圧力計の種類と選び方

圧力計は、産業、機械、またはプロセス環境において最も基本的な計器の 1 つです。流体またはガスの圧力をリアルタイムで測定できるため、オペレーターはシステムのパフォーマンスを監視し、機器の損傷を防ぎ、作業員の安全を確保できます。ただし、「圧力計」という用語は驚くほど幅広いカテゴリの機器をカバーしており、それぞれが特定の測定原理、動作環境、精度要件に合わせて設計されています。利用可能なさまざまな種類のゲージを理解し、どのタイプがどの用途に適しているかを知ることは、エンジニア、調達専門家、保守技術者にとっても同様に不可欠な知識です。

圧力計が実際に測定するもの

さまざまな種類のゲージを検討する前に、実際に何が測定されているかを明確にすることが重要です。これは、さまざまなゲージの種類が基準点によって部分的に定義されているためです。圧力は単位面積あたりに加えられる力であり、用途や機器の設計に応じて、さまざまなベースラインに対して相対的に表すことができます。

ゲージ圧は最も一般的に測定される値で、局所的な大気圧に対する相対的な圧力を表します。ゲージ圧力の読み取り値が 0 の場合は、システム圧力が大気圧と等しいことを意味します。圧力がまったく存在しないことを意味するわけではありません。絶対圧力は完全な真空を基準にして測定され、高度に敏感なプロセスや真空プロセスなど、大気の変動により許容できない誤差が生じる用途で使用されます。差圧は、システム内の 2 つの圧力点の差を測定し、流量、フィルターの状態、および加圧容器内のレベルを監視するために重要です。これらの測定タイプはそれぞれ特定のゲージ設計に対応しているため、正しい基準点を特定することが適切な機器を選択するための最初のステップとなります。

ブルドン管圧力計

ブルドン管ゲージは最も広く使用されている機械式ゲージです。 圧力計 世界で。その動作原理は、内圧が上昇するとわずかに真っ直ぐになる、湾曲した中空の金属チューブ (通常は C 字型、らせん状、または螺旋状) に基づいています。この動きはギアとピニオンのリンク機構を介して機械的に増幅され、チューブのたわみが校正されたダイヤルを横切るポインターの回転運動に変換されます。ブルドン管ゲージは堅牢で信頼性が高く、自己完結型で外部電源を必要としないため、事実上すべての分野における汎用圧力監視の業界デフォルトとなっています。

ブルドン管ゲージは、管の材質と壁の厚さに応じて、最低 0 ～ 0.6 bar から最大数千 bar までの測定範囲で利用できます。標準的なチューブ材質には、一般用途向けの黄銅とリン青銅が含まれますが、ステンレス鋼チューブは腐食性媒体、高温流体、または衛生用途向けに指定されています。ブルドン管ゲージの主な制限は、振動と圧力脈動に対する感度であり、どちらもムーブメントの早期摩耗や指針の不安定な動作を引き起こす可能性があります。ケースにグリセリンまたはシリコーン オイルが充填された液体充填ゲージは、内部の動きを弱め、ギア機構を潤滑することで、この制限に効果的に対処します。

ダイヤフラム圧力計

ダイヤフラム ゲージは、湾曲したチューブの代わりに柔軟な膜を感知要素として使用します。ダイヤフラムの片側に圧力がかかるとダイヤフラムがたわみ、このたわみが機械的リンク機構を介して指針の動きに変換されます。ダイヤフラム設計により、これらのゲージは、ブルドン管計器の実用範囲を下回る低圧 (通常は数ミリバールから約 40 バールまで) の測定に特に適しています。感知要素が大きく比較的平坦な表面であるため、ダイヤフラム ゲージはブルドン管タイプよりも低い範囲での小さな圧力変化にも敏感です。

ダイヤフラム ゲージの主な利点の 1 つは、高粘度、汚染された、または攻撃的な媒体に適していることです。ダイヤフラムは、ステンレス鋼、ハステロイ、タンタル、PTFE コーティングされた金属、または化学的攻撃に耐えるその他の特殊材料から製造できます。多くの設計では、プロセス媒体はゲージ本体自体には決して入りません。プロセス媒体はダイヤフラム面のみに接触します。これにより、ムーブメントの詰まりが防止され、クリーニングが簡素化されます。このため、ダイヤフラム ゲージは、化学処理、食品および飲料、医薬品製造、および廃水処理用途において好ましい選択肢となっています。

