マシンからコーヒーを注いだり、タップからビールを取り出したり、ウォーターディスペンサーでボトルに水を入れたりするとき、その舞台裏では流量計が役割を果たしている可能性が高いでしょう。これらの小型センサーは、システム内を流れる液体の量を正確に計測します。食品・飲料の製造では、この役割は多くの人が考える以上に重要です。計測を誤ると、飲料の品質にばらつきが生じたり、製品を無駄にしたり、さらには衛生検査官に説明したくないような衛生上の問題につながったりします。
この記事では、流量計が実際にどのように機能するのか、食品・飲料分野のどこで使用されているのか、そして同じ用途を競う他の計測技術について解説します。最後まで読めば、衛生的な食品対応用途で、超音波流量計、なかでもAllengraのセンサーに採用されているtime-of-flight原理が標準的な選択肢となっている理由をご理解いただけるでしょう。
流量計はどのように機能するのか？
すべての流量計が同じ方式で動作するわけではありませんが、食品・飲料用途に最も適した流量計では、time-of-flight超音波計測と呼ばれる方式が使われています。
流路の両端に、小型の超音波トランスデューサーを1つずつ、上流側と下流側に取り付けた状態を想像してください。各トランスデューサーは音波を送受信できます。動作の流れは次のとおりです。
上流側のトランスデューサーが、流体の流れの方向に沿って下流側のセンサーへ進む音波を発信します。
下流側のトランスデューサーが、流れに逆らって上流側のセンサーへ戻る音波を発信します。
両方の音波の到達時間を計測します。流れに沿って進む音波はより速く到達し（t1）、流れに逆らう音波は少し長い時間がかかります（t2）。
t1がt2より短いというこの差から、液体の流速と流れる方向がわかります。
この計測では、センサーが流体に触れたり、流れを妨げたりする必要はありません。液体に接触せずに計測するため、細菌の温床となったり、時間の経過とともに詰まりの原因となったりする、ミルク、シロップ、ビールの残留物にさらされる部品が少なくなります。これは、食品を扱うあらゆる環境で重要なポイントです。
超音波流量計には、ブレードやギアのような可動部品もありません。そのため、内部の部品が摩耗したり、詰まったりすることがありません。センサー表面の微細な振動が穏やかなセルフクリーニング効果を生み出し、完全に清浄ではない液体でも高い計測精度を維持します。シロップ、果肉、ミネラルなどが他の機器に堆積しやすい飲料ラインでは、この耐汚染性が大きな意味を持ちます。
最新の超音波センサーは、流量を数えるだけではありません。Allengraの設計には、応答時間0.25秒未満（T09 < 0.25 sec）の温度センサーが一体化されており、抽出中に温度が上昇するエスプレッソの一杯分も追跡できる速度を備えています。モデルによっては、ライン内の気泡も検知できます。この機能については後ほど詳しく説明します。
食品・飲料製造の現場で流量計が使われる場所
多くの流量計は、工場の奥深くに組み込まれています。一方で、オフィスのコーヒーマシンから店舗のウォーターディスペンサーまで、人が直接使う機器に組み込まれているものも数多くあります。主な用途は次のとおりです。
全自動コーヒーマシンは、最大規模の用途の一つです。一杯ごとに正確な水量が必要であり、水温が沸騰近くまで上がることも多いため、センサーには精度と耐熱性の両方が求められます。ここで高速な温度応答が重要になります。一般的なRTDセンサーでは、抽出中に水温が急速に上昇する変化についていくのが難しい一方、高速超音波センサーならリアルタイムで追跡できます。AllengraのMicro Flow Meter 2nd Genは、まさにこのような用途を想定して設計されており、重量50グラム未満、コンパクトなプッシュフィット設計で±2%の精度を実現しています。
ウォーターおよび清涼飲料ディスペンサー
これらにも同様の精度が必要です。特に業務用環境では、1日に何百杯も同じ量を注ぐ必要があります。
ジューサー
果肉や繊維は機械式センサーを汚染し、性能を低下させます。超音波流量計は流路内に回転部品がないため、長期間にわたって安定して使用できます。
全自動ビールディスペンサー
ビールには炭酸が含まれているため、計測はより難しくなります。回転タービンを使用する機械式流量計では、流路内の気泡によって計測が乱れ、注出量にばらつきが生じます。超音波センサーならこの影響を受けにくく、Allengraの設計は炭酸飲料に対応しているため、圧力や温度にかかわらず、注出直前まで正確に計測できます。Micro Flow Meter 2nd Genは、標準的なスポンジボール∅9.5mmによる洗浄にも対応しています。
