古典的な流量計。差圧式流量計の原理,特徴

計装 ▶︎計装設備 流量の基礎 体積流量・質量流量差圧式流量計

目次

差圧式流量計とは

差圧流量計は管路内に絞り機構を設け,流量の大きさに応じて絞り機構の前後に生じた差圧を測定し流量を求めるものです。オリフィス流量計とも呼ばれます。

差圧式流量計の測定原理

先にも述べた通り,絞り機構の前後の差圧を測定することで流量を求めることができます。

差圧と流量の関係はベルヌーイの定理によって理論的に求められます。

管路内の絞り(オリフィスプレート)の一次側と二次側は差圧が生じ,その多きさは流量と一定関係にあります。

ベルヌーイの定理はある流れにおいてエネルギーの損失や供給が無視できるとき,「一つの流線上の2点のエネルギーは等しく(保存される)」なります。これを式に表すと,

\(\dfrac{1}{2}\rho V_{1}^{2} + P_{1} = \dfrac{1}{2}\rho V_{2}^{2} + P_{2}\)

これを変形すると,

\(\dfrac{V_{1}^{2}}{2} + \dfrac{P_{1}}{\rho} = \dfrac{V_{2}^{2}}{2} + \dfrac{P_{2}}{\rho}\)

\(\rho:液体密度(kg/m3)\)
\(P_{1}:一次側の圧力(Pa abs)\)
\(P_{2}:二次側の圧力(Pa abs)\)
\(V_{1}:一次側の流速(m/s)\)
\(V_{2}:二次側の流速(m/s)\)

次に,質量保存保法則である「連続の式」により,単位時間あたりに断面を通過する流体の質量はどの断面でも常に一定という法則から以下の式に表せます。

\(\rho V_{1}A_{1} = \rho V_{2}A_{2}\)

\(\rho:液体密度(kg/m3)\)
\(P_{1}:一次側の圧力(Pa abs)\)
\(P_{2}:二次側の圧力(Pa abs)\)
\(V_{1}:一次側の流速(m/s)\)
\(V_{2}:二次側の流速(m/s)\)

ベルヌーイの定理と連続の式から流速\(V_{2}[m/s]\)は以下の通りとなる。

\(V_{2} = \dfrac{1}{\sqrt{1-(\dfrac{A_{2}}{A_{1}}})^2}\sqrt{\dfrac{2(P_{1} – P_{2})}{\rho}}\)

体積流量\(Q[m3/s]\)は

\(Q = V_{2}A_{2} = \dfrac{A_{2}}{\sqrt{1-(\dfrac{A_{2}}{A_{1}}})^2}\sqrt{\dfrac{2(P_{1} – P_{2})}{\rho}}\)

onilog

差圧\(P_{1} – P_{2}\)の平方根に比例していることがわかります。

差圧式流量計の構造

差圧流量計は様々な種類の絞り機構やオリフィスの種類で構成されています。一般的な種類のものを以下に示します。

絞り機構の種類

  • オリフィス
  • ベンチュリ
  • フローノズル
  • 楕円スロート

オリフィスの種類

オリフィスには多くの種類がありますが,同心エッジオリフィスが代表的です。

  • エッジオリフィス
  • 四分円オリフィス
  • 円筒オリフィス
  • 偏心オリフィス
  • 欠円オリフィス

差圧の取り出し方法

  • コーナータップ式
  • D・D/2タップ式
  • フランジタップ式

差圧式流量計の特徴

差圧流量計の特徴をまとめます。

液体,気体,蒸気や小口径,大口径と広範囲に適用できる
構造が単純で,測定原理が明確
構造が単純なため,安価に実装できる
実流での校正が不要
プロセス配管を止めることなく,差圧伝送器だけの交換が可能

流量レンジが小さい(小流量:大流量の比率が1:3くらい)
測定精度が低い
上流下流に長い直管長が必要
導圧管が詰まると測定ができない
圧損が大きい

差圧式流量計の規格

JIS Z8762-1
円形管路の絞り機構による流量測定方法 第1部:一般原理及び要求事項

JIS Z8762-2
円形管路の絞り機構による流量測定方法 第2部:オリフィス板

JIS Z8762-3
円形管路の絞り機構による流量測定方法 第3部:ノズル及びノズル形ベンチュリ管

JIS Z8762-4
円形管路の絞り機構による流量測定方法 第4部:円すい形ベンチュリ管

さいごに

差圧流量計は構造が簡単で,液体・気体・蒸気といずれにも適用できる古くから利用される流量計です。

特定の設置条件を必要としますが,安価に設置ができメンテ性も優れていることから現代においても採用し易い流量計と言えます。

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この記事を書いた人

生産技術系のエンジニアです。日々,計装関係の仕事に従事しています。 生産技術系ブログ【計装便覧.com】を運営中。主に計装設計についてまとめています。また仕事の時短ワザなども紹介しています。計装技術については初心者でもわかりやすくをモットーに執筆中!

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