流量測定

流量測定とは、バルク流体の動きを定量化することです。流量は、流量計と呼ばれる装置を用いて様々な方法で測定できます。産業用途で一般的に使用される流量計の種類を以下に示します

• 閉塞の種類（差圧または可変面積）
• 推算式（タービン型）
• 電磁式
• 容積流量計は、一定量の流体を蓄積し、その容積が満たされる回数をカウントして流量を測定します
• 流体力学（渦放出）
• 風速計
• 超音波流量計
• 質量流量計（コリオリの力）

容積流量計以外の流量測定法では、流体が既知の狭窄部を通過する際に発生する力を利用して、間接的に流量を計算します。流量は、既知の領域における流体の速度を測定することで測定できます。流量が非常に大きい場合は、トレーサー法を用いて、染料または放射性同位体の濃度変化から流量を推定することができます。

測定の種類と単位

気体と液体の流量はどちらも、体積流量または質量流量といった物理量で測定できます。それぞれのSI単位は、立方メートル/秒またはキログラム/秒です。これらの測定値は、物質の密度によって決まります。液体の密度は、条件にほとんど依存しません。しかし、気体の場合はそうではありません。気体の密度は、圧力、温度、そしてある程度は組成に大きく依存します。

天然ガスの販売のように、気体または液体がエネルギー含有量を目的として輸送される場合、流量はギガジュール/時やBTU/日などのエネルギーフローで表すこともできます。エネルギー流量は、体積流量に単位体積あたりのエネルギー含有量を乗じたもの、または質量流量に単位質量あたりのエネルギー含有量を乗じたものです。エネルギー流量は通常、フローコンピュータを用いて質量流量または体積流量から算出されます。

工学的な文脈では、体積流量には通常記号 が使用され、質量流量には記号 が使用されます。 ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle {\dot {m}}}$

密度 を持つ流体の場合、質量流量と体積流量は によって関係付けられます。 ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle {\dot {m}}=\rho Q}$

ガス

気体は圧縮性があり、圧力をかけたり、加熱したり、冷却したりすると体積が変化します。ある圧力と温度条件下での気体の体積は、異なる条件下での同じ気体の体積と等価ではありません。流量計を通過する「実流量」と「標準流量」または「基準流量」は、acm/h（実立方メートル/時）、sm ³ /sec（標準立方メートル/秒）、kscm/h（千標準立方メートル/時）、LFM（リニアフィート/分）、MMSCFD（百万標準立方フィート/日）などの単位で表されます。

ガスの質量流量は、超音波流量計、熱質量流量計、コリオリ質量流量計、または質量流量コントローラを使用して、圧力や温度の影響を受けずに直接測定できます。

液体

液体の場合、用途や業界によって様々な単位が使用されますが、ガロン（米または英）/分、リットル/秒、リットル/m² ^/時、ブッシェル/分、または河川流量を表す場合は、立方メートル/秒（cumecs）またはエーカーフィート/日などが含まれます。海洋学では、体積輸送量（例えば、海流によって輸送される水の量）を測定するための一般的な単位はスベルドラップ（Sv）で、10 ⁶  m ³ /s に相当します

一次流量計

一次フローエレメントは、流れる流体に挿入され、流量と正確に関連付けることができる物理的特性を生成する装置です。例えば、オリフィスプレートは、オリフィスを通過する体積流量の2乗の関数である圧力降下を生成します。渦流計の一次フローエレメントは、一連の圧力振動を生成します。一般的に、一次フローエレメントによって生成される物理的特性は、流量自体よりも測定が容易です。一次フローエレメントの特性、および校正時に行われた仮定に対する実際の設置の忠実度は、流量測定の精度にとって重要な要素です。^{[ 1 ]}

機械式流量計

容積式流量計は、バケツとストップウォッチに例えることができます。ストップウォッチは、流量が流れ始めるとスタートし、バケツが限界に達すると停止します。体積を時間で割ることで流量が得られます。連続測定を行うには、バケツに流体を連続的に充填・排出するシステムが必要です。これにより、流体をパイプから流出させることなく分割することができます。この連続的に形成・収縮する容積変位は、シリンダー内で往復運動するピストン、流量計の内壁に噛み合うギアの歯、あるいは回転する楕円ギアやらせんネジによって形成されるプログレッシブキャビティを介して発生します。

ピストンメーター/ロータリーピストン

ピストンメーターは家庭用水道の測定に使用されるため、ロータリーピストンメーターまたは半容積式メーターとも呼ばれ、英国で最も一般的な流量測定装置であり、40mm（ 1）までのほぼすべてのメーターサイズで使用されています+1 ⁄ 2 インチ）。ピストンメーターは、既知容積のチャンバー内でピストンが回転する原理で動作します。1回転ごとに、一定量の水がピストンチャンバーを通過します。ギア機構、場合によっては磁気駆動を介して、指針式ダイヤルとオドメータータイプの表示が進みます

オーバルギア式流量計

オーバルギア式の容積流量計です。流体は噛み合ったギアを回転させ、1回転ごとに一定量の流体が流れます。回転数をカウントすることで流量を合計し、流量は流量に比例します

