差圧伝送器とは？仕組み・流量と液面の測り方・導圧管のトラブル

差圧伝送器は、配管やタンクの2か所の圧力の差（差圧）を測り、4-20mAなどの電気信号にして計器室へ送る現場計器です。オリフィスの前後の差圧なら流量、タンクの底と上部の差圧なら液面になり、圧力をどこから取り出すかで測る量が変わります。

流量は差圧の平方根に比例するので伝送器の中で「開平」という計算をかけ、液面は差圧＝密度×重力加速度×高さの関係から高さを求めます。現場のトラブルの多くは本体ではなく、差圧を伝える細い配管（導圧管）の詰まりやガス溜まりから起こります。

この記事の内容は、動画でも解説しています。

差圧伝送器とは

差圧伝送器とは、高圧側（H側）と低圧側（L側）の2つの受圧口にかかる圧力の差を測り、その大きさを統一信号で送り出す計器です。P&ID（配管計装図）で流量のFT、液面のLT、差圧のPDTと書かれる計器の多くは、中身が同じ差圧伝送器です。

同じく差圧を測るマノメーターや差圧計は、その場で目盛を読むための計器です。差圧伝送器は値を電流に変えて、離れた計器室のDCS（分散制御システム）や記録計へ送り、制御や警報に使える点が違います。

出力は測定範囲の0%を4mA、100%を20mAに割り当てる4-20mAが一般的で、液面なら空のタンクが4mA、満のタンクが20mAになります。2本の電線で電源と信号を兼ねるため、現場の計器箱から計器室まで長い距離をつないでも値が落ちにくい方式です。

図1：差圧伝送器が値を届ける流れ

配管の2か所の圧力の差を受けて、電流の信号で計器室へ送ります。

※H側・L側の取り出し位置は、流量・液面など測る量によって変わります（次の章）。

差圧伝送器で測れるもの

差圧伝送器で測る代表的な量は、流量・液面・ストレーナやフィルタの目詰まりの3つです。どれも伝送器が受けるのは差圧だけで、圧力の取り出し位置と差圧の換算方法の組み合わせで、何の計器になるかが決まります。

図2：差圧伝送器で測る3つの量

伝送器は同じでも、差圧が表す中身は用途ごとに違います。

FLOW流量オリフィスなど絞りの前後の差圧。流量の2乗に比例するので開平して流量にする

LEVEL液面タンク底と上部の差圧。液柱の重さなので、密度で割って高さにする

CLOG目詰まりストレーナ・フィルタの入口と出口の差圧。換算せず、清浄時からの増え方を見る

用途	H側の取り出し	L側の取り出し	差圧が表すもの	流量・液面への直し方
流量	オリフィスの上流	オリフィスの下流	流れの速さ（流量の2乗に比例）	開平演算で流量に比例させる
液面（開放タンク）	タンク底	大気	液柱の重さ	高さ＝差圧÷（密度×重力加速度）
液面（密閉タンク）	タンク底	タンク上部の気相	液柱の重さ（気相の圧力は打ち消し合う）	開放タンクと同じ
目詰まり	ストレーナ・フィルタの入口	ストレーナ・フィルタの出口	通過時の圧力損失	差圧のまま清浄時の値と比べる

目詰まりの監視だけは換算がいらず、差圧の値そのものを清浄時と比べます。差圧は流れる量でも変わるため、ストレーナの目詰まりの見方では同じ流量のときの差圧どうしで比べるのが基本です。

差圧伝送器の仕組み

差圧伝送器は、圧力を受ける受圧部と、信号を計算して送り出す変換部（アンプ部）でできています。受圧部ではH側とL側の圧力が薄い金属のダイアフラム（隔膜）にかかり、両側の圧力の差の分だけ中のセンサがゆがみます。

図3：差圧伝送器の中の構造

プロセスの流体はセンサに触れず、封入液を通して圧力が伝わります。

※センサの方式（シリコン共振式・静電容量式など）はメーカーと機種によって違います。

ダイアフラムの内側には封入液が閉じ込められていて、腐食性の液や高温の流体でもセンサに直接触れずに圧力だけが届きます。変換部は、センサの信号を設定した範囲の0〜100%に直し、必要なら開平をかけてから4-20mAで出力します。

