オリフィス流量計とは何ですか?動作原理・精度・用途・選定

原理は単純に思えますが、信頼性の高いオリフィス流量測定はプレート自体以外にも依存します。ボア径、ベータ比、エッジ状態、圧力タップの位置、流体密度、レイノルズ数、上流流量プロファイル、DP トランスミッターの範囲、設置はすべて結果に影響します。

このガイドでは、油圧制限から最終的な流量信号に至るまでのオリフィス流量計の動作原理を説明し、測定の不確かさに何が影響するか、テクノロジーがうまく機能する部分、およびシステムを指定する前にエンジニアが何を確認する必要があるかを示します。

オリフィス流量計の構成要素は何ですか?

オリフィス メーターは、2 つのフランジの間に取り付けられた金属プレートとしてではなく、完全な差圧測定システムとして扱う必要があります。{0}

オリフィスプレート

プレートが制限を作成します。従来の同心円状の鋭利なエッジのプレートには、パイプの中心に円形の穴があります。-その穴のサイズ、厚さ、上流端および取り付け方向は、流量計算に使用される設計基準と一致する必要があります。

特定のサービスにはさまざまなプレート形状が利用可能です。へのガイドオリフィスプレートの種類の選択標準の同心プレートが流体に適さない場合に追加のコンテキストを提供します。

圧力タップとインパルス接続

圧力タップは絞りの上流側と下流側の静圧を感知します。チューブまたは一体化された通路は、これらの圧力信号を差圧計器に伝えます。

タッピングの配置は測定設計の一部です。制限部の周囲の位置によって圧力が変化するため、プレートのサイズを設定した後は任意に移動することはできません。

差圧発信器

二次測定要素は高圧側と低圧側の差を検出します。-適切な差圧発信器その機械的な圧力差を使用可能な電子信号に変換します。

もっと広く言えば、圧力トランスミッターの構成プロセス圧力、温度、必要なスパン、環境条件、制御システム要件に応じて選択する必要があります。{0}}

オリフィス流量計はどのように機能しますか?

1. 流体が制限に近づいている

プレートの上流では、流体がパイプの断面全体を占めます。-標準化された測定の場合、接近する流れは、選択した計算方法で要求される設置条件を満たしている必要があります。近くのエルボ、バルブ、その他の障害により、流体がオリフィスに到達する前に速度プロファイルが変化する可能性があります。

2. オリフィスを通じて速度が増加する

ボアにより提供される流路面積はパイプよりも小さくなります。連続性を維持するために、流体は開口部を通過する際に加速します。

この加速は差圧流量測定の中心となります。{0}メーターはプレート上の速度を直接測定しません。代わりに、加速に伴う圧力変化を測定します。

3. 静圧の低下

速度が上昇すると、静圧は減少します。ベルヌーイの原理は、理想的な流れの圧力、速度、高度の間の基本的な物理的関係を提供し、実際のオリフィスの計算により、実際の流体の挙動を説明する係数が追加されます。

したがって、上流の圧力は絞りの下流側で測定される圧力よりも高くなります。

4. 下流で大静脈収縮が形成される

流体の流れは、プレートを通過した後すぐにはパイプの全直径まで拡張しません。下流側の短い距離では収縮を続けます。ジェットが最小断面積に達する場所は、-と呼ばれます大静脈収縮.

この時点を過ぎると、流れは膨張し、ある程度の静圧が回復します。分離と乱流によって機械エネルギーが消失するため、回復は完全ではありません。この未回収部分は永久的な圧力損失として現れます。

5. システムは差圧を測定します

トランスミッタは 2 つの圧力信号を認識します。

ΔP = P1 − P2

ここで、P1 は上流側の出湯圧力、P2 は下流側出湯圧力です。

流量が増加すると、差圧が増加します。ただし、この関係は非線形です。

6. 差圧を流量に変換

固定ジオメトリおよびその他の安定したプロセス条件の場合、簡略化された関係は次のようになります。

Q ∝ √ΔP

これは重要な実際的な結果をもたらします。差圧がフルスケール値の 25% に低下した場合、対応する理論上の流量はフルスケールの 25% ではなく、約 50% になります。-。

平方根関数は、スマート トランスミッタ内、または PLC、DCS、またはフロー コンピュータ内で実行できます。通常は 2 回適用しないでください。エマーソンのDP フローエンジニアリングガイド特に、平方根抽出は送信機または制御システムの他の場所で実行できることに注意し、両方の場所で実行しないように警告しています。{0}

結果として得られる信号は、フロートータライザーアプリケーションが時間の経過とともに総体積または質量を必要とする場合。

実際のオリフィス流量方程式には何が含まれますか?