楕円ギア式流量計は、互いに直角に回転するように構成された2つ以上の楕円ギアを使用し、T字型を形成する容積流量計です。この流量計には、A面とB面の2つの側面があります。流体は流量計の中央を通過しません。中央では、2つのギアの歯が常に噛み合っています。流量計の片側（A）では、A面の細長いギアが計測室に突出しているため、ギアの歯が流体の流れを遮断します。一方、流量計のもう片側（B）では、計測室に一定量の流体が保持される空洞があります。流体がギアを押すと、ギアが回転し、B面の計測室にある流体が出口ポートに放出されます。一方、入口ポートから流入した流体は、A面の計測室（現在は開いている）に流入します。B面の歯がB面への流体の流入を遮断します。このサイクルは、ギアが回転する間継続され、流体は交互に計測室を通過して計量されます。回転ギア内の永久磁石は、流量測定用の電気リードスイッチまたは電流変換器に信号を送信します。高性能を謳っていますが、一般的にスライディングベーン設計ほど精度は高くありません。^{[ 2 ]}

ギアメーター

ギア式流量計は、計測室がギアの歯と歯の間の隙間によって構成されている点で、オーバルギア式流量計とは異なります。これらの隙間によって流体の流れが分割され、ギアが入口ポートから離れる方向に回転すると、流量計の内壁が計測室を密閉し、一定量の流体を保持します。出口ポートは、ギアが再び噛み合う位置にあります。ギアの歯が噛み合うことで計測室の容積がほぼゼロになり、流体は流量計から押し出されます。

ヘリカルギア

ヘリカルギア流量計は、ギアまたはローターの形状にちなんで名付けられました。これらのローターは、らせん状の構造であるらせんの形状に似ています。流体が流量計を通過すると、ローター内の区画に入り、ローターが回転します。ローターの長さは、入口と出口が常に互いに分離されているのに十分な長さであるため、液体の自由な流れを遮断します。噛み合うヘリカルローターは、流体を受け入れるために開き、密閉し、次に下流側に開いて流体を放出する、漸進的な空洞を形成します。これは連続的に行われ、流量は回転速度から計算されます

章動ディスク式流量計

これは、住宅における給水量を測定するために最も一般的に使用されている測定システムです。流体（通常は水）は、流量計の片側から入り、偏心して取り付けられた章動ディスクに衝突します。ディスクの底面と上面は取り付け室に接触しているため、ディスクは垂直軸を中心に「揺れ」、章動運動する必要があります。入口室と出口室は仕切りで区切られています。ディスクが章動すると、ディスクに接続されたギアとレジスターによって体積流量が表示されるため、流量計を通過した液体の体積が直接示されます。流量測定の誤差は1%以内で信頼性があります。^{[ 3 ]}

タービン流量計

タービン流量計（軸流タービンとも呼ばれます）は、軸の周りの液体の流れの中で回転するタービンの機械的動作を、ユーザーが読み取り可能な流量（gpm、lpmなど）に変換します。タービンは、その周りを流れるすべての流れを捉える傾向があります

タービンホイールは流体の流れの経路に設置されています。流体はタービンブレードに衝突し、ブレード表面に力を与えてローターを回転させます。一定の回転速度に達すると、回転速度は流体の速度に比例します。

タービン流量計は、天然ガスや液体の流量測定に使用されます。^{[ 4 ]}タービン流量計は、低流量では容積流量計やジェット流量計よりも精度が劣りますが、計測素子が流路全体を占有したり、著しく制限したりすることはありません。流れの方向は一般的に流量計を一直線に通過するため、容積流量計よりも高い流量と低い圧力損失を実現できます。タービン流量計は、大規模な商業ユーザー、防火対策、および配水システムのマスターメータとして最適です。配水システムに入り込む可能性のある砂利やその他のゴミから計測素子を保護するために、通常、流量計の前にストレーナーを設置する必要があります。タービン流量計は、通常、4～30 cm（1+1 ⁄ 2～12インチ（1 ⁄ 2～12インチ）以上の配管サイズに対応します。タービンメータ本体は、通常、ステンレス鋼、青銅、鋳鉄、またはダクタイル鋳鉄で作られています。タービン内部の要素は、プラスチックまたは非腐食性金属合金でできています。通常の動作条件では精度は良好ですが、流量プロファイルと流体の状態によって大きく影響されます

タービン流量計は、一般的に低粘度の用途に最適です。大きな粒子はローターを損傷する可能性があるためです。パイプ内を粒子が流れる用途に流量計を選択する場合は、磁気流量計などの可動部品のない流量計が最適です。

火災用メーターは、防火システムに必要な高流量に対応する特殊なタービンメーターです。多くの場合、UL（Underwriters Laboratories）やFM（Factory Mutual）などの認定機関から防火用途の承認を受けています。ポータブルタービンメーターは、消火栓から使用される水の量を計測するために一時的に設置されることがあります。メーターは通常、軽量化のためにアルミニウム製で、容量は7.5cm（3インチ）です。水道事業者は、建設工事、プールの充填、または常設メーターがまだ設置されていない場所での水の計測に、ポータブルタービンメーターを必要とすることがよくあります。

