
質量流量計(慣性流量計とも呼ばれる)は、管内を流れる流体の質量流量を測定する装置である。質量流量とは、単位時間あたりに固定点を通過する流体の質量であり、 SI単位系ではキログラム毎秒で表される。
質量流量計は、体積流量(単位時間あたりの体積、例えば立方メートル毎秒などの単位)を測定する体積流量計と混同してはならない。両者の関係は流体の密度によって決まる。密度が一定であれば、その関係は単なるスケーリング定数となる。しかし、流体の密度は温度、圧力、組成によって変化する可能性がある。
コリオリ流量計は、回転する物体をその速度に応じて曲げるコリオリ力に基づいています。
コリオリ流量計には、大きく分けて2つの基本的な構成があります。湾曲管式流量計(後述)と直線管式流量計(ここではこれ以上説明しません)です。
右側の動画は、実際に存在するコリオリ流量計の設計を表したものではありません。これらの動画の目的は、動作原理を説明し、回転との関連性を示すことです。
質量流量計を通して流体が送り込まれます。質量流量が発生すると、チューブはわずかにねじれます。回転軸から離れて流体が流れるアームは、流体の角運動量を増加させるために流体に力を加える必要があり、そのため後方に曲がります。回転軸に向かって流体が押し戻されるアームは、流体の角運動量を再び減少させるために流体に力を加える必要があり、そのため前方に曲がります。言い換えれば、入口アーム(外向きの流れを含む)は全体の回転に遅れており、静止状態では軸と平行な部分は傾いており、出口アーム(内向きの流れを含む)は全体の回転に先行しています。
右側の動画は、湾曲管式質量流量計の設計を示しています。流体は2本の平行な管を通って流れます。アクチュエータ(図示せず)が軸に平行な部分に等しい逆方向の振動を発生させ、測定装置が外部振動の影響を受けにくくします。実際の振動周波数は質量流量計のサイズによって異なり、80~1000Hzの範囲です 。振動の振幅は小さすぎて目には見えませんが、触ると感じられます。
流体が流れていないときは、左のアニメーションに示すように、2本のチューブの動きは対称的です。右のアニメーションは、質量流が発生したときに何が起こるかを示しています。チューブがねじれる様子です。回転軸から離れた方向に流体を運ぶアームは、流体に力を加えて、流れる質量を外側のチューブの振動速度(絶対角運動量の増加)まで加速させる必要があるため、全体の振動に遅れます。流体が移動軸に向かって押し戻されるアームは、流体に力を加えて、流体の絶対角速度(角運動量)を再び減少させる必要があるため、そのアームが全体の振動に先行します。
入口アームと出口アームは全体の振動と同じ周波数で振動しますが、質量流量が発生すると、2つの振動は同期しなくなります。つまり、入口アームは遅れ、出口アームは先行します。2つの振動は互いに位相がずれており、この位相ずれの度合いは、チューブや配管内を流れる質量の量を表す指標となります。
U字型コリオリ流量計の質量流量は次のように表されます。
ここで、K uは温度に依存する管の剛性、 Kは形状に依存する係数、dは幅、τは時間遅れ、ωは振動周波数、I uは管の慣性モーメントです。管の慣性モーメントは内容物によって変化するため、正確な質量流量を計算するには流体密度を知る必要があります。
密度が頻繁に変化するため手動校正では不十分な場合は、コリオリ流量計を密度測定にも応用できます。流量管の固有振動数は、管と管内の流体の合計質量に依存します。管を動かして固有振動数を測定することで、管内の流体の質量を推定できます。その質量を管の既知の体積で割ることで、流体の密度が得られます。
瞬間的な密度測定により、質量流量を密度で割ることによって、単位時間あたりの体積流量を計算することができる。
質量流量と密度の測定はどちらもチューブの振動に依存します。校正は、フローチューブの剛性の変化によって影響を受けます。
温度や圧力の変化によって管の剛性は変化しますが、これらは圧力および温度ゼロ点補正係数とスパン補正係数によって補正することができます。
流量管の劣化に伴い、管の剛性にさらなる影響が生じ、校正係数が時間とともに変化します。これらの影響には、孔食、亀裂、コーティング、浸食、腐食などが含まれます。これらの変化を動的に補正することはできませんが、定期的な流量計の校正や検証チェックによって影響を監視することができます。変化が生じたと判断されたものの、許容範囲内であると判断された場合は、既存の校正係数にオフセット値を加算することで、引き続き正確な測定を行うことができます。
流体は多相流、つまり気泡を巻き込んだ液体などの相の組み合わせである場合もある。音速が制御された液体濃度に依存するため、実際の密度を決定できる。[ 1 ]