フローメータ

フローメータの原理

フローメータ（面積式流量計）は、下図に示しますように、上端が下端より拡がった円錐状の筒（テーパ管）の中に、浮子（フロート）を入れたもので、流量の大小によりフロートが上下し、その釣り合う位置を読み取り、流量を求めるものです。

ここで以下のように記号と単位を決めます。
Vf : フロートの容積 [cm3]
ρf : フロートの密度 [g/cm3]
af : フロートの最大断面積 [cm2]
P1 : フロートの直下の圧力 [Pa]
P2 : フロートの直上の圧力 [Pa]
ρ : 液体の密度 [g/cm3]
U1 : フロート直下の流速 [cm/sec]
U2 : フロート隙間の流速 [cm/sec]
A1 : フロート直下の断面積 [cm2]
A2 : フロート隙間の断面積 [cm2]
Q : 流量 [cm3/sec]
g : 重力の加速度
フロートを押し上げる力は、aｆ（P1‒P2）
フロートの重力は浮力を差引いてVf（ρｆ‒ρ）ｇ

A1A2はフロート位置で決まり、Cは環状路の相当直径を用いたレイノルズ数の関数になります。（グラフ参照）

❺式においてA1A2、afはフロートの位置により決まりますので、整理しますと

この式が全ての条件の基本式になります。

【液体の場合】

❻式はそのまま生かされます。たとえば水用のフローメータを比重の異なる灯油で用いた場合、その指示は以下のように変化してしまいます。

で求められます。

【気体の場合】

気体の場合は、フロート密度ρfに対して気体密度ρは無視できるぐらい小さいので　式は以下のように簡略化できます。

ここでフロートの密度ρf、体積Vfは一定ですのでさらに簡略化して

このように気体の場合、Re数が近い条件であればC˝は、一定とみなされますので、気体密度ρにより流量が決められます。
ただし、Re数も気体密度粘度の関数　　ですので、C˝が変わり、あまり密度粘度条件の異なる場合はかなり複雑な解析が必要です。
気体密度は気体の種類では無論の事ですが、圧力・温度によっても変化します。したがいまして、同じフローメータを用いて諸条件の異なる計測を行った場合、理論的には、以下のような流量関係が成り立ちます。
まず気体状態式

密度は絶対温度Tに逆比例、絶対圧力Pに比例します。これを❼式を合わせて以下のように式ができます。

次に具体的な補正式について例を示します。

（例1）気体の種類が異なる場合
H₂のフローメータをHeで用いる場合、P1・P2・T1・T2は、同じですので上式を代入して、

となり、指示目盛より実流量は小さくなります。

（例2）圧力の条件が異なる場合
N₂の大気目盛のフローメータで（P1G=OPa）、N₂・0.3MPa（=P2G）の測定をする場合、ρ1・ρ2・T1・T2は同じですので、

となり、指示目盛より実流量は大きくなります。

（例3）温度の条件が異なる場合
20℃基準で校正されたフローメータを25℃で用いる場合、
（T1=20℃）（T2=25℃）
ρ1・ρ2・P1・P2は同じですので、

となり、指示目盛より実流量は小さくなります。

以上の様な補正は、近似式であるため、実際の条件では流量地と理論値が合わない場合が多々あります。理論と実際が異なる場合もあるということを踏えて補正式を活用してください。

流量単位

一般的にフローメータで多く用いられていますのは標準状態の20℃ 1atm（std,stp等）、又は基準状態の0℃ 1atm（normal,nor.ntp等）の表記です。弊社では次の様に定義付をしております。原則、弊社フローメータのカタログ仕様表等での流量表記は、標準状態流量です。

校正流体

弊社フローメータの対象標準ガスはAir、N₂、O₂、He、H₂、Ar、CO₂の7種類のガスです。これらのガスにつきましては条件に応じて、実際のガスを使用してフローメータを目盛校正致しております。他の特殊ガスにつきましては、ガスを弊社あるいは、お客様手配にて実際のガス校正をするか、あるいは補正式を用いたAirやN₂等による換算目盛校正を行っております。質量、性状の似たガスの場合、ほとんど換算目盛方式では問題ありませんが、やはり、実ガス校正目盛方式に比較しますと、誤差は大きくなる可能性があります。また、特殊ガスの場合、材質面でも、特殊なものを用いる必要が生じる場合や結晶等が付着し、計測不可能の場合が生じますので、標準ガス以外のガス仕様の際は、必ず事前にご相談ください。
また、液体用フローメータは原則水（H₂O）による校正となります。

