再び流量計の型式・原理解説シリーズです。
今回は現場で一番見かける？と言っても過言ではないほど普及している、差圧式流量計について詳しく解説したいと思います。
なぜよく使われるのか、どんな利点があるのか、皆さんの理解の助けになると嬉しいです。
差圧式流量計とは？
差圧式流量計はその名の通り、流体の圧力差を利用した測定原理をしており、オリフィス式やダイヤフラム式などとも呼ばれます。
配管内部を流れる気体や液体などの流体をイメージしてください。
流れ方向側から、AとBというポイントがあるとすると、配管内に何も遮るものがなければ、AとBでの流体圧力に違いはありません。
しかし、AとBの間に穴が空いた板が入っていた場合、流路が絞られることになり、AよりもBの圧力が下がることになります。
この原理はよく、ベルヌーイの定理という物理法則で説明されます。これは流体の圧力と速度の関係を表す法則です。
ある流体の速度をv、圧力をp、密度をρとしたときに、以下の式が成り立つことが知られています。
$$\frac{1}{2}v^2+\frac{p}{ρ}+gz=const$$
ここでgは重力加速度、zは高さを表します。この式を簡単に言い表すと、
速度 ＋ 圧力 ＋ 位置エネルギー ＝ 一定
というふうに書き換えられます。
流体計測を考える上では、位置エネルギー変化はないと考えて良いです。そうすると「圧力が上がると速度がそれに応じて下がる」という関係が見えてきますね。
ポイントAとBに立ち返って考えると、Aの後に絞り板を通った流体はBの地点で圧力が下がっています。
その圧力差から速度を計算し、配管内径の情報から体積流量を算出するというのが差圧式流量計の原理です。ちなみにその計算式は、以下のように表されます。
$$Q=\frac{π}{4}d^2×\frac{\sqrt{\frac{2}{ρ}×ΔP}}{\sqrt{1-β^2}}$$
Qは体積流量、dは絞りの直径、ΔPは絞り前後の圧力差、βは絞り前後の直径比です。
計算式を覚えておく必要はありませんが、比較的単純な計算で差圧から流量を出すことができるというのがお分かりいただけるかと思います。
差圧式流量計のメリットは？
メリットとしてよくあげられるのは、以下の３点です。
- 気体にも液体にも用いることができる。
- 蒸気など高温高圧の流体にも用いることができる。
- オリフィス（穴の空いた金属板）を入れているだけなので、可動部がなく故障しにくい。
- 他の外部検出できる流量計に比べると、低価格である。
- 設置箇所が狭い場所の場合は、圧力を測る検出器を離れたところに設置することもできる。
これらの理由から差圧式流量計は非常に多く利用されます。
差圧式流量計のデメリットは？
一般的にデメリットとしては以下の内容が挙げられます。
- オリフィスで絞られるため圧力損失が生じる。低圧流体では選定時に注意が必要。
- 測定精度が高くない。型式によるがフルスケールの２％程度の誤差があるとされる。
- 絞りがあるため固形物に弱い。
- 圧力測定のための導圧管に異物がたまり、詰まることがある。
- 流速を一定にするために直管長を確保する必要がある。
差圧式流量計を設置する場合は、入り口にストレーナを設置するなど、ゴミ対策が重要になります。
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まとめ
- 差圧式流量計は、管内に絞りを入れて圧力差を流量に計算するという原理をしている。
- 汎用性が大きくシェアも高いが、選定時にはオリフィスの特性を理解しておく必要がある。
いかがでしたか？差圧式流量計が正しく使えているか、ぜひ確認してみてください
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