流量測定

気体は圧縮性があり、圧力を加えたり、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における気体の体積は、異なる条件下における同じ気体の体積とは等しくありません。流量計を通過する「実際の」流量と、「標準」または「基準」流量については、acm/h（実際の立方メートル毎時）、sm ³ /sec（標準立方メートル毎秒）、kscm/h（千標準立方メートル毎時）、LFM（直線フィート毎分）、MMSCFD（百万標準立方フィート毎日）などの単位で参照します。

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

液体の場合、用途や業界によってさまざまな単位が使用されますが、1 分あたりのガロン (米国または英国)、1 秒あたりのリットル、1 時間あたりの 1 m ^{2リットル、1 分あたりの}ブッシェル、または河川流量を表す場合は、立方メートル/秒 (cumec) または 1 日あたりのエーカー フィートなどが含まれる場合があります。海洋学では、体積輸送 (たとえば、海流によって輸送される水の量) を測定する一般的な単位は、 10 ⁶ m ³ /sに相当するスベルドラップ(Sv) です。 

家庭用水の計測に使用されるため、ピストン式流量計（回転ピストン式流量計または半容積式流量計とも呼ばれる）は、英国で最も一般的な流量計測装置であり、40  mm（1 + 1/2インチ）までのほぼすべての流量計サイズで使用されています。ピストン式流量計は、 既知の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機構を介して、針式ダイヤルとオドメータータイプの表示が進みます。

楕円歯車式流量計は、互いに直角に回転するように構成された2つ以上の長方形の歯車を用いてT字型を形成する容積式流量計です。このような流量計にはAとBと呼ばれる2つの側面があります。2つの歯車の歯が常に噛み合っている流量計の中央部には流体は流れません。流量計の一方の側面（A）では、A側の細長い歯車が測定室に突き出ているため、歯車の歯が流体の流れを遮断します。一方、流量計のもう一方の側面（B）では、測定室内の空洞に一定量の流体が保持されています。流体が歯車を押すと、歯車が回転し、B側の測定室内の流体が出口ポートに放出されます。同時に、入口ポートから流入した流体は、開いているA側の測定室に押し込まれます。B側の歯車が流体の流入を遮断します。このサイクルは、歯車が回転し、流体が交互に測定室を通過することで繰り返されます。回転ギア内の永久磁石は、流量測定のために電気リードスイッチまたは電流変換器に信号を送信できます。高性能であると主張されていますが、一般的にはスライドベーン設計ほど正確ではありません。^{[ 2 ]}

ギア式流量計は、測定室がギアの歯の間の隙間で構成されている点で、楕円形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回転して離れるにつれて、流量計の内壁がチャンバーを閉じ、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。ギアの歯が噛み合い、利用可能なポケットの容積がほぼゼロになると、流体は流量計から押し出されます。

タービン流量計（より正確には軸流タービン）は、液体の流れの中で軸を中心に回転するタービンの機械的な動作を、ユーザーが読み取れる流量（ガロン/分、リットル/分など）に変換します。タービンは、流れのほとんどすべてがその周囲を流れるように設計されています。

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

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、低流量では容積式流量計やジェット式流量計よりも精度が劣りますが、測定要素が流れの経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まっすぐ通過するため、容積式流量計よりも高い流量と低い圧力損失を実現できます。これらは、大規模な商業ユーザー、消防、および配水システムのマスターメーターとして選ばれる流量計です。一般的に、測定要素を配水システムに侵入する可能性のある砂利やその他の破片から保護するために、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、一般的に4～30cm  （1 + 1 / 2～12インチ）以上のパイプサイズで使用できます。タービン流量計の本体は、一般的にステンレス鋼、青銅、鋳鉄、またはダクタイル鋳鉄で作られています。内部のタービン要素は、プラスチックまたは非腐食性金属合金で作ることができます。これらは通常の動作条件下では正確ですが、流量プロファイルと流体条件に大きく影響されます。 

タービン式流量計は、一般的に低粘度流体に適しています。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で流量計を選択する場合は、電磁流量計など可動部品のない流量計を使用するのが最適です。

消火用水量計は、消火設備に必要な高流量に対応するために認可された特殊なタービン式水量計です。多くの場合、Underwriters Laboratories (UL) や Factory Mutual (FM) などの機関によって、消火設備での使用が承認されています。携帯型タービン式水量計は、消火栓からの水使用量を測定するために一時的に設置されることがあります。これらの水量計は通常、軽量化のためにアルミニウム製で、容量は通常7.5cm  （3 インチ）です。水道事業者は、建設工事、プールの給水、または常設の水量計がまだ設置されていない場所での水使用量を測定するために、これらの水量計を必要とすることがよくあります。

