現代の産業界において、液体や気体の流れ（流量）を正確に測定・制御することは、製品の品質維持、生産効率の向上、そして安全性の確保に不可欠です。

この記事では、流量センサーの基本的な定義から、その測定原理、体積流量と質量流量の違い、流量センサーの種類とそれぞれの特徴をわかりやすく解説します。この記事を読めば、流量センサーの全体像を理解し、適切なセンサー選定やその応用を検討するための基礎知識が身につきます。

 

流量センサーとは

まずはじめに、流量センサーについての基礎知識を解説します。

流量センサーの定義

流量センサーとは、液体、気体、蒸気などの流体が一定時間内にどれくらいの量流れたかを測定する装置です。これらの流体の「流れの量」を数値化することで、工業プロセスにおける監視、制御、および最適化に不可欠な情報を提供します。具体的には、流体の体積流量（単位時間あたりに流れる体積）や質量流量（単位時間あたりに流れる質量）を検出し、電気信号などに変換して出力します。

流量測定の重要性

流量測定は、さまざまな産業において極めて重要な役割を担っています。正確な流量データを取得することで、生産プロセスの安定化、製品の品質維持、設備の安全性確保が可能になります。

例えば、原材料の投入量を厳密に管理することで無駄を削減し、エネルギー消費の最適化を通じてコスト削減に貢献します。また、環境規制への対応や、危険物質の漏洩監視など、安全管理や環境保護の観点からもその重要性は高まっています。

流量センサーの基本原理・仕組みを解説

続いて、流量センサーの基本的な仕組みを解説します。

流量測定の物理的メカニズム

流量センサーは、流体が配管内を流れる際に生じる様々な物理現象を捉え、それを電気信号に変換して流量として数値化します。その基本的なメカニズムは多岐にわたり、センサーの種類によって応用される物理法則が異なります。

例えば、流体の流速を直接測定し、配管の断面積を乗じることで体積流量を算出する方法や、流体の流れによって生じる圧力差、音波の伝播時間の変化、電磁誘導効果、熱の伝達変化、あるいはコリオリの力といった間接的な物理量を検出して流量に換算する方法があります。

これらの原理は、流体の種類（液体、気体）、測定対象の環境条件（温度、圧力、粘度）、求められる精度や応答性に応じて最適なものが選択されます。流体力学のベルヌーイの定理、ファラデーの電磁誘導の法則、ドップラー効果、熱伝達の法則などが、流量測定技術の基盤となっています。

体積流量と質量流量の違い

流量測定において、最も基本的な概念として「体積流量」と「質量流量」の二種類があります。これらは異なる物理量を示し、用途によって使い分けられます。

体積流量とは、単位時間あたりに流れる流体の体積を指します。一般的に「リットル毎分（L/min）」や「立方メートル毎時（m³/h）」などの単位で表されます。液体の場合、温度や圧力による密度の変化が比較的少ないため、水や冷却水の管理などでは体積流量が用いられることが多いです。しかし、気体や圧縮性流体の場合、温度や圧力の変化によって流体の密度が大きく変動するため、同じ質量の流体でも体積流量は変化します。このため、厳密な測定には不向きな場合があります。

一方、質量流量とは、単位時間あたりに流れる流体の質量を指します。「キログラム毎時（kg/h）」や「グラム毎秒（g/s）」などの単位で表されます。質量は温度や圧力の変化に影響されにくいため、流体の物理量（物質量）を直接的に把握したい場合に適しています。化学反応の原料供給、燃料ガスの制御、食品の配合、半導体製造プロセスなど、より厳密なプロセス制御や品質管理が求められる場面で質量流量が重要となります。

両者の間には「質量流量 = 体積流量 × 密度」という関係があり、体積流量計で測定した値から質量流量を求める場合は、流体の密度（温度や圧力によって変化）を考慮した補正が必要になります。