カプセル圧力計

カプセル ゲージは、特に 0 ～ 600 mbar の範囲の非常に低い圧力のガスを測定するように設計されています。感知素子は、周囲が溶接されて密閉されたカプセルを形成する 2 つの波形金属ダイヤフラムで構成されています。カプセルの外側に圧力がかかると、2 つのダイヤフラムが互いに押し付けられ、正確な機械的変位が生成されます。この設計は、低圧力範囲での応答が非常に敏感で線形であるため、ガス供給システム、HVAC 圧力監視、燃焼用空気制御、低圧ダクトのフィルター差圧表示に最適です。

カプセルゲージは、清潔で乾燥した非腐食性ガスでのみ使用してください。これらは液体媒体には適しておらず、ガス流中の凝縮水や微粒子汚染の存在に敏感です。ガス監視アプリケーションにカプセル ゲージを取り付ける場合は、感知素子を保護し、長期間にわたって精度を維持するために、ゲージの上流に水分トラップまたはインライン フィルタを設置することを強くお勧めします。

差圧計

差圧計は高圧側と低圧側の2つの圧力ポートを持ち、その差を表示します。このため、単一点で圧力を測定するゲージ圧力機器や絶対圧力機器とは根本的に異なります。差圧計は、2 つの圧力値間の関係が、どちらか一方の値だけよりも操作上重要な意味を持つ場合に使用されます。

一般的な用途には、フィルターやストレーナの圧力降下を監視して清掃や交換が必要な時期を示すこと、オリフィス プレートやベンチュリ メーターを通る流量の測定 (差圧が流速と直接相関する場合)、密閉された加圧タンク内の液体のレベルの監視などが含まれます。差圧計は、関係する圧力範囲と媒体に応じて、ダイヤフラム、ピストン、またはブルドン管検出素子を使用して構築できます。両方のポートが異なる流体または異なる条件で同じ流体にさらされる可能性があるため、両方のプロセス媒体との互換性を同時に考慮して慎重に選択する必要があります。

デジタルおよび電子圧力計

デジタル圧力計は、電子圧力トランスデューサ (通常は圧電、容量性、またはひずみゲージの検出素子) を使用して圧力を電気信号に変換し、その後処理されて LCD または LED 画面に数値読み取り値として表示されます。機械式ゲージとは異なり、デジタル機器には、高精度、データロギング機能、設定可能なアラーム出力、選択可能な測定単位、4 ～ 20 mA、HART、Modbus などのアナログまたはデジタル通信プロトコルを介して測定値をリモート監視システムに送信する機能など、いくつかの明確な利点があります。

デジタルゲージは、プロセスデータをSCADAまたは分散制御システムに統合する必要がある現代の産業施設でますます仕様化されています。また、機械式ゲージの分解能や精度が不十分な場合の校正やテストの用途にも役立ちます。主な欠点は、バッテリ電源または外部電源に依存すること、電磁干渉に対する潜在的な脆弱性、および機械式代替品と比較して初期コストが高いことです。安全性が重要な用途では、停電時のフェールセーフを視覚的に示すために、機械式バックアップ ゲージがデジタル機器と一緒に設置されることがよくあります。

圧力計の主な種類の比較

適切なゲージ タイプの選択は、機器の設計特性をアプリケーションの特定の要求に適合させることから始まります。以下の表は、主要な選択基準にわたる主要なゲージ タイプの実際的な比較を示しています。

特定の用途に特化したゲージタイプ

主要なカテゴリを超えて、いくつかの専門的なゲージ タイプは、標準的な機器が故障したり不適切に動作したりするような、要求の厳しいまたは異常な動作条件向けに設計されています。

高純度で衛生的なゲージ

製薬、バイオテクノロジー、および食品加工環境では、標準ゲージの設計は、隙間、デッドレッグ、バクテリアが住み着いて効果的な洗浄を妨げる非衛生的な材料を含むため、受け入れられません。衛生圧力計は、3-A または EHEDG 衛生基準に準拠したフラッシュ ダイアフラム面、研磨された内面、および接続を備えて設計されています。すべての接液部品は、CIP (定置洗浄) および SIP (定置滅菌) 手順で完全な洗浄性を確保するために、定義された表面粗さ値 (通常 Ra ≤ 0.8 µm) の 316L ステンレス鋼で製造されています。

高圧および超高圧ゲージ

油圧試験、ウォータージェット切断、高圧化学反応器、ガス圧縮システムなどの用途には、1,000 bar 以上の極圧に耐えるゲージが必要です。これらの機器は、らせん状のブルドン管（高範囲での精度を高めるために複数回のたわみを提供するきつめに巻かれたスプリングチューブ構成）を使用し、頑丈なステンレス鋼のケースと、コーンアンドソケットまたは中圧継手などの特殊な高圧プロセス接続を組み合わせています。高圧計の設置では、チューブが破裂した場合にオペレーターを保護するために、ブローアウトバックパネルを備えた安全パターンが必須です。

