実際に必要な圧力計はどのようなものですか?また、それを正しく選択するにはどうすればよいですか?

圧力計 は、あらゆる産業施設に最も一般的に設置される機器の 1 つですが、最も頻繁に指定ミスが行われる機器の 1 つでもあります。プロセスプラント、圧縮空気システム、または油圧回路を歩けば、圧力計を目にするでしょう。正確かつ確実に測定できるものもあれば、可読性を超えて振動しているもの、互換性のないプロセス媒体によって腐食しているもの、または単に用途に対して間違った圧力範囲に設置されているものもあります。その結果は、不便なゲージ（ゲージが読めず、有用な情報が得られない）から、誤って指定されたゲージが過圧条件下で構造的に故障する危険なものまで多岐にわたります。さまざまな種類の圧力計、特定の用途への適合性を決定する仕様、耐用年数を延ばす設置とメンテナンスの実践について理解することは、あらゆる種類の加圧システムを扱うプロセス エンジニア、メンテナンス技術者、計装専門家にとっての基礎知識です。

圧力計の仕組み: 主要な測定原理

ほとんどの工業用圧力計は、加えられた圧力によって変形する機械的な感知要素を使用しています。感知要素の弾性変形は、校正されたスケール上を移動するポインタに機械的にリンクされており、物理的な変形を読み取り可能な圧力表示に変換します。ブルドン管は、工業用ゲージで最も広く使用されている検出素子です。ブルドン管は、楕円形または楕円形の断面を持つ湾曲またはらせん状の管で、一端が密閉され (ポインタ機構に接続され)、もう一端が開いています (プロセス接続に接続)。内圧がかかると、チューブはその湾曲した形状に作用する圧力差によって真っ直ぐになる傾向があり、この真っすぐになる動きは、ムーブメントと呼ばれる歯車とレバーの機構によって増幅され、スケール上で指針を動かします。ブルドン管の優雅さは、シンプルさ、信頼性、幅広い圧力範囲機能の組み合わせにあります。ブルドン管ゲージは、管の材質、壁の厚さ、形状に応じて、1 bar 未満から 10,000 bar を超える圧力を正確に測定します。

ブルドン管では十分な感度が不足する低圧力範囲 (通常は 0.6 bar 未満) の場合は、代わりにダイヤフラムおよびカプセル感知素子が使用されます。ダイヤフラム ゲージは、2 つのフランジの間にクランプされた薄い波形ディスクを検出要素として使用します。ダイヤフラムの片面に圧力がかかるとダイヤフラムがたわみ、このたわみが指針機構に伝わります。カプセル ゲージは、周囲で溶接された 2 つの波形ダイアフラムを使用して密閉カプセルを形成します。外部または内部に加えられる圧力によってカプセルが膨張または収縮し、非常に低い圧力差の測定では単一のダイアフラムよりも高い感度が得られます。これらのセンシング技術は、ゲージの基本的な圧力範囲能力を決定するものであり、他の仕様を考慮する前に、予想されるプロセス圧力範囲に一致させる必要があります。

圧力測定の種類とその意味

圧力ゲージを選択する前に、ゲージ圧、絶対圧、または差圧のどのタイプの圧力が測定されているかを理解することが重要です。これらは基本的に異なる量であり、異なるゲージタイプが必要であり、補正なしでは直接比較できない結果が得られるためです。

• ゲージ圧 (PSIG / bar g): 現地の大気圧を基準とした圧力を測定します。これは産業用途で最も一般的なタイプです。ゲージ圧力の読み取り値が 0 の場合は、測定された圧力が大気圧に等しいことを意味し、システムが真空であることを意味しません。圧縮空気システム、油圧回路、蒸気ライン、給水システムはすべて、通常、ゲージ圧計器で監視されます。ゲージの基準ポート (存在する場合) は、基準を提供するために大気に開放されています。
• 絶対圧力 (PSIA / bar a): 完全な真空 (ゼロ圧力) を基準とした圧力を測定します。熱力学計算、蒸気圧測定、または高度補正測定に絶対圧力値が必要なアプリケーションで使用されます。絶対圧力計には、大気圧の基準ポートではなく、真空の密閉された基準チャンバーがあります。絶対圧力測定アプリケーションの例としては、気象気圧計や真空システム モニターがあります。
• 差圧（ΔP）： いずれかの点の絶対圧力に関係なく、システム内の 2 点間の圧力差を測定します。フィルター状態の監視 (ΔP の増加はフィルターの負荷を示す場合)、流量測定 (オリフィス プレートまたはベンチュリにわたる差圧が流量の 2 乗に比例する場合)、および加圧容器内のレベル測定に使用されます。差圧計には 2 つのプロセス接続 (高圧側と低圧側) があり、2 つの差を表示します。
• 真空測定： 大気圧よりも低い圧力は、負のゲージ圧 (特殊なスケールでは水銀柱インチまたは真空ミリバールで示される場合もあります)、またはゼロに近づく絶対圧力で測定されます。真空計は、真空範囲を読み取るように校正されたブルドン管またはダイヤフラムを使用し、通常、目盛は -1 bar (または -29.9 inHg) からゼロまでとなります。

