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コリオリ式マスフローメータとは

コリオリ式質量流量計

コリオリ式マスフローメータ, コリオリ式質量流量計 フランスの学者、ガスパール=ギュスターヴ・コリオリは、地球が西から東向きに自転しているため、地球の表面上を動くすべての物体に対して、横向きの力が働くことに初めて気が付きました。北半球では右向きに力が働き、南半球では、左向きに力が働きます。この働きは、地球の海流や地球の天候に大きな役割を果たしています。

赤道付近では、北極付近よりも1日あたり大きい円を描き自転します。赤道付近から北極付近に向かって移動する物体は、赤道付近よりゆっくりと回転する表面上を通過する際に高い回転速度(東方向)を維持します。そのため移動する物体が東に向きます。この働きがコリオリの力と定義されます。

最初の工業用コリオリの特許は1950年代にさかのぼり、最初のコリオリ質量流量計は1970年代に製造されました。これらの流量計は、人工的な流れにコリオリの加速度を発生させ質量流量を測定します。 その結果生じる角運動量を検出することによって質量流量を測定するものです。

流体がチューブ内を流れ、チューブへの見かけ上の回転を機械的に発生させコリオリの加速を受けると コリオリの慣性効果によって発生する偏向力の量は、流体の質量流量の関数となります。チューブに液体が通って(回転中心に向かってまたは回転中心から遠ざかる方向に)あるポイントを中心に回転すると、その流体は(チューブに作用する)流れの方向に対して直角になる慣性力を生成します。
The Coriolis Principle
The Coriolis Principle (Figure 5-2)
図5-2を参照すると、粒子(dm)はチューブ(T)内を速度(v)で移動します。チューブは固定点(P)を中心に回転し、粒子は固定点から半径(r)の距離にあります。粒子は、Pに向けられた求心加速度、およびαに対して直角に作用するコリオリの加速度の2つの要素の加速度の下で、角速度(ω)で移動します。

ar (centripetal) = w2r
at (Coriolis) = 2wv

流体粒子にコリオリ加速度(at)を与えるために、チューブによってat(dm)の力が生成されなければなりません。流体粒子は、等しい力で反対のコリオリ力でこの力に反応します:

Fc = at(dm) = 2wv(dm)

次に、プロセス流体が密度Dを有し、断面積Aの回転チューブ内に一定速度で流れる場合、長さXのチューブのセグメントは、大きさに対してのコリオリの力を受けます:

Fc = 2wvDAx

質量流量率はdm = DvA なので、コリオリ力Fc = 2w(dm)x、 そして最後に:

Mass Flow = Fc/(2wx)

これは、流動する流体によって回転チューブ上に及ぼされるコリオリの力の測定がどのように質量流量の指標を示すことが出来るか表したものです。しかし、チューブを回転させることは、市販の流量計を構築する場合には実用的ではありません、チューブを振動させることにより同じ効果を得られることができます。コリオリ流量計は、順方向または逆方向のいずれかでチューブを通る流れを測定することができます。

一般的な仕様では、2点で固定されたチューブがアンカーの間で振動します。

この構成は、組み立てられたチューブ本体を振動させることで考えられました。一度動作させると、本体はその質量の関数である共振周波数で振動します。この共振周波数は、チューブを一定の振動に保つため、そして、最小の駆動力が必要とされるために選定されました。


コリオリ式マスフローメータの原理と改善

第1世代のコリオリメーターは、一本の湾曲した厚みの薄いチューブで構成されていました。このチューブでは、プロセス配管に対してチューブの断面積を小さくすることによって高い流体速度を発生させました。チューブの歪みは、固定された点または平面を基準にして測定していました。チューブでは、高振幅の曲げる力がアンカーポイントで生成されるように励起されました。これにより、重大な振動問題が発生しましたが、2本チューブ設計(図5-3A)によって軽減されました。

これらの設計は、外部振動干渉を低減し、チューブを振動させるのに必要な電力を減少させ、チューブを通過した後の振動エネルギーを最小限に抑えました。 1つの励振器がチューブの振動を開始するために使用され、2つのセンサがコリオリのたわみを検出するために使用されます。 この設計はパフォーマンスを大幅に向上させましたが、「ボア縮小」、「薄いチューブ」、「高い流体速度(15.24/秒まで)」の組み合わせは、耐久性において問題がありました。また腐食性および浸食性のある状態で使用されたときに流出を招く致命的な問題がありました。 さらに、損失水頭(摩擦抵抗)が高く(時には3.44 barを超える)、精度も良くありませんでした。
Torsional Bending
Torsional Bending (Figure 5-5)
Support Block and Multiple Sensors
Support Block & Multiple Sensors
最近の設計改善では、流れを分割せず(図5-3B)複数の励振器(図5-5A)を使用する方法や新しいチューブ形状などが導入されています。チューブを厚くすることで性能の向上につながりました。

いくつかの設計では、チューブの割れ(図5-5B)につながる応力の集中を防ぐために、ねじり応力を曲げに置き換えました。他の設計では、チューブ構造をプロセス配管の横方向に取り付けることにより、プロセス配管の振動の影響が最小限に抑えられています。

