オリフィス流量計とは｜差圧から流量を出す原理とβ比・圧損・直管長

オリフィス流量計は、配管のフランジの間に穴の開いた薄い板（オリフィス板）を挟み、板の前後にできる圧力の差（差圧）から流量を求める計器です。可動部がなく液体・気体・蒸気のどれにも使えるため、プラントや工場のユーティリティ配管で長く使われてきました。

押さえる関係は1つで、差圧は流量の2乗に比例し、流量は差圧の平方根に比例します。流量が半分になると差圧は4分の1まで縮むため、穴径と管内径の比（β比）と、上流側に確保する真っすぐな配管（直管長）の取り方で精度が大きく変わります。

本記事では、オリフィス流量計の原理と計算式、β比と圧力損失、直管長の注意点、ベンチュリ管・ノズルとの違いと選び方について解説します。

オリフィス流量計とは

オリフィス流量計は、流れを絞って差圧を作るオリフィス板（一次素子）と、その差圧を電気信号に変える差圧伝送器の組み合わせです。板は配管のフランジの間に挟み込み、板の前後に開けた取出し口から細い導圧管で伝送器へ圧力を導きます。

計測自動制御学会の論文でも、扱える流体や温度の範囲が広いこと、可動部がなく故障しにくいことが、オリフィス式が広く使われる理由に挙げられています。その一方で不具合は導圧管に集中し、なかでも詰まりの件数が多いと報告されています。

図1：オリフィス流量計の構成

板で作った差圧を導圧管で伝送器へ送り、平方根の演算をして流量として表示します。

伝送器が送るのは差圧の信号で、流量に直すには平方根の演算（開平演算）が必要です。伝送器の中で開平する方式と、受け側の調節計や記録計で開平する方式があり、どちらで開平しているかは差圧伝送器の仕組みとあわせて設定を確かめます。

差圧から流量が分かる原理

オリフィス板の穴を通るとき流れは速くなり、そのぶん静圧が下がります。ベルヌーイの定理（流れのエネルギーの保存）から速さが増えた分だけ圧力が下がるので、下がり幅を測れば流速、つまり流量が分かります。

縮流で圧力が下がり、一部しか戻らない

穴を抜けた流れはすぐには広がらず、板の少し下流でもっとも細く絞られます。この位置を縮流部（ベナ・コントラクタ）と呼び、流速が最大になる一方で静圧は最小になります。

縮流部を過ぎると流れは管いっぱいに広がり、圧力はある程度まで戻ります。ただし板の裏側にできる渦でエネルギーが失われるため、上流の圧力までは戻らず、その差が恒久的な圧力損失として残ります。

図2：オリフィス前後の流れと圧力の分布

静圧は縮流部で最も低くなり、下流で一部だけ回復します。戻らなかった分が恒久圧損です。

※曲線は β0.5 の模式図。実際の差圧は取出し口の位置（タップ方式）で測るため、縮流部の最低圧とは少し異なる。

流量は差圧の平方根に比例する

流速は差圧の平方根に比例するため、流量 q と差圧 Δp には q ∝ √Δp の関係があります。逆から見ると差圧は流量の2乗で変わり、流量が50%なら差圧は25%、10%なら1%まで小さくなります。

小流量側で差圧が急に小さくなることが、オリフィス流量計の測れる範囲が狭くなる理由です。流量を最大の3分の1まで測りたいなら、伝送器は最大差圧の9分の1という小さな差圧を正しく読む必要があり、リニアライザによる折れ線補正や低流量のローカットもこの性質から生まれた仕組みです。

図3：差圧と流量の関係（平方根の曲線）

差圧が小さい側で曲線が立ち上がるため、低流量ほど小さな差圧の誤差が流量に大きく響きます。

※流量＝√差圧（どちらも最大値を100%とした割合）で計算。

流量の計算式と前提条件

ISO 5167-2（日本では同じ内容の JIS Z 8762-2）は、オリフィスの質量流量を図4の式で求めると定めています。式が成り立つ前提は次のとおりで、外れる流れには使えません。

