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流体解析

流量計設計・オリフィス/ベンチュリ計算機

差圧式流量計（オリフィス・ベンチュリ・ピトー管）の流量計算をリアルタイム実行。ISO 5167準拠でQ-ΔP特性曲線・永久圧力損失比較・GUM法による不確かさ推定を可視化します。

流量計タイプ
パラメータ
管径 D₁
mm
径比 β = D₂/D₁
ISO 5167推奨: 0.3 ≤ β ≤ 0.75
差圧 ΔP
kPa
流体密度 ρ
kg/m³
流量係数 Cd
オリフィス: ≈0.61 / ベンチュリ: ≈0.95–0.99
動粘度 ν
cSt
計算結果
— m³/h
流量 Q
— m/s
管内流速 v₁
—
スロートRe
—
使用Cd
— %
永久圧力損失率
—
レンジアビリティ
± —%
流量不確かさ(95%)
— mm
スロート径 D₂
流量計断面図（概略）
理論・主要公式

差圧式流量計の基本式：

$$Q = C_d \cdot \frac{\pi}{4}D_2^2 \cdot \frac{\sqrt{2\Delta P/\rho}}{\sqrt{1-\beta^4}}$$

流量係数（Reader-Harris/Gallagher, ISO 5167）：

$$C_d = 0.5961 + 0.0261\beta^2 - 0.216\beta^8 + \frac{0.000521(10^6\beta/Re)^{0.7}}{...}$$

合成不確かさ（GUM）：

$$\frac{u_Q}{Q}= \sqrt{\left(\frac{u_{C_d}}{C_d}\right)^2 + \frac{1}{4}\left(\frac{u_{\Delta P}}{\Delta P}\right)^2 + \frac{1}{4}\left(\frac{u_\rho}{\rho}\right)^2}$$

Q–ΔP 特性曲線
流量計タイプ別 永久圧力損失比較

差圧式流量計とは

🙋
オリフィスやベンチュリって、どうやって流量を測るんですか？ただ穴を開けただけに見えるけど…。
🎓
大まかに言うと、流れ道を狭くして「詰まり」を作るんだ。そうすると、その前後で圧力に差（差圧 $\Delta P$）が生じる。この差圧を測れば、ベルヌーイの式から流速や流量が計算できるんだよ。このシミュレーターで、左側の「差圧 $\Delta P$」のスライダーを動かしてみて。流量 $Q$ がリアルタイムでどう変わるか見えるでしょ？
🙋
え、そうなんですか！でも、オリフィスとベンチュリ、形が全然違いますよね。計算式は同じなの？
🎓
基本の式は同じだ。でも、大きな違いは「流量係数 $C_d$」と「永久圧力損失」にある。ベンチュリは流線形だから流れがきれいに剥離せず、$C_d$ が0.98くらいとほぼ理想に近い。でもオリフィスは板に穴を開けただけだから流れが剥離して渦ができ、$C_d$ は0.6くらいになる。上のタブで「ベンチュリ」と「オリフィス」を切り替えて、$C_d$ の値と計算された流量を見比べてみよう。
🙋
「永久圧力損失」って何ですか？シミュレーターの下のグラフに出てきますけど。
🎓
差圧を測った後も元の圧力に完全には戻らず、失われてしまう圧力のことだ。これがポンプのエネルギーコストに直結する。オリフィスは流れが乱れるから損失が大きく、差圧の40〜60%も失われる。一方、ベンチュリは損失が10%程度と小さい。実務では、エネルギーコストが重要な大流量の蒸気や水のラインにはベンチュリ、コスト重視で監視だけしたい場所にはオリフィス、という使い分けが多いね。グラフの「永久圧力損失」バーを比べてみて。

よくある質問

ISO 5167に基づき、オリフィス板ではβ比とレイノルズ数から算出される標準値（例：β=0.5で約0.6）を自動計算します。実測値がある場合は手動入力も可能です。初期値は0.6を推奨します。
差圧式流量計では流体が絞りを通過する際に乱流や摩擦でエネルギーが失われ、差圧とは別に回復しない圧力損失が生じます。この損失はオリフィスで大きく、ベンチュリで小さいため、グラフで比較して選定に活用できます。
使用条件（温度・圧力）における実際の密度をkg/m³で入力してください。理想気体の場合は状態方程式から計算可能です。圧縮性の影響が無視できない場合は、本ツールの非圧縮性モデルでは誤差が生じるため注意が必要です。
ISO 5167ではβ比を0.1～0.75の範囲で推奨しています。一般的な設計では0.3～0.7がよく使われます。βが小さすぎると圧力損失が大きく、大きすぎると差圧が小さくなり測定精度が低下するため、用途に応じて調整してください。

実世界での応用

石油・ガスプラント：パイプライン内の原油や天然ガスの流量監視に広く採用。特にオリフィスはコストが安く、過酷な環境でも交換が容易なため、多数設置される計測点で使われます。

発電所（ボイラー給水・蒸気）：高圧・高温の蒸気や給水流量を測定。エネルギー損失を最小化したい大流量の主蒸気ラインなどでは、永久圧力損失の小さいベンチュリ管が選定されます。

化学プラントのプロセス制御：各種薬液や原料ガスの流量を連続計測し、反応器への供給量を精密に制御。プロセスの安定性と製品品質確保に不可欠です。

ビル空調・地域熱供給：冷水や温水の熱量計測（流量×温度差）の一部として利用。エネルギー管理や課金のための基礎データ取得に使われています。

よくある誤解と注意点

まず、「差圧ΔPが大きければ大きいほど測定精度が上がる」と思っていない？実は大きな落とし穴だ。確かに差圧が小さいと計器の分解能が問題になるけど、必要以上にΔPを大きくすると、径比βが大きくなりすぎて流量係数Cdの不確かさが増大したり、永久圧力損失が莫大になってエネルギーコストが跳ね上がる。例えば、蒸気ラインでΔPを1MPaも設定すると、それだけでボイラーの燃料費が年間数百万円単位で増えることも。実務では、最大流量時のΔPをフルスケールで20〜100kPa程度に収めるのがバランスの良い設計の目安だよ。

次に、流体の物性値（密度ρ）を固定値で考えがちな点。このシミュレーターでも「密度」は入力パラメータだけど、実際の現場では温度や圧力で大きく変わる。例えば、同じ質量流量の飽和蒸気でも、圧力が1MPaから0.5MPaに下がると、体積流量は約1.7倍になる。つまり、温度・圧力補正をしないと、流量表示は大きく狂ってしまう。必ず温度・圧力センサーと連動させて、リアルタイムで密度を補正する仕組みが必要なんだ。

最後に、「ISO 5167に準拠すれば、どこでも同じ精度が出る」という過信。規格が保証するのは、「特定の取り付け条件（直管長さ、管内面粗さなど）を満たした場合」の精度だ。例えば、オリフィス板の直前にエルボや弁があると、流れが乱れて規格通りのCdが得られない。最低でも上流側に10D〜30D（管径の10〜30倍）の直管長が必要で、場合によっては整流板の設置も検討する。シミュレーターで理想的な流量が計算できても、現場の配管レイアウトが「非理想」なら、その通りには動かないことを肝に銘じておこう。

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