知識||差圧変送器による液面測定

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差圧変換器は、工業生産分野で非常に一般的な熱工学測定計器の一種であり、主に液体媒体の圧力を測定するために使用されます。また、液位計、物位計、物位変換器、容量式液位計、容量式物位変換器、物位スイッチ、液位スイッチ、音叉式液位スイッチ、流量などの物理的パラメータも測定できます。現在、工業用自動化生産装置において圧力差変換器の利用範囲はますます広がっていますが、汎用型の計測機器として運用中に故障が発生することもよくあります。生産過程で問題が生じた場合、迅速に対処する必要があります。迅速に対応できなければ、生産の円滑な進行にある程度影響を及ぼし、深刻な故障の場合には人命の安全を危険にさらすことさえあります。本稿は、潤中計器科技有限公司が長年にわたって蓄積してきた経験をもとに、液面測定における圧力差変換器の利用について簡潔に論じたものです。 一、圧力差変換器の動作原理
圧力差変換器は、一般的に密閉された容器内の液面を測定するために使用され、液体自体の重力によって生じる圧力差を利用して容器内の液面高さを測定します。高圧側の測定管（図の上部に位置）は蒸気が凝縮するため、常に水で満たされた状態を保ち、圧力を一定に保つ。一方、低圧側の測定管（図の下部に位置）は容器と連通器を形成し、その圧力は容器内の液面の変化に応じて線形的に変化する。 △Pをトランスミッタが受信する圧力差信号とし、P0を容器内の圧力、P+をトランスミッタの正圧側の圧力、P-をトランスミッタの負圧側の圧力とする；ρは容器内の液体の密度です；gは重力加速度；h1は、プロセスのゼロ点から容器上部の圧力測定ポートまでの高さです；h2は容器のプロセス液面です；hは、トランスミッターからプロセス液面のゼロ点までの高さです。すると、次のようになる：
P+=P0+ρgh1+ρgh
P-=P0+ρgh2+ρgh
△P=P+-P-=ρgh1-ρgh2

液面がh2=0からh2=h1に変化すると、差圧変換器が測定する差圧は最大値からΔP=0に変わる。変換器を設定することにより、出力電流は4mAから20mAに変わる。 二、トランスミッタのゼロ点設定　差圧トランスミッタで液面を測定する際、ゼロ点の設定は非常に重要な要素です。トランスミッタの高圧（H）側、低圧（L）側が現地計測筒の高圧側、低圧側と接続が一致している場合、高圧側の圧力導管は常に水で満たされた状態にあり、トランスミッタの高圧端で測定される圧力はP+kPaとなる。一方、トランスミッタの低圧側は低圧側の圧力導管に接続されており、ここで測定される圧力はP-kPaとなる。したがって、トランスミッタが測定する実際の圧力差は（P+-P-）kPaとなる。タンクの液面が最も低いとき、圧力差は最大となり、これはトランスミッタ内部に設定されているLRV、つまりトランスミッタのゼロ点に対応します。このときトランスミッタの出力電流は4mAです。タンクの液面が最も高いとき、圧力差は0となり、これはトランスミッタ内部に設定されているURV、つまりトランスミッタのフルスケールに対応します。このときトランスミッタの出力電流は20mAです。 トランスミッタの高圧（H）側、低圧（L）側と現地測定筒の高圧側、低圧側の接続が逆になった場合、トランスミッタの内部設定を変更する必要がある。すなわち、トランスミッタのLRVを（P–P+）kPa（この差は負の値）に設定する。つまり、トランスミッタが圧力導管とどのように接続されていても、トランスミッタの満杯値は測定容器の満水水位に対応し、差圧は常に0となる。したがって、トランスミッタの満杯値URVは0kPaとなり、出力電流は20mAとなる。トランスミッタの高圧側が圧力導管の高圧側に接続されている場合、トランスミッタのゼロ点LRVは最大差圧値に設定され、トランスミッタの高圧側が圧力導管の低圧側に接続されている場合、トランスミッタのゼロ点LRVは最大差圧値の負数に設定されます。 三、圧力差変換器の設置要件 液面を正確に測定するためには、圧力差変換器を適切に選定し校正するだけでなく、システム全体の設置が要件を満たしているかにも注意する必要があります。送信器の表示値は、測定システム自体に誤差が生じるため、測定対象となる媒体の実際のパラメータを必ずしも反映しないことがあります。システムの設置要件には、圧力取り出し口の位置、接続用チューブの適切な配置、およびトランスミッターの設置場所などが含まれます。 まず、圧力取り出し口は流体の流れが安定して渦が発生しない領域に設置されるべきであり、工程上、測定したいプロセスパラメータを確実に取得できるようにしなければならない。例えば、圧力差変換器を使ってボイラーのドラム内の水位を測定する場合、ドラム内の実際の水位は軸方向と半径方向で異なる分布を示し、一般的に軸方向では中央部の水位が高く、両側の水位が低くなります；半径方向に沿って、下降管が密な側の方が高い。