流体の測定[編集]これから、様々な測定原理について紹介する。工場などでの流体測定を扱う実務の基本は、まずは正しく装置を組み立てることである。流体の漏れ(もれ)などが、あってはならない。漏れがあっては、測定機器の場合は誤差につながる。このため、継ぎ手の部分には、けっしてホコリがあってはならない。実務では、業界によるが、「ベンコット」(という工業向けの不織布(ふしょくふ)の商品がある)などで、継ぎ手の部分を拭き取る場合もある。このため、作業場の清掃(せいそう)も大事である。しつけ」が必要である。継ぎ手を締めるときにはスパナなどの工具を正しく使い、正しく締める必要がある。流体機器には、製品によっては溶接部分も多くあるだろう。そのような溶接でも、漏れがあってはならない。このため、正確な溶接が要求される。圧力の測定[編集]流量の測定では、その手段として圧力を測定する必要が生じることが多い。マノメータU字管マノメータ液中の高さによって、圧力を測る測定器に、マノメータというものがある。図の左側の円は管路の仮想的な断面とする。表示盤のガラス窓と、ケースを外したブルドン管ゲージ。ブルドン管が見える断面が楕円形または扁平の金属曲管をもった測定器。内部に圧力が加わると、断面は内圧によって円形になろうとする。このとき、曲管が直線に伸びようとし、結果的に、端が外側に開ことするので、その位置変化を読み取ることで圧力を読み取る。balance)重錘形圧力計。画像のものは、覆い(おおい)では、密閉していない。気体用の重錘型圧力天秤での、空気の流れの説明図。シリンダーとピストン軸の隙間から、圧力測定用の気体流体(空気など)が抜け、このためピストン軸が流体圧によって浮き上げられ、ピストンとシリンダーが接触しないので、シリンダ内壁との摩擦が無視できる。図には描ききれないが、シリンダは回転しており、それが流体を伝わり、ついにはピストン軸を回転させる。この回転により、流体に均等に荷重が掛かり、精密に測定できる。分銅である重錘(じゅうすい、英:weights)による力と、流体の圧力による力を釣り合わせることで圧力を求める。重錘を乗せる皿(重錘皿という。)はピストンにつながっている。シリンダ内に円筒状のピストンが挿入されている。ピストンとシリンダの間には、少しのすき間が開いている。そのため、使用中は、ピストンは浮き上がり、シリンダとは接触をしていない。重心の偏りの影響を減らすため、使用時に、シリンダを回転させるためのモータが装置に備わっていることが多い。粘性などによりシリンダの回転が、重錘に伝わっていき、結果的に、使用時に重錘は水平方向に自転する。ピストンが浮いてるため、ピストンの高さは変わる。このピストン高さの検出器が内蔵されている。圧力計として用いられるだけでなく、ブルドン管圧力計や電気式圧力計などの他の圧力計の校正に用いられることがある。校正の用途で用いる場合は、これに用いる重錘については、測定値のトレーサビリティが保証されている必要がある。校正用途で用いる場合の装置では、空気による浮力の影響を減らす目的で、真空ポンプで減圧できるような密閉構造になっていることが多い。この場合、密閉のため、透明なケースで覆う。国家標準器として、多くの国で、この重錘形圧力天びん、またはこれを応用した装置が、圧力の国家標準器として採用されている。日本でも、この重錘形圧力天びんが、気体圧力標準および液体圧力標準の国家標準器である。重錘形圧力天びんの規格が定められている。重錘型圧力天秤での、回転の伝わり方。外部のモーターなどによりシリンダが回転すると(図では下側の矢印)、流体を通してピストンにも回転が伝わり、ピストンに固定された皿がピストンと共に回転する。皿に乗っている重錘も、皿といっしょに回転する。皿の回転により、重心の偏心が打ち消される。遠心力は考えなくて良い。回転スピードは、それほど大きくは無いので、特に遠心力を考える必要は無い。する弾性体の固有振動数は、その弾性体に荷重が加えられると変化をする。音叉なども、荷重によって固有振動が変わる。これを応用した圧力計である。共振式圧力計は、(圧電体(あつでんたい)などをもちいて、)圧力計のセンサー部分を振動させておき、固有振動数の変化を読みとることで、圧力を算出した圧力計である。メーカー企業側が、振動子の材質を公開していない。下記の理由から、圧電体をもちいた材料だろう。圧電体とは、電圧を加えると伸びるなど変形する物質であり、交流電圧を加える事で伸び縮みを繰り返すので、振動させられる。ZnOやAlNなどが圧電体になる。企業側が仕様を隠すので、推測になるが、強度的な理由により、シリコン基盤の上に、圧電体を蒸着させて成形する構造だろう。メーカー企業によっては、製品名で「シリコン共振」式圧力計のような「シリコン」という単語の入る名称を用いている場合もあるからである。そのものは、圧電体ではない。「シリコン共振式」などと名乗る製品は、シリコン以外に、なんらかの電気的刺激を加えた際に、振動をする材料を用いていることになる。resonatorといい、FBARまたはTFBARと略す。共振式圧力計の構造も、圧電薄膜共振器と類似した構造だろう。重さの測定器での、音叉式の電子天びんも、この共振式圧力計とほぼ同様の、固有振動数の変化を読み取る測定原理である。流速の測定[編集]ピトー管[編集]ピトー管の原理図ピトー管フランス人の土木技師であったピトーは、あるとき、簡単な原理の河川用の流速計を発明した。