圧力センサーを使用した液体流量の測定

差圧センサーは、水などの非圧縮性液体の流量を測定するために広く使用されています。最も一般的な方法は、配管内のオリフィスプレートに発生する圧力降下を測定し、その値から流量を算出する方法です。オリフィスプレートとは、通常フランジの間に設置されるプレートで、既知のサイズの中央に開口部（オリフィス）を持つものです。流体がオリフィスを通過する際、上流側から下流側にかけてオリフィスに圧力降下が発生します。この圧力降下は流量に比例しており、センサー信号を利用して工学単位での流量を計算することが可能です。
図には典型的な孔板（オリフィス・プレート）の構成を示しています。孔板の上流側は圧力が高く、三弁マニフォールドを介して圧力センサーの「＋」ポートに接続されています。孔板の下流側は同様に圧力センサーの「－」ポートに接続されています。三弁マニフォールドは、作業用パイプラインに設置する際、圧力センサーを過圧から保護します。
圧力損失から流量を計算するための計算方法は、比較的簡単な物理方程式に基づいています。ただし、この計算には多くの変数が関与しており、それぞれに独自の工学単位があります。これらの変数には、オリフィスの幾何学的形状、管径、流体の粘度、および流体の密度が含まれます。各変数に含まれる項と換算係数の数が多く、計算はかなり複雑になる可能性があります。幸いにも、多くのオンライン計算ツールが存在しており、任意の使いやすい工学単位で変数を入力するだけで、所定のオリフィス圧力損失に対する流量を簡単に計算できます。
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ご提供いただいた例では、差圧センサー信号（VdcまたはmA）とオリフィス圧力損失の関係を利用して流量を導き出す方法と、対応する変換式の算出方法について説明しています。この方法は、差圧式流量測定の典型的な応用例です。
コンテンツの核となる部分は正しく、プロセスも明確です。以下は、あなたの計算プロセスや業界知識（検索結果で言及されたQ∝ΔPの関係など）に基づく要約と若干の最適化であり、主に数式表現の厳密性に関するものです。
計算プロセスの要約
あなたの計算ロジックは正しいです。以下の通り、主要なステップを要約しました：
1. 流量と差圧の関係を確認する：
2. 流量(Q)は差圧(ΔP)の平方根に比例する。つまり、Q=kΔP
3. あなたのデータシートはこの関係を確認しています：
4.
- ΔP = 100 in H₂O のとき、Q = 640 GPM
- ΔP = 25 in H₂O のとき、Q ≈ 320 GPM（理論計算）／321 GPM（実際の表記）
5. オリフィス係数(k)を計算する：
6. 公式 k = Q / ΔP を使って計算する。
- 最初の行のデータを使用する: k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- 最適化提案: 式をより厳密に k = Q / ΔP と書く。元のテキストでは k = GPM / √(ΔP) の変数記号が省略されている。
7. オリフィスプレート係数 (k) の検証:
8. k=64 を使用して他のデータ点を計算し、その一般的適用性を検証する:
- 計算: Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- 比較: 表では ΔP = 25 in H₂O のとき Q = 321 GPM である。
- 分析と最適化: 計算値 (320 GPM) と表の値 (321 GPM) の間には 1 GPM の小さな差がある。これは「約1％の精度」や「1〜2 GPM の差」という記述を確認するものであり、工学的応用においては許容範囲内である。極めて高い精度を求める場合は、元のデータや係数を再確認する必要がある。
9. センサ信号タイプに基づいて流量計算式を導出する:
- Vdc 信号 (0-5V) の場合:
- 電圧と差圧は直線的に関係しています：ΔP = (100 in H₂O/5V) × Vdc = 20 × Vdc。- 流量計算式は：Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- あなたはk′ = 286.217をk′ = Q / Vdcを使って算出しましたので、Q = 286.217 × Vdcとなります。この計算式は正しく、基本的にQ = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286.217 × Vdcです。
- mA信号（4〜20 mA）の場合：
- 差圧は有効電流と直線的に関係しています：ΔP = [100 In H₂O / (20 − 4) mA] × (ImA − 4) = 6.25 × (ImA − 4)。
- 流量計算式は：Q = kΔP = 64 × 6.25 × (ImA − 4) = 64 × 2.5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4)。
- k′′ = Q / ImA − 4からk′′ = 160を算出しましたので、Q = 160 × (ImA − 4)となります。この計算式は正しいです。
- 検証：Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM。表の321 GPMとの差異は、再びシステム内のわずかな誤差を示しています。
考慮すべきポイント：
いくつかの実用上の考慮事項があります。3弁マニフォールドは、オリフィスプレートおよび差圧センサーと共に使用する必要があります。これにより、配管が加圧された状態で圧力センサーを使用することが可能になります。これを行うには、圧力センサーの正圧側および負圧側のポートを閉鎖式遮断弁に接続し、同時に均圧弁を開きます。その後、遮断弁をゆっくりと開き、圧力センサーの両側に配管内の静圧を均等に分配します。均圧弁を開くことで、センサーに高い差圧が加わる可能性を排除します。圧力センサーの接続が完全に終了した後、均圧弁を閉じることにより、圧力センサーがオリフィスプレートにかかる圧力差を検出できるようになります。
圧力センサーを停止するには、まず均等化弁を開き、次に遮断弁を閉じます。遮断弁が完全に閉じられると、センサー空洞内の残留圧力は圧力センサーの排気口を通じて放出されます。その後、均等化弁を閉じることで圧力センサーをマニフォールドから切り離します。すべての操作は、この正確な順序で行う必要があります。圧力センサーを運用開始する際は、まず均等化弁を開けます。圧力センサーを停止する際は、均等化弁を最後に閉じます。
材質の適合性も考慮する必要があります。水の流量を測定する圧力センサーにおいては、316SSの湿潤部品が最適な選択です。Validyneでは、さらに腐食性の高い流体用にインコネル製湿潤部品も提供しています。圧力センサー本体のOリング材質も流体と適合性がある必要があります。Validyneでは、さまざまなエラストマーコンパウンドを提供しています。
内径が2インチを超える配管の場合、オリフィス板による流量測定が最も正確とされています。オリフィス板は、エルボやチーズから離れた直管部に設置する必要があります。オリフィス板に至る配管は、数倍の管径に相当する直管部を確保する必要があります。オリフィス板フランジのガスケットは正確に位置合わせを行い、配管内の流体の流れを妨げないように注意しなければなりません。さもなければ測定誤差が生じる可能性があります。他の流量測定技術としては、ベーンメーター、タービンメーター、電磁流量計などがあります。オリフィス板と差圧センサー方式のシステムは、低コストでメンテナンスが少なく、さまざまな管径、液体の種類および流速においてある程度正確な測定値を提供するため、引き続き使用されています。