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、ダクトファンによく似た、流れの中に軸方向に挿入されたらせん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みなすことができます。^{[ 5 ]}これらは一般的にヘリックス流量計と呼ばれ、大型のものによく使われています。

シングルジェット流量計は、放射状の羽根を持つシンプルなインペラに単一のジェット水流が衝突する構造をしています。英国では大型サイズで人気が高まっており、EU諸国では広く普及しています。

パドルホイール式流量計（ペルトン水車式流量計とも呼ばれる）は、パドルホイール式流量計本体、配管継手、表示器／制御装置の3つの主要部品で構成されています。パドルホイール式流量計本体は、流れに対して垂直に埋め込まれた磁石を備えた回転するホイール／インペラで構成されており、流体中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を通過する際に回転することで、流量に比例した周波数と電圧の信号が生成されます。流量が速いほど、周波数と電圧の出力は高くなります。

パドルホイール式流量計は、配管継手に挿入するように設計されています。挿入方式は、インライン方式と挿入方式のどちらでも可能です。タービン式流量計と同様に、パドルホイール式流量計も、センサーの前後に最低限の直線配管が必要です。

流量表示装置と制御装置は、パドルホイール式流量計からの信号を受信し、それを実際の流量値または総流量値に変換するために使用されます。

マルチジェット式流量計は、垂直軸上で水平方向に回転するインペラを備えた速度式流量計です。インペラはハウジング内に収められており、複数の入口ポートから流体がインペラに流れ込むことで、流量速度に比例した方向に回転します。この流量計は、シングルジェット式流量計と機械的にほぼ同じように動作しますが、ポートがインペラの円周上の複数の点から均等に流体をインペラに導く点が異なります。これにより、インペラと軸の摩耗が最小限に抑えられます。そのため、このタイプの流量計は、ローラーインデックスが上を向くように水平に設置することが推奨されます。

ペルトン水車タービン（ラジアルタービンと表現するのがより適切）は、軸を中心に回転する液体の流れの中でペルトン水車の機械的な動作を、ユーザーが読み取れる流量（gpm、lpmなど）に変換します。ペルトン水車は、ジェットによって入口の流れがブレードに集中し、流れ全体がその周囲を流れる傾向があります。オリジナルのペルトン水車は発電に使用され、ラジアルフロータービンと「反動カップ」で構成されていました。反動カップは、面にかかる水の力で動くだけでなく、流れを逆方向に戻し、この流体の方向の変化を利用してタービンの効率をさらに高めます。

水力発電所などで使用されるような大型水圧管路を流れる流量は、管路全体の流速を平均することで測定できます。プロペラ式流速計（純粋に機械式のエクマン流速計に似ていますが、現在は電子データ収集機能を備えています）を管路全体に移動させ、流速を平均することで総流量を算出できます。総流量は毎秒数百立方メートルにも達することがあります。流速計の移動中は流量を一定に保つ必要があります。水力タービンの試験方法はIEC規格41に規定されています。このような流量測定は、大型タービンの効率を試験する際に商業的に重要な場合が多くあります。

ベンチュリ流量計は、何らかの方法で流れを絞り、圧力センサーが絞りの前後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の輸送における流量測定に広く用いられており、ローマ帝国時代から使用されています。ベンチュリ流量計の流量係数は0.93から0.97の範囲です。液体流量を測定するための最初の大型ベンチュリ流量計は、クレメンス・ハーシェルによって開発され、彼は19世紀末から水や廃水の小規模および大規模な流量の測定にこれらを使用しました。^{[ 6 ]}

オリフィスプレートは、流れに垂直に配置された穴の開いたプレートです。流れを狭め、狭窄部を挟んだ圧力差を測定することで流量が得られます。基本的にはベンチュリ流量計の原始的な形態ですが、エネルギー損失が大きくなります。オリフィスには、同心円状、偏心円状、セグメント状の 3 種類があります。^{[ 7 ] [ 8 ]}

ダル管は、オリフィスプレートよりも圧力損失が小さいベンチュリ流量計の短縮版です。これらの流量計と同様に、ダル管内の流量は、管路内の制限によって生じる圧力損失を測定することによって決定されます。圧力差は通常、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著しく小さいため、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、同じ喉径を持つベンチュリ管やノズルよりも高くなります。これは、ホレス・ダルによって発明されました。

ピトー管は流体の流速を測定するために使用されます。ピトー管を流れの中に向け、プローブ先端のよどみ圧と側面の静圧との差を測定することで動圧を求め、ベルヌーイの式を用いて流速を算出します。また、流れの中の異なる地点で流速を測定し、流速分布図を作成することで、体積流量を求めることもできます。

