産業オートメーションで使用される流量センサーの種類
導入
産業オートメーションにおけるフローセンサーの重要性
フローセンサーは、幅広い用途において様々な流体、気体、液体の流量を測定・監視することで、産業オートメーションシステムにおいて重要な役割を果たします。これらのセンサーは、システム内を輸送される流体の流量、体積、圧力、温度に関する重要な情報を提供します。フローセンサーが産業オートメーションにおいて重要な理由をいくつかご紹介します。
プロセス制御と最適化：フローセンサーは、流量に関するリアルタイムデータを提供することで、産業プロセスの正確な制御と最適化を可能にします。この情報により、オートメーションシステムはバルブ、ポンプ、その他の制御機器を調整して所望の流量を維持し、効率的な運用を実現し、無駄を最小限に抑えることができます。
品質管理：多くの製造プロセスにおいて、製品の品質と一貫性を確保するには、一定の流量を維持することが不可欠です。フローセンサーは、流量の変動や逸脱を検出し、最終製品の欠陥や不一致を防ぐための迅速な是正措置を講じるのに役立ちます。
エネルギー効率：フローセンサーは、ポンプ、コンプレッサー、その他の流体処理装置が最適な流量で動作することを保証することで、エネルギー効率の高い運用を実現します。流量を監視・制御することで、不要なエネルギー消費を最小限に抑え、コスト削減と環境への影響軽減につながります。
機器保護：フローセンサーは、不適切な流量条件による損傷から産業機器を保護します。例えば、流量不足または流量ゼロの状態では、アラームやシャットダウン機構が作動し、空運転や過熱による機器の損傷や故障を防ぎます。
安全性と環境規制への適合：フローセンサーは、安全性を確保し、環境規制を遵守するために不可欠です。流量を監視することで、漏れ、詰まり、過圧など、安全上のリスクや環境ハザードにつながる可能性のある異常状態を検知できます。こうした状態を迅速に検知し、対応することで、事故、流出、その他の望ましくないインシデントを防ぐことができます。
データ収集と分析：フローセンサーは、プロセスの監視、最適化、そしてデータに基づく意思決定に役立つ貴重なデータを提供します。フローセンサーから収集されたデータは分析することで、傾向、パターン、異常を特定し、予知保全、システムのトラブルシューティング、そしてプロセス全体の改善に役立ちます。
簡単に言えば、フローセンサーは産業オートメーションシステムに不可欠なコンポーネントであり、精密な制御、プロセスの最適化、品質の確保、エネルギー効率の向上、設備の保護、安全性の維持、そしてデータに基づく意思決定の促進を可能にします。様々な産業分野における効率的で信頼性の高い運用を実現する上で、その重要性は計り知れません。
さまざまな種類のフローセンサーの概要
ここでは主に、機械式流量センサー、熱式流量センサー、超音波式流量センサー、磁気式流量センサー、コリオリ式流量センサーの 4 種類の流量センサーについて説明します。
まず、機械式フローセンサーは、システム内の液体または気体の流量を測定するために使用されるデバイスです。これらは、産業、商業、住宅など、様々な用途で流体の流れを監視するために広く使用されています。これらのセンサーは、機械的な機構を用いて流体の流れを検出し、それをコントローラや監視システムで解釈できる電気信号に変換することで機能します。
次に、熱式流量センサーは、温度変化を検知することで流体の流量を測定するデバイスです。これらのセンサーは、HVACシステム、産業プロセス、医療機器など、さまざまな用途で広く使用されています。
第三に、超音波流量センサーは、様々な用途において流体の流量を測定するために使用されるデバイスです。これらのセンサーは、流体に超音波を照射し、超音波が流体を通過してセンサーに戻ってくるまでの時間を測定することで機能します。このデータを分析することで、センサーは流体の流量を算出することができます。