圧力計選定の主な仕様

アプリケーションに適した圧力計を選択するには、一連の相互依存する仕様をプロセス条件、設置環境、測定点の精度要件に適合させる必要があります。次の表は、最も重要なパラメータとその実際的な重要性をまとめたものです。

圧力範囲の選択: 3 分の 2 ルール

ゲージの圧力範囲は、通常の動作圧力がスケールの中央 3 分の 1 以内に収まるように選択する必要があります。通常はフルスケール圧力の 25% ～ 75% であり、理想的な動作点はフルスケールの約 50 ～ 65% です。ゲージを常にその範囲の上限で動作させると、検出素子がその弾性限界に近い応力にさらされ、疲労が加速し、耐用年数が短くなります。範囲の一番下で操作すると、読み取り分解能が低下し、微妙な圧力変化の検出が困難になります。範囲の下限は、ゲージの指定された過圧力制限 (通常、標準ゲージのフルスケールの 130%) を超えることなく、予想される圧力過渡現象またはサージ条件に対応する必要があります。

プロセス互換性のための接液部材料の選択

圧力計の接液材料 (ブルドン管、ソケット (プロセス接続本体)、および内部の接液フィッティング) は、プロセス流体と化学的に適合する必要があります。不適合性により、検出素子の腐食や応力腐食割れが発生し、測定値のドリフト、構造的破損、または突然の破損を引き起こし、加圧されたプロセス流体がゲージケースから放出される可能性があります。以下の材料選択ガイダンスは、最も一般的な工業用流体のカテゴリーをカバーしています。

• 真鍮（銅合金）： 水、蒸気、空気、窒素、中性ガスなどの非腐食性流体用の標準接液部材質。アンモニア (銅合金の応力腐食割れを引き起こす)、アセチレン (爆発性の銅アセチリドを生成する)、または強酸性またはアルカリ性の媒体には適していません。真鍮の接液ゲージは低コストであり、一般的な公共サービス用途の大部分に適切な仕様です。
• 316 ステンレス鋼: 化学プロセスサービス、食品および医薬品用途、海水、塩水、弱酸性またはアルカリ性流体の標準材料です。幅広い工業用化学薬品に対して耐食性を備え、塩化物孔食の原因となる高濃度および高温の塩酸を除くほとんどの酸と互換性があります。油汚れによる発火の危険性があるため真鍮は使用が禁止されている酸素サービスゲージの標準材質でもあります。
• モネル（Ni-Cu合金）： ステンレス鋼では孔食や全体的な腐食によって破損する可能性があるフッ化水素酸サービスおよび特定の腐食性の高い鉱酸用途向けに仕様化されています。また、塩化物と酸素の組み合わせにより特に激しい腐食状態が生じる海水や海洋用途でも使用されており、隙間が生じやすいゲージ内部ではステンレス鋼では十分に耐えられない可能性があります。
• ハステロイC276： 他のすべての標準材料では許容できないほど腐食する濃硫酸、塩酸、塩素ガス、混酸などの最も要求の厳しい腐食用途向けの高性能ニッケル-モリブデン-クロム合金。ステンレス鋼よりも大幅に高価ですが、代替品が数日または数週間で故障するような状況でも耐用年数を提供します。
• ダイヤフラムシール（ケミカルシール）： ゲージの内部通路を遮断または攻撃する非常に攻撃的な流体、高粘度の媒体、スラリー、または結晶化流体の場合、ダイヤフラム シール (ケミカル シールまたはリモート ダイヤフラムとも呼ばれます) がゲージをプロセス流体から完全に分離します。シールは、シリコーン オイルやグリセリンなどの非腐食性油圧充填流体を介してダイヤフラムからゲージに圧力を伝達する充填流体システムに結合された柔軟なダイヤフラム (プロセス流体と互換性のある材料で作られた) で構成されています。ゲージ自体は、プロセス媒体ではなく充填流体のみと接触します。