測定精度に影響する要因

流量センサーの測定精度は、多くの要因によって左右されます。正確な流量測定を実現するためには、これらの要因を理解し、適切に対処することが不可欠です。

1. 流体特性

温度・圧力：流体の密度や粘度が変化し、特に体積流量計では測定値に大きな影響を与えます。気体の場合、温度や圧力のわずかな変動でも密度が大きく変わります。

粘度：流体の粘度が高い場合、センサー内部の流れのパターンや抵抗に影響を及ぼし、特に差圧式やタービン式流量センサーの精度に影響します。

異物・気泡：流体中に固形物や気泡が混入していると、センサーの検出部に付着したり、流れを阻害したりして、測定誤差の原因となります。

導電率：電磁流量センサーの場合、測定対象の流体がある一定以上の導電率を持つ必要があります。導電率が低いと測定ができません。

2. 配管条件・設置環境：

直管長：センサーの前後には、流体の流れを安定させるための十分な直管部が必要です。不十分な直管長では、渦や乱流が発生し、測定精度が低下します。

振動・脈動：ポンプなどから発生する配管の振動や、流体の脈動は、センサーの検出部にノイズを与え、測定値の不安定化や誤差の原因となります。

温度・湿度：センサー本体の電子回路や検出部が、周囲の極端な温度や湿度にさらされると、性能が低下したり故障したりする可能性があります。

電磁ノイズ：周囲の電気機器から発生する電磁ノイズが、特に電磁式や超音波式センサーの信号に干渉し、測定誤差を引き起こすことがあります。

3. センサー本体の特性：

レンジアビリティ：センサーが正確に測定できる流量範囲（レンジアビリティ）を超えて使用すると、精度が保証されません。

キャリブレーション（校正）：センサーは経年変化や使用環境によって誤差が生じることがあります。定期的な校正により、その誤差を修正し、精度を維持することが重要です。

応答速度：流量の急激な変化にどれだけ早く追従できるか（応答速度）も、動的なプロセス制御においては重要な精度要因となります。

これらの要因を総合的に考慮し、適切なセンサーの選定、正確な設置、そして定期的なメンテナンスと校正を行うことで、信頼性の高い流量測定が実現できます。

流量センサーの主な種類

流量センサーは、その測定原理によって多種多様なタイプが存在します。ここでは、産業分野で広く用いられている主要な流量センサーについて、それぞれの特徴と用途を解説します。

差圧式流量センサー

差圧式流量センサーは、配管内に絞り機構（オリフィス、ベンチュリ管、ノズルなど）を設け、流体がそこを通過する際に生じる圧力差（差圧）を測定することで流量を算出します。流速が速い部分では圧力が低くなるというベルヌーイの定理を応用したもので、最も古くから使われている流量測定方法の一つです。

差圧式流量センサーの原理

流体が絞り機構を通過すると、流路が狭まることで流速が増加し、その結果、圧力が低下します。この絞りの前後で生じる圧力差と、流体の密度、配管の断面積などから流量を算出します。差圧と流量の間には、一般的に二乗の関係があります。

差圧式流量センサーの特徴と用途

構造が比較的単純で頑丈なため、高温・高圧の流体や、水、蒸気、ガス、油など幅広い種類の流体に対応できます。初期費用が抑えられる傾向にありますが、絞り機構による圧力損失が大きい点や、低流量域での精度が低下しやすい点が課題となることがあります。化学プラントや発電所、ボイラーの蒸気流量測定など、多岐にわたる産業で利用されています。

電磁流量センサー

電磁流量センサーは、ファラデーの電磁誘導の法則を利用して流量を測定します。導電性のある流体が磁界の中を流れる際に発生する起電力（電圧）を検出することで、流量を測定します。

電磁流量センサーの原理

センサー内部に設置されたコイルによって磁界を発生させ、その磁界を導電性の流体が横切ることで、流体の流速に比例した起電力が発生します。この起電力を電極で検出し、流量に換算します。流体の流速（v）、磁界の強さ（B）、電極間の距離（L）の間には、起電力（E）= B × L × v の関係があります。