図4：圧力が信号になるまでの6段階

受圧部で差圧を受け、変換部で計算して送り出します。

01圧力を受けるH側・L側のダイアフラムに導圧管から圧力がかかる

02封入液で伝えるダイアフラムの内側の液が、差圧だけをセンサに伝える

03センサが信号に変えるセンサのゆがみを、周波数や電気容量などの変化として取り出す

04範囲に合わせて計算4mAと20mAの点を当てはめ、流量なら開平、低流量はローカット

05電流で出力4-20mAで送る。HART対応なら設定や診断の情報も重ねる

06計器室で使うDCSや記録計が流量・液面として表示し、制御や警報に使う

センサの例：シリコン共振式

横河電機のDPharpは、シリコンのダイアフラムに2つの共振子（決まった周波数で振動する素子）を載せたシリコン共振式です。差圧がかかると一方の共振子の周波数が上がってもう一方が下がるため、2つの差を取ると差圧、和を取ると静圧（配管内の圧力そのもの）が求まります。

周波数はカウンタで直接数えられるので、アナログの値をデジタルに変えるときの誤差が出ない点を、横河は技報で利点に挙げています。差圧と静圧を1つのセンサで同時に測れることは、後で触れる導圧管の詰まり診断にも使われています。

測定範囲と精度の読み方

伝送器には4mAにする下限（LRV）と20mAにする上限（URV）を設定し、この幅をスパンと呼びます。測れる範囲は受圧部（カプセル）ごとに決まっており、横河のEJXシリーズの技報では4種類のカプセルで0.1kPa〜14MPaの範囲を分担しています。

精度も機種と条件で変わり、横河のEJA-Eシリーズの製品ページは精度を最高±0.04%、安定性を最高±0.1%/10年としています。カタログの値は最も良い条件での数字なので、選ぶときは実際に使うスパンと静圧での精度を仕様書で確かめます。

差圧伝送器による流量の測り方

差圧で流量を測るときは、差圧の平方根を取る「開平演算」が欠かせません。オリフィスなどの絞りの前後にできる差圧は流量の2乗に比例するため、差圧のまま出力すると目盛と流量が比例しないからです。

図5：オリフィスで差圧を作る流量計の構成

絞りの上流と下流から圧力を取り出し、下に置いた伝送器に導きます。

※液体の流量を測る例。伝送器を取り出し口より下に置く理由は「導圧管のトラブルと対策」の章で扱います。

オリフィスで差圧を作る

オリフィスは、中央に穴のあいた板を配管のフランジの間に挟み、流れを絞って前後に差圧を発生させる部品です。液体・気体・蒸気のどれにも使え、可動部がなく故障しにくいことから、プロセス工業の流量計として広く使われています。

穴の径はJIS Z 8762-2に基づくオリフィス計算で決め、計算には流体の密度・圧力・温度、配管内径、最大流量、最大差圧が必要です。圧力の取り出し方にはフランジタップとD・D/2タップがあり、上流側には規格の表で決まる長さの直管を設けます。

開平演算で差圧を流量に直す

差圧が流量の2乗に比例するので、流量が50%のとき差圧は25%、流量が10%のときの差圧はわずか1%です。伝送器か受信側で開平をかけると、差圧25%を流量50%として出力でき、目盛と流量が比例します。

図6：流量と差圧の関係（開平をかける前）

流量の％に対して、伝送器が受ける差圧の％は2乗で小さくなります。

棒＝最大流量のときの差圧を100%とした差圧の大きさ

流量100%

流量75%

差圧56.25%

流量50%

差圧25%

流量25%

差圧6.25%

流量10%

差圧1%

※流量100%のときの差圧は100%。差圧＝流量の2乗（0.5×0.5＝0.25）で計算した値です。

注意したいのは、開平を伝送器と受信側の両方でかけたり、どちらでもかけなかったりする設定の食い違いです。どこで開平するかを計器リストで1か所に決めておくと防げ、考え方はリニアライザによる折れ線補正と同じく、非線形の信号を測りたい量に比例させる処理です。

