化学プラント大全 今回は、差圧式オリフィスに次ぐ標準機として広く普及している「渦流量計」について、その測定原理から構造、メリット・デメリット、そして失敗しないサイジングの勘所までを徹底解説します。
渦流量計の基本と歴史
渦流量計は、1900年代初頭から使われてきた差圧式オリフィス流量計に次ぐ、第2の標準機として1960年代後半に工業化されました。特に日本のメーカーが開発を牽引してきた歴史があります。
その定義は「流エネルギー抽出型の速度式流量計」です。難しく聞こえるかもしれませんが、シンプルに言えば、外部からエネルギーを加えることなく、流体が障害物に当たってできる渦の数を数えることで、流速を知る方式です。スマート化が進んだ2000年代以降、その重要性はさらに高まっています。
測定原理：カルマン渦とストローハル数
流れの中に「ブラフボディ」と呼ばれる柱状の障害物を置くと、その下流に規則正しい渦が交互に発生します。これを「カルマン渦列」と呼びます。風で電線が鳴る音や、旗がはためく現象もこれと同じ原理です。
流量計として最も重要なのは、この「渦の発生する回数（周波数）が、流体の速さに綺麗に比例する」という性質です。つまり、渦を数えれば流速がわかるのです。
この関係を表す数式において重要なのが「ストローハル数」という係数です。流体の状態（レイノルズ数）が変化しても、ストローハル数は広い範囲で一定に保たれます。これにより、渦流量計は流速に対して出力周波数が正比例するという、オリフィスにはない優れたリニア（直線）特性を持っています。
内部構造と検出の仕組み
渦流量計の構造を見ていきましょう。
渦発生体
単なる円柱では渦の発生点が安定しないため、一般的には断面が台形や三角形の形状が採用されます。エッジを鋭くして渦の発生点を固定し、安定した強い渦を作り出しています。
検出方法
渦が発生すると、発生体には交互に揚力（引き上げる力）が働きます。多くの場合、発生体の内部にある「圧電素子」がこの力を電気信号に変換します。 ここで注目すべきは、センサーが流体に直接触れない（非接触）という点です。センサーは金属ボディの中に守られているため、腐食性の流体でも問題なく、シール部品も不要です。これが渦流量計の高い耐久性を支えています。
渦流量計を導入する3つのメリット
①幅広い適用性と高いレンジアビリティ
液体、気体、蒸気のすべてを同じ原理で測定できます。また、測定可能な流量の範囲（レンジアビリティ）が非常に広く、オリフィスが1対4程度なのに対し、渦流量計は1対20以上を誇ります。流量変動が大きいプロセスでも、設定の切り替えなしで測定を継続できるのは大きな利点です。
②堅牢性とメンテナンス性
従来のオリフィス流量計で悩みの種だった、導圧管の凍結や詰まり、配管接続部からの漏れリスク。渦流量計なら可動部がなく、導圧管も不要なため、これらの問題を一挙に解消できます。詰まらない、漏れない、壊れにくいことで、総所有コストを劇的に削減できます。
③精度とリニアリティ
出力は流速に比例したデジタルパルスであるため、差圧式のような複雑なルート計算が不要で、ゼロ点ドリフトも発生しません。指示精度はプラスマイナス1%程度と高く、特に低流量の領域でも精度が安定する特徴があります。
デメリットと導入時の注意点
優れた流量計ですが、注意すべき弱点もあります。
①低流速での測定限界
カルマン渦は、極端に遅い流速や高粘度の流体では安定して発生しません。そのため、測定不能となる「カットオフ」領域が存在します。
②外部振動の影響
圧力を検知する仕組み上、配管自体の振動をノイズとして拾ってしまう弱点があります。流体が止まっていても数値が出てしまうことがありますが、配管サポートの追加などで対策が可能です。
③直管長の制約
綺麗な渦を作るには、整った流れ（整流）が必要です。通常、流量計の上流側に配管内径の10倍、下流側に5倍の真っ直ぐな配管（直管部）が求められます。直前にバルブなどがある場合はさらに長い距離が必要になるため、設置スペースの検討が重要です。
弱点を克服する最新技術
近年では、これらの弱点を克服する技術進化が進んでいます。
振動対策
ダブルセンサーや高度な信号処理技術が導入されています。2つのセンサーを使ったノイズキャンセルや、周波数解析によるノイズのデジタル分離により、耐震性は飛躍的に向上しています。
マルチバリアブル化
蒸気やガスは温度や圧力によって密度が変わります。そこで、温度センサーを内蔵したモデルが登場しました。1台で流速と温度を測り、内蔵された計算機で質量流量を直接出力できます。外付けの温度計などが不要になり、配管工事が劇的にシンプルになります。
蒸気測定における圧倒的な強み
渦流量計が最も活躍するのは「蒸気」の測定です。工場のユーティリティやボイラー出口において、まさに王者と言える存在です。
高温高圧に強く、温度補正機能を使えば飽和蒸気の質量管理が1台で完結します。導圧管の凍結対策やドレン抜きの作業から解放される点は、現場の担当者にとって最大の恩恵です。
ある化学プラントでは、オリフィスから渦流量計へ切り替えた結果、設置や保全を含めたトータルコストを約7分の1に圧縮し、漏れのリスク箇所を30箇所から3箇所へ激減させることに成功した事例もあります。
失敗しないためのサイジング（口径選定）
最後に、導入において最も重要なサイジングのポイントをお伝えします。
「配管の太さ＝流量計の口径」という安易な選定は避けてください。 低流速でのカットオフ（測定不能）を防ぐため、配管よりも1から2ランク小さい口径を選んで、流量計内での流速を意図的に稼ぐのが鉄則です。また、ガスケットが配管内にはみ出さないようにすることや、液体測定時のキャビテーション（気泡の発生）防止にも注意が必要です。
まとめ
渦流量計は、物理法則に基づいた低コストかつ高精度な、現代の標準的な流量計です。振動や低流速といった弱点も、最新の技術と適切なサイジングによって十分に克服可能です。特に蒸気の測定ラインにおいては、最適な選択肢となるでしょう。現場改善の強力なツールとして、ぜひ活用をご検討ください。
