渦流量計のセンサ
渦センサの仕組みを理解する
要約
- 渦流量計は一般にフランジタイプまたはウェハタイプとして設計され、通常は可動部品がないため、摩耗が少なく、メンテナンスの負担も軽減されます。
- 使用されるセンサには、静電容量式、ピエゾ抵抗式、超音波式、サーミスタ式、機械式、圧力式、ひずみゲージ式など、さまざまな種類があります。
- Endress+Hauserで使用されているDSCセンサは堅牢で、温度ショック、ウォーターハンマ、配管振動に対する耐性を備えつつ、高い精度を維持します。
渦流量計の構造
渦流量計は、測定管、渦発生体（ブラフボディ）、センサ、プリアンプ、計器電子部など、さまざまな部品で構成されています（図1参照）。市販されている大半の流量計では、センサは可動部品を備えていないため、可動部の摩耗は起こらず、メンテナンスもほぼ不要です。
最も一般的な渦流量計本体の構造は、フランジ付きのものとフランジなしのものの2種類です。後者はウェハタイプと呼ばれ、2つの配管フランジの間に取り付けるように設計されています。ウェハタイプの中には、標準全長65 mm（2.5 inch）を採用したものもあり、既存のオリフィスアセンブリと直接置き換えることができます。
市販されている標準仕様は、呼び口径15 mm～300 mm（1/2 inch～12 inch）をカバーしており、一部のバージョンでは呼び口径400 mm（16 inch）まで対応します。定格圧力はPN 250（ANSI Class 1500）まで対応しています。呼び口径300 mm（12 inch）を超える呼び口径では渦周波数が非常に低く、安定した信号を得るには高度な信号処理が必要です。大口径アプリケーションでは、渦流量計はオリフィスプレートに比べてコストが高くなります。また、多くのメーカーが、非常に低温または非常に高温（-200～+450 °C / -330～+842 °F）に対応できる仕様も提供しています。
特殊なケースとして、2つの独立したセンサと電子回路を備えた機器もあります（図1）。この構成は主に、冗長性のある測定が特に重視される業界で使用されます。
図1：Endress+HauserのProwirl渦流量計（2線式機器）。
左：フランジタイプ、中央：ウェハタイプ、右：2つのセンサおよび電子回路を備えたデュアルセンサ仕様
渦センサの動作原理
渦発生体によって発生した渦は、流れの中に局所的な圧力変動を生じさせます。この圧力変動は、さまざまなセンサによって測定され、電気信号に変換されます。各メーカーが採用するセンサの種類は多種多様で、静電容量式、ピエゾ抵抗式、超音波式、サーミスタ式、機械式、圧力式、ひずみゲージ式などのセンサがあります。ほとんどの場合、センサは渦発生体に組み込まれるか、その直後に配置されます。現在のセンサの大半は、渦の発生を静電容量方式または圧電方式で測定します。
DSCセンサ（Differential Switched Capacitor）
Endress+Hauserの渦流量計に使用されているDSCセンサは、渦発生体の下流に突き出すパドル形状の検出部を備えています（図2）。このパドル（a）は、渦による圧力変動をスリーブ状の中心電極（c）に伝達します。中心電極は、2つのハーフシェルで構成される外側電極（d）との間で、コンデンサC1およびC2を形成します。ギャップ幅が変化すると、渦の圧力差に比例して静電容量が周期的に変化します。この変化は、流量計の電子部で処理されます。センサは機械的に釣り合いの取れた構造となっており、このような測定システムは配管振動の影響をほとんど受けません。
図2：Endress+HauserのDSCセンサの構造。
a = センサパドル、b = センサシステムの支点、c = 中心電極、d = 外側電極
DSCセンサの主な利点は次のとおりです。
- 極低温アプリケーション（図3参照）や蒸気システムなどにおける温度ショックへの耐性。ステンレス製DSCセンサには可動部品や損傷しやすいコンポーネントがなく、きわめて堅牢です。
- 蒸気システムなどにおけるウォーターハンマへの耐性。
- 配管振動の影響を受けません。中心電極と外側電極の距離は、振動による加速度の影響を受けません。センサパドルと中心電極は精密にバランスが取られているため、振動によって発生する加速度力は常にセンサシステムの重心に作用し、その結果、振動に起因する付加的な信号は発生しません。
- DSCセンサは、測定管内で自由に動ける構造になっているため、異物の影響をほとんど受けません。最悪条件下では、センサパドル自体への付着物によって測定レンジ（ターンダウン）がわずかに低下する可能性がありますが、測定精度には影響しません。
図3：Endress+HauserのProwirl渦流量計（分離型）による液体窒素（-190 °C、25 bar / -310 °F、360 psi）の測定。
