラント制御システムへの統合を実現する接続ソリューション
既存のプラント制御システムへのシームレスな統合は、効率的な運用と監視に不可欠です。Endress+Hauserは、信頼性の高いデータ伝送と多様な制御プラットフォームとの互換性を確保する革新的な接続ソリューションを提供しています。これにより、迅速な導入、リアルタイムデータアクセス、プロセスの可視化向上が実現され、より高度な意思決定と効率的な運用が可能になります。
最新のEthernet接続およびAPLやSPEを用いたシングルペアイーサネットにより、PLC(プロセス論理コントローラ)やDCS(分散制御システム)への効率的な統合が可能です。また、4–20mAやIO-Linkといった実績ある技術は、I/OシステムやIO-Linkマネージャへの容易な接続を実現します。
SmartBlue – デバイスの効率的なワイヤレス操作
デバイスのセットアップやコミッショニングが、すぐ手元で行えるようになりました。SmartBlueアプリを使用することで、エンジニアリング、運用、保守における日常作業がこれまで以上に簡単になります。専用のツール機器は不要で、モバイルデバイスだけで実行可能です。
さらに、SmartBlueはフィールドにおける新たなセキュリティレベルを実現します。Fraunhofer-Gesellschaftによる独立試験により、高度なセキュリティ機構が確認されており、不正アクセスからデバイスを保護します。
Sample and Adjustによるプロセスとラボの濃度測定値の整合
食品・飲料業界において製品品質の管理は不可欠です。現在、ラボ主体の分析から、信頼性の高いインライン濃度測定への移行(ラボからフィールドへ)が進んでおり、これによりCoriolis流量計を用いた継続的な品質モニタリングが可能になります。Endress+HauserのSample and Adjustアプリは、手動サンプリングおよびラボ分析によって得られた検証済みの基準値と、測定機器の濃度値を一致させることを可能にします。本アプリは、サンプリングからPromassの濃度調整までをステップごとに分かりやすくガイドします。
IIoTエコシステム Netilion
Netilion は、さまざまなメーカーの設備に対応したクラウドベースのIIoTエコシステムです。プラント内のデータをデジタル化して提供し、ユーザーにとって実行可能な情報として活用できます。Netilionにより、産業プロセスのデジタル化と最適化を、いつでもどこでも実現できます。本プラットフォームは国際的に認められたクラウドセキュリティ基準を満たしており、Netilion Value、Netilion Analytics、Netilion Inventoryなど、用途に応じた各種サービスを提供します。