差圧測定は産業用制御プロセスに不可欠です。その中心は、同じパイプライン、タンク、機器、またはプロセス内の 2 つの異なる点間の圧力差、つまり高圧側と低圧側の圧力差を測定することです。-単一点圧力測定と比較して、差圧測定は圧力そのものの変化を反映するだけでなく、流量、液面、フィルタ差圧、機器の動作状態などのパラメータの間接的な測定にも使用できます。そのため、石油、天然ガス、化学、電力、製薬、食品、冶金、水処理などの業界で広く使用されています。
実際の産業現場では、差圧伝送器を使用して差圧を検出するのが一般的です。トランスミッタは、高圧側 (H) と低圧側 (L) を通じて 2 つの測定圧力をそれぞれ導入します。-。センサーは両側の圧力作用を感知した後、圧力差を電気信号に変換します。信号処理、温度補償、線形化計算の後、4 ～ 20mA、HART、RS485/Modbus などの標準信号を出力し、制御システム、PLC、DCS、またはデータ収集システムに安定したプロセス測定データを提供します。
差圧測定のポイントは、単に「2つの圧力を測って差し引く」だけではなく、測定範囲、静圧、温度、媒体密度、設置方法、導圧管方式、センサの性能などを総合的に考慮することです。特に、高静圧、低差圧、高温、腐食性媒体などの動作条件下では、差圧測定ではセンサー構造、温度補償アルゴリズム、および機器の全体的な設置品質に高い要求が課せられます。
I. 差圧とは何ですか?
1. 差圧の基本概念
差圧 (DP) は 2 つの圧力測定点間の圧力差であり、その基本的な関係は次のとおりです。
ΔP = P₁ − P₂
どこ：
• ΔP: 差圧。
• P₁: 高圧側圧力-。
• P₂: 低圧側圧力-。
たとえば、パイプライン内の特定の機器の入口圧力が 0.80MPa、出口圧力が 0.65MPa の場合、2 点間の差圧は次のようになります。
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
差圧の符号は、高圧側と低圧側の定義によって異なります。-高圧側の圧力が低圧側の圧力より高い場合、出力は正の差圧になります。逆に、負の差圧として現れる場合もあります。したがって、差圧発信器の選定・設置時には、H、Lインターフェースとプロセス配管との対応を正確に確認する必要があります。
2. 差圧測定の動作原理
典型的な差圧発信器主に、圧力インターフェース、絶縁ダイヤフラム、センサーコア、信号処理回路、温度補償モジュール、出力回路で構成されます。
プロセス媒体は、トランスミッターの高圧側と低圧側にそれぞれ入ります。{0}{1}両側の圧力が隔離システムを通じて感応要素に作用し、センサーが圧力差に関連する物理的変化を引き起こします。例として、容量性、ピエゾ抵抗性、または単結晶シリコン圧力検知技術を使用すると、センサーはこの機械的変化を電気信号に変換します。
アナログ-から-デジタル変換、デジタル フィルタリング、温度補償、線形化、校正の後、機器は測定された差圧を標準出力信号に変換します。
4 ～ 20mA 出力の差圧トランスミッタの場合、理論上の出力は次のように表されます。
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
たとえば、差圧測定範囲が 0 ～ 100kPa の場合、実際の差圧が 50kPa の場合、理論上の出力は次のようになります。
I= 4 + 16×50/100=12mA
したがって、制御システムは送信機の出力信号に基づいて実際の差圧を推定できます。
3. 差圧と静圧の違い
差圧測定において非常に重要な概念は「静圧」です。
高圧側の圧力が 10MPa、- 側の圧力が 9.9MPa であると仮定すると、次のようになります。-
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
この時点で測定された差圧はわずか 0.1MPa ですが、伝送器が負担する実際の静圧は 10MPa 近くになる可能性があります。
したがって、差圧トランスミッタは、差圧範囲の要件を満たすだけでなく、最大使用静圧要件も満たさなければなりません。
これは、差圧測定と通常の圧力測定の選択における重要な違いの 1 つでもあります。高静圧、低差圧用途の場合、静圧能力を無視して差圧範囲のみを考慮すると、センサに大きな静圧影響を与え、測定精度が低下する可能性があります。
II.差圧の技術パラメータを確認する方法
測定
差圧発信器の選定は「範囲」と「精度」だけではありません。実際のアプリケーションでは、次のパラメータに従って体系的に検証することをお勧めします。
1. 測定範囲
まず、プロセスシステム内で実際に発生する可能性のある最小差圧、通常の差圧、および最大差圧を決定します。