最後に、コリオリ流量センサは流体の流量を測定するために使用されるデバイスです。コリオリの力、つまり回転座標系で運動する物体に作用する見かけの力の原理に基づいて動作します。センサは、流体の流れにさらされる振動管で構成されています。この振動により、管は流体の質量流量に比例したねじれを生じます。
流量測定
産業プロセスにおける流量測定の定義と重要性
流量測定とは、産業システム内の流体の流量を定量化するプロセスを指します。特定の地点または特定の経路を通過する流体の体積、質量、または速度を測定します。流量測定は、プロセス制御、最適化、そして安全性に不可欠な情報を提供するため、産業プロセスにおいて極めて重要です。
産業プロセスにおける流量測定の重要性は、次の点から理解できます。
プロセス制御：正確な流量測定により、オペレーターはシステム内の流体の流量を監視・制御できます。所定の流量を維持することで、オペレーターは製品品質の一貫性を確保し、生産効率を最適化し、潜在的な中断や故障を回避できます。
資源管理：フロー測定は、水、石油、ガス、化学物質などの資源の消費量や利用率を正確に測定することで、資源管理に役立ちます。この情報により、産業界は資源配分を最適化し、廃棄物を最小限に抑え、全体的な運用効率を向上させることができます。
安全性と環境コンプライアンス：化学製造や石油・ガスなどの多くの業界では、安全性を維持し、環境規制を遵守するために、正確な流量測定が不可欠です。流量を監視することで、安全リスクや環境ハザードにつながる可能性のある漏れ、圧力変動、異常な流量状態を検出できます。
エネルギー効率：流量測定は、産業プロセスにおけるエネルギー管理において重要な役割を果たします。流量を正確に測定することで、産業界はエネルギー最適化の機会を特定し、省エネ対策を実施し、運用コストを削減することができます。
プロセスの最適化とトラブルシューティング：フロー測定データは、プロセスの最適化とトラブルシューティングによく使用されます。フローパターンを分析し、逸脱や非効率性を特定することで、産業界はプロセスを微調整し、潜在的なボトルネックを特定し、システム全体のパフォーマンスを向上させることができます。
請求と保管移転：製品や流体を企業間で売買または移転する業界では、請求と保管移転のために正確なフロー測定が不可欠です。信頼性の高いフロー測定は、公正かつ正確な請求を保証し、金銭上の紛争を防ぎ、取引の透明性を確保します。
産業プロセスにおける流量測定は、プロセス制御の維持、資源利用の最適化、安全性と環境コンプライアンスの確保、エネルギー効率の向上、正確な請求と管理移管の促進に不可欠です。これにより、産業界は情報に基づいた意思決定を行い、生産性を向上させ、プロセスの円滑な運用を確保することができます。
さまざまなフロー測定パラメータの理解
流量：流量とは、単位時間あたりにパイプの特定の箇所またはセクションを通過する流体の量を指します。通常、リットル/分（L/min）、立方メートル/時（m³/h）、ガロン/分（GPM）などの単位で測定されます。流量は、システムを流れる流体の量に関する情報を提供し、プロセス制御、システム最適化、およびリソース管理に不可欠です。
速度：速度は流体の流れの速さを表します。これは、単位時間あたりの流体粒子の位置変化率です。速度は通常、メートル毎秒（m/s）またはフィート毎秒（ft/s）で測定されます。流量は、ある点を通過する流体の体積に関する情報を提供しますが、速度は流体がどれだけ速く移動するかを示します。速度測定は、流体力学、圧力損失の計算、システム内の流れ特性の決定に重要です。
質量流量：質量流量とは、単位時間あたりに特定の点を通過する流体の質量を測定することです。この測定は、流体によって輸送される物質または材料の実際の量に関する情報を提供します。質量流量は通常、キログラム毎秒（kg/s）やポンド毎時（lb/h）などの単位で測定されます。質量流量測定は、密度の異なる流体を扱う場合や、化学プロセスや輸送アプリケーションなど、正確な質量管理が不可欠な場合に特に重要です。