電磁流量センサーの特徴と用途

可動部がないため、圧力損失がほとんどなく、スラリーや汚れた液体、腐食性の液体でも安定した測定が可能です。高精度で応答性が良く、メンテナンスも容易ですが、測定できるのは導電性の流体（水、排水、酸、アルカリなど）に限られます。石油やガス、純水、蒸気など、非導電性の流体には適用できません。上下水道施設、化学工場、食品・飲料プラ工場、製紙工場などで広く利用されています。

超音波流量センサー

超音波流量センサーは、超音波を利用して流体の流速を測定し、流量を算出します。大きく分けて、伝播時間差方式とドップラー方式の2種類があります。

超音波流量センサーの原理

伝播時間差方式：流体の流れの上流と下流に超音波を発信・受信するセンサーを設置し、超音波が流体の流れに沿って伝わる時間と、流れに逆らって伝わる時間の差を測定します。この時間差が流速に比例することを利用して流量を算出します。

ドップラー方式：流体中の気泡や異物（反射体）に超音波を当て、その反射波の周波数変化（ドップラー効果）を測定することで流速を算出します。

超音波流量センサーの特徴と用途

非接触で測定できるため、配管を切断せずに外側から設置できるクランプオン型が多く、設備を止めずに取り付けが可能です。圧力損失がなく、幅広い流体に対応できます。ただし、伝播時間差方式は流体に気泡や異物が少ない場合に高精度を発揮し、ドップラー方式は気泡や異物がある流体に適しています。水処理施設、化学プラント、半導体製造、医療分野、エネルギー管理など、多岐にわたる分野で活用されています。

タービン式流量センサー

タービン式流量センサーは、流体の流れによって内部のタービン（羽根車）を回転させ、その回転数を検出することで流量を測定します。

タービン式流量センサーの原理

流体がセンサー内部を通過する際に、その運動エネルギーによってタービンが回転します。このタービンの回転速度は流体の流速に比例するため、回転数をピックアップコイルなどで検出し、電気信号に変換することで流量を算出します。

タービン式流量センサーの特徴と用途

高精度で応答性が良く、比較的安価でコンパクトなため、燃料油、潤滑油、水、化学薬品など、クリーンな流体の測定に適しています。しかし、可動部があるため、流体中の異物による摩耗や詰まりのリスクがあり、圧力損失も発生します。また、流体の粘度変化に影響を受けやすいという側面もあります。石油化学、自動車、航空宇宙、食品製造など、精密な流量管理が求められる分野で利用されています。

コリオリ式流量センサー

コリオリ式流量センサーは、流体が振動する測定管内を流れる際に発生するコリオリの力（慣性力）を利用して、流体の質量流量を直接測定するセンサーです。

コリオリ式流量センサーの原理

センサー内部のU字型や直線型の測定管を振動させながら流体を流すと、流体の流れと管の振動方向によって、コリオリの力が発生します。この力により、測定管にねじれや位相差が生じ、その度合いが流体の質量流量に比例します。このねじれや位相差をセンサーで検出し、質量流量を直接測定します。

コリオリ式流量センサーの特徴と用途

質量流量を直接測定できるため、流体の温度や圧力、密度、粘度などの変化に影響されにくいという大きな特徴があります。高精度で、液体、気体、スラリー、高粘度流体など、幅広い種類の流体に対応可能です。また、密度や温度も同時に測定できる製品もあります。医薬品製造、食品・飲料、石油・ガス、化学プラントなど、高精度な質量流量管理が不可欠なプロセスで、非常に重要な役割を担っています。