低流量のローカット

開平は低流量ほど傾きが急になり、差圧のわずかな揺れが流量の大きな振れになって出力が不安定になります。そこで設定した流量より下を0とみなすローカットを使い、横河のDPharpでは設定点を流量の0〜20%で選べて、ヒステリシス（戻りの幅）は1%に固定されています。

ローカットを高く設定しすぎると、実際に流れている少量の流れまで0と扱われ、その分だけ積算流量が少なく出ます。ゼロ付近の振れを消せる最小限の値にとどめ、運転で使う最小流量がローカットより上にあることを確かめておきます。

差圧伝送器による液面の測り方

液面は、タンク底の圧力が液の高さに比例する性質を使い、差圧＝密度×重力加速度×高さ（ΔP＝ρgh）から高さを求めます。水なら高さ1mで約9.8kPaなので、0〜2mの水位は0〜約19.6kPaの差圧として測れます。

図7：開放タンクと密閉タンクの接続

密閉タンクはL側を気相につなぎ、気相の圧力を打ち消します。

※H側はタンク底の取り出し口、L側は開放タンクなら大気、密閉タンクならタンク上部です。

開放タンクではL側を大気に開放し、H側だけをタンク底の取り出し口につなぎます。密閉タンクでL側をタンク上部の気相につなぐと、気相の圧力がH側とL側に同じだけかかって打ち消し合い、液の高さの分だけが差圧として残ります。

同じ高さでも液の密度が変われば差圧も変わるため、レンジは比重を入れて計算します。比重1.2の液は高さ1mで約11.8kPaになるので、水のレンジのままだと液面を2割高く表示し、その値でレベル制御をすればポンプの発停もずれます。

伝送器の取付高さとゼロ点

伝送器をタンクの取り出し口より下に付けると、空のタンクでも伝送器までの導圧管の液柱の圧力がH側にかかります。この分だけ4mAの点（LRV）を上へずらす設定をゼロサプレッションと呼び、レンジはタンク高さ・比重・取付高さの3つから決まります。

図8：取付高さを入れたレンジの計算例

水・測定範囲0〜2m・伝送器が取り出し口より0.5m下の開放タンクの例です。

01取付高さの分0.5m×9.8kPa/m＝4.9kPa。空でも常にかかる圧力

02液面0mのとき差圧は4.9kPa。これを4mAの点（LRV）にする

03液面2mのとき4.9＋2×9.8＝24.5kPa。これを20mAの点（URV）にする

設定は 4.9〜24.5kPa（スパン19.6kPa）。0〜19.6kPaのまま使うと、液面は常に0.5m分高く表示される

※水の密度を1,000kg/m³、重力加速度を9.8m/s²として計算しています。

ドライレグとウェットレグ

密閉タンクのL側導圧管を気体のままにする方式をドライレグ、液で満たしておく方式をウェットレグと呼びます。蒸気や凝縮しやすいガスをドライレグにすると、L側に凝縮した液が少しずつたまって指示が下がるため、ドリップレッグ（液だめ）とドレン弁で液を抜ける形にします。

ウェットレグはL側に常に液柱がかかるので、差圧は空のときに最も大きな負の値になり、液面が上がるほど0に近づきます。4mAと20mAの点をどちらも負の側に設定し、L側の液が蒸発して減っていないかを定期的に確かめる必要があります。

ダイアフラムシールとキャピラリ

腐食性や高温の液、導圧管の中で固まりやすい液には、タンクのフランジに直接付けるダイアフラムシールを使い、細い管（キャピラリ）の封入液で圧力を伝えます。横河のEJA-Eシリーズにも、ダイアフラムシール付きのフランジ取付形がそろっています。

封入液は温度で密度が変わるため、キャピラリが長いほど、また日なたと日陰でH側とL側の温度が違うほど誤差が出ます。対策には両側のキャピラリを同じ長さにそろえるバランス形のほか、2台の圧力センサを電気ケーブルで結ぶ方式もあり、横河のEJXC40Aはケーブル最長45mです。

