面積式流量計
面積式流量計は、工場や実験室などでよく使用される流量計で、簡易的に流量を測定できることが特徴です。
差圧式流量計と同様に、管路内に縮流部を設けて差圧を発生させ、流量を測定します。
しかし、面積式流量計では、差圧を一定に保つために、流れに応じて絞りの面積が変化します。
このような仕組みのため、液体、気体、蒸気など、さまざまな流体の流量を視覚的に確認できるのが特徴です。
この記事では、面積式流量計の原理や特徴について詳しく解説します。
面積式流量計の原理
面積式流量計の原理は、差圧式流量計と同様にベルヌーイの定理に基づいています。
ベルヌーイの定理は、流体の速度と圧力の関係を示す法則であり、流速が増加すると圧力が低下し、逆に流速が低下すると圧力が上昇するという関係性を説明します。
流量と差圧の関係
面積式流量計では、流れの中でフロートが静止する状態を考えます。
この状態では、フロートの実効的な重さ（フロートの重量から浮力を引いたもの）と、フロート面にかかる差圧による力が釣り合っており、この力のバランスによってフロートが浮かびます。
ベルヌーイの定理に基づく流量 \( Q \) の基本式は以下のように表されます。
$$
Q = A\alpha \sqrt{\frac{2(P_1 – P_2)}{\rho}}
$$
ここで、
- \( Q \) ：流量（m³/s）
- \( P_1 \) , \( P_2 \) ：流体の静圧（Pa）
- \( A \) ：流出面積（m²）
- \( \alpha \) ：流量係数（-）
- \( \rho \) ：流体密度（kg/m³）
さらに、フロートが静止している条件下で、フロート体積 \( V_f \) 、フロートの密度 \( \rho_f \) 、フロート断面積 \( A_f \) 、重力加速度 \( g \) を用いて、次の式が成立します。
$$
P_1 – P_2 = \frac{V_f (\rho_f – \rho) g}{A_f}
$$
この式を先ほどの流量式に代入すると、最終的に以下のような流量の関係式が得られます。
$$
Q = A\alpha \sqrt{\frac{2V_f (\rho_f – \rho) g}{\rho A_f}}
$$
ここで、\( V_f \) 、\( \rho_f \) 、\( A_f \) 、\( g \) 、そして流量係数 \( \alpha \) は定数であるため、流体の密度 \( \rho \) が一定であれば、流量 \( Q \) は流出面積 \( A \) に比例することがわかります。
面積式流量計の特徴
面積式流量計は、他の流量計と比較していくつかのユニークな特徴を持っています。
利点
- 動力源が不要：目視で目盛を読み取るタイプの場合、外部の電源や動力源が必要ありません。
- 広範囲の流体に対応：液体、気体、蒸気のいずれにも対応可能です。
- 圧力損失が少ない：差圧式流量計と比較して圧力損失が小さいため、省エネルギー面で有利です。
- コストが安い：一般的に、他の流量計よりも安価です。
- 直管部が不要：面積式流量計では、流体が安定していれば長い直管部を必要としません。
欠点
- 測定精度が低い：測定誤差はスパンの1.5〜3.0%と、精度はあまり高くありません。
- 固形物を含む流体に不向き：フロートの動作が妨げられるため、固形物を含む流体には適しません。
フロートの種類
面積式流量計には、さまざまな形状のフロートが使用されており、それぞれ異なる特性を持っています。
以下に代表的なフロートの形状とその特徴を示します。
| フロート形状 | 特徴 |
|---|---|
| 球形 | 高レイノルズ数の場合、流量係数が大きく、粘度の影響を受けやすい。 |
| 円筒形 | 流量係数は小さめで、粘度の影響を受けにくい。 |
| テーパ形状 | 流量係数が最も小さく、レイノルズ数や粘度の影響を受けにくい。 |
密度補正
面積式流量計は、流体の密度の影響を受けるため、特に気体の流量測定時には密度補正が必要です。
液体の場合、温度や圧力による密度の変化は比較的少ないですが、気体では温度や圧力の変化が大きく密度に影響を与えます。
もし設計時の流体密度 \( \rho \) が実際の使用時の密度 \( \rho’\) になった場合、以下の式で流量 \( Q’ \) を補正します。
$$
Q’ = Q \sqrt{\frac{\rho_f – \rho}{\left( \rho_f – \rho \right) \cdot \rho’}
$$
ここで、
- \( Q \) ：計器の読み取った流量（m³/s）
- \( \rho_f \) ：フロート密度（kg/m³）
- \( \rho’ \) ：実際の流体密度（kg/m³）
まとめ
面積式流量計は、シンプルな構造と視認性に優れた流量計であり、簡易的な流量測定に広く使用されています。
測定精度はそれほど高くありませんが、圧力損失が少なく、安価であるため、幅広い用途に適しています。
液体、気体、蒸気などのさまざまな流体に対応できる一方で、固形物や高粘度の流体には不向きです。
面積式流量計を適切に使用するためには、フロートの種類や流体の密度補正を理解し、正確な条件下で運用することが重要です。特に気体の流量測定時には、温度や圧力に応じた補正を行い、精度を保つ必要があります。
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