平方根の関係は原理を説明しますが、完全な工学的なサイジング方程式ではありません。実際の計算では、主要素の形状と動作、および流体の特性が考慮されます。

重要な変数には次のものがあります。

• オリフィスの内径。
• パイプ内径;
• 差圧;
• 流体密度;
• 流量係数;
• ベータ比。
• レイノルズ数。
• 圧縮性流体の膨張係数。

吐出係数

一般に C で表される流量係数は、理想的な流量計算と絞りを通過する実際の流量との差を説明します。これは形状と流れの状況に影響されるため、標準のオリフィス プレートをほぼ同様の穴に置き換えることはできず、同じ計算基準が得られることが期待されます。

プレートのエッジの状態も重要です。丸み、堆積物、浸食、または機械的損傷は局所的な流れの挙動を変化させる可能性があり、そのため測定性能に影響を与える可能性があります。

拡張性係数

液体の場合、差圧要素による密度変化は多くの場合、適用可能な計算では流体を本質的に非圧縮性として扱うのに十分なほど小さいです。ガスと蒸気は動作が異なります。

圧縮性流体が絞りを通過すると、圧力変化に伴い密度変化が生じます。適用可能なオリフィスの計算では、拡張係数によってこの効果が考慮されます。これが、ガスと蒸気のサイジングに、単にパイプの直径と最大流量よりも多くのプロセス情報が必要となる理由の 1 つです。

ベータ比とは何ですか?なぜ重要ですか?

ベータ比は、オリフィスの内径とパイプの内径の比です。

= d / D

ここで、d はオリフィスの内径、D は上流パイプの内径です。

パイプに対してボアが小さいほど、より強い制限が生じ、一般に、所定の流量でより大きな差圧が生成されます。ボアが大きくなると、発生する差圧が小さくなり、通常は永久的な圧力損失が少なくなります。

これは、ベータ比が非常に小さいか、または非常に大きい方が自動的に優れているという意味ではありません。ベータ比は、レイノルズ数、流量係数、利用可能な DP、不確実性、設置感度と相互作用します。便利な送信機スパンを作成するためだけに選択するのではなく、実際のプロセス条件から計算する必要があります。

どの圧力タップ配置が使用されますか?

ISO 5167-2:2022 は、フランジ タップ、コーナー タップ、D および D/2 タップで使用される標準オリフィス プレートをカバーしています。の公式 ISO 5167-2 仕様また、全円形導管で使用される標準プレートの形状、設置および動作条件も定義します。

フランジタップ

圧力接続は、プレート近くの標準化された距離でフランジに配置されます。これは一般的な業界の取り決めです。

コーナータップ

圧力はプレートの上流面と下流面のすぐ近くで感知されます。

DおよびD/2タップ

上流タップはパイプ直径 1 つ上流に位置し、下流タップはパイプ直径の半分の下流に位置します。

これらの配置は、チューブを接続するための 3 つの異なる方法を提供するだけではありません。タップの位置によって測定される差圧が変化するため、タップ構成は流量の決定に使用される計算方法と一致する必要があります。

オリフィス流量計の精度と測定の不確実性は何に影響されますか?

すべてのオリフィスメーターに 1 つの一般的な精度数値を割り当てるよりも、完全な測定システムの不確実性について考える方が有益です。

一次要素の形状

穴の直径、プレートの平坦度、厚さ、鋭いエッジの状態、パイプの直径はすべて、一次測定に影響します。-正しく製造されたプレートが逆向きに取り付けられた場合も、意図した設計基準から外れた結果が生じる可能性があります。

フロープロファイル

エルボ、部分的に開いたバルブ、減速機、およびその他の継手により、渦巻きまたは非対称の速度プロファイルが作成される可能性があります。影響は外乱、プレートからの距離、メーターの形状によって異なります。

これが、すべてのオリフィスメーターが上流側で正確に同じ数のパイプ直径を必要とするという有用な普遍的記述がない理由です。実際の配管構成については、標準設置要件を確認する必要があります。

レイノルズ数

レイノルズ数は、流れる流体における慣性効果と粘性効果の関係を表します。流量係数は流量状況に関連しているため、レイノルズ数は標準化された計算および適用限界の一部を形成します。

ISO 5167-2 では、プレート係数を流量レジームから独立したものとして扱うのではなく、定義された動作条件とアプリケーションの制限を指定しています。

DP 送信機のスパン

設計された動作範囲付近で良好に動作するトランスミッタは、差圧が非常に小さくなると、それに比例して不確実性が大きくなる可能性があります。

流量が減少すると DP が急速に低下するため、これは重要です。流量が設計流量の 30% である場合、単純化された二乗関係の下では、差圧は対応する設計 DP の約 9% にすぎません。

