今回は流量計の種類の一種である差圧式流量計の測定原理に加えて、差圧から流量信号に変換するための開平処理について説明していきたいと思います。
差圧流量計とは
差圧式流量計はオリフィス流量計とも呼ばれる流量計の一種です。
差圧式流量計は、ベルヌーイの定理を利用した流量計で下の図のような構成です。
流体の流れている流路にオリフィス（絞り弁）を設置し、圧力損失を故意に発生させ、オリフィス（絞り弁）の前後の圧力差（差圧）を差圧伝送器などで検出して流量を測定します。
差圧式流量計のメリット・デメリットは以下の通りです。
メリット
- 気体・液体・蒸気と幅広い流体の流量を測定できる
- 価格が比較的安価
- 可動部がなくメンテナンス性は高い
デメリット
- オリフィスを通過させるため圧力損失が大きい
- スラッジ等の固形物を含む流体には適さない
- オリフィスの前後に直感部が必要
差圧式流量計の測定原理
どうして、差圧を測定することで流量を測定することができるのだろう？
次に差圧から流量を測定することのできる原理について説明していきます。
前述したとおり、差圧式流量計はベルヌーイの定理を利用しています。
ベルヌーイの定理は理想気体の定常流れにおいてエネルギーが保存されることを示した定理です。
流体の圧力を P [Pa]、密度を ρ [kg/m3]、流速を V [m/s]、高さを h [m]、重力加速度を g [m/s2] とすると、ベルヌーイの定理は以下の式で表されます。
$$Const(一定)=\frac{1}{2}ρ{}V_1^2+ρgh+{}P_1=\frac{1}{2}ρ{}V_2^2+ρgh+{}P_2$$
また、連続の式より配管の断面積を A [m2]とした場合
$$ρ{}V_1A=ρ{}V_2A$$
上記2式より、オリフィスの二次側の流量は以下のようになります。
$$Q={}V_2A=A\frac{1}{\sqrt{1-A^4}}\sqrt{\frac{2}{ρ}({}P_1-{}P_2)}$$
よって差圧は流量の2乗に比例するということができます。
つまり、差圧を測定することで流量を測定することができるのです。
開平演算とは？
上記の式で示した通り、差圧式流量計は「差圧が流量の2乗に比例する」ことを利用しています。
一般的に差圧式流量計は差圧伝送器で差圧を検出したのち一般的には4～20mAで出力を行います。
その後、差圧の信号を流量の信号に変換する工程を開平演算といいます。
開平演算の式は差圧入力 [%]および流量出力 [%]を用いて以下のようになります。
$$流量出力=10×\sqrt{差圧入力}$$
これによって、差圧を流量に変換することができます。
開平演算をどこの計器で行うかも大事になってくるよ！
まとめ
今回は流量計の一種である差圧流量計についてその原理について解説してきました。
重要なポイントは以下の通りです。
- 差圧式流量計は差圧が流量の2乗に比例することを利用した流量計
- 差圧を流量に変換する際に開平処理を行う必要がある
差圧式流量計は構造のシンプルさから工場の様々なところで使用されています。
みなさんも、上記の点を意識して差圧流量計を使用してみてください。
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