熱式流量センサー

熱式流量センサーは、流体による熱伝達の変化を利用して流量を測定します。主に気体流量の測定に用いられます。

熱式流量センサーの原理

加熱されたセンサー素子を流体が通過する際に、流体の流れによって熱が奪われる現象を利用します。具体的には、加熱された素子の温度変化を検出したり、上流と下流に配置された温度センサーの温度差を測定したりすることで、流体の質量流量を算出します。流速が速いほど、熱が奪われる量が増加します。

熱式流量センサーの特徴と用途

可動部がなく、圧力損失がほとんど発生しません。特に低流量域での測定に優れており、高い精度を発揮します。主に気体の質量流量測定に適しており、半導体製造プロセスにおけるガス流量制御、クリーンルームの空気流量管理、医療ガス、燃焼炉の空気量制御など、精密なガス流量制御が求められる分野で広く利用されています。ただし、流体の種類（熱伝導率）や温度変化の影響を受けやすいという側面もあります。

産業用途における流量センサーの活用

流量センサーは、その測定対象となる流体の種類や環境、求められる精度に応じて様々な産業分野で不可欠な役割を果たしています。ここでは、主要な産業分野での具体的な活用事例を解説します。

化学プラントでの使用例

化学プラントでは、多種多様な液体やガスが反応プロセスで利用されます。流量センサーは、これらの流体を正確に管理し、安全性と生産効率を確保するために極めて重要です。

反応プロセスの監視と制御

化学反応における原料の投入量や生成物の排出量を精密に測定することで、反応条件を最適に保ちます。これにより、製品の品質を均一化し、生産効率を向上させることが可能です。例えば、連続生産プロセスでは、各工程間の流体バランスを維持するために流量センサーが不可欠です。

危険物流体の流量管理

酸、アルカリ、溶剤などの腐食性や可燃性を持つ危険な流体の流量を安全かつ正確に測定する必要があります。防爆構造や耐腐食性に優れた流量センサーが選定され、漏洩検知や異常流量の監視を通じて、プラントの安全性を高めます。

食品製造業での応用

食品製造業では、製品の品質と安全性を確保するために、原料の正確な計量と衛生管理が求められます。流量センサーはこれらの要件を満たす上で重要な役割を担います。

原料投入と製品配合の精密化

飲料、調味料、乳製品などの製造において、水、シロップ、油、添加物などの液体原料を正確に計量し、配合することで、製品の味や品質の一貫性を保ちます。微量の添加物でも、その流量を正確に制御することが重要です。

衛生管理と洗浄プロセスの最適化

食品製造ラインでは、定期的な洗浄（CIP: 定置洗浄）が不可欠です。洗浄液や水の流量を正確に管理することで、効率的かつ徹底的な洗浄を保証し、衛生状態を維持します。サニタリー対応の流量センサーは、洗浄しやすく、食品接触部に適した材料が使用されます。

水処理施設における役割

上水・下水処理施設では、大量の水を処理し、安全な水供給と環境保護を行うために、流量センサーが広範囲にわたって活用されています。

上水・下水処理における水量管理

浄水場では、原水の取水量、ろ過水量、配水量を監視し、安定した水供給を維持します。下水処理場では、流入・放流水量や薬剤注入量を制御することで、処理効率を最大化し、環境基準を満たした水を排出します。

排水監視と環境規制への対応

工場や施設の排水量を正確に監視し、環境規制で定められた基準値を超えていないかを確認します。これにより、環境汚染の防止と法令遵守を両立させます。特に、放流水質管理においては、流量データと水質データの組み合わせが重要です。

石油・ガス業界での活用

石油・ガス業界では、原油や天然ガスの生産から輸送、精製に至るまで、流量センサーが大規模かつ過酷な環境下で利用されます。

原油・天然ガスの生産・輸送管理

油田やガス田での生産量を測定し、効率的な採掘を管理します。また、長距離パイプラインでの原油や天然ガスの輸送量を監視し、漏洩検知や輸送効率の最適化に貢献します。高圧・高温下での測定が求められることが多いです。