したがって、低流量性能は、データシートに記載されている公称トランスミッタ精度以上のものに依存します。

圧力タップと導圧管

蛇口の詰まり、漏れ、不均一な液頭、閉じ込められたガスまたは凝縮物により、トランスミッターが信号を処理する前に誤った差圧が生成される可能性があります。

このため、測定値が不安定になったときにトランスミッターを直ちに再校正するよりも、完全な圧力経路をチェックする方が有益なことがよくあります。

流体の密度と補償

ガスまたは蒸気の状態が変化すると、密度が変化して計算された流量に影響を与える可能性があります。多変数システムには静圧と温度を組み込むことができるため、変化するプロセス条件を計算に反映できます。

キャリブレーションは依然として測定管理プロセス全体の一部です。{0}サイトのガイドでは、流量計を校正する方法さらなる背景を提供しますが、圧力計器には独自の文書化が必要な場合があります。圧力トランスミッターの校正間隔.

オリフィス流量計はどこで使用されますか?

液体の流れ

圧力損失と設置条件が許容できる場合、オリフィス プレートは多くの清浄な単相液体を測定できます。{0}一般的な例としては、水、プロセス液体、炭化水素などが挙げられます。

汚れた液体にはさらに注意が必要です。堆積物はボアの形状を変える可能性があり、固体はエッジを侵食したり、圧力タップを妨げたりする可能性があります。

ガスの流れ

差圧測定はガスにも広く使用されています。{0}ただし、圧縮率と密度の変化を考慮する必要があります。標準の体積または質量流量を報告することを目的としたシステムでは、DP に加えて圧力と温度の補正が必要になる場合があります。

ガスアプリケーションを評価している読者は、このサイトの説明を続けることができます。工業用ガス流量測定リソース。

蒸気の流れ

主要素には高温プロセスにさらされる回転測定機構がないため、蒸気は重要な DP フロー アプリケーションです。-

難しい部分はプレートではなく圧力測定システムであることがよくあります。従来のウェットレッグ構成では、導圧管内の凝縮液を管理して、両側が安定した同程度の圧力ヘッドをトランスミッタに与えるようにする必要があります。ラインの傾きが不十分であったり、不均一な凝縮水レッグやトランスミッターに入る蒸気が原因で、測定と信頼性の問題が発生する可能性があります。

蒸気密度は動作条件によっても変化するため、幅広い圧力または温度範囲で使用されるシステムでは補正が必要になる場合があります。代替蒸気技術については、このサイトで説明されています。蒸気流量計セクション。

オリフィスプレートの選択が適切でない場合は?

オリフィス システムは主要な要素がシンプルで標準化されているため魅力的ですが、そのトレードオフが重要です。{0}}

• 高い永久圧力-損失コスト:ポンプまたはコンプレッサーのエネルギーが重要な場合は、別の主要な要素を使用するとより優れた圧力回復が得られる場合があります。
• 研磨剤または堆積物形成流体:{0}エッジの侵食やタップの詰まりにより、測定が損なわれる可能性があります。
• 非常に広い動作範囲:流量が少ないと生成される DP が非常に小さくなり、システム全体が他のテクノロジーよりも適切でなくなる可能性があります。
• 強い脈動：標準 ISO 5167-2 の範囲には脈動流は含まれません。
• 上流側の配管が不良:極度の渦巻きや速度プロファイルの歪みにより、標準的な設置は再設計なしには実用的ではなくなる可能性があります。{0}
• 直接質量流量が必要:オリフィス システムでは一般に、本質的に質量を測定するのではなく、追加の圧力、温度、密度の情報が必要です。

オリフィス vs ベンチュリ、ボルテックス、タービン、コリオリ

A ベンチュリ流量計永久圧力損失が重要な場合には、特に比較する価値があります。徐々に収束し回復するセクションは、通常、オリフィスの下流での急激な膨張よりも多くの圧力を保持します。

蒸気サービスまたはユーティリティ サービスについては、アプリケーションを渦流量計。機械式ローターが許容される清浄な液体の場合、タービン流量計の範囲は別の測定アプローチを提供します。直接的な質量流量が優先される場合、このサイトのガイドはコリオリ流量計の動作原理根本的に異なる方法を説明します。

