多くの人は、わずかな風でも不快な寒さを感じます。熱式流量計の測定原理は、流体が加熱体の周囲を流れる際に熱が奪われる現象を利用しています。
熱式流量計には、この原理を利用するために2つのPt100温度センサが搭載されています。1つ目のセンサは、基準値として現在の流体温度を測定します。もう1つのセンサは加熱されており、「流量ゼロ」の状態では、1つ目のセンサとの間で一定の温度差を維持しています。測定管内で流体が流れ始めると、加熱された温度センサは流体によって冷却されます。流速が高くなるほど、冷却効果も大きくなります。この温度差を一定に保つために必要な電流量を測定することで、質量流量を直接求めることができます。
熱式流量計の測定原理については、ぜひこちらをご覧ください！
熱式流量計の特長
- 質量流量と流体温度の複数変数を直接測定して表示可能
- 圧力補正や温度補正が不要
- 広いターンダウン比（最大1000:1）
- 優れた低流量感度
- 流量変動への高速応答
- 圧力損失がほとんどない
- 可動部がなくメンテナンスフリー
配管システムでは、日々さまざまな気体が輸送されています。これには、用水・排水処理分野で使用される空気、食品・飲料分野で使用される二酸化炭素、製薬分野で使用される窒素や酸素、ボイラーやバーナー向けの天然ガスなどが含まれます。
配管内を流れる気体は、プロセス条件の変化によってさまざまな特性を示します。そのため、流量測定にも用途に応じた異なる測定原理が必要になります。その一つが、熱の原理を利用した流量測定です。
この原理の基礎となる物理法則は、カナダの物理学者ルイ・ベソー・キングによって明らかにされました。彼は1914年に、流れの中における熱移動を数学的に記述しています。
この測定原理の仕組みを見てみましょう。
熱式流量計には、測定管内へ挿入された2本の温度センサが搭載されています。これらはPt100測温抵抗体です。
1つ目の温度センサは、流速に関係なく、基準値として実際の気体温度を測定します。
2つ目の温度センサは、電気エネルギーによって常時加熱されており、2本のセンサ間であらかじめ設定された温度差を維持しています。たとえば、その温度差は10 °Cなどに設定されます。
流れがない場合、2本のセンサ間の温度差は変化しません。
測定管内で流体が流れ始めると、流れる気体によって加熱された温度センサから熱が奪われます。そして、その熱は流れによって運び去られます。
この冷却効果は直ちに検出され、加熱電流が増加させることで、不足分を補います。その結果、設定された温度差は常に一定に保たれます。
温度差を維持するために必要な加熱電流は、冷却効果に比例しています。そのため、この電流値を測定することで、配管内の質量流量を直接求めることができます。
流速が高くなるほど、加熱センサの冷却効果も大きくなります。その結果、必要となる加熱電流も増加します。
この原理には、ヒーター電流を一定に保ちながら、温度差の変化を測定する方式もあります。
では実際に、熱はどのようにして加熱された温度センサから流れる気体へ伝達されるのでしょうか。
このアニメーションでは、熱が気体分子によって運ばれる様子を示しています。気体がセンサ周囲を流れる際、気体分子は微小な熱エネルギーを吸収し、その熱を流れとともに運び去ります。流速が高くなるほど、熱を吸収する頻度も高くなります。
また、熱伝達は気体の密度にも影響を受けます。たとえば、高圧または低温条件では、配管内に存在する気体分子の数が増加します。分子の数が多くなるほど、加熱されたセンサとの接触頻度も高くなるため、冷却効果が大きくなり、それに伴って必要な加熱電流も増加します。
さらに、熱伝達は気体の熱的性質にも左右されます。たとえば、同じ質量流量条件でも、ここで緑色で示されている水素は、熱伝導率が非常に高いため、空気と比べて約100倍の冷却効果を生じます。そのため、高精度な測定を行うには、測定対象となる気体の特性を正しく把握し、安定した条件で使用することが重要です。
熱の原理を利用した流量測定は、大口径配管やダクトにも適用できます。この用途向けに設計された流量計では、標準的なプロセス接続を用いて配管へ直接挿入することが可能です。ただし、正しい位置で測定を行うためには、必要な挿入長を正確に守る必要があります。
そのため、挿入型流量計では、実際の配管内径を正しく設定することが重要です。この考え方は、工場やビルの空調システムなどで使用される矩形ダクトや方形ダクトにも当てはまります。
Endress+Hauserの熱式質量流量計は、低圧条件や低流速環境でも、さまざまな気体や混合ガスを高精度に測定できます。
幅広いアプリケーションに対応する最適なソリューションをご用意しています。
Endress+Hauserは、測定技術のシングルソースサプライヤーとしてお客様を支えます。
%20Insertion%20version%20-%20PP01.jpg "Proline t-mass I 300 – 呼び口径 1500 mm（60\"）までの配管/ダクト用の挿入型")
%20Insertion%20version%20-%20PP01.jpg "Proline t-mass I 500 – 呼び口径 1500 mm（60\"）までの配管/ダクト用のステンレス製挿入型\")")
%20with%20flange%20connection%20-%20PP01.jpg "Proline t-mass F 300 – フランジ接続式インライン型")
%20Inline%20version%20with%20flange%20connection%20(remote%20version)%20-%20PP01.jpg "Proline t-mass F 500 – フランジ接続式インライン型")