液体充填ゲージ: いつ、そしてなぜ使用するのか

液体充填圧力計 (通常はグリセリン (グリセロール) またはシリコーン オイルが充填されています) は、脈動圧力や振動を伴う用途、またはポンプ、コンプレッサー、レシプロ エンジンなどの振動機器にゲージが直接取り付けられる用途向けに仕様化されています。液体充填には 2 つの明確な利点があります。圧力脈動によって引き起こされる指針の振動 (これにより、乾燥ゲージの指針が目に見えて振動し、読み取りが不可能になると同時にムーブメントの摩耗が促進されます) が減衰されます。もう 1 つは、ムーブメントの機構を潤滑して、ギアやレバーのコンポーネントの振動による微小な動きによる摩擦と摩耗を軽減します。

グリセリン充填ゲージは、周囲温度および中程度の温度 (通常は -20°C ～ 60°C) に適していますが、グリセリンは含水量に応じて約 -12°C (純粋なグリセリン) ～ -40°C で凍結するため、凍結温度が発生する屋外設置には適していません。シリコン充填ゲージは、通常 -60 °C ～ 200 °C の非常に広い温度範囲に対応しており、寒冷地での屋外設置、高温での使用用途、またはプロセス プラントの筐体内でゲージが直接太陽熱にさらされる可能性がある場所に最適です。どちらの充填タイプでも、ゲージケースと窓の背面と側面は不透明になりますが、前面は透明で読み取りが可能です。グリセリンおよびシリコン充填ゲージは乾式ゲージよりも高価であり、充填液の損失を防ぐために密閉ケースが必要です。したがって、ケースの材質と窓の密閉品質は、乾燥同等のゲージよりも充填ゲージの方が重要な品質パラメータとなります。

精度クラスとより高い精度が重要な場合

圧力計の精度は、その精度クラスによって定義されます。これは、基準条件（通常、周囲 20°C、直立設置）下でスケール上の任意の点で測定されたフルスケール範囲のパーセンテージとして最大許容誤差を表す数値です。 0 ～ 10 bar の範囲を持つクラス 1.0 ゲージの最大許容誤差は、スケール上のどの点でも ±0.1 bar です。同じ範囲のクラス 2.5 ゲージの最大許容誤差は ±0.25 bar で、精度は 2.5 分の 1 です。クラス指定は、ヨーロッパの慣例では EN 837 規格、北米の慣例では ASME B40.100 に従います。

ほとんどのプロセス監視および安全表示アプリケーションでは、精度クラス 1.6 またはクラス 2.5 で十分です。このゲージは、プロセス状態を監視し、傾向を特定し、重大な逸脱をオペレータに警告するのに十分な精度を提供します。ゲージの読み取り値がプロセス制御の決定、設定値の検証、または校正基準に直接使用されるアプリケーションの場合、クラス 1.0 以上が適切です。校正基準として使用されるテスト ゲージは通常、クラス 0.25 またはクラス 0.1 で、精密な動きと大きなダイヤル直径を備えており、目盛りマーク間の読み取り値を補間するためのより細かい目盛りが可能です。一般的なプロセス監視用途に高精度のクラス 0.25 ゲージを指定することは、経済的に無駄であり、運用上も不必要です。アプリケーションでより高い精度が必要ない場合、追加コストは運用上何のメリットもありません。また、精密ゲージは、ほとんどの産業環境に存在する脈動や振動による損傷を受けやすくなります。

信頼性の高いゲージのパフォーマンスのための設置のベスト プラクティス

正しく指定された圧力計を正しく取り付けても、定格性能や耐用年数を発揮できません。いくつかの設置方法により、産業用途におけるゲージの故障と不正確さの最も一般的な原因を一貫して防止できます。