ウォルトマン流量計

ウォルトマン流量計（19世紀にラインハルト・ウォルトマンによって発明）は、ダクトファンのように、流れの中に軸方向に挿入された螺旋状の羽根を持つローターで構成されており、タービン流量計の一種と考えることができます。^{[ 5 ]}一般的にヘリックスメーターと呼ばれ、大型サイズで人気があります

シングルジェットメーター

シングルジェットメーターは、放射状の羽根を持つシンプルなインペラーと、それに衝突する単一のジェットで構成されています。英国では大型のものが人気が高まっており、EUでは一般的です

パドルホイールメーター

パドルホイールアセンブリは、パイプを流れる流体から流量を読み取り、パドルホイールの回転を促します。パドル内の磁石がセンサーの横を回転します。生成される電気パルスは流量に比例します。

パドルホイール流量計（ペルトンホイールセンサーとも呼ばれる）は、パドルホイールセンサー、配管継手、ディスプレイ/コントローラーの3つの主要部品で構成されています。パドルホイールセンサーは、流れに対して垂直に配置された磁石が埋め込まれた自由に回転するホイール/インペラーで構成されており、流体に挿入されると回転します。ブレード内の磁石がセンサーの周囲を回転すると、パドルホイールメーターは流量に比例した周波数と電圧信号を生成します。流量が速いほど、周波数と電圧出力は高くなります。

パドルホイール式流量計は、インライン式または挿入式の配管継手に挿入するように設計されています。タービン式流量計と同様に、パドルホイール式流量計はセンサーの前後に最低限の直管部を必要とします。

フロー表示器とコントローラは、パドル ホイール メータからの信号を受信して​​、実際の流量または合計流量値に変換するために使用されます。

マルチジェット流量計

マルチジェット流量計は、垂直軸上で水平に回転するインペラを備えた速度型流量計です。インペラ要素はハウジング内にあり、複数の入口ポートが流体の流れをインペラに導き、流速に比例して特定の方向に回転させます。この流量計は、ポートが1点ではなく要素の円周上の複数の点から均等にインペラに流れを導く点を除けば、機械的にはシングルジェット流量計とほぼ同じように動作します。これにより、インペラとシャフトの不均一な摩耗が最小限に抑えられます。したがって、このタイプの流量計は、ローラーインデックスを上に向けて水平に設置することをお勧めします

ペルトン水車

ペルトン水車（ラジアルタービンとも呼ばれる）は、軸の周りを液体流の中で回転するペルトン水車の機械的動作を、ユーザーが読み取り可能な流量（gpm、lpmなど）に変換します。ペルトン水車は、ジェットによって流入した流れを羽根に集中させ、水車全体を周回させる傾向があります。元々のペルトン水車は発電用に使用され、「リアクションカップ」を備えたラジアルフロータービンで構成されていました。リアクションカップは、水面への水の力で移動するだけでなく、この流体の方向転換を利用して流れを逆方向に戻し、タービンの効率をさらに高めます。

流速計

水力発電タービンの試験に使用されるプロペラ型流速計

水力発電所で使用されるような大型の水圧管路を通過する流量は、その全域にわたる流速を平均化することで測定できます。プロペラ型流速計（純粋に機械的なエクマン流速計に似ていますが、電子データ収集機能を備えています）を水圧管路全域にわたって通過させ、流速を平均化することで総流量を算出します。これは数百立方メートル/秒のオーダーになる場合があります。流速計が通過している間は、流量を一定に保たなければなりません。水力発電タービンの試験方法は、IEC規格41に記載されています。このような流量測定は、大型タービンの効率試験において商業的に重要となることがよくあります。

圧力式流量計

ベルヌーイの原理に基づく流量計にはいくつかの種類があります。圧力は、層流板、オリフィス、ノズル、またはベンチュリー管を使用して人工的に狭窄部を作り、流体がその狭窄部を通過する際の圧力損失を測定するか、静圧とよどみ圧を測定して動圧を導出することによって測定されます

ベンチュリーメーター

ベンチュリ計は何らかの方法で流れを絞り、圧力センサーが絞り込み部の前と内部の差圧を測定します。この方法は、パイプラインを通るガス輸送における流量測定に広く使用されており、ローマ帝国時代から使用されています。ベンチュリ計の流量係数は0.93～0.97です。液体の流量を測定する最初の大型ベンチュリ計は、クレメンス・ハーシェルによって開発されました。彼は19世紀末から、水と廃水の小流量と大流量の測定に使用しました。 ^{[ 6 ]}

オリフィス板

オリフィスプレートは、流れに対して垂直に配置された、貫通孔を持つプレートです。流れを絞り込み、絞り込み部前後の圧力差を測定することで流量を求めます。基本的にはベンチュリーメータの簡略版ですが、エネルギー損失が大きくなります。オリフィスには、同心円型、偏心型、セグメント型の3種類があります。^{[ 7 ] [ 8 ]}

ダル管

ダル管はベンチュリー流量計の短縮版で、オリフィスプレートよりも圧力損失が低くなっています。これらの流量計と同様に、ダル管内の流量は、導管内の絞りによって生じる圧力損失を測定することで決定されます。差圧は通常、デジタル表示付きのダイヤフラム圧力トランスデューサーを使用して測定されます。これらの流量計はオリフィス流量計よりも永久圧力損失が大幅に低いため、ダル管は大規模な配管の流量測定に広く使用されています。ダル管によって生成される差圧は、同じスロート径を持つベンチュリー管とノズルよりも高くなります。ダル管はホレス・ダルによって発明されまし た