積算流量：積算流量は、累積流量または総流量とも呼ばれ、一定期間にシステムを通過した流体の累計を表します。これは、流量または質量流量の測定値を時間経過にわたって積分したものです。積算流量は通常、リットル（L）、立方メートル（m³）、バレル（bbl）などの単位で測定されます。これは、流体の体積または質量の累積記録を提供し、総消費量の追跡、システム効率の監視、課金、貯蔵容器の残容量の算出に役立ちます。
これらの流量測定パラメータを理解することは、産業プロセスにおける流体の流れを正確に監視・制御するために不可欠です。各パラメータは、流体の特性、量、動きに関する貴重な情報を提供し、効果的なプロセス管理、最適化、そして意思決定を可能にします。
機械式流量センサー
機械式流量センサーの種類
機械式フローセンサー（フローメーターとも呼ばれる）は、システム内の流体の流量または速度を測定するために使用されるデバイスです。これらのセンサーは、機械原理を利用して流体の動きまたは変位を検出し、測定可能な出力に変換します。機械式フローセンサーは、石油・ガス、水処理、製造、HVAC（暖房、換気、空調）システムなど、さまざまな業界で広く使用されています。
機械式流量センサーには様々なタイプと設計があり、それぞれ特定の用途や流体特性に適しています。一般的な機械式流量センサーには、以下のものがあります。
差圧流量計：これらの流量センサーは、オリフィスプレートやベンチュリ管など、流路内の狭窄部や障害物における圧力降下を測定します。圧力降下と流量を関連付けることで、これらのセンサーは間接的に流量を測定します。差圧流量計の例としては、オリフィスメーター、ベンチュリメーター、フローノズルなどがあります。
容積流量計：これらのセンサーは、流体の流量を個別の体積または単位に分割して測定します。計量室を通過する流体の体積を捕捉し、計数することで機能します。容積流量計の例としては、ピストン式流量計、オーバルギア式流量計、ナット式ディスク式流量計などがあります。これらの流量計は非常に高精度で、低流量および粘性流体の測定に適しています。
タービン流量計：タービン流量計は、流体の流れの中にブレードまたはベーンを備えたローターを配置して使用します。流体の流れによってローターが回転し、回転速度は流量に比例します。ローターの回転速度を測定することで、流量を求めることができます。タービン流量計は、水や炭化水素などの清浄で低粘度の流体の測定によく使用されます。
渦流量計：渦流量計は、渦放出の原理に基づいて動作します。流路内にブラフボディまたはシェダーバーが配置されています。流体がブラフボディを通過すると、両側に交互に渦が形成されます。渦放出の頻度は流量に比例するため、流量を測定することができます。渦流量計は、気体や液体など、幅広い流体に適しています。
磁気流量計：これらの流量センサーは、電磁誘導の原理を利用して流量を測定します。流体が流れる導電性のパイプまたはチューブと、パイプの周囲に配置されたコイルによって生成される磁場で構成されています。導電性の流体が磁場内を移動すると、流量に比例した電圧が発生します。磁気流量計は、水やスラリーなどの導電性流体の測定によく使用されます。
機械式フローセンサーは、様々な産業用途における流量測定において、信頼性と費用対効果に優れたソリューションを提供します。シンプルさ、耐久性、そして幅広い流体の種類と流量への適合性といった利点を備えています。しかし、特定の用途に適した機械式フローセンサーを選定する際には、精度要件、流体特性、設置条件といった要素を考慮することが重要です。
熱流量センサー
熱式流量センサーの概要と種類
熱式流量センサーは、熱伝達の原理に基づいて流体の流量を測定するデバイスです。これらのセンサーは、流体の流れによって引き起こされる温度変化を利用して流量または速度を測定します。熱式流量センサーは、HVACシステム、ガスおよび液体の流量監視、産業プロセス制御など、さまざまな業界で広く利用されています。