導圧管のトラブルと対策

差圧式流量計の不具合は伝送器本体より導圧管で多く起こり、内訳は詰まり・漏れ・腐食で、件数では詰まりがいちばんの問題とされています（計測自動制御学会の論文、2007年）。漏れは見て分かり腐食はゆっくり進むのに対し、詰まりは外から見えず、定期点検で見つけているのが現状です。

図9：指示の症状から疑う導圧管の箇所

症状ごとに、先に見る箇所の目安を並べました。

指示がほとんど動かない導圧管・元弁の詰まり。流量が変わっても揺れが小さくなったら要注意

ゼロ点がずれる・偏る液ラインのガス溜まり、気体ラインの液溜まり、H側とL側の液柱や温度の差

指示が低い・不安定継手やドレン弁からの漏れ、均圧弁のシート漏れ。H側の漏れは差圧を小さく見せる

冬に指示が固まる・飛ぶ導圧管や受圧部の凍結。保温・トレース（加温配管）の切れや不足を見る

※あくまで切り分けの入口です。原因の確定は、均圧してのゼロ確認や導圧管のブローで確かめます。

どの症状でも、三方弁で両側を均圧して出力が4mAに戻るかを見ると、伝送器と導圧管のどちらが原因かを切り分けられます。均圧しても4mAにならなければ伝送器側、4mAになるのに運転中の値がおかしければ導圧管かプロセス側を疑います。

液体と気体で逆になる導圧管の勾配

液体を測るときは伝送器を取り出し口より下に置き、伝送器から取り出し口へ向かって上り勾配にして、入り込んだ気泡を配管側へ逃がします。気体では反対に伝送器を上に置いて下り勾配にし、凝縮した液を配管へ戻すようにします。

図10：液体と気体での伝送器の位置と勾配

液体は気泡を上へ、気体は液を下へ逃がす向きに導圧管を傾けます。

※勾配は1mあたり8cm以上が目安（Rosemount 3051 取扱説明書）。液体ラインに高い点、気体ラインに低い点を作らないようにします。

Rosemount（エマソン）の取扱説明書は、どちらも勾配を1mあたり8cm（1フィートあたり1インチ）以上とし、液ラインに入ったガスはすべて抜くよう書いています。施工のときに水平に寝かせた区間が残ると、そこに気泡や液がたまってゼロ点がずれる原因になります。

詰まり・凍結・温度差を防ぐ

• 導圧管はできるだけ短くし、摩擦や詰まりの影響を受けにくい太さにする
• 沈殿物がたまらないようにし、液ラインに入ったガスは抜く
• H側とL側の導圧管を同じ温度にそろえ、両側の液柱の高さを釣り合わせる
• シール液を使うときは、両側を同じ高さまで満たす
• プロセス液が受圧部のフランジ内で凍らないようにする
• 121℃を超える高温や腐食性の流体を、センサ部やフランジに直接触れさせない

蒸気の配管では、圧力計に付けるサイフォン管と同じように、導圧管にためた凝縮水で高温の蒸気が受圧部に届かないようにします。早稲田大学・大阪府立大学・横河電機の研究では、差圧とH側・L側の静圧の揺らぎを比べ、差圧の測定に支障が出る前に詰まりを見つける手法が示されています。

三方弁マニホールドの操作とゼロ点確認

差圧伝送器の手前には、H側元弁・L側元弁と、両側をつなぐ均圧弁の3つをまとめた三方弁マニホールドを付けるのが一般的です。操作の順番を決めておくのは、受圧部の片側だけに高い圧力がかかる過大圧を避けるためです。