ピトー管

ピトー管は流体の流速を測定するために使用されます。管を流れの中に向け、プローブの先端のよどみ点圧力と側面の静圧の差を測定します。この動圧からベルヌーイの式を用いて流速を計算します。流れの異なる点で速度を測定し、速度プロファイルを作成することで、体積流量を決定できます

平均化ピトー管

平均化ピトー管（インパクトプローブとも呼ばれる）は、ピトー管の理論を1次元以上に拡張します。典型的な平均化ピトー管は、測定先端に特定のパターンで配置された3つ以上の穴（プローブの種類によって異なります）で構成されています。穴の数が多いほど、流速の大きさ（適切な校正後）に加えて、流速の方向も測定できます。3つの穴を一列に配置することで、圧力プローブは2次元で速度ベクトルを測定できます。さらに穴を増やす（例えば、「プラス」の形に5つの穴を配置する）ことで、3次元の速度ベクトルを測定できます

コーン式流量計

ANSI 300#（21 bar; 2.1 MPa）平面座溶接ネックフランジを装着した8インチ（203 mm）Vコーン流量計

コーンメータは、1985 年にカリフォルニア州ヘメットの McCrometer 社によって初めて発売された、比較的新しい差圧計測デバイスです。コーンメータは汎用的でありながら堅牢な差圧 (DP) メータであり、非対称流や旋回流の影響に耐性があることが実証されています。ベンチュリ型やオリフィス型の DP メータと同じ基本原理で動作しますが、コーンメータでは上流と下流に同じ配管が必要ありません。^{[ 9 ]}コーンは、差圧発生装置としてだけでなく、調整装置としても機能します。上流の要件は、オリフィスプレートの最大 44 直径またはベンチュリの最大 22 直径と比較して、0～5 直径です。コーンメータは一般に溶接構造であるため、使用前に必ず校正することをお勧めします。溶接の熱効果によって歪みなどが避けられず、ラインサイズ、ベータ比、動作レイノルズ数に関する排出係数の表形式のデータを収集して公開することができません。校正済みのコーンメーターの不確かさは最大±0.5%です。校正されていないコーンメーターの不確かさは±5.0%です。

線形抵抗計

線形抵抗計は層流流量計とも呼ばれ、測定差圧が流量と流体の粘度に直線的に比例する非常に低い流量を測定します。このような流れは、オリフィスプレート、ベンチュリ、およびこのセクションで説明する他の流量計によって測定される乱流とは対照的に、粘性抵抗流または層流と呼ばれ、レイノルズ数が2000未満であることが特徴です。主要な流量要素は、1本の長い毛細管、そのような管の束、または長い多孔質プラグで構成されます。このような低流量では圧力差は小さくなりますが、長い流量要素では、より測定しやすい高い差圧が発生します。これらの流量計は、支配的なハーゲン・ポアズイユの式に見られるように、流体の粘度と流量要素の直径に影響を与える温度変化に特に敏感です。^{[ 10 ] [ 11 ]}

面積流量計

Techfluid-CG34-2500 ロータメーター

「可変面積流量計」は、流量に応じて装置の断面積を変化させ、流量を示す測定可能な効果を発生させることで流体の流量を測定します。ロータメータは可変面積流量計の一例で、流量が増加すると、テーパー管内で重り付きの「フロート」が上昇します。フロートと管の間の面積が十分に大きくなり、フロートの重量と流体の抵抗が釣り合うと、フロートの上昇は停止します。医療用ガスに使用されるロータメータの一種に、ソープ管流量計があります。フロートには様々な形状があり、球形と球面楕円形が最も一般的です。中には、フロートが詰まっているかどうかをユーザーが判断できるように、流体の流れの中で目視で回転するように設計されたものもあります。ロータメータは様々な液体に対応していますが、最も一般的に使用されるのは水または空気です。1%の精度で確実に流量を測定できます。

もう一つのタイプは可変面積オリフィスで、スプリング式のテーパープランジャーがオリフィスを通過する流れによって変位します。変位量は流量と相関関係があります。^{[ 12 ]}

光流量計

光流量計は光を用いて流量を測定します。天然ガスや工業ガスに含まれる微粒子は、照射光学系によってパイプ内の流路に短い距離で焦点を合わせた2本のレーザー光線を通過します。粒子が最初の光線を横切ると、レーザー光は散乱します。検出光学系は散乱光を光検出器に集め、光検出器はパルス信号を生成します。同じ粒子が2番目の光線を横切ると、検出光学系は2番目の光検出器に散乱光を集め、光検出器は入射光を2番目の電気パルスに変換します。これらのパルス間の時間間隔を測定することで、ガスの速度は次のように計算されます。ここで、はレーザー光線間の距離、は時間間隔です ${\displaystyle V=D/t}$ ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle t}$

