渦流量計の測定原理

渦流量計の測定原理は、密閉配管内または開水路内の流体の流れにおいて、障害物の下流に渦が形成される現象に基づいています。この現象は、たとえば橋脚の下流に形成される渦（「渦列」）を見ることで確認できます（図1）。橋脚（渦発生体）の両側での渦の発生周波数は、平均流速、したがって体積流量に比例します。1513年にはすでに、レオナルド・ダ・ヴィンチが、流れの中にある障害物の下流に生じる渦をスケッチしていました。

1878年、ストローハルは、渦発生体の背後に形成される渦を科学的に説明しようとしていました。ストローハルの研究により、噴き出した空気内で張力をかけたワイヤが振動することが明らかになりました。ストローハルは、この振動の周波数が噴き出した空気の速度に比例することを発見しました。この現象は車や家で確認できます。風のヒューという音は渦の発生によって起こり、風速の変化に伴って高くなったり低くなったりします。これは「エオルス音」と呼ばれます。

この文脈で使用されるストローハル数は、渦の発生周波数、流速および渦発生体の直径の関係を表します（図2を参照）。これは、以下の式で表されます。

St：ストローハル数
f：渦の発生周波数
d：渦発生体の直径
v：流速

1912年に物理学者のテオドール・フォン・カルマンは、後に「渦列」として知られるようになった現象を説明し、渦流量計による流量測定の理論的基盤を固めました。流体の流れの中で渦発生体の背後に形成される二列の渦を解析した結果、渦の横方向間隔（d）と縦方向間隔（L）の間に一定の比率があることが明らかになりました。たとえば、渦発生体が円柱形の場合、この比率は0.281です。したがって、配管径が一定であれば、個々の渦の体積は一定になります。運転条件が異なっても渦の大きさが同じであると仮定すると、単位時間あたりの渦の数から流量を直接求めることができます。

流れは渦発生体の最も幅の広い部分で最大速度に達し、その後、ある程度速度が低下します。図3は、流れが渦発生体の形状に沿って流れ続けるのではなく、その形状に沿った流れから離れていく様子（a）を示しています。これにより局所的な低い圧力が生じ、逆向きの流れが発生し、最終的に渦（b）が形成されます。これらの渦は、渦発生体の両側で交互に放出され、流体によって運ばれます。

渦発生体の断面形状はメーカーによって異なります。長方形、三角形、円形、デルタ形状、または各社独自の特許取得済み設計などがあります。この設計は、測定範囲全体にわたってストローハル数が一定になるようにする必要があります。つまり、渦周波数は圧力、温度および密度の影響を受けません。渦流量計では、この一定範囲（Re>10,000）を利用して体積流量を測定します（図4を参照）。デルタ形状の渦発生体は、ほぼ理想的なリニアリティを示し、特に高い信頼性があることが実証されています。NASAのエンジニアは、こうした渦発生体の設計を徹底的に研究してきました。その結果、こうした設計では、読み値の±0.75%の測定精度と約0.1%の再現性を達成できることが示されています。

渦流量計の特性は通常、「Kファクタ」で定義されます。このファクタは、単位時間あたりの渦の数（単位体積あたりのパルス数）を表します。メーカーは校正によってこのKファクタを求め、この情報を計器の銘板に記載します。Kファクタは、渦発生体の形状と配管サイズに依存します。

渦流量計（呼び口径50 mm、2 inch）のKファクタが1リットルあたり10パルスの場合、測定流体が水、蒸気、その他の流体のいずれであるかにかかわらず、発生する各渦パルスは0.1リットルの体積に相当します。

渦流量計は、蒸気、液体、気体の体積流量を測定するために、さまざまな産業分野で使用されています。従来、オリフィスプレートなどの差圧式流量計が使用されていたアプリケーションでも、渦流量計の採用がますます広がっています。この傾向は現在も続いています。その理由は単純で、渦流量計は設置が容易で、より広いターンダウンレンジを備えているためです。図5にその一例を示します。

1980年代以降、渦流量計は蒸気測定に対して、あらゆる産業分野で特に広く使用されるようになりました。渦流量計で測定できるのは体積流量のみですが、蒸気システムは一般に質量またはエネルギー量で評価されるため、これらの流量計は、内蔵型または別置型の圧力センサおよび温度センサと組み合わせて使用されることがよくあります。

電磁流量計（マグメーターとも呼ばれます）とは異なり、渦流量計は、炭化水素、脱イオン水、ボイラー復水、ボイラー給水などの非導電性液体または導電性が非常に低い液体の流量を測定できます。また、電磁流量計よりも高圧かつ非常に高温の条件で使用することもできます。

この用途では、渦流量計は、圧縮空気、天然ガス、または窒素、酸素、二酸化炭素、炭化水素などの空気中のそれぞれの成分の測定に広く使用されています。

エンドユーザーの関心は、純粋な体積測定から補正済みの質量測定へと移行しています。こうした動向により、精密な収支計算が可能にさせました。圧力と温度を考慮することで、正確な質量測定を実現できるため、これは正確な収支管理、プロセス制御、最適化に不可欠です。

さらに、特殊な湿り蒸気測定（乾き度/蒸気品質）は、オペレータが蒸気の品質を把握し、湿り分の蓄積の可能性をオンラインで検出するのに役立ちます。これにより、安全性と効率を確実に向上させることができます。飽和蒸気環境や湿り蒸気環境でも最高レベルの精度を実現できるため、マスバランスにギャップが生じる可能性を排除できます。

Endress+HauserのProline Prowirl流量計は、流量、圧力、温度の測定を1台の計装機器に統合することで、効率と精度を大幅に向上させます。

• 精度：圧力と温度を同時に記録することで、動作条件の変動に左右されない正確な流量測定を実現できるため、気体や蒸気のマスバランスの計算に最適です。
• 効率：複数のパラメータを1台の機器に統合することで、設置作業とメンテナンスコストを大幅に削減できます。
• 信頼性：Prowirl流量計は堅牢で耐久性があり、厳しい条件下でも信頼性の高い性能を発揮します。