校正圧力（気体の場合）

フローメータの一般的な使用方法は、図Aに示しましたようにフローメータの後段を大気開放もしくは負荷のない状態（圧力損失抵抗のない状態）で使う方式です。このようなフローメータを「大気圧目盛」といいます。
しかしながら、実際使用してみると図Bのように負荷圧力抵抗のかかった状態になることがしばしばあります。負荷圧力抵抗がかかるということは、前述のフローメータの原理説明で示しましたように指示は実際の流量とはずれてしまいます。この式から算出して目安を得る方法もありますが、理論と実際にはギャップが有り、誤差が生じます。これは加圧の場合も真空圧の場合も生じます。
このような場合、フローメータにかかる圧力が判っていますと予めこの圧力状態で目盛校正することが出来ます。例としまして図Cのように流量制御バルブ等をフローメータの後段にし、フローメータにかかる圧力を圧力調整バルブ等でコントロールし、常に一定の圧力がかかった状態にします。そして、この圧力条件下で目盛校正致します。このようなフローメータの目盛を「負荷圧力目盛」といいます。

校正温度（気体の場合）

気体は、前述のフローメータの原理説明で示しましたように、温度によりその密度が変わります。それによって、フローメータの目盛との指示誤差が発生いたします。原則、弊社フローメータは校正温度20℃で製作しております。校正温度と実際のご使用温度が異なることで指示誤差が想定される場合は、前述の補正式にて目安として補正計算頂けるようにお願いします。

テーパ管の流量単位及び校正圧力・温度の表記

精度

フローメータの精度は、フルスケール流量（そのフローメータで計測できる最大の流量）に対する誤差の%値で表記しております。たとえば、100mL/minのRK1400の場合、精度がフルスケールの±2%ですので、±2mL/minの誤差ということになります。校正ポイントは各流量レンジごとに指定しており、精度はこれらのポイントでの値になります。校正ポイント以外のポイントは均等配分しており、ほとんどの場合これらのポイントも精度内に入りますが、保証の対象外になります。

テーパ管の目盛表記

特殊目盛

テーパ管の形状

弊社製ガラステーパ管の内部は単なる円筒ではなく、トライフラット型・リブガイド型と呼ばれる特殊な成型形状になっているのが特長です。およそAir 最大流量5mL/min〜500mL/min以下の微少流量域はトライフラット型であり、最大流量1L/min～50L/minの流量域にはリブガイド型を採用し、より安定した流量計側を可能にしています。

バルブ付フローメータ

〈KOFLOC〉は精密流量計測と精密流量制御の総合メーカーです。この2つの技術のドッキングにより、各種バルブ付のフローメータを製造しております。流量制御には必ずといっていい程流量計測が伴います。バルブとフローメータを別々にアセンブルして、組合せする方法も仕様変更に便利などのメリットがありますが、バルブ付のフローメータの方が配管の手間、スペース、総合調整がとれる等のメリットが多く出てまいります。〈KOFLOC〉では、このようなニーズに応えて、数多くのバルブ付フローメータを製作致しております。このバルブ付にも簡易タイプ、精密タイプ、大流量タイプ、ベローズタイプ、また入口側取付、出口側取付等、様々のものがあります。