レーザー式光流量計は、粒子の実際の速度を測定します。この特性は、ガスの熱伝導率、ガス流量の変化、ガス組成に依存しません。この動作原理により、光レーザー技術は、高温、低流量、高圧、高湿度、配管の振動、音響ノイズなどの厳しい環境下でも、高精度な流量データを提供します。

光学式流量計は可動部品がないため非常に安定しており、製品寿命全体にわたって高い再現性で測定できます。2枚のレーザーシート間の距離は変化しないため、光学式流量計は初回の試運転後に定期的な校正を必要としません。他のタイプの流量計では通常2箇所の設置が必要ですが、光学式流量計は1箇所の設置で済みます。1箇所の設置はよりシンプルで、メンテナンスの手間が少なく、エラーの発生も少なくなります。

市販されている光流量計は、0.1 m/sから100 m/s以上（1000:1のターンダウン比）の流量を測定することができ、大気汚染の原因となる油井や製油所からのフレアガスの測定に効果的であることが実証されています。^{[ 13 ]}

開水路流量測定

開水路流量とは、流れる液体の上面が空気に開放されている場合を指します。流れの断面積は下側の水路の形状によってのみ決定され、水路内の液体の深さに応じて変化します。パイプ内の流れの断面積が固定されている場合に適した手法は、開水路では役に立ちません。水路の流量測定は、開水路流量の重要な用途であり、このような設備は流量計として知られています

流量測定

水位は、堰の後ろまたは水路内の指定された地点で、様々な二次装置（バブラー、超音波、フロート、差圧が一般的な方法）を使用して測定されます。この水深は、次の理論式に従って流量に変換されます。ここで、は流量、は定数、は水位、は使用する装置によって異なる指数です。または、経験的に得られた水位／流量データポイント（「流量曲線」）に従って変換されます。流量は、時間とともに積分して体積流量に変換できます。流量測定装置は、一般的に表流水（湧水、小川、河川）、産業排水、下水の流量を測定するために使用されます。これらのうち、堰は固形物含有量の少ない水路（通常は表流水）に使用され、水路は固形物含有量が少ないまたは多い流れに使用されます。^{[ 14 ]}${\displaystyle Q=KH^{X}}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle X}$

面積/速度

流れの断面積は水深測定から計算され、流れの平均速度は直接測定されます（ドップラー法とプロペラ法が一般的です）。速度と断面積を掛け合わせると流量が得られ、体積流量に積分できます。面積流量計には、(1) 湿式と(2) 非接触式の2種類があります。湿式面積流量計は通常、水路または河川の底に設置し、ドップラー法を用いて混入粒子の速度を測定します。水深とプログラムされた断面積があれば、排出流量を測定できます。レーザーまたはレーダーを使用する非接触装置は水路の上に設置され、上から速度を測定し、次に超音波を使用して上から水深を測定します。レーダー装置は表面速度しか測定できませんが、レーザーベースの装置は水面下の速度を測定できます。^{[ 15 ]}

染料テスト

単位時間あたりに既知量の染料（または塩）を流水に加えます。完全に混合した後、濃度を測定します。希釈率は流速に等しくなります。

音響ドップラー速度測定法

音響ドップラー速度測定法（ADV）は、比較的高い周波数で単一点における瞬間的な速度成分を記録するように設計されています。測定は、ドップラーシフト効果に基づいて、遠隔サンプリング体積内の粒子の速度を測定することによって行われます。^{[ 16 ]}

熱式質量流量計

センサー間の温度差は質量流量に応じて変化します

熱式質量流量計は、一般的に加熱素子と温度センサーを組み合わせて流体への静的熱伝達と流動熱伝達の差を測定し、流体の比熱と密度に基づいて流量を推定します。流体温度も測定され、補正されます。流体の密度と比熱が一定であれば、流量計は質量流量を直接読み取ることができ、規定範囲において追加の圧力温度補正は必要ありません。

技術の進歩により、 MEMSセンサーとして顕微鏡的規模の熱質量流量計の製造が可能になりました。これらの流量装置は、1 分あたりナノリットルまたはマイクロリットルの範囲の流量を測定するために使用できます。

熱式質量流量計（熱分散式流量計または熱変位式流量計とも呼ばれる）技術は、圧縮空気、窒素、ヘリウム、アルゴン、酸素、天然ガスに用いられます。実際、ある程度清浄で非腐食性であれば、ほとんどのガスを測定できます。より腐食性の高いガスの場合、流量計は特殊合金（例：ハステロイ）で作られる場合があり、ガスを事前に乾燥させることも腐食を最小限に抑えるのに役立ちます。

今日、熱式質量流量計は、他の流量計測技術では困難な化学反応や熱伝達アプリケーションなど、ますます幅広い用途でガスの流量測定に使用されています。流量センサーの他の代表的な用途としては、CPAP装置、麻酔装置、呼吸装置といった医療分野が挙げられます。これは、熱式質量流量計がガス媒体の熱特性（温度、熱伝導率、比熱など）の1つ以上の変化を監視して質量流量を決定するためです。