たとえば、あるフィルタの運転中の通常の圧力損失は約 20kPa ですが、目詰まりした状態では 80kPa に達する場合があります。プロセス要件に応じて適切な差圧範囲を選択できます。
範囲が大きすぎると、実際の動作点が長時間にわたって低い範囲の間隔に留まり、実効測定分解能に影響を及ぼします。範囲が小さすぎると、異常な動作条件で範囲を超える可能性があります。
2. 静圧
静圧は、差圧トランスミッタを選択する際に特別な注意を払う必要があるパラメータです。
例えば：
・差圧範囲：0～10kPa
・パイプライン圧力：4MPa
・実差圧：5kPa
この時点で、機器が 10kPa の圧力容量を満たしていればよいと単純に考えることはできません。また、伝送器が使用静圧約4MPaに耐えられることを確認し、静圧によるゼロ点やレンジへの影響を確認する必要があります。
3. 精度
差圧発信器の精度は通常、±0.1%FS、±0.075%FSなどフルスケールに対するパーセンテージで表されます。
0 ～ 100kPa の範囲と ±0.1%FS の精度を持つトランスミッタの場合、理論的な基本誤差の大きさは次のとおりです。
100kPa × 0.1%=±0.1kPa
実際の測定誤差は、温度、静圧、設置位置、導圧配管、長期安定性などの要因にも影響される可能性があることに注意してください。-したがって、工学的選定は単に「精度の数値」を比較することはできません。
4. 過負荷容量と静圧の影響
産業現場ではバルブの誤動作、圧力変動、起動ショックなどが発生する可能性があるため、伝送器の片側過負荷容量と最大静圧を確認する必要があります。-
特に高静圧差圧測定では、静圧変化によるゼロドリフトにも注意が必要です。高性能差圧トランスミッターは通常、センサー構造設計と静圧補償アルゴリズムによってこれらの影響を軽減します。
5. 温度と培地条件
プロセス温度、周囲温度、媒体が腐食性、粘性、結晶化していないか、固体粒子が含まれているかどうかを確認する必要があります。
高温媒体の場合、プロセス温度がトランスミッターに与える影響は、凝縮ポット、冷却フィン、またはリモート シールによって軽減できます。{0}腐食性媒体の場合、316L、ハステロイ、タンタルなど、媒体の性質に応じて適切なダイヤフラムおよび接液部材質を選択する必要があります。
6. 出力と通信方法
一般的な出力には次のものが含まれます。
• 4～20mA。
• 4~20mA + HART。
• RS485/Modbus RTU。
• その他のデジタル通信方式。
従来の DCS および PLC システムの場合、4 ～ 20mA は依然として高い現場適用性を持っています。リモートでのパラメータ設定や診断、メンテナンスが必要なシステムには、HART通信機能を搭載した製品が検討できます。
Ⅲ．差圧測定の用途は何ですか?
差圧測定の最大の特徴は、圧力差から他のプロセスパラメータを取得できることであり、その応用範囲は単なる「圧力差検出」をはるかに超えています。
1. パイプライン流量測定
差圧流量測定は、産業プロセス測定における古典的なアプリケーションの 1 つです。
流体がオリフィス プレート、ノズル、ベンチュリ チューブなどの絞り装置を通過すると、流体の速度が変化し、絞り装置の前後で圧力差が生じます。流体力学の関係によれば、流量と差圧の平方根の間には一定の関係があります。
Q ∝ √ΔP
理想的な条件下では、次のように表すことができます。
Q = C√ΔP
ここで、Q は流量、C は媒体の性質、パイプライン構造、および絞り装置に関連する包括的な係数です。
したがって、絞り装置の前後の差圧を測定することにより、間接的に管路流量を算出することができる。
実際のエンジニアリングでは、媒体密度、温度、圧力、レイノルズ数、絞り装置の構造、設置条件なども考慮する必要があります。したがって、高精度の流量測定には通常、関連パラメータの補正が必要です。-
2. 液面測定
差圧トランスミッタは、液柱によって生成される圧力を使用してタンクの液面レベルを測定するために使用することもできます。
液柱圧力の基本的な関係は次のとおりです。
ΔP=ρgh
どこ：
• ρ は液体の密度です。
• g は重力による加速度です。
• h は液面の高さです。
したがって、密度が比較的安定している場合には、液柱によって生じる差圧を測定することによって液面レベルを計算することができる。
開放型タンクの場合、通常、タンク底部の圧力と大気圧の関係を使用して液面を測定できます。密閉タンクの場合、タンク上部の気相圧力も考慮する必要があるため、差圧発信器通常、タンクの底部と上部にそれぞれ接続するために使用されます。