上部バルブと下部バルブ

フローメータで上部とは出口側、下部は入口側になります。
上部バルブと下部バルブのフローシートは図のようになります。フローメータの圧力損失はごく小さいもので、フローメータ単独の場合はあまり問題はありませんが、バルブ付の場合に重要になってきますのが入口側圧力と出口側圧力です。バルブをつけることにより、バルブで圧力損失がおこり、入口圧と出口圧に差が出てきます。フローメータは前述のフローメータの原理説明で示しましたように、かかる圧力により指示値が変わりますので、バルブ付の場合フローメータにかかる圧力がどうなるか特に注意を要します。
下部バルブの場合、入口圧P1はニードルで絞られ出口ではP2になります。このP2がフローメータにかかる圧力になります。出口以降に負荷抵抗がほとんどない場合（大気開放と同じ様な場合）P2＝0MPa（G）とみなせますのでフローメータにかかる圧力は無と考えて（大気圧目盛）で校正します。ただしバルブは使用圧力条件が必要ですのでP1、P2は注文の際明示が必要です。無論、負荷抵抗のある場合（P2の圧力がある場合）はP2も明示してください。
上部バルブの場合、入口圧、P1がフローメータにかかります。バルブ選定には上記の様にP1、P2が必要ですが、フローメータの目盛はP1の負荷圧力目盛にする必要があります。従ってP1が変動しない様、圧力調整バルブ等で圧力調整し、このフローメータを用いるのが一般的な使用法になります。特に後段により真空減圧等する場合はフローメータが減圧にならない様上部バルブ式でないと、ほとんどの場合指示誤差が発生しますので注意してください。

液体用フローメータの仕様選定

流体が液体である場合、流量計の計測時にフロートに気泡が付着し、正確な測定精度が出ない場合があり注意が必要です。バルブの後段の圧力開放時に溶存していた空気が出てくるため、精密な計測を目的とする場合は、上部バルブタイプを選定頂くことを推奨致します。また、異物や腐食の観点から正確な流量の計測を必要とする場合は流量計のブロック材質選定はステンレス仕様を選定頂くことを推奨致します。

リードスイッチ付フローメータの原理

【リードスイッチについて】
リードスイッチは、下図のように、一対の磁性体リードが一定の接点隙間をもってガラスチューブの中に不活性ガスとともに封入されています。リードスイッチが外部から磁界を加えられることで、リードが磁化され吸引しあい接触して回路が閉じます。磁界が無くなればリードの弾性により回路を開きます。

【弊社フローメータでの動作】
フロート内の磁石とリードスイッチ内の磁石の極性を下図に示します。フロート内部に組み込まれている磁石の極性が上側にS極をセットした場合には、リードスイッチ内に組み込まれているバイアス磁石は、フロートが上昇するとフロート内の磁石N極とバイアス磁石のS極とで磁界の強さが増し、リードスイッチはON状態になります。逆にフロートが下降した場合には、フロート内の磁石S極とバイアス磁石のS極とで反発しあいリードスイッチの磁界の強さが弱められOFF状態となります。
この様に、フロート内部に組み込まれている磁石の極性によってリードスイッチの動作が変わります。また、リードスイッチの感度（動作状態）は、フロート内部磁石とバイアス磁石との距離（Xa）と、バイアス磁石とリードスイッチの距離（Xb）とによって大きく影響を受けます。

※使用方法リードスイッチを検知させたい流量目盛位置に固定します。
フロートが設定箇所よりも上昇するとONとなるA接点、もしくは下降するとONとなるB接点があり、接点が入るとフロートが逆方向に移動しない限り信号を保持し続けます（自己保持機能型スイッチ）。

フォトセンサ付フローメータの原理

【透過型フォトセンサについて】
投光器と受光器が一対となり、投光器より発する光が受光器に当たるように、双方が向かい合う構造の光センサです。
投光器と受光器の間に、検出物などで投光器の光が遮断されることにより、物体有無を検知します。

【弊社フローメータでの動作】
ライトオン：投光器より発する光が受光器に入光した場合に動作表示灯が点灯します。（弊社で標準採用しているモードです）
ダークオン：投光器より発する光が受光器に入光しなかった場合（物体に遮られる等）、動作表示灯が点灯します。
動作表示灯（緑/赤）：受光器に入光すると点灯状態となります。（表示灯の上半分が緑、下半分が赤で点灯します）
安定表示灯（緑）：フロートなどで光を遮り受光しない状態。点灯している場合、使用上の問題はありません。消灯している場合、光軸のズレ、汚れなどが発生。または、電源未接続。

※使用方法フォトセンサ本体を、検知させたい流量目盛位置に固定します。
流体を流し、フロートがセンサ位置で検知することを確認します。必要に応じてボリュームで感度を調整してください。フォトセンサは、リードスイッチとは異なり定点のみの接点です。