圧力センサーベーシック #11:圧力測定による流動率の計算
 
圧力測定による流動率の計算
液体流体は液体やガスの動きによって起こり、圧力センサーは液体流体の多くの側面を決定する重要な役割を担っています。流体力学は液体流体に影響を与えるパラメーターを理解する方法を提供します。

基本的な流体力学
レイノズル係数は、流体パターンを予測するために使われる次元のない速度値です。これは慣性力(ρ u L)や粘性、摩擦力(μ)の関数です。


粘性と非粘性の流体
粘性流体は、エネルギー損失(加えて温度上昇)になりますが、理想流体はエネルギー損失のない非粘性流体です。


層流と乱流
層流では、粒子運動は非常に均一/一定で容器面に対して水平直線となり、非常に予測が容易となります。乱流では、ランダム運動は渦流となり、予想しにくい流れとなります。遷移流と呼ばれる層流と乱流の混合は容器の中心に乱流があったり、端に層流のあるパイプや他の容器内で起こります。粘性のある流体は層流となりやすく、レイノルズ係数が低い傾向があります。


圧縮可/非圧縮可流体
加えられる圧力によって密度が変化する圧縮可能流体と違って、非圧縮流体では密度は時間と空間において一定です。
ベルヌーイ方程式は圧力測定における流体速度を決定するのに使用されます。これは一定温度で、非粘性、一定の非圧縮流で始まります。
P + ½ρv2 + ρgy = 一定
P = 圧力
v = 速度
ρ = 液体の密度
g = 重力
y = 高さ
ベンチュリ効果は速度によって増加し、流体が絞られる時に起こります。ベンチュリメーターはベルヌーイ方程式の応用例です。一般的な絞り方のタイプには、オリフィスプレートやベンチュリ管、ノズル、そして圧力差を簡単に測定できる構造があります。


パイプ/チューブでの流体
層流と乱流、流速、動粘度係数、液体のレイノルズ係数、パイプ内の内部粗度とパイプ直径や長さや形を含むいくつかの要因が、流体応用例で起こる圧力低下を決定します。オリフィスプレート、ベンチュリ管やノズルは状況を簡素にします。これらの場合では(図1参照)、フローは以下の方程式のΔP (P1-P2)に関係しています。
q = cd π/4 D22 [2(P1 - P2) / ρ(1 - d4) ]1/2
ただし
qはm3/sでのフロー
cDは流量係数, 面積非= A2 / A1
P1 とP2は N/m2での値
ρはkg/m3での液体密度
D2はオリフィス、ベンチュリノズルの内径 (m)
p1"> D1は上流と下流のパイプ直径 (m)
d = D2 / D1直径比


図1 ΔP流動測定の要素

図2 飛行速度を測定するために使用されるピトー静圧やプラントル管
 
ウォーターハンマーは、突然の流体速度低下や圧力波がパイプを往復するのにかかる時間によって引き起こされる衝撃です。ジューコフスキーインパルス方程式は、バルブに接触する瞬間に流体速度がゼロになる時の結果圧力を計算するのに使用されます。
∆P = ρ·c·∆V
In psf
リジッドパイプでは圧力波速や波速cは以下の式で求められます。
c = √ EB/ρ
ただし、Ebはpsfの流体のバルク部分で、ρは流体の密度です。
 
特定の応用例での測定
医療分野では、ベンチレーター流量制御に関する気流測定や、治療のためのガスや液体の流量測定、肺活量計といった分野で使用さています。例えば、肺活量計や人工呼吸器の差圧は通常4kPaで、ベンチレーターでは通常25 cm H2Oです。いずれの場合でも、それた値は非常に低く必要とされる精度や正確さを達成するために、圧力測定においての圧力センサーは特別な考慮が必要となります。
 
 
空気調節システム(HVAC)
清潔で加熱時の消費電力が低い換気や空気調節(HVAC)システムは、交換の必要なフィルターを見つけるためにフィルターの監視が必要です。通常の動作圧力は0.1~1 H2Oの範囲内です。アメリカ暖房冷凍空調学会の最小効率報告値やMERV値は空気フィルターの効率性を測定します。空気フィルターを通る事による圧力低下の測定は、モーターによる不必要な電力消費を最小にします。
 
 
流体計算やシミュレーションのためのツール
Efunda, KAHN, LMNO Engineering, valvias, Pressure Drop Online-Calculatorによるオンライン計算ツールやその他のツールがあります。さらにいくつかの企業は、ANSYS, Applied Flow Technology, Autodesk, MathWorks, SOLIDWORKSなどを含む、コンピューターによる流体力学に関するシミュレーションツールや、流体に関する精巧で複雑な問題をより深く探究するためのサービスが提供されています。