平均ピトー管（衝撃プローブとも呼ばれる）は、ピトー管の理論を多次元に拡張したものです。一般的な平均ピトー管は、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る）で構成されています。穴の数を増やすことで、適切な校正後、流速の大きさに加えて流速の方向も測定できます。一直線に並んだ3つの穴は、圧力プローブが2次元の速度ベクトルを測定できるようにします。さらに穴を増やす、例えばプラス記号で5つの穴を配置すると、3次元の速度ベクトルを測定できるようになります。

コーンメーターは、1985 年にカリフォルニア州ヘメットのマクロメーター社によって初めて発売された、比較的新しい差圧式流量計です。コーンメーターは汎用的でありながら堅牢な差圧 (DP) メーターで、非対称流や旋回流の影響に強いことが実証されています。ベンチュリ式およびオリフィス式の DP メーターと同じ基本原理で動作しますが、コーンメーターは同じ上流および下流の配管を必要としません。^{[ 9 ]}コーンは、差圧発生器としてだけでなく、調整装置としても機能します。上流側の要件は、オリフィスプレートの場合は最大 44 直径、ベンチュリの場合は 22 直径であるのに対し、0～5 直径です。コーンメーターは一般的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。溶接による熱の影響により、歪みやその他の影響が生じ、配管サイズ、ベータ比、運転レイノルズ数に関する流量係数の表形式のデータを収集して公開することが困難になります。校正済みの円錐計の不確かさは±0.5%までです。未校正の円錐計の不確かさは±5.0%です。

線形抵抗流量計（層流流量計とも呼ばれる）は、測定差圧が流量と流体粘度に線形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、粘性抵抗流または層流と呼ばれ、このセクションで説明したオリフィスプレート、ベンチュリ管、その他の流量計で測定される乱流とは対照的で、レイノルズ数が 2000 未満であることが特徴となります。主要な流れ要素は、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。このような低い流量では圧力差は小さくなりますが、流れ要素が長いほど、より大きく、測定しやすい圧力差が生じます。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、流体粘度と流れ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 ]}

水位は、堰の後ろまたは水路内の指定された地点で、さまざまな補助装置（バブラー、超音波、フロート、差圧などが一般的な方法）を使用して測定されます。この水深は、次の形式の理論式に従って流量に変換されます。${\displaystyle Q=KH^{X}}$どこ${\displaystyle Q}$流量は、${\displaystyle K}$定数です。${\displaystyle H}$水位は、${\displaystyle X}$は、使用する装置によって変化する指数です。または、経験的に導出されたレベル/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、時間積分して体積流量にすることができます。レベル流量測定装置は、地表水（湧水、小川、河川）、産業排水、下水の流量を測定するためによく使用されます。これらのうち、堰は固形物が少ない流れ（通常は地表水）で使用され、水路は固形物含有量が少ないまたは多い流れで使用されます。^{[ 14 ]}

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）。速度と断面積の積は流量となり、これを積分して体積流量を求めることができます。面積速度流量計には、（1）湿潤型と（2）非接触型の2種類があります。湿潤型面積速度センサーは通常、水路や河川の底に設置され、ドップラー法を用いて同伴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を用いることで、放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型装置は水路の上に設置され、上から速度を測定し、超音波を用い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 ]}

一定量の染料（または塩）を単位時間あたりに流れに添加する。完全に混合された後、濃度を測定する。希釈率は流量に等しい。

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速度成分を記録するように設計されている。測定は、ドップラーシフト効果に基づいて、遠隔サンプリングボリューム内の粒子の速度を測定することによって行われる。^{[ 16 ]}

多くの最新型自動車では、マスエアフロー（MAF）センサーを用いて、内燃機関で使用される吸気の質量流量を正確に測定します。こうしたマスフローセンサーの多くは、加熱素子と下流側の温度センサーを用いて空気流量を示します。また、バネ式の羽根を用い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表示として解釈します。

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、計量管に磁場を印加することで、磁束線に垂直な方向の流速に比例した電位差を生じさせます。この電位差は、流れと印加された磁場に垂直に配置された電極によって検出されます。この原理は、ファラデーの電磁誘導の法則に基づいています。磁気流量計には、導電性の流体と非導電性の配管ライナーが必要です。電極はプロセス流体と接触しても腐食してはなりません。一部の磁気流量計には、電極をその場で洗浄するための補助トランスデューサが取り付けられています。印加される磁場はパルス状であるため、流量計は配管システム内の迷走電圧の影響を打ち消すことができます。