テストおよび校正ゲージ

テスト ゲージは、精度クラス 0.25% 以上の精密機器で、設置されたプロセス ゲージの読み取り値の確認、機器の校正、圧力システムの受け入れテストの実行に使用されます。これらは、細かいポインタ補間を可能にする大きなダイヤル直径 (通常は 150 mm または 250 mm)、視差読み取りエラーを排除するためのミラーバンド付きダイヤル、および調整可能なポインタ機構を備えています。テストゲージは、使用しないときは保護ケースに注意深く保管し、規定の精度を維持するために追跡可能な標準に対して定期的に再校正する必要があります。

適切な圧力計を選択する際の重要な要素

利用可能なさまざまな種類の圧力計から適切な圧力計を選択するには、相互に依存するいくつかの要素を評価する必要があります。この決定を急ぐと、機器の早期故障、不正確な測定値、または安全上の危険が生じることがよくあります。次のチェックリストは、最も重要な選択基準をカバーしています。

• 圧力範囲: システムの通常の動作圧力は、ゲージのフルスケール範囲の 25% ～ 75% の間に収まる必要があります。スケールの最上部で一貫して動作すると、検出素子の疲労が加速します。一方、範囲が広すぎると、通常の動作条件での可読性と精度が低下します。
• メディアの互換性: すべての接液材料 (チューブ、ソケット、および内部コンポーネント) は、プロセス流体またはプロセスガスと化学的に適合する必要があります。腐食関連の故障を防ぐために、耐薬品性表を参照し、各用途に正しい材料グレードを指定してください。
• プロセス温度: プロセス温度が上昇すると、ゲージの精度に影響があり、検出素子が損傷する可能性があります。 60°C を超える媒体の場合、ゲージ本体を熱にさらさないように保護するために、サイフォン チューブ (蒸気用)、冷却要素、またはリモート ダイアフラム シール アセンブリを使用する必要があります。
• 振動と脈動： ポンプ、コンプレッサー、または高周波の圧力変動を備えたシステムでは、ムーブメントを急速な周期的負荷から保護するために、液体で満たされたゲージか、ゲージの入口接続にスナバー (パルセーション ダンパー) を取り付ける必要があります。
• 環境保護評価: 屋外、または湿った環境、ほこりの多い環境、または化学的に攻撃的な環境に設置されたゲージは、適切な IP (侵入保護) 定格を備えている必要があります。屋外設置の場合は、ケース内への湿気や汚染物質の侵入を防ぐために、通常、IP65 以上が必要です。
• 精度クラス: 必要な精度クラスは、測定の重要度によって異なります。一般的な産業モニタリングでは通常、精度クラス 1.6% または 2.5% が必要ですが、プロセス制御アプリケーションではクラス 1.0% 以上が必要な場合があります。安全性が重要なアプリケーションや校正アプリケーションでは、クラス 0.25% ～ 0.6% の精密機器が必要です。

ゲージの性能を保護する設置とメンテナンスの実践

最適な仕様の圧力計であっても、正しく取り付けられなかったり、使用中に無視されたりすると、性能が低下したり、早期に故障したりすることがあります。ゲージは、可能な限り常に直立した垂直位置に取り付ける必要があります。傾斜または逆さまに取り付けると指針のバランスに影響し、液体が満たされたゲージではケースから液体が漏れる可能性があります。プロセス接続は、媒体に適したねじシーラントを使用して行う必要があります。PTFE テープが広く使用されていますが、破片がゲージ入口に入るのを防ぐために、最初のねじには適用しないでください。プロセスラインとゲージの間に手動隔離バルブを設置すると、システムの動作を中断することなく、交換または校正のためにゲージを隔離できます。

取り付けられたゲージを定期的に検査し、指針のずれ、ダイヤルのひび割れ、ケースの漏れ、プロセス接続の腐食を確認する必要があります。一貫したオフセット誤差を示すゲージは、再校正するか交換する必要があります。安全性が重要な用途では、正式なゲージの校正と交換のスケジュール (通常は年に一度、またはリスク評価によって定義されたスケジュール) を文書化し、厳密に遵守する必要があります。利用可能なさまざまな種類のゲージを理解し、適切な選択、設置、メンテナンスの実践を適用することで、あらゆる加圧システムの耐用年数を通じて、圧力測定の正確性、信頼性、安全性が確保されます。