流量計の種類

Jul 10, 2023

流体配管システム内の流量を知ることは、システムの動作を理解する上で最も役立つ測定値の 1 つです。

流量の測定に使用される機器は、通常、プラントの計装および制御グループによって保守および校正されます。 施設の流量計は通常、保管品の移送を監視するか、流量制御回路の主要な要素として使用されます。

保管輸送に使用されるメーターは、製品の販売または購入時に正確で再現可能な流量値を提供するように設計されています。 これらのタイプの流量計は、小さな分位数を扱う場合に正の体積を測定することが多く、大きな分位点を測定する場合には体積を時間の経過とともに合計することができます。 保管移送に使用される流量の値は、他のプラント設備の運転および保守にも役立ちます。

配管システムの設計目的がプロセス流体の設定流量を確立することである場合、流量制御ループが使用されます (画像 1 を参照)。 システムの制御要素は連携して適切な流量を実現します。

流量計は、流量計を通過する流量の関数である値を測定します。 次に、メーターは測定値をコントローラーに送信します。 コントローラでは、流量の希望値を入力します。

次に、コントローラーはメーターからの測定値と設定値を比較し、出力信号をアクチュエーターに送信します。 次に、アクチュエータは最終要素 (制御バルブまたは可変周波数ドライブ [VFD]) を調整して、流量を設定値にバランスさせるために必要な余分なエネルギーを除去します。 コントローラーはオペレーターに実際の測定流量を提供します。

機器の初期コストと、この種の流量計の校正と保守に必要な労力は、プラント内で広く使用するには法外な費用がかかる可能性があります。 このコラムでは、管理移送計の費用や流量制御ループの複雑さを伴うことなく、配管システム内の流量を測定する方法を見ていきます。

流量計は 2 つの一般的なカテゴリに分類されます。1 つは流量計全体の圧力降下に基づいて流量を決定するもの、もう 1 つは流量計を通過する流量と線形関係を持つ値を測定するものです。

差圧流量計は、流量流内の流量制限で構成され、流量計全体に差圧を生じさせます。 ベルヌーイの原理に基づいて、メーターを通過する流量は、流量制限を横切る差圧の平方根の関数です。 メーターは差圧の平方根を計算し、その結果を流量を示す目盛り上に表示します。

リニア流量計は、流量計を通過する流量に直接関係する測定信号で構成されます。

最も一般的な流量計は、特定の値に加工された同心の丸い穴を備えたオリフィスで構成される差圧計です。

オリフィスは流れを制限し、制限の上流側と下流側の圧力タップが必要な差圧を提供します。

プロセス流体が上流のパイプラインからメーターに流入するとき、オリフィスの絞りにより、流体が絞りを通過するときに流体の速度が増加します。 制限内では、圧力水頭の一部が速度水頭に変換されます。

制限を通過した後、速度ヘッドが圧力ヘッドに戻るため、流れは遅くなります。 この関係の背後にある物理法則が分かれば、圧力差に基づいて流量を決定できます。 方程式を検討すると、オリフィス プレートにわたる差圧の平方根はオリフィスを通過する流量の関数であることがわかります。

オリフィスプレートが広く受け入れられている理由は、操作が簡単であるためです。 これらは、差圧を読み取るために容易に入手可能な機器を使用して組み込むことができ、設計流量要件を満たすように簡単に製造できます。 北米では、米国機械学会規格 (ASME-MFC-3M) または米国石油協会 (API) 規格 2530 によって開発された規格を使用してオリフィスのサイズを決めることができます。 この規格では、差圧タップの位置に関する要件が規定されています。オリフィスプレートのホールドの直径のサイズを決定する方法。

オリフィス プレートの動作と精度はよく理解されており、オリフィス プレートと圧力タップは配管システム内のフランジ面に配置できるため、このスタイルの流量計は必要に応じて局所的に製造してパイプラインに挿入できます。

アニュバーは、流量を正確に測定するためにパイプラインに挿入できる別のタイプのメーターです。 このメーターは、パイプラインの大きな断面積にわたる総流体圧力と静圧の差を測定することによって機能します。 アニュバーの設計により、必要に応じて流れに簡単に挿入できます。 このタイプのメーターは、設置前に製品メーカーによって設計およびテストされます。

次に、メーターの測定値がメーターを通過する流量の直接関数であるメーターを見ていきます。

渦メーターは、流れの流れに挿入された特別に設計されたバーを使用して、流れの流れ内に流体渦を作成します。 メーターは時間の経過とともに発生する渦の数をカウントします。これはメーターを通過する流量の一次関数です。

渦流計は、さまざまな機器メーカーからトータルユニットとして販売されています。 流れにバーを挿入すると圧力損失が発生しますが、オリフィス プレートによって生じる圧力損失よりもはるかに小さいです。

超音波流量計は、プロセス流体中を伝わる音波の周波数変化を測定します。 超音波流量計は、プロセス流体を通過する音波の飛行時間、またはドップラー効果によって引き起こされる周波数の変化に基づいて測定できます。

飛行時間型流量計では、トランスデューサーが音波をパイプ内に発射します。 音波はプロセス流体中を伝わり、反対側のパイプ壁で反射されます。 次に、最初のトランスデューサーの下流にある 2 番目のトランスデューサーに移動します。

2 番目の音波は下流のトランスデューサーを出て、反対方向に進みます。 距離と往復にかかる時間がわかれば、メーターはパイプ内の流体の速度を知ることができ、パイプを通る流量と線形の関係が得られます。

ドップラー型メーターでは、トランスデューサーが所定の周波数で音波を流れに送信します。

音波が流れの中の小さな粒子や気泡で反射すると、反射した音波の周波数が変化します。 このメーターはドップラー原理を使用して音波の周波数の変化を測定し、プロセス流体の速度を決定します。 流体速度は、流体速度と流量の間に線形関係を提供します。

配管システム内に流量計を設置するのは高価なプロセスです。 したがって、ほとんどの流量計は、保管品の移送用途、またはシステム設計要件を満たすためにプロセスの流量が必要な場合に使用されます。

以前のコラムで説明したように、ポンプ、パイプライン、ヒーター、または制御バルブを通過する流量を知ることは、その機器が適切に動作しているか、またはメンテナンスが必要かを判断するのに役立ちます。 このコラムで紹介されているすべての例は、必要に応じて配管システム内に設置して使用できます。 たとえば、パイプセグメントを接続する既存のフランジ面の間にオリフィスを取り付けることができます。 Annubar は、プラントの停止時にパイプラインに素早く挿入でき、必要なときに流量を提供します。

渦流量計はパイプラインに設置する必要がありますが、このタイプの流量計の校正とメンテナンスの手間は一般的な差圧計よりも少なくなります。

最後に、ポータブル超音波流量計は、システムの動作に影響を与えることなくパイプの外側に設置できます。 メーターをパイプに取り付けて、必要に応じて流量測定を行った後、別の場所に移動することができます。

これらのタイプの流量計はそれぞれ、適切に使用すると優れた結果をもたらし、エンドユーザーが配管システム全体の動作を明確に把握できるようになります。

Ray Hardee は、Pipe-FLO および PUMP-FLO ソフトウェアの作成者である Engineered Software の主な創設者です。 Engineered Software では、2 つのトレーニング コースの開発を支援し、これらのコースを国際的に教えています。 [email protected] までご連絡ください。