これらの改良により、サプライヤの数が増加し、従来から利用されている容積式流量計と同じくらい信頼性が高く、頑丈な新世代のコリオリ式メータが開発されました。新しい設計では、より低い流体速度(3.05m/秒未満)およびより低い圧力降下(0.069 bar)で動作し、あらゆる方向に設置でき、スラリー、粘性、腐食性または腐食性の保護でより長い耐用年数を提供します。チューブは耐久限界以下で正常に振動します。それらは通常ステンレス鋼、ハステロイ®、チタン製です。

チューブの設計

チューブは湾曲した形またはまっすぐな形にすることができます。また、垂直に取り付けた場合、設計によっては自己排水も可能です(図5-3)。2つの平行なチューブで設計されている場合、流れは、計器の入口近くのスプリッタによって2つの流れに分割され、出口で再結合されます。単一の連続チューブの設計(または直列に連結された2本のチューブ)では、流れは計器の内部で分割されません。

どちらの場合も、励振器がチューブを振動させます。これらの励振器は、一方のチューブに接続されたコイルと、他方のチューブに接続された磁石で構成されています。送信機はコイルに交流を印加し、これにより磁石を引き寄せて反発させ、それによりチューブを互いに近づけたり離したりします。センサは、チューブの位置、速度、または加速度を検出することができます。電磁センサが使用される場合、センサの磁石およびコイルは、チューブが振動するときに相対位置を変化させ、コイルの磁場の変化を引き起こします。したがって、コイルから出力される正弦波電圧はチューブの動きを表します。

流れがない、2つのチューブ設計(図5-3 A)の場合、コイルとマグネットドライブによる振動は、2つのセンシングポイント(B1とB2)で同じ変位をもたらします。 流れが存在すると、コリオリ力は二次的なねじり振動を生じさせ、その結果、相対運動の位相差が小さくなります。これは測定ポイントで検出されます。コリオリの力によって引き起こされるチューブのたわみは、軸方向の流体の流れとチューブの振動の両方ある場合にのみ存在します。ゼロフローでの振動、または振動なしのフローは、メータからの出力を生成しません。
A
A (Figure 5-3)
B
B (Figure 5-3)
チューブ構造の固有共振周波数は、その形状、構成材料、および質量(チューブの質量にチューブの内部の流体の質量を加えたもの)の関数になります。チューブの質量は固定されています。流体の質量はその密度(D)に体積(固定されている)を掛けたものであるため、振動の周波数はプロセス流体の密度(D)に関連しています。したがって、流体の密度は、振動の共振周波数を測定することによって決定することができます。(注釈:密度は、チューブが流体で満たされ、振動する限り、ゼロフローで測定できます)。

チューブの厚みは設計ごとに大きく異なります。しかし、最も丈夫なチューブでさえプロセス配管よりも薄くなります。また、いくつかの設計では、小口径チューブを使用しており、その場合、流速(1.5~3 m/sから7.6 m/sを超える)が大幅に増加します。薄い壁および高い流体速度の設計では、侵食の懸念から特殊な材料の使用を必要とすることがあります。一番厚い壁で必要な精度と範囲が測定できる最も遅い流速の仕様の製品を選択することにより、最も長期の使用に耐えます。

コリオリのメータは、腐食の問題や孔食を防止するために、特殊な材料で作られている必要があります。プロセス配管は少量の孔食を許容できるので、カーボンまたはステンレス鋼を使用します。コリオリのメータに関しては、壁が薄く、生じた穴がチューブ構造内の応力集中を誘発するため、少量の孔食でさえ許容できません。したがって、標準的な腐食表(減量基準に基づく)はコリオリのチューブ材料の選択には適しておらず、製造業者のより厳しいガイドラインを使用する必要があります。

トランスミッタ(送信機)の設計

トランスミッタは、ACまたはDC電源のいずれかで動作することができ、電源とその出力信号を別々に配線する必要があります。コリオリ流量計トランスミッタは、一体型または外付け式があります(図5-4)。送信機のメモリ内の較正係数(K)は、送信機と特定の流管を適合させます。この較正係数は、特定の振動管の動的ばね定数に対するコリオリ力と質量流量との間の比例定数を規定します。

トランスミッタは、センサの入力を標準化された出力信号に変換するだけではありません。ほとんどの送信機は、質量流量、全質量流量、密度、温度を含む複数の出力も提供します。アナログおよび/またはパルス出力の両方が利用可能であり、インテリジェント送信機はDCSシステムへの統合のためにデジタル出力を生成することができます。

トランスミッタにはローカルディスプレイとキーパッドが付いているため、プロセスデータに簡単にアクセスできます。コリオリ送信機は、単なる流量情報および補助機能以上のものを提供します。 バッチ制御機能、BrixパーセントまたはHFCSモニタリング、粘度、固形分パーセント、PID、API重力および比重などの情報を使用することができます。粘度の情報が必要な場合は、メータ圧力降下を測定する必要があります。他の機能についても、送信機メモリに予めプログラムされた情報を必要とすることがあります。さらに、送信機には他のハードウェアとソフトウェアのオプションがあり、ユーザはアプリケーションによってカスタマイズすることができます。
Coriolis Transmitter with Keyboard Display
Coriolis Transmitter with Keyboard Display (Figure 5-4)

関連情報
Flow Meter