彼の発想では、ガラス管の下端を90°曲げて、先端を水に入れて流れに対向して支えれば、管内の水位は水面よりも上昇するはずだから、これにより、流速が測定できるのでは、と彼は考えた。tube)と呼ばれ、現代(2013年に本記事を記述)でも広く用いられる。現在、用いられるものは、対向した全圧管と呼ばれる取り出し口だけでなく、流れの直角方向につながった、静圧管と呼ばれるもう一つの取り出し口が付いている。この二つの取り出し口から取り出した圧力の差を測るように、現代のピトー管はなっている。v^{2}}{2}}=P_{2}}となる。{2gh}}}となり、hより流速が測定できる。ピトー管先端の流速がゼロの部分の圧力p2を全圧という。{2gh}}}となる。この補正係数をピトー管係数または速度係数という。その他の流速計[編集]レーザードップラ流速計まず、ドップラー効果とは、音や波を発する物体が運動している時に、その速度に応じて観測される周波数が変化する現象である。レーザ光が媒質中を伝わるときに散乱光があるが、その散乱光の周波数はドップラー効果を受けて変化する。この現象を利用した流速計。この流速計は非接触なので、流れを乱さないという長所を持つ。冷却効果を利用して流速を求めるものである。測定器の金属線に電流を流し、この抵抗熱が、流れによって、どれだけ冷却されたかを測ることで流速を測る、または抵抗熱による電気抵抗の変化を測ることで流速を測る。一般的に、電気抵抗の変化の測定には、ホイットストン・ブリッジなどのブリッジ回路が用いられる。発熱抵抗体の材質には様々あるが、高精度なものには、白金抵抗体が用いられることが多い。meter)が、流れによる冷却を読み取って流量計として利用ている。マスフローメータの場合は、流れる物質ごとに、分子あたりの比熱が異なるので、流体の分子の種類に応じて測定器を使い分けなければならない。流量計で用いられることが多い。この例のように、流速計と流量計に、似た原理を用いる場合がある。文献によっては、ある流量計を流速計に分類したり、逆にある流速計を流量計に分類したりとする場合がある。流速計には、紹介した物以外にも他にも多くの方式がある。流量の測定[編集]ベンチュリ管[編集]ベンチュリ管の図。"1"での圧力は"2"よりも高い。"2"での流速は"1"よりも高い。U字管はベンチュリ管の下部に付いている。ベルヌーイの定理より、高さと圧力を測定すれば、流速が計算できる。連続の式より、流速から流量を計算できる。ベンチュリ管の構造は、図のようになっている。圧力の測定は、圧力ヘッドの差を元の測定できる。ベルヌーイの式中の高さについては、管路を水平に置くので、無視できる。ベンチュリ管で測定される圧力ヘッドから流速を求める手順を説明する。説明の簡単化のため、流体は液体とし、液体の種類は水とする。ベルヌーイの式より以下の関係が求まる。最終的にベルヌーイの式から求めた速度の式にhを代入するのだが、力学的な状況を記述したいので、しばらく圧力の項を残したまま計算を進める。{2gh}}}ここで、断面積の比のA_2/A_1を開口比と呼ばれ、一般にmと置く。{A_{2}}{A_{1}}}}である。{2gh}}}求めたいのは流量であった。[m^3/s]実際の測定では、摩擦などの損失によって、ベルヌーイの式から計算した理論値と少し食い違う。補正の計算が必要になる。discharge)と呼ばれ、この係数は実験によって決める。流量係数の数式記号にはcを用いるのが一般である。ベンチュリ管を製造した測定器メーカなどにより流量係数が準備されていれば、それを用いても良い。流量計メーカー製の補正係数を用いる場合、この流量係数cは、レイノルズ数の関数で与えられる場合がある。ベンチュリ管に限らず、流量計での、流量の補正係数を実務で求める場合は、レイノルズ数の関数で近似するのが一般である。この係数cを理論値に掛けて、ベンチュリ管による流量の測定結果とする。[m^3/s]である。一般にベンチュリ管の流量係数は0.95~0.99の程度の値であることが多い。流れている流体が気体の場合は、ベンチュリ管の下部に付いているU字管によって差圧p_1-p_2を用いて、圧力差を測定し、液体の場合と同様の計算をする。U字管を用いる場合、装置製作の都合上、長さに限界があるので、測定できる位置ヘッド差に限りがある。このため、U字管内の液体に水銀を用いて比重を重くする場合がある。水銀は猛毒なので、もし実験などで取り扱う際は、厳重に注意すること。担当)などによる校正では、最終的には体積流量の校正では流した時間と体積を実測で測って、体積流量の実測値を算出している。質量流量の校正では、重さと時間を実測で測って、質量流量の実測値を算出している。流量係数も、元をたどれば、このような国家標準器での実測値に基づく。(トレーサビリティと言う。)ただし一般の工場や学生実験での測定器の校正では、このような国家機関レベルと同水準の校正は行わない。略:ref.)として、流量を比較する。参照標準の流量と比較するという流量比較の方法で、流量係数などの補正係数を決めるのが一般である。このような校正も専門知識や流量比較実験のための設備が必要であり、一般の工場の流量計ユーザーでは自社では校正は行わず、流量計の製造元や外部企業の校正を業務にしている業者に校正を依頼する。高校の実験の場合は、流量計の測定器の数値を、そのまま信用すれば良いだろう。学校の設備の定期検査や定期校正の外部業者への依頼などは、学校教員側が管理する仕事であろう。さまざまな原理の流量計[編集]さまざまな流量計を紹介するが、どの原理の流量計も、最終的には校正によって流量を確認している。