ローレンツ力速度測定システムは、ローレンツ力流量計（LFF）と呼ばれます。LFFは、流動する液体金属と印加された磁場との相互作用によって生じる、積分された、あるいはバルクのローレンツ力を測定します。この場合、磁場の特性長は、流路の寸法と同程度の大きさになります。局所的な磁場を用いる場合、局所的な速度測定が可能となるため、ローレンツ力速度計という用語が用いられることに留意する必要があります。

超音波流量計には、ドップラー式とトランジットタイム式の2種類があります。どちらも超音波を利用して流量を測定し、非侵襲的（管、パイプ、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）な測定が可能ですが、流量の測定方法は大きく異なります。

超音波伝搬時間流量計は、流れの方向と逆方向に伝搬する超音波パルスの伝搬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指標となります。絶対伝搬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つの伝搬時間を用いることで、$\displaystyle t_{\text{up}}}$そして$t_{\text{down}}$受信トランスデューサと送信トランスデューサ間の距離${\displaystyle L}$傾斜角${\displaystyle \alpha }$次のような方程式を立てることができる。 $${\displaystyle v={\frac {L}{2\;\cos \left(\alpha \right)}}\;{\frac {t_{\text{up}}-t_{\text{down}}}{t_{\text{up}}\;t_{\text{down}}}}}$$ そして $${\displaystyle c={\frac {L}{2}}\;{\frac {t_{\text{up}}+t_{\text{down}}}{t_{\text{up}}\;t_{\text{down}}}}}$$ どこ${\displaystyle v}$は音の経路に沿った流体の平均速度であり、${\displaystyle c}$音速のことです。

広角ビーム照射による超音波の通過時間測定は、血管やチューブの断面積とは無関係に体積流量を測定するためにも使用できる。^{[ 19 ]}

超音波ドップラー流量計は、流体中の微粒子から反射された超音波ビームによって生じるドップラーシフトを測定します。送信されたビームの周波数は粒子の動きによって変化し、この周波数シフトを利用して流体速度を算出できます。ドップラー原理が機能するためには、流体中に固体粒子や気泡などの音響反射性物質が十分な密度で存在する必要があります。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伝播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 1 つは、流体中の音速が分かっていれば、さまざまな流体の流量を効果的に測定できることです。たとえば、超音波流量計は、液化天然ガス (LNG) や血液などのさまざまな流体の測定に使用されます。^{[ 20 ]}また、特定の流体の予想される音速を計算することもできます。これは、流量計の測定品質を監視する目的で、超音波流量計によって経験的に測定された音速と比較できます。品質の低下 (測定された音速の変化) は、メーターのメンテナンスが必要であることを示しています。

コリオリ流量計では、横方向に振動する管が変形するコリオリ効果を利用して、質量流量を直接測定できます。^{[ 21 ]}さらに、流体の密度も直接測定できます。コリオリ測定は、測定対象の気体や液体の種類に関係なく非常に正確です。同じ測定管を水素ガスやアスファルト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 ]}

管内流の場合、放射性トレーサーをパルス状に測定対象流に注入する、いわゆる通過時間法が用いられる。通過時間は、管の外側に設置された放射線検出器を用いて測定される。体積流量は、測定された平均流速に管の内断面積を乗じることで求められる。この基準流量値を、校正対象となる流量測定で得られた同時流量値と比較する。

この手順は標準化されています（液体についてはISO 2975/VII、気体についてはBS 5857-2.4）。液体および気体に対する認定された最良の測定不確かさは0.5%です。^{[ 27 ]}

放射性トレーサー希釈法は、開水路流量測定の校正に使用されます。既知のトレーサー濃度の溶液を、既知の一定速度で水路の流れに注入します。下流では、トレーサー溶液が流れの断面全体に十分に混合され、連続サンプルが採取され、注入された溶液のトレーサー濃度に対するそのトレーサー濃度が決定されます。流量基準値は、注入されたトレーサー流量と希釈流量との間のトレーサーバランス条件を使用して決定されます。この手順は標準化されています（開水路内の液体流量については、ISO 9555-1 および ISO 9555-2）。認定された最良の測定不確かさは 1% です。^{[ 27 ]}

レーザードップラー流速計（LDV）の光学的測定方法を用いて、パイプ径に沿った 1 つ（または複数）の測定経路で局所流速（速度プロファイル）を測定します。このために必要な流体への光学的アクセスは、タッピング法を用いて運転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）の測定偏差は、LDV 法を用いて決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℃）に対する最も優れた認定測定不確かさは 0.7  % です。^{[ 28 ]}