• 管が流体で満たされている（満水）
• 測定部で流れが亜音速で、液だけ・気体だけの単相とみなせる
• 脈動のない流れである

図4：オリフィスの流量計算式と各項の意味

差圧と密度の積の平方根に、穴の面積と3つの係数を掛けて質量流量を出します。

q_m ＝ C ／ √(1 − β⁴) × ε × (π／4) d² × √(2 Δp ρ₁)
体積流量は q_V ＝ q_m ／ ρ（d：穴径、D：管内径、β＝d／D）

C：流出係数理論値と実際の流量の比。鋭角オリフィスで約0.6〜0.63。レイノルズ数で変わる

1/√(1−β⁴)：接近速度係数上流側にもともとある流速の分を補正する。βが大きいほど大きくなる

ε：膨張補正係数気体・蒸気が絞りで膨張する分を補正する。液体では1として扱う

ρ₁：上流側の密度使用温度・圧力での値を使う。設計値とずれると、そのまま指示のずれになる

※ISO 5167-2:2003 の式(1)。d と D は常温の寸法ではなく使用温度での値を使う。

式の C はレイノルズ数（流れの慣性と粘性の比）で変わり、レイノルズ数は流量で決まるため、流量を仮定して繰り返し計算します。手計算よりも、メーカーのオリフィス計算や規格に沿った計算ソフトで求めるのが一般的です。

β比で決まる差圧・圧力損失・適用範囲

β比は穴径 d を管内径 D で割った値で、ISO 5167-2 は0.10以上0.75以下、穴径は12.5mm以上と決めています。βを小さくすると同じ流量で大きな差圧が得られますが、戻らない圧力損失の割合も大きくなります。

恒久的な圧力損失 Δϖ について、ISO 5167-2 は差圧 Δp との関係を示す式を2つ挙げており、簡便なほうが Δϖ ≈ (1 − β^1.9) × Δp です。

この式ではβ0.5なら差圧の約73%、β0.7なら約49%が戻らない計算で、この損失はポンプやブロワの動力として毎日払い続けることになります。

図5：β比ごとの恒久圧損の割合

βが小さいほど、作った差圧のうち戻らない割合が大きくなります。

β＝0.3

約90%

β＝0.5

約73%

β＝0.6

約62%

β＝0.7

約49%

β＝0.75

約42%

※ Δϖ／Δp ≈ 1 − β^1.9（鋭角オリフィスの近似式）で計算。割合は差圧に対する比で、圧損の量（kPa）は差圧の大きさで決まる。

一方でβを大きくすると、差圧が小さくなるうえに、乱れの影響を受けやすくなって必要な直管長が延び、レイノルズ数の下限も上がります。βは、伝送器が読める差圧、許される圧力損失、取れる直管長を並べて決める値です。

図6：βが小さい板と大きい板のトレードオフ

差圧を稼ぐか、圧損と直管長を抑えるかの綱引きになります。

βが小さい（0.2〜0.4）

βが大きい（0.6〜0.75）

同じ流量での差圧

大きい。小流量でも読みやすい

小さい。伝送器のレンジを低くする必要がある

恒久圧損の割合

差圧の約8割超（β0.3で約90%）

差圧の約4〜6割（β0.7で約49%）

90°エルボ1個の後の上流直管長

6〜16D

42〜44D

レイノルズ数の下限（コーナータップ）

5000以上（β0.56以下）

16000β²以上（β0.56超）

※直管長とレイノルズ数は ISO 5167-2:2003 の値（直管長は付加不確かさ0%の列）。D は管内径。

規格で決まる使用条件

標準のオリフィスとして流出係数の式を使えるのは、寸法とレイノルズ数が範囲に入るときだけです。ISO 5167-2:2003 の条件を表にまとめます。

条件	値	出典
穴径 d	12.5mm以上	ISO 5167-2:2003
β比（d／D）	0.10以上0.75以下	ISO 5167-2:2003
上流側エッジの丸み	半径 0.0004d 以下（鋭いこと）	ISO 5167-2:2003
管内径 D	50〜1000mm	ISO 5167-2:2003
レイノルズ数（コーナータップ、D・D/2タップ）	β0.56以下で5000以上、β0.56超で16000β²以上	ISO 5167-2:2003
レイノルズ数（フランジタップ）	5000以上かつ170β²D 以上（D は mm）	ISO 5167-2:2003