高温、高真空、または揮発性媒体が存在するタンクでは、凝縮水、密度変化、リモートシールなどの要因をさらに考慮する必要があります。
3. フィルタ差圧監視
通常のフィルター動作中、フィルター媒体は一定の圧力損失を生成します。フィルターエレメントが徐々に目詰まりを起こすと、前後の圧力差が継続的に増加します。
したがって、フィルタの入口と出口にそれぞれ圧力タップを取り付けて、差圧トランスミッターを介してリアルタイムで監視できます。-
ΔP=P_インレット − P_アウトレット
差圧が設定値に達すると、制御システムはアラームを発し、メンテナンス担当者にフィルターエレメントの点検または交換を促すことができます。
この方法は、空気濾過、液体濾過、石油およびガス処理、および工業用塵埃除去システムで広く使用されています。
4. ポンプ、ファン、コンプレッサーの動作監視
ポンプ、ファン、コンプレッサーなどの機器では、入口出口差圧が機器の動作状態を判断するための重要なパラメータの 1 つとして機能します。{0}
たとえば、ポンプの入口と出口の間の圧力差を監視すると、ポンプの動作状態を判断するのに役立ちます。ガス輸送システムでは、ファンやコンプレッサーの前後の差圧の変化も動作状態の監視に使用できます。
機器の差圧だけでは機器の健全性状態を表すことはできないことに注意してください。エンジニアリング用途では通常、流量、温度、振動、電流などのパラメータを組み合わせて総合的に判断する必要があります。
5. クリーンシステムと換気システム
クリーンルーム、研究室、製薬作業場、空気処理システムでは、異なるエリア間で一定の圧力勾配を維持する必要があります。
差圧伝送器を使用して2つのエリア間の圧力差を測定することにより、クリーンエリアが所定の圧力状態に保たれているかどうかを判断できます。
たとえば、正圧を維持する必要がある清潔なエリアでは、部屋と隣接するエリアの間の圧力差を監視できます。負圧管理が必要な場所では、差圧信号により負圧状態を判断することができます。
6. 気密性と漏れの検出
精密製造、自動車部品、バルブ継手、医療機器などの分野では、気密検査にも差圧測定が利用できます。
試験では試験対象物に一定圧力の試験ガスを注入し、試験前後の圧力変化を監視することで試験対象物に漏れがないかどうかを判定します。
低差圧と微小漏れの検出では、通常、差圧センサーの分解能、安定性、温度補償、応答速度に対してより高い要件が課されます。{0}
IV.差圧測定における主要なエンジニアリング上の問題
差圧測定は単純に見えるかもしれませんが、実際のエンジニアリング用途では複数の影響要因があります。
まずは導圧配管システムです。導圧管の長さ、内径、設置高さ、導圧管内の気泡、液溜まり、粒子の付着の有無などが測定結果に影響を与える場合があります。液体媒体の場合、ガスが導圧管に入らないようにする必要があります。ガス媒体の場合、凝縮水の蓄積を避ける必要があります。
2つ目はインストール方法です。差圧伝送器の高圧側と低圧側はプロセス配管に正しく接続されている必要があり、中間状態に基づいて適切な圧力タッピング位置を選択する必要があります。高温蒸気などの媒体の場合は、凝縮水を使用して液体シールを形成し、高温媒体がトランスミッターに直接入るのを防ぐことも必要です。-
3つ目は温度の影響です。センサー自体に温度特性があり、媒体温度の変化により濃度変化が生じる場合があります。したがって、高精度の差圧測定には通常温度補償が必要であり、一部の流量および液面アプリケーションではさらに密度補償が必要です。
さらに、高静圧、低差圧の用途では、静圧の影響、過負荷容量、ゼロ点の安定性に特別な注意を払う必要があります。-例えば、数MPa以上の配管圧力下で数kPaの微差圧を測定する場合、センサは高い静圧に耐えるだけでなく、微小な差圧変化を正確に分解する必要があり、センサの構造や信号処理技術に対する要求が高くなります。
V. まとめ
差圧測定の本質は、2 つの圧力点間の圧力差を正確に取得することであり、その基本式は ΔP=P₁ − P₂ です。この基本パラメータにより、流量、液面、フィルタ差圧、機器の動作状態、気密性などの工業用パラメータの計測をさらに実現できます。
実際のエンジニアリングでは、差圧伝送器測定範囲や精度だけでなく、静圧、過負荷容量、静圧の影響、温度範囲、媒体特性、接液材質、導圧管方式、出力信号、設置条件などを総合的に考慮する必要があります。
産業オートメーションおよびプロセス制御システムの継続的な開発により、差圧測定は従来の単一パラメータ検出から高精度、デジタル化、インテリジェントな診断へと進化しています。{0}}複雑な産業用動作条件では、センサー技術、温度補償、静圧補償、デジタル信号処理機能が、差圧測定システムの長期安定性と実用化の有効性に直接影響します。-