シロップおよびCO2の注入
注入工程は消費者から見えにくいものの、メーカーにとっては重要です。飲料ラインでシロップと水の比率を正確に保つこと、場合によっては1:200まで希釈されることもありますが、それによってすべてのボトルの味が均一になるかどうかが決まります。炭酸注入ラインのCO2注入も同じ考え方です。少なすぎれば炭酸が弱くなり、多すぎれば泡立ちすぎます。流量計がこの注入工程を制御し、バッチごとに比率を安定させます。
気泡および容器空検知
コーヒーマシンでは、ミルク容器が空になっても必ずしも通知されるとは限りません。ポンプがミルクの代わりに空気を数サイクル吸い続け、誰も気づかないこともあります。流れの中の気泡を読み取るセンサーなら、問題を早期に検知できます。これにより、無駄なサイクルを削減し、飲料品質を安定させられます。
これらの用途で使用されるAllengraのマイクロセンサーには、共通する仕様範囲があります。
流量範囲：バリエーションにより約0.02～5リットル/分
動作圧力：最大10または16 bar
温度：最大105°C。冷水の供給から沸騰近くのコーヒー抽出まで対応
Allengraの食品・飲料業界ページでは、用途と使用事例の全範囲を紹介しています。
食品・飲料で使用されるその他の流量計
超音波方式だけが選択肢ではありません。それでもメーカーが超音波方式を選ぶことが多い理由は、代替方式と比較すると明確になります。
タービン式および機械式流量計は、流路内の小型ローターや羽根車を回転させて計測します。構造がシンプルで安価な一方、回転部品が弱点にもなります。時間の経過とともに摩耗し、液体中の粒子や気泡の影響を受け、完全に清浄な液体以外ではより頻繁なメンテナンスが必要になります。
電磁式（磁気式）流量計は、Faradayの法則を利用します。導電性液体が磁場を通過する際に発生する電圧を検出する仕組みです。高精度で、水やミルクに広く使用されていますが、注意点があります。導電性のある液体でしか動作しないのです。油、シロップ、その他一部の飲料原料は磁気式流量計では検出できないため、複数の液体を扱う生産ラインでは使用範囲が限られます。
Coriolis流量計は、液体が通過するときに振動するチューブがどのようにねじれるかを検出し、質量流量を直接計測します。精度の面では、いわばゴールドスタンダードとして知られており、密度と温度も同時に計測できます。その代わり、サイズ、コスト、圧力損失というトレードオフがあります。Coriolis流量計は超音波方式より大型で高価になりやすく、コーヒーマシンやカウンタートップ型ディスペンサーのように、1グラム、1立方センチメートルのスペースも重要となるコンパクトなOEM用途には適用しにくい場合があります。
これらの技術にはそれぞれ適した用途があり、大規模な産業用配管では、Coriolis式や電磁式が合理的な理由から選ばれることもあります。しかし、コンパクトで衛生的なOEM組み込み型の食品・飲料機器では、超音波センサーがより多くの条件を同時に満たします。可動部品がなく、導電性の有無を問わずほぼあらゆる液体に対応し、限られた筐体にも収まるコンパクトさを備え、追加のメンテナンスではなく構造そのものでセルフクリーニング効果を発揮します。
食品・飲料用途で超音波方式が優れている理由
超音波方式があらゆる状況で最適とは限りません。大型の産業用配管で毎時数千リットルを計測する場合は、別の技術のほうが経済的に有利なこともあります。しかし、食品・飲料分野の代表的な用途であるディスペンサー、コーヒーマシン、注入システム、乳製品ラインでは、衛生的な設計、可動部品がないこと、さまざまな液体に対応できる柔軟性を同時に実現するのは容易ではありません。
超音波センサーは静かに動作し、流量ゼロから計測を開始できます（一部の機械式流量計では、計測を開始するために最低流量が必要です）。また、正逆両方向の流れを読み取れます。食品対応材料や、該当する場合には飲料水認証も備えているため、人が口にするものに接触する機器へ直接組み込むことができます。
コーヒー、ミルク、ジュース、清涼飲料、ビールを高精度に計測しながら、メンテナンスの負担を増やさない機器を設計しているなら、コンパクトな超音波センサーを、使用する流量範囲と接続方式に照らして検討する価値があります。Allengraの食品・飲料業界ページでは用途をさらに詳しく説明しており、Micro Flow Meter 2nd GenおよびInline Micro Flow Meterの製品ページでは、比較検討に必要な技術仕様をすべてご確認いただけます。