MAFセンサー

多くの最新型自動車では、内燃機関の吸入空気の質量流量を正確に測定するために、マス・エアフロー（MAF）センサーが使用されています。このようなマスフローセンサーの多くは、加熱素子と下流温度センサーを用いて空気流量を表示します。また、バネ式のベーンを使用するセンサーもあります。いずれの場合も、車両の電子制御ユニットはセンサー信号をエンジンの燃料必要量のリアルタイム指標として解釈します。

渦流量計

流量測定の別の方法は、流体の経路に鈍い物体（シェダーバーと呼ばれる）を配置することです。流体がこのバーを通過すると、渦と呼ばれる流れの乱れが発生します。渦は円筒の後ろを、鈍い物体の両側から交互に流れていきます。この渦列は、フォン・カルマンが1912年にこの現象を数学的に記述したことにちなんで、フォン・カルマン渦列と呼ばれています。これらの渦が交互に左右に移動する周波数は、基本的に流体の流量に比例します。シェダーバーの内側、上部、または下流には、渦の放出周波数を測定するためのセンサーがあります。このセンサーは多くの場合、圧電結晶で、渦が発生するたびに小さいながらも測定可能な電圧パルスを生成します。このような電圧パルスの周波数も流体の速度に比例するため、流量計の断面積を使用して体積流量を計算します周波数が測定され、流量は、次式を使用して流量計電子機器によって計算されます。 ここで、 は渦の周波数、は鈍体の特性長さ、は鈍体上の流れの速度、 はストローハル数です。ストローハル数は、動作限界内の特定の物体形状に対して基本的に定数です。 ${\displaystyle f=SV/L}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle S}$

ソナー流量測定

ガスライン用ソナー流量計

ソナー流量計は、スラリー、腐食性流体、多相流体、および挿入型流量計が望ましくない流体を輸送するパイプ内の流量を測定する非侵入型のクランプオン式装置です。ソナー流量計は、鉱業、金属加工、石油・ガス上流産業で広く採用されており、従来の技術では、様々な流量特性やターンダウン比への耐性のために一定の限界があります

ソナー流量計は、パイプ内の液体または気体の速度を非侵入的に測定し、その速度測定値をパイプの断面積、ライン圧力、および温度を用いて流量に換算する機能を備えています。この流量測定の原理は、水中音響を利用することです。

水中音響学では、水中の物体の位置を特定するために、ソナーは次の 2 つの既知の要素を使用します。

• アレイを通る音の伝播速度（つまり、海水中の音の速度）
• センサーアレイ内のセンサー間の間隔

そして未知数を計算します。

• オブジェクトの位置 (または角度)。

同様に、ソナー流量測定では、水中音響で使用されるものと同じ技術とアルゴリズムが使用されますが、それらは石油およびガス井と流路の流量測定に適用されます。

流速を測定するために、ソナー流量計は次の 2 つの既知の値を使用します。

• 物体の位置（または角度）は、流れがパイプに沿って移動しているため0度であり、センサアレイと一列に並んでいる。
• センサーアレイ内のセンサー間の間隔^{[ 17 ]}

そして未知数を計算します。

• アレイを通る伝播速度（つまりパイプ内の媒体の流速）。^{[ 18 ]}

電磁流量計、超音波流量計、コリオリ流量計

ウェストヨークシャー州リーズのテトリーズ醸造所の磁気流量計

流量測定における現代の技術革新には、変化する圧力と温度（密度）条件、非線形性、および流体の特性を補正できる電子デバイスが組み込まれています。

磁気流量計

磁気流量計は、「マグメーター」または「エレクトロマグ」とも呼ばれ、計量管に印加される磁場を利用して、磁束線に垂直な流速に比例した電位差を生み出します。この電位差は、流れと印加磁場に垂直に配置された電極によって感知されます。ここでの物理的原理は、ファラデーの電磁誘導の法則です。磁気流量計には、導電性の流体と非導電性のパイプライナーが必要です。電極はプロセス流体と接触して腐食してはなりません。一部の磁気流量計には、電極を洗浄するための補助トランスデューサーが取り付けられています。印加磁場はパルス状であるため、流量計は配管システム内の漂遊電圧の影響を打ち消すことができます

非接触型電磁流量計

ローレンツ力流速測定システムは、ローレンツ力流量計（LFF）と呼ばれます。LFFは、運動する液体金属と印加磁場との相互作用によって生じる積分ローレンツ力、つまりバルクローレンツ力を測定します。この場合、磁場の代表長さは流路の寸法と同じ桁数です。局所的な磁場を使用する場合、局所的な速度測定が可能であるため、ローレンツ力流速計という用語が使用されることに注意する必要があります

超音波流量計（ドップラー、通過時間）

超音波流量計には、ドップラー式と通過時間測定式の2つの主な種類があります。どちらも超音波を利用して測定を行い、非侵襲的（チューブ、パイプ、または容器の外側から流量を測定する、クランプオン式とも呼ばれる）ですが、流量を測定する方法は全く異なります。