精製プロセスにおける流量制御

製油所では、原油をガソリン、灯油、軽油などの製品に精製する過程で、燃料、冷却水、各種添加剤など、膨大な種類の流体が利用されます。これらの流量を精密に制御することで、精製効率を高め、製品品質を確保します。

半導体製造での精密制御

半導体製造は、極めてクリーンな環境と微細なプロセスが要求されるため、流量センサーには最高レベルの精度と信頼性が求められます。

クリーンルームでの超純水・薬液供給

半導体洗浄工程で使用される超純水や、エッチング、成膜プロセスで使用される各種薬液は、その流量が厳密に制御されなければなりません。微細な回路パターンを形成するためには、極めて安定した微量供給が不可欠です。

ガス流量の極微量制御

半導体製造における成膜やエッチングなどのプロセスでは、特殊なガスが反応ガスとして使用されます。これらのプロセスガスは、マスフローコントローラー（MFC）などの専用の流量センサーによって、極めて正確かつ安定した流量で供給される必要があります。これにより、高品質な半導体デバイスの製造が可能になります。

流量センサーの最新トレンド

IoT対応とスマート化

近年の流量センサーは、単に流量を測定するだけでなく、インターネット・オブ・シングス（IoT）技術との連携により、より高度な機能を持つ「スマートセンサー」へと進化しています。これにより、センサーから得られた流量データがリアルタイムでクラウドシステムに送信され、遠隔地からでも設備の稼働状況を監視できるようになりました。

また、AI（人工知能）や機械学習の技術を組み合わせることで、過去のデータに基づいた異常検知や予測保全が可能になり、設備の故障予兆を早期に把握し、計画的なメンテナンスを行うことでダウンタイムの削減に貢献しています。スマートファクトリー化が進む中で、流量センサーは生産プロセスの最適化や品質管理の向上に不可欠な要素となっています。

省エネルギー技術との連携

環境意識の高まりとエネルギーコストの削減要請から、流量センサーは省エネルギー技術との連携がますます重要になっています。低消費電力型の流量センサーの開発はもちろんのこと、センサーが取得した正確な流量データは、工場やプラント全体のエネルギー効率を向上させるための重要な情報源となります。

例えば、ポンプやファンなどの動力機器の稼働状況を流量データに基づいて最適化することで、不要なエネルギー消費を抑制できます。また、配管内の漏れや詰まりを早期に検知し、水や空気、蒸気などの無駄な消費を防ぐことで、CO2排出量の削減にも寄与します。エネルギー管理システム（EMS）との連携により、より包括的な省エネルギー化が実現されています。

次世代センサー技術

流量センサーの技術は、さらなる高精度化、小型化、多機能化へと進化を続けています。MEMS（微小電気機械システム）技術の応用により、非常に小型で高感度な流量センサーが開発され、医療機器や分析装置など、限られたスペースでの精密な流量測定が求められる分野での応用が期待されています。

また、複数の物理量（温度、圧力など）を同時に測定できる複合センサーや、ワイヤレス通信機能を内蔵し、電源供給もバッテリー駆動で長期間使用できるメンテナンスフリーなセンサーも登場しています。自己診断機能や自己校正機能を備えることで、現場でのメンテナンス作業を大幅に削減し、運用コストの低減に貢献する次世代の流量センサーが実用化されつつあります。

まとめ

本記事では、「流量センサーとは何か」という基本的な問いから、その多様な種類、動作原理、そして現代産業における具体的な活用事例、さらには最新の技術トレンドまで解説しました。

流量センサーは、現代社会のインフラを支え、産業の発展と効率化に貢献し続ける重要な基盤技術であると言えるでしょう。その進化はこれからも続き、私たちの生活や産業活動をより豊かにしていくことが期待されます。

多種多様な流量計測がありますが、弊社では流量計測に必要な圧力センサーを販売しています。
圧力センサーは流量計測の一部として使用します。
媒体は気体や液体も計測可能です。

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