ある発電所のタービン凝縮器用水位センサーでは、測定ポイントが凝縮ポンプの入口に近い場所に設置されていたため、凝縮ポンプが動作している際にその位置の水面が沈下し、その結果センサーの示値が著しく低くなっていました。その後、測定用筒の位置を凝縮ポンプの入口から離れた場所に移すことで、凝縮器の水位センサーの示値が実際の水位と一致するようになり、凝縮器の安全かつ安定した運転が確保されました。 次に、液面を測定する際、差圧変換器が測定する差圧値は比較的小さく、一般的に数kPaから100kPaの間です。そのため、測定システム全体が測定精度に大きな影響を与えます。図1に示すように、圧力導管を取り付ける際には、その水平部分にはある程度の傾きが必要であり、できるだけ大きな傾きにすることが望ましい。これは、圧力導管内に液体が溜まって測定値が不正確になるのを防ぐためである。また、トランスミッターの測定範囲が非常に狭い場合、このような状況はトランスミッターの出力の変動を引き起こすことになる。また、トランスミッターを運用開始する際には、圧力導入管内の液柱内の気泡をできるだけ除去する必要があります。これらの残留した気体は、測定精度に影響を与えます。導圧管の上部の曲がり角の最も高い位置に排気装置を設置することも検討できる。 四、トランスミッタのゼロ点の移動　差圧トランスミッタを用いて液面を測定する場合、トランスミッタの正圧室と負圧室が容器の圧力取り出し点と同じ水平面上にあれば、ゼロ点の移動は必要ありません。実際の使用においては、機器の設置場所やメンテナンスの容易さなどを考慮して、トランスミッターが必ずしも圧力取り出し点と同じ高さにあるわけではありません；また、測定対象の媒体が強腐食性または高粘度の液体の場合、媒体をそのまま送信機に導入することはできず、隔離液タンクを設置して隔離液を用いて圧力信号を伝達し、送信機が腐食されるのを防がなければならない。このとき、媒体や絶縁液の液柱が送信機の測定値に与える影響を考慮する必要がある。トランスミッタの取り付け位置は、多くの場合最低液面と同じ水平面上にないため、液面の高さを正しく示すためには、差圧トランスミッタにはオフセットという技術的な処理が必要となる。移行には、無移行、負の移行、正の移行がある。 いわゆるトランスミッタの「移行」とは、測定範囲を変えずに、トランスミッタの測定領域を移動させることです。通常、測定開始点を基準点「0」より下に移動させることを、負のマイグレーションと呼ぶ；測定開始点を基準点「0」より上に移動させることを、正のシフトと呼ぶ。30kPaの測定範囲を持つ差圧変換器を例にとると、ドリフトがない場合の測定範囲は0～30kPaであり、100％プラスドリフトの場合は30～60kPa、100％マイナスドリフトの場合は-30～0kPa、50％マイナスドリフトの場合は-15～+15kPaとなる。 実際の操作では、まず差圧変換器の測定範囲を決定し、校正した後に移動ネジを使用して測定開始点またはフルスケール出力を適切な位置に調整するか、手動操作器を使って移動量を直接入力します。例えば、-30～0kPaの差圧を測定する場合、測定範囲は30kPaとなります。変換器の校正時には、負圧室に30kPaの圧力をかけ、差圧変換器のゼロ点調整ノブを操作して出力を4mAにします；その後、負圧室に圧力をかけずに、差圧変換器のレンジノブを調整し、出力が20mAになるまで行います。ハンドヘルダーを使用する場合は、変換器のLRVを-30kPaに、URVを0kPaに設定します。 圧力差変換器の測定範囲は、スケール範囲とオフセット量の合計に等しく、すなわち測定範囲＝スケール範囲＋オフセット量です。したがって、正の移行と負の移行の本質は、差圧変換器の測定範囲の上限値と下限値を変更することであり、測定範囲の大きさ自体は変わらない。差圧変送器が液面の正の移動と負の移動を測定する原理に基づき、実際の運用においては、計器の使用条件や生産装置の工程状況、周囲環境などに応じて、液面測定方法を適宜改善することができる。 潤中計器科技有限公司が製造する容量型トランスミッターは、測定精度が高く、調整も簡単で、トランスミッター自体に故障が発生する可能性は極めて低い。使用を続けた後に指示値に大きな偏差が生じたり、正常に指示しなくなる場合の主な原因としては、高圧側・低圧側の導圧管や三弁ユニットの詰まりや漏れ、移動量の変化、ゼロ点のドリフト、隔離液の流出などが挙げられる。また、トランスミッターが負圧環境下で動作している場合や、測定回路の密封が不十分で外部の空気が測定管路に入り込むことも原因となる。差圧変換器の出力値が過大または過小になった場合、導圧管を三弁アセンブリから切断し、負圧側を大気に開放します。その後、手動ポンプを使って差圧信号を変換器の正圧側に送り、出力が正しいかを確認します。つまり、出力電流が4～20mAであり、誤差が0.8mAを超えないことです。もし変換器の出力が正しければ、導圧管路に詰まりや漏れがあると判断できます。（百度文庫）