電磁流量計の測定原理

電磁流量計は、マグメータや磁気流量計とも呼ばれ、1939年から使用されています。この測定原理を産業用途へ初めて取り入れたのは、スイスの聖職者であり発明家でもあるボナヴェントゥーラ・テュールレマン神父（1909～1997年）です。

一方、この技術の基礎となる物理現象そのものは、それ以前から知られていました。英国の物理学者マイケル・ファラデー（1791～1867年）は、長さ（L）の導電性金属棒を磁界（B）の中で移動させると、棒の両端間に数mVの誘導起電力（U_e）が発生することを発見しました。さらにファラデーは、この誘導起電力の大きさが、移動速度（v）と磁界の強さ（B）に比例することも示しました。これは次の式で表されます。

U_e = B ⋅ L ⋅ v 

U_e：誘導起電力
B：磁界の強さ
L：導体の長さ（測定管内の電極間距離に相当）
v：導体の移動速度（測定管内の流速に相当）

電磁流量計（図1）では、測定管内を流れる導電性流体が、ファラデーの実験で使用された金属棒に相当します。一定の強さを持つ磁界は、測定管の両側に配置された2つの励磁コイルによって発生します。流体がこの磁界の中を流れると、流速に比例した誘導起電力が発生し、その電圧を、配管内壁に向かい合うように配置された2つの電極が検出します。また、測定管は、ポリウレタン、ハードラバー、PTFE、PFA、ポリアミドなどの非導電性ライニングによって、流体および電極から電気的に絶縁されています。磁界強度（B）が一定の場合、式 U_e = B ⋅ L ⋅ v より、誘導起電力（U_e）は流速（v）に正比例することがわかります。さらに、測定管の断面積（A）が分かっているため、体積流量（Q_V）は次の式から求めることができます。

Q_v：体積流量
v：流速
A：測定管の断面積
U_e：誘導起電力
B​：磁界の強さ
L：導体の長さ

この測定原理の大きな特長は、圧力、温度、粘度の影響を受けづらいことです。また、流速分布による測定への影響も比較的小さいため、さまざまな産業用途で安定した流量測定が可能です。

測定管（a）：
測定管には、磁界を遮ったり歪めたりしないよう、ステンレスが使用されています。

ライニング（b）：
ライニングは、電極と測定管を電気的に絶縁し、発生した誘導起電力が配管側へ流れるのを防ぐ役割があります。また、流体に対する耐薬品性や耐久性も重要です。一般的には、ポリウレタン、ハードラバー、PFA/PTFEなどの材質が使用されています。

コイルシステム（c）：
磁界は、測定管の外側に配置された、磁心付きの2つの銅線コイルによって発生します。

電極（d₁～d₃）：

• 測定電極（d₁）は、誘導起電力を検出するための電極です。電極材質はプロセス条件に応じて選定され、ステンレス、ハステロイ、タンタル、白金などが使用されます。
• 基準電極または接地電極（d₂）は、流量計と流体との間で電位を均一に保つ役割を果たします。同じ目的で、接地ディスク（リング）を追加で取り付ける場合もあります。
• 空検知電極（d₃）は、測定管内が部分的にしか満たされていない状態や、空の状態を検出します。流体がこの電極に接触しなくなると、変換器がアラームを出力します。

現在では、磁界を発生させる方式として、パルス直流（DC）が広く使用されています。この方式では、磁界の極性が周期的に反転する「パルスDC磁界」が生成されます。そのため、電極で検出される連続した測定電圧（U₊、U_–）も、それに合わせて正負が交互に切り替わります（図4参照）。こうして得られた2つの測定値の差から、誘導起電力（U_flow）を求めることができます。計算式は次のとおりです。

U_flow：誘導起電力
U₊：正の測定電圧
U_–：負の測定電圧

この方式では、干渉電圧の影響を計算によって取り除くことができます。また、得られた測定電圧は平均流速に対応しており、電子回路によって体積流量信号へ変換された後、標準化された出力信号（たとえば4～20 mA電流出力）として出力されます。