フローセンサーの概略図

超音波通過時間流量計は、流れの方向と逆方向に伝播する超音波パルスの通過時間の差を測定します。この時間差は、超音波ビームの経路に沿った流体の平均速度の尺度となります。絶対通過時間を用いることで、平均流体速度と音速の両方を計算できます。2つの通過時間と、受信トランスデューサーと送信トランスデューサー間の距離、および傾斜角を用いて、以下の式を作成できます。 ここで 、 は音速経路に沿った流体の平均速度、は音速です。 ${\displaystyle t_{\text{up}}}$ ${\displaystyle t_{\text{down}}}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle \alpha}$ $${\displaystyle v={\frac {L}{2\;\cos \left(\alpha \right)}}\;{\frac {t_{\text{up}}-t_{\text{down}}}{t_{\text{up}}\;t_{\text{down}}}}}$$ $${\displaystyle c={\frac {L}{2}}\;{\frac {t_{\text{up}}+t_{\text{down}}}{t_{\text{up}}\;t_{\text{down}}}}}$$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle c}$

ワイドビーム照明を用いた超音波通過時間測定は、血管や管の断面積に依存せずに体積流量を測定するためにも使用することができる。^{[ 19 ]}

超音波ドップラー流量計は、流れる流体内の粒子に超音波ビームが反射することで生じるドップラーシフトを測定します。送信ビームの周波数は粒子の動きによって影響を受けます。この周波数シフトを使用して流体の速度を計算できます。ドップラー原理が機能するには、流体中に浮遊する固体粒子や気泡などの音響反射物質の密度が十分に高くなければなりません。これは、気泡や固体粒子によって測定精度が低下する超音波通過時間流量計とは正反対です。これらの粒子に依存するため、ドップラー流量計の用途は限られています。この技術は、音響ドップラー速度測定法とも呼ばれます。

超音波流量計の利点の一つは、流体中の音速が分かっていれば、幅広い流体の流量を効果的に測定できることです。例えば、超音波流量計は液化天然ガス（LNG）や血液など、多様な流体の測定に使用されています。^{[ 20 ]}また、特定の流体の予測音速を計算することもできます。この音速は、流量計の測定品質を監視するために、超音波流量計で実験的に測定された音速と比較することができます。品質の低下（測定された音速の変化）は、流量計のメンテナンスが必要であることを示しています。

コリオリ流量計

コリオリの力を利用して横方向に振動する管を歪ませることで、コリオリ流量計で質量流量を直接測定することができます。^{[ 21 ]}さらに、流体の密度も直接測定できます。コリオリ流量計による測定は、測定対象となる気体や液体の種類に関わらず非常に正確であり、同じ測定管を水素ガスとビチューメンに再校正なしで使用できます。

コリオリ流量計は天然ガスの流量測定に使用できます。^{[ 22 ]}

レーザードップラー血流測定

移動する粒子にレーザー光線を照射すると、粒子の速度に比例した波長の変化を伴い、部分的に散乱します（ドップラー効果）。レーザードップラー速度計（LDV）は、レーザードップラー風速計（LDA）とも呼ばれ、微小粒子（自然発生または人工）を含む流体中の小さな体積にレーザー光線を集光します。粒子はドップラーシフトによって光を散乱させます。この波長シフトを分析することで、粒子の速度を直接、かつ高精度に測定し、流体の速度を近似値で求めることができます。

ドップラーシフトを測定するための様々な技術とデバイス構成が利用可能である。いずれも光検出器（通常はアバランシェフォトダイオード）を用いて光を電気波形に変換し、分析に用いる。ほとんどのデバイスでは、元のレーザー光は2本のビームに分割される。ある一般的なLDVクラスでは、2本のビームを焦点で交差させ、干渉させて直線状の縞模様を生成する。次に、縞模様が流れの方向と垂直になるようにセンサーを流れに合わせて配置する。粒子が縞模様を通過すると、ドップラーシフトした光が光検出器に集められる。別の一般的なLDVクラスでは、一方のビームを基準として、もう一方のビームをドップラー散乱させる。両方のビームを光検出器に集め、光ヘテロダイン検出によってドップラー信号を抽出する。^{[ 23 ]}

校正

理想的には流量計は環境の影響を受けないはずですが、実際にはそうはいきません。測定誤差は、設置ミスやその他の環境依存要因に起因していることが多いのです。^{[ 24 ] [ 25 ]}流量計を適切な流量条件で校正する場合、現場校正法が使用されます。流量計の校正結果からは、性能指標と流量指標という2つの関連する統計値が得られます。^{[ 26 ]}

通過時間法

パイプ内の流れには、放射性トレーサーを測定対象の流れにパルスとして注入する、いわゆる通過時間法が適用されます。通過時間は、パイプの外側に設置された放射線検出器を用いて定義されます。体積流量は、測定された平均流体流速にパイプの内側の断面積を乗じて得られます。この基準流量値は、校正対象の流量測定によって得られた同時流量値と比較されます

手順は標準化されている（液体についてはISO 2975/VII、気体についてはBS 5857-2.4）。液体および気体における測定不確かさの最良の認定値は0.5%である。^{[ 27 ]}

トレーサー希釈法

放射性トレーサー希釈法は、開水路流量測定の校正に用いられます。既知のトレーサー濃度の溶液を、一定の既知の速度で水路流に注入します。下流でトレーサー溶液を流路断面全体で十分に混合し、連続サンプルを採取して、注入溶液のトレーサー濃度に対するトレーサー濃度を測定します。流量基準値は、注入トレーサー流量と希釈流量の間のトレーサーバランス条件を用いて決定されます。この手順は標準化されています（開水路における液体流量に関するISO 9555-1およびISO 9555-2）。認定された最高の測定不確かさは1%です。^{[ 27 ]}