熱式流量センサーの動作原理は、流体の流れが加熱素子から熱を奪う、あるいは加熱素子に温度差を生じさせるというものです。この温度変化を測定することで流量を求めることができます。熱式流量センサーには主に以下の2種類があります。
定温型風速計（CTA）： CTAは、加熱された検知素子と1つ以上の温度センサーで構成されています。検知素子は一定温度に加熱され、流体の流れによって冷却効果が生じ、その結果、加熱素子と流体の間に温度差が生じます。温度センサーはこの温度差を測定し、その温度差は流量に比例します。CTAは、気体流量測定によく使用されます。
定電流風速計（CCA）： CCAは熱線風速計とも呼ばれ、加熱された線またはフィラメントを感知素子として用います。線は一定の電流を流すことで一定温度に加熱されます。流体が線上を流れると、冷却効果が変化し、線の抵抗が変化します。この抵抗の変化を測定することで、流量を測定することができます。CCAは、気体と液体の両方の流量測定に広く使用されています。
これらの主なタイプに加えて、熱流量センサーには次のようなバリエーションがあります。
a. インラインサーマルマスフローメータ：これらのセンサーは、2つの温度センサーと加熱素子を用いて流体の質量流量を測定します。2つのセンサー間の温度差から質量流量を算出し、加熱素子は一定の温度差を維持します。
b. 挿入型熱式流量計：これらのセンサーは、パイプまたはダクトの流路に挿入するように設計されています。1つまたは複数の加熱素子と温度センサーを使用し、流体の流れによる冷却効果に基づいて流量を測定します。
c. マイクロブリッジ質量流量センサー：マイクロブリッジセンサーは、温度センサーを備えた微細加工された熱ブリッジを用いて流量を測定します。これらのセンサーは非常に高感度で、低流量を正確に測定し、流量の小さな変化を検知できます。
熱式流量センサーは、広い測定範囲、高速応答、低流量から高流量まで測定可能といった利点を備えています。気体、液体、混相流に広く用いられます。しかし、特定の用途に適した熱式流量センサーを選定する際には、流体の特性、温度範囲、圧力、設置要件といった要素を考慮することが重要です。
超音波流量センサー
超音波流量センサーの種類
通過時間型超音波流量センサー:
a. 動作原理と構造：
トランジットタイム型超音波流量センサーは、超音波信号が流体中を上流と下流の両方へ伝わるのにかかる時間を測定するという原理に基づいています。このセンサーは、パイプの反対側に配置された2つの超音波トランスデューサーを備えています。一方のトランスデューサーはパイプの斜め方向に超音波信号を送信し、もう一方のトランスデューサーは信号を受信します。上流信号と下流信号の時間差から流速を判定し、流量を計算します。トランジットタイム型センサーは、クランプオン型とインライン型に分類されます。
b. 利点と制限:
トランジットタイム型超音波流量センサの利点は、高精度、広い流量範囲、そして清浄な流体だけでなく微量の微粒子を含む流体も測定できることです。非侵入型であるため、圧力損失や流れの阻害を引き起こしません。ただし、流体中の気泡、泡沫、またはエアレーションの影響を受ける可能性があり、正確な測定には一定の最低流速が必要になる場合があります。
ドップラー超音波流量センサー:
a. 動作原理と構造：
ドップラー超音波流量センサーは、ドップラー効果の原理に基づいて動作します。これらのセンサーは、流れる流体に超音波信号を発信し、その信号は流体中の浮遊粒子または気泡によって反射されます。反射信号の周波数シフトは流体の速度に比例します。この周波数シフトを解析することで、流速と流量を測定できます。ドップラーセンサーは通常、超音波信号の送受信に1つのトランスデューサーを備えています。
b. 用途と利点：
ドップラー超音波流量センサーは、廃水処理やスラリーなど、流体に浮遊物質や気泡が含まれる用途に特に適しています。高濃度の粒子を含む流体にも対応でき、流体の音響特性の影響を受けません。ドップラーセンサーは、設置の容易さ、広い測定範囲、そして困難な流体条件下における信頼性の高い測定などの利点を備えています。