導電性液体サービスもまた、電磁流量計特に侵入的な制限を排除することが望ましい場合に。

オリフィス流量計の選び方

有用な仕様は、フランジ サイズではなくプロセスから始まります。

1. 流体と相を特定します。プロセスが液体、気体、または蒸気であるかどうか、および運転条件下で単相のままであるかどうかを述べます。
2. 最小、通常、最大の流量を提供します。単一の設計フローだけでは、低流量 DP や必要なレンジアビリティを評価するには十分ではありません。{0}
3. 圧力と温度を定義します。通常の条件と設計条件を含めます。ガスと蒸気の計算では、密度補正のためにこれらの値が必要になる場合もあります。
4. パイプ内径を確認してください。公称パイプ サイズは、正確な一次要素の計算に必ずしも十分であるとは限りません。{0}}
5. 許容永久圧力損失を決定します。これは、単なる機器の問題ではなく、ライフサイクルのエネルギー制約となる可能性があります。{0}
6. プレートの形状と材質を選択します。流体の清浄度、腐食、温度、および適用される規格を考慮してください。
7. ベータ比を確立し、DP を設計します。これらは個別に選択するのではなく、一緒に計算する必要があります。
8. 必要なタップの配置を選択します。タップは計算基準と一致する必要があります。
9. DP トランスミッターのサイズを調整します。最大流量時だけでなく、実際の動作範囲全体で予想される DP を評価します。
10. 補償と出力を定義します。システムに平方根抽出、合計、圧力/温度補正、または質量流量計算が必要かどうかを判断します。{0}{1}
11. 配管レイアウトを確認してください。設計を最終決定する前に、上流の障害、直流要件、送信機の位置、導圧線の配線を確認してください。{0}{1}{1}

よくある設置および試運転エラー

エマソン氏は、DP フロー システムを、一次要素、差圧トランスミッタ、および導圧配管、バルブ、コネクタなどのサポート コンポーネントの組み合わせとして説明しています。正常なプレートでは悪い圧力信号を修正できないため、このシステム レベルのビューはトラブルシューティングの際に役立ちます。-エマーソンのを参照差圧流量測定の概要追加の技術的背景については、こちらをご覧ください。

よくある質問

オリフィス流量計は差圧流量計ですか?

はい。オリフィス プレートは制御された圧力差を生成し、測定システムはその DP を使用して流量を決定します。

差圧の平方根によって流量が変化するのはなぜですか?

固定ジオメトリと安定した流体条件では、差圧は流量の 2 乗にほぼ応じて変化します。したがって、計算された流量は DP の平方根に応じて変化します。

オリフィスメーターの主な欠点は何ですか?

永続的な圧力損失は主なトレードオフの 1 つです。-突然の制限と下流の流れの剥離により、完全には回収されないエネルギーが散逸します。

ベータ比とは何ですか?

ベータ比は、オリフィスの内径をパイプの内径で割ったものです。生成されるDP、吐出挙動、圧力損失、および適用可能なサイジング条件に影響します。

オリフィス流量計は蒸気を測定できますか?

はい。この主要エレメントは高温での使用に適していますが、正確な蒸気測定は蒸気の状態、密度計算、圧力と温度の情報、正しい導圧管の設置にも依存します。-

すべてのオリフィス プレートに同じ直管長さが必要ですか?

いいえ。要件は上流の外乱、ベータ比、配管配置、適用される計算基準によって異なります。単一のストレートな実行番号をすべてのインストールに適用する必要はありません。-

オリフィス流量計はどれくらいの頻度で校正する必要がありますか?

システム全体に共通の間隔はありません。校正頻度は、測定の重要性、送信機の安定性、サービス条件、メンテナンス履歴、品質システム要件を反映する必要があります。-プレートの検査と圧力経路のチェックは、トランスミッタの校正とは別のものです。-

ISO 5167 はあらゆるオリフィス用途に使用できますか?

いいえ、ISO 5167-2 は、標準化されたオリフィス プレートと動作条件の特定の範囲を定義しています。公式の標準概要によると、これは完全な導管、指定された圧力-タッピング配置、単相亜音速流、および定義されたサイズとレイノルズ数範囲に適用されます。-脈動流は規定の範囲外です。

結論

オリフィス流量計は、制御された油圧制限を流量に関連付けることができる差圧に変換します。プレートは速度と圧力の変化を生成し、圧力タップは結果として生じる信号を送信し、DP トランスミッターまたは制御システムは流量の表示と合計に必要な変換を実行します。

信頼性の高い測定はシステム全体にかかっています。ベータ比、吐出係数、レイノルズ数、流体密度、プレートの状態、流量プロファイル、圧力タップの配置、トランスミッターのスパン、補償はすべて最終結果に影響します。

新しいアプリケーションの場合は、プレートのサイズを決定する前に、流体、相、動作流量範囲、圧力、温度、パイプ ID、許容圧力損失、および必要な測定性能を定義します。次に、配管配置と送信機が予想される DP 範囲をサポートできることを確認します。このプロセスにより、オリフィス メーターが適切かどうか、あるいはベンチュリ、ボルテックス、タービン、電磁気、コリオリ技術のいずれがより適切に適合するかを判断することがはるかに簡単になります。