• プロセスとゲージの間に圧力計隔離バルブ (ゲージコック) を取り付けます。 ゲージ接続ラインのニードルバルブまたはボールバルブにより、システムをシャットダウンすることなく、メンテナンス、交換、またはゼロ調整のプロセスからゲージを隔離することができます。この 1 つの追加により、定期的なゲージのメンテナンスによって引き起こされる運用の中断が大幅に軽減され、プロセスを中断することなく校正のためのゲージの取り外しが可能になります。
• 脈動システムには脈動ダンパーまたは制限ネジを取り付けます。 液体で満たされたゲージでは脈動を管理するのに不十分な往復ポンプまたはコンプレッサーの吐出ライン上のゲージの場合、油圧スナバ (ゲージへの圧力伝達を遅らせる、制限されたオリフィスまたは焼結ディスクを備えたデバイス) が、定常状態の読み取り精度に影響を与えることなく、急速な圧力過渡現象を吸収します。
• スチームサービスにはサイフォン (ピッグテール) を使用します。 圧力計 on steam lines must be protected from direct contact with high-temperature steam, which would overheat the Bourdon tube and accelerate material creep and fatigue. A pigtail siphon — a coiled or U-shaped section of tubing installed between the steam line and the gauge — traps condensate that forms a water barrier, protecting the gauge from steam temperature while still transmitting steam pressure accurately. The siphon must be filled with water before the gauge is put into service.
• 特に指定がない限り、ゲージは垂直に取り付けてください。 ほとんどの圧力計は、直立位置 (ダイヤルが正面を向き、プロセス接続が下部) で校正されます。ゲージを標準以外の方向、特に水平または逆さまに設置すると、ばねの力に対して異なる方向に作用する動作コンポーネントの重量により、重力によるゼロ シフトが発生します。垂直以外の設置が必要な場合は、ゲージを設置方向でゼロ調整するか、方向による重力の影響を補償する密閉された液体で満たされた動作を備えたゲージを指定する必要があります。
• 適切なネジ山シーラントをプロセス接続に塗布します。 ゲージのプロセス接続ねじには、プロセス流体と温度に適した PTFE テープまたは液体ねじシーラントを使用してください。シーラントは雄ねじにのみ塗布してください。ゲージ内部に入り込んで圧力通路を妨げる可能性があるゲージソケット内には決して塗布しないでください。ソケットの六角平坦部でゲージを手で締め、レンチを使用して 1 ～ 2 回転加えて締め付けます。ゲージ ケースは決して締め付けないでください。ゲージ ケースはねじ締めのねじり荷重に耐えるように設計されていないため、締め付け面として使用すると亀裂や歪みが生じます。

圧力計のメンテナンス、校正、交換

圧力計は多くの場合、恒久的に設置されたメンテナンス不要の機器として扱われます。このアプローチでは、機械的には無傷でも測定値が不正確になるゲージや、劣化が検出されずに警告なしに構造的に故障するゲージが発生します。系統的なメンテナンス手法により、加圧システム環境における測定の完全性と作業員の安全の両方が保護されます。

校正検証（スケール全体の複数の点で認定基準ゲージまたは重錘テスターとゲージの読み取り値を比較する）は、測定の重要性とゲージの履歴安定性によって決定される間隔で、プロセス制御または安全機能に使用されるすべてのゲージで実行する必要があります。ボイラー圧力表示、圧力容器リリーフバルブ設定値検証、圧縮ガスシリンダーゲージなどの安全性が重要なアプリケーションの場合、通常、年に一度の校正検証が最小許容間隔であり、過酷な環境やハイサイクルサービスでのゲージのチェックをより頻繁に行います。

• ゲージの即時交換が必要な兆候: 圧力を解放しても指針がゼロに戻らない (検出要素の永久的な変形を示します)。窓がひび割れたり曇ったりして読書ができない。ケース、接続部、または文字盤に目に見える腐食。液体が満たされたゲージからの液体の漏れを埋める（湿気の侵入を可能にするケースシールの欠陥を示します）。または、基準ゲージとゲージの精度クラス許容差を超えて異なる測定値。
• ゲージの安全な取り外し手順: 遮断弁（ゲージコック）を閉じてゲージをライン圧力から遮断します。ゲージの接続をゆっくりと緩めます。隔離バルブが確実な遮断タイプでない場合は、ドレンまたはベントから圧力が抜けるまで完全に取り外さないでください。特定のプロセス流体に適切な PPE (腐食性サービスの場合はフェイス シールドと耐薬品性手袋、蒸気サービスの場合は耐熱手袋) を着用してください。隔離バルブが閉じられていること、およびゲージ接続部に閉じ込められた圧力が安全に排出されていることを最初に確認することなく、加圧ラインから圧力ゲージを取り外そうとしないでください。

圧力計は一見単純な機器ですが、指定が間違っていたり、設置が不適切であったり、保守が不十分であったりすると、単純とは言えない結果が生じます。ゲージのタイプ、圧力範囲、接液材料、充填、精度クラス、およびケースの評価を各測定点の特定のプロセス条件および環境要求に適合させる工学的規律と、体系的な設置、校正、および交換の実践との組み合わせは、あらゆる産業施設のあらゆる加圧システムにわたる信頼性の高い圧力測定の基礎となります。