超音波流量センサーは、様々な産業における流量測定において、汎用性と精度に優れたソリューションを提供します。通過時間型センサーは清浄な流体に有効であり、ドップラーセンサーは懸濁液や気泡が混入する用途に優れています。超音波流量センサーの選択は、具体的なアプリケーション要件、流体特性、設置条件によって異なります。
コリオリ流量センサー
コリオリ流量センサーは、コリオリ効果の原理に基づいて流体の流量を測定する高度なデバイスです。これらのセンサーは、振動するチューブまたはメーターを用いて、そこを流れる流体によって引き起こされるねじれや曲げの運動を検出します。振動特性の変化を測定することで、コリオリ流量センサーは流量を正確に測定し、密度や温度などの追加情報も提供します。コリオリ流量センサーは高い精度、信頼性、汎用性を備えており、幅広い産業用途に適しています。
コリオリ流量センサの種類
一般的に使用されるコリオリ流量センサーには、主に次の 2 つのタイプがあります。
シングルチューブコリオリ流量センサー:
シングルチューブコリオリ流量センサは、流体が流れる単一の振動チューブまたは流量計で構成されています。このチューブは通常U字型または螺旋型で、内部の駆動装置によって駆動されます。流体が振動チューブを通過すると、コリオリ効果によってチューブに位相シフトとねじれ運動が生じます。この運動はセンサによって測定され、得られたデータから流量、密度、温度が算出されます。シングルチューブコリオリ流量センサは、特に低流量において高い精度を提供し、幅広い流体タイプに適しています。
マルチチューブコリオリ流量センサー:
マルチチューブコリオリ流量センサは、複数の平行振動管（メータ）で構成されています。各管には専用の駆動装置とセンサが搭載されています。流体はすべての管を同時に通過し、その結果生じる動きと位相差が計測されます。複数の管からのデータを分析することで、流量、密度、温度を正確に測定できます。マルチチューブコリオリ流量センサは精度が高く、より幅広い流量と流体の種類に適しています。流体の保管輸送など、高い精度と汎用性が求められる用途で広く使用されています。
コリオリ流量センサーは、石油・ガス、化学処理、医薬品、食品・飲料、水管理などの業界で広く使用されています。直接質量流量測定、高精度、広い流量範囲、低圧力損失、そして様々な流体の種類や粘度に対応できるといった利点があります。コリオリ流量センサーは、正確で信頼性の高い流量測定に加え、流体特性に関する追加情報を提供することで、プロセス制御、最適化、品質保証において重要な役割を果たします。
よくある質問（FAQ）
Q1: 産業オートメーションにおけるフローセンサーの目的は何ですか?
産業オートメーションにおけるフローセンサーは、システム内の流体の流量を測定・監視するために使用されます。その目的は、プロセス制御、最適化、リソース管理、そしてシステムの効率性と安全性の確保に不可欠な、流量に関する正確かつリアルタイムの情報を提供することです。
Q2: 機械式流量センサーはどのように機能しますか?
機械式流量センサーは、差圧、容積式、タービン回転、渦放出、磁気誘導など、様々な原理に基づいて動作します。これらのセンサーは、機械的な機構または部品を用いて、圧力、変位、回転、誘導などの流体の流れ特性を測定し、それを流量測定値に変換します。
Q3: 熱流量センサーを使用する利点は何ですか?
熱式流量センサーの利点は、気体と液体の両方を測定できること、広い流量範囲に対応できること、応答時間が速いこと、圧力損失が低いこと、高精度であること、そして様々な用途に適していることなどです。また、非接触測定、メンテナンスの手間が少ないこと、そして低流量の測定と流量の小さな変化の検出が可能であることなども特徴です。
Q4: 超音波流量センサーの用途は何ですか?