図11：三方弁マニホールドの操作の順番（一般的な例）

均圧弁を開いた状態でH側から圧力を入れ、閉じてからL側を開けます。

使用開始

01全弁の閉を確認H側元弁・L側元弁・均圧弁がすべて閉じていることを確かめる

02均圧弁を開くH側とL側をつなぎ、両側を同じ圧力にできる状態にする

03H側元弁をゆっくり開く両側に同じ圧力が入る。継手からの漏れを確認する

04均圧弁を閉じる両側に圧力を閉じ込めた状態にする

05L側元弁を開くL側にプロセスの圧力が入り、運転中の差圧が測れる

停止

06L側元弁を閉じる停止は使用開始の逆の順で進める

07均圧弁を開く両側を同じ圧力にして、片側だけの過大圧を防ぐ

08H側元弁を閉じる受圧部に残った圧力を、ベント・ドレンから安全に抜く

※マニホールドの形式（五方弁など）や流体で手順は変わります。実際の操作は機器の取扱説明書と現場の手順書に従ってください。

横河の技報も、起動や保守で三方弁を操作するときに過大圧がかかり得るとして、H側・L側それぞれに過大圧の保護機構を設けています。蒸気の用途ではL側を先に閉じる考え方をエマソンのコミュニティ記事が紹介しており、現場で手順を1つに統一することが事故を防ぎます。

ゼロ点の確認は、L側元弁を閉じてから均圧弁を開け、両側を同じ圧力にしたときに出力が4mAになるかで見ます。受圧部のドレン抜きやガス抜きは測定値を乱すため運転中は避け、有害な流体なら皮膚や目に付かないよう保護具を着けて行います。

差圧伝送器のよくある質問

差圧伝送器と圧力伝送器の違いは？

圧力伝送器は1か所の圧力を大気圧や真空を基準に測り、差圧伝送器は2か所の圧力の差を測ります。横河のEJA-Eシリーズでも、圧力用のEJA430Eと差圧用のEJA110Eは別の型式として用意されています。

オリフィスを内蔵した差圧伝送器はある？

あります。横河のEJA115Eは、IFOと呼ぶ小さなオリフィスを本体に組み込んだ差圧式の流量伝送器で、配管側に別のオリフィス板を挟まずに流量を測れます。

差圧伝送器の自己診断では何が分かる？

機種によって違いますが、横河のEJXシリーズの技報では最大30項目の診断と約20種類の警報を持つとしています。HART通信などのデジタル通信で、診断の結果やレンジ設定を計器室や携帯の通信器から読み出せます。

まとめ

差圧伝送器の保守は、計装の担当だけでなく設備保全の日常点検にも入ってくる仕事です。プラントの計装やセンサーの記事は、プラントエンジニアリングの業種ページからたどれます。

出典

出典・参考資料（12件）を開く出典・参考資料を閉じる

• EJA-Eシリーズの型式・精度：横河電機「EJA-E Series」製品ページ
• シリコン共振式センサ・測定範囲・過大圧保護・診断：横河技報「New DPharp EJX Series Pressure and Differential Pressure Transmitters」
• 開平とローカット：横河電機 Application Note「Low Flow Cut-off」
• オリフィス計算と取り出し方：流体工業「オリフィス・プレート」製品資料 WPG-ORT-03
• 導圧管の不具合と詰まり検出：計測自動制御学会 産業論文集 Vol.6 No.13（2007）「水ラインでのディジタル式差圧伝送器による導圧管の詰まり検出」
• 導圧管の勾配と施工：Emerson「Rosemount 3051N Reference Manual」導圧配管の項
• 差圧式レベル計の温度影響：Yokogawa「How to Avoid Temperature Effects in Differential Pressure Level Measurements」
• EJXC40Aのケーブル長：横河電機 プレスリリース「Yokogawa Releases the EJXC40A Digital Remote Sensor」（2016年5月）
• 密閉タンクの接続とドリップレッグ：TE Connectivity「密閉タンク用差動圧力トランスデューサ」
• 開放・密閉タンクのレンジ計算：Automation Forum「Open and Closed Tank DP Level Calculations」
• 三方弁マニホールドの操作：Inst Tools「3 Valve Manifold Operation」、Emerson Exchange 365「Being Consistent with Manifold Valve Operation」
• 受圧部のドレン・ガス抜きの注意：横河電機 取扱説明書 IM 01C26B01-01（EJX/EJA 差圧・圧力伝送器）