光学的方法

レーザードップラー流速測定法（LDV）の光学測定法を用いて、配管径に沿った1つ（または複数）の測定経路で局所的な流速を測定します（速度プロファイル）。これに必要な流体への光学的なアクセスは、タッピング法を用いて動作条件下で実現されます。校正対象の流量センサーの測定値は、LDV測定中に高い時間分解能で記録されます。流量センサー（校正対象物）の測定偏差は、LDV法を用いて測定された体積流量と測定時間中の流量センサーの時間平均値を比較することによって決定されます。水（5℃～150℃）の最良の認定測定不確かさは0.7%です。^{[ 28 ]}

参照

• 風速計
• 自動メーター読み取り
• 流量計エラー
• フォード粘度カップ
• ガスメーター
• 超音波流量計
• レーザードップラー速度測定法
• 一次流量計
• 水道メーター

参考資料

1. Béla G. Lipták、流量測定、CRC Press、1993 ISBN 080198386X88ページ
2. ファーネス、リチャード・A. (1989).流体流量測定. ハーロウ：ロングマン社、計測制御研究所との提携. 21ページ. ISBN 0582031656。
3. Holman, J. Alan (2001). 『エンジニアのための実験方法』ボストン: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-366055-4.
4. 報告書番号7：タービンメータによる天然ガスの測定（報告書）。アメリカガス協会。2006年2月
5. アレギ、フランシスコ;カブレラ、エンリケ・ジュニア。コバチョ、リカルド (2006)。統合された水道メーター管理。ロンドン：IWA Publishing。 p. 33.ISBN​ 9781843390343.
6. ハーシェル、クレメンス(1898).『水の測定』ロードアイランド州プロビデンス：ビルダーズ・アイアン・ファウンドリー
7. Lipták、流量測定、p. 85
8. 報告書第3号：天然ガスおよびその他の関連炭化水素流体のオリフィス計量（報告書）。アメリカガス協会。2012年9月。
9. 「コーン式DPメーターの校正に関する問題」。Pipeline & Gas Journal。2017年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年9月1日閲覧。
10. ミラー、リチャード・W. (1996).流量計測工学ハンドブック（第3版）. マグロウヒル. p. 6.16–6.18. ISBN 0070423660<e​​xtra_id_1> .
11. Stefaan JRSimons,化学工学の概念 4 Chemists Royal Society of Chemistry, (2007)  ISBN
12.  75ページ^ 「光学機器によるフレア測定」 （PDF） photon-control.com 。 2008年8月28日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2008年3月14日閲覧
13. 「主要装置の選択：堰と水路の選択」。
14. "Selecting a Primary Device: Choosing Between a Weir and a Flume".
15. Severn, Richard. "Environment Agency Field Test Report – TIENet 360 LaserFlow"(PDF). RS Hydro. RS Hydro-Environment Agency. Archived(PDF) from the original on 25 September 2015. Retrieved 3 August 2015.
16. Chanson, Hubert (2008).現場および実験室における音響ドップラー流速測定法（ADV）：実践経験. Frédérique LarrarteおよびHubert Chanson著「下水道における経験と課題：計測と流体力学」国際下水道計測・水理学会議IMMHS'08、GEMCEA/LCPCサマースクール、フランス、ブゲネ、2008年8月19～21日、水理モデル報告書No. CH70/08、クイーンズランド大学土木工学部、オーストラリア、ブリスベン、12月、pp. 49～66. ISBN 978-1-86499-928-0 2009年10月28日時点のオリジナルよりアーカイブ
17. 非侵襲性血流測定法の概要(PDF)。アメリカワークショップ2009。2017年2月2日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2016年9月15日閲覧。
18. SONAR流量計技術のフィールド試験と実用的な開発(PDF)。北海流量測定ワークショップ。2017年2月2日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2016年9月15日閲覧。
19. Drost, CJ (1978). 「超音波を用いた血管径に依存しない体積流量測定」サンディエゴ生物医学シンポジウム議事録. 17 : 299–302 .
20. アメリカガス協会報告書第9号
21. ベイカー、ロジャー C. (2003).流量測定入門ガイド. ASME. ISBN 0-7918-0198-5。
22. アメリカガス協会報告書第11号
23. Adrian, RJ編 (1993);レーザードップラー速度測定法に選定、SPIEマイルストーンシリーズ、 ISBN 978-0-8194-1297-3
24. Cornish, D (1994). 「計測機器の性能」.計測と制御. 27 (10): 323–328 . doi : 10.1177/002029409402701004
25. ベイカー、ロジャー C. (2016).フロー測定ハンドブック. ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-1-107-04586-6。
26. リチャード・パトン著「流量測定における校正と標準」(PDF)。計測システム設計ハンドブック。Wiley。2017年8月29日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF)。2017年9月26日閲覧
27. フィンランド認定サービス
28. 「ホーム - DAkkS - ドイツの認定機関」 www.dakks.de 2025年3月27日2025年6月3日閲覧。