超音波流量センサーは、水管理、石油・ガス、化学処理、空調システム、廃水処理など、幅広い業界で応用されています。液体または気体の流量測定に使用され、困難な流体条件下においても使用可能です。清浄な流体だけでなく、浮遊物質や気泡を含む流体にも適しています。
Q5: 磁気流量センサーはどのような業界で使用されていますか?
磁気流量センサー（電磁流量センサーとも呼ばれる）は、水・廃水管理、化学処理、パルプ・製紙、鉱業などの業界で広く使用されています。特に、水、スラリー、腐食性液体などの導電性流体の流量測定に適しています。
Q6: コリオリ流量センサーの利点は何ですか?
コリオリ流量センサーは、高精度、質量流量の直接測定、流量に加え密度と温度の測定、広いレンジアビリティ、そして様々な流体に対応できるなどの利点を備えています。石油・ガス、医薬品、食品・飲料、化学処理などの業界で広く使用されています。
Q7: フローセンサーは液体と気体の両方に使用できますか?
はい、フローセンサーは液体と気体の両方の測定に使用できます。ただし、測定対象となる流体の種類によって、フローセンサーの性能特性や制限が異なる場合があるため、測定対象となる流体に適したフローセンサーを選択することが重要です。
Q8: 流量センサーは流量をどの程度正確に測定できますか?
流量センサーの精度は、センサーの種類、特定の用途、測定対象となる流量範囲によって異なります。しかし、最新の流量センサーは高い精度を実現しており、特に超音波式流量センサーやコリオリ式流量センサーでは、数パーセント以内、あるいはそれ以上の精度を実現できるものもあります。
Q9: フローセンサーを選択する際に考慮すべき要素は何ですか?
フローセンサーを選択する際に考慮すべき要素には、流体の種類、流量範囲、精度要件、圧力および温度条件、流体との適合性、設置に関する考慮事項（スペースの制約やパイプのサイズなど）、メンテナンス要件、および特定のアプリケーションにおける全体的なコスト効率が含まれます。
Q10: フローセンサーはプロセス最適化にどのように貢献できますか?
フローセンサーは流量に関するリアルタイムデータを提供し、オペレーターがシステム内の流体の流れを監視・制御することを可能にします。この情報は、プロセスの最適化、非効率性や異常の特定、漏れや詰まりの検出、流量配分のバランス調整、そしてシステムが最適な状態で稼働していることの保証に活用できます。フローセンサーを活用することで、産業界はエネルギー効率の向上、廃棄物の削減、製品品質の向上、そして資源配分の最適化を実現できます。
結論
正確で信頼性の高い流量測定には、特定のアプリケーションに適したフローセンサーの選択が不可欠です。流体の種類、流量範囲、精度要件、圧力および温度条件、設置上の考慮事項などの要素を慎重に検討する必要があります。不適切なフローセンサーを選択すると、測定精度の低下、システム効率の低下、潜在的な安全リスクにつながる可能性があります。適切なフローセンサーを選択することで、産業界はプロセスの最適化、エネルギー効率の向上、製品品質の確保、そして費用対効果の向上を実現できます。
フローセンサーは、正確かつリアルタイムの流量測定を提供することで、産業オートメーションにおいて重要な役割を果たしています。プロセス制御、最適化、そしてリソース管理を可能にし、産業プロセスの効率性と安全性を確保します。フローセンサーは、産業における流体の流れの監視と調整、異常検知、そしてプロセス改善のための情報に基づいた意思決定を支援します。技術の進歩に伴い、フローセンサーはより高精度で汎用性が高く、様々な流体の種類や流れの状態に対応できるようになりました。その結果、フローセンサーは産業オートメーションにおいて不可欠なコンポーネントであり続け、幅広い産業における効率性、持続可能性、そして生産性の向上に貢献しています。