差圧の取出し方式とオリフィス板の種類

差圧を取り出す穴（タップ）の位置には、コーナータップ、フランジタップ、D・D/2タップの3方式があり、方式ごとに流出係数の式と使用条件が変わります。計算に使った方式と、実際の取出し位置が一致していることが正しく測る前提です。

図7：差圧の取出し方式（タップの位置）

同じ板でも、どこで圧力を取るかで流出係数の式が変わります。

※フランジタップはオリフィス用フランジに取出し穴が加工されている。D は管内径。

フランジタップはオリフィス用フランジに取出し穴が加工されているため、配管側に穴を開ける必要がありません。富士電機のフランジタップ形オリフィスは、JIS Z 8762-2:2007 を計算基準にした既製品の一例です。

板の向きとエッジ

規格は上流側のエッジ（穴の縁）を鋭く保つよう定め、縁の丸みの半径を穴径の0.0004倍以下としています。穴径が25mm以上なら、縁が光を反射しないことを肉眼で確かめれば足りるとされています。

板が厚いときは下流側を45°±15°で面取り（ベベル）するため、裏返して入れると面取り側が上流を向き、計算の前提が崩れます。逆向きの流れも測る配管には、面取りをせず両面を上流面の仕様で仕上げた正逆両方向用の板を使い、流体工業はこれを標準品にしています。

規格外の形と4穴のコンディショニングオリフィス

ISO 5167-2 が扱うのは同心の丸穴の板で、円すい入口、四分円、偏心のオリフィスは技術報告書 ISO/TR 15377 で扱われます。同報告書の注記では、円すい入口の板は低いレイノルズ数まで流出係数が一定で、油のような粘い流体に向くと説明されています。

エマソン（Rosemount）のコンディショニングオリフィスは、1つの穴の代わりに管壁に接する4つの穴を開けた板です。4つの穴を抜ける間に流れが整えられるため、乱れの多い配管でも必要な直管長を大きく減らせます。

直管長の注意点

オリフィスの上流にエルボやバルブがあると、偏った速度分布や旋回流のまま板に届き、流出係数が計算とずれます。そのため規格は、乱れの原因からオリフィスまでの最低限の直管長を、βと乱れの種類ごとに管内径 D の倍数で決めています。

図8：90°エルボの後にオリフィスを置く配置（β0.5の例）

エルボから板までを上流22D、板から次の機器までを下流6D以上とります。

※値は ISO 5167-2:2003 の表3で、付加不確かさ0%の列。長さは模式図で、縮尺どおりではない。

ISO 5167-2:2003 の表では、90°エルボ1個の後ろに置くとき、β0.2なら上流6D、β0.6なら42D、β0.75なら44Dが必要です。エルボが2個以上続く配置や、バルブ・レデューサの後ではさらに長い値が表に並ぶため、設計では配管の組み合わせごとに表で確かめます。

図9：β比と必要な上流直管長（90°エルボ1個の後）

β0.5から0.6にかけて必要な直管長が急に延びます。

単位：管内径 D の倍数

6D

16D

22D

42D

44D

44D

β0.2β0.4β0.5β0.6β0.67β0.75

※ISO 5167-2:2003 表3（JIS Z 8762-2:2007 と同等）の付加不確かさ0%の列。ISO 5167-2 は2022年に改訂版が出ており、設計では最新の規格の表で確かめる。

同じ表は、かっこ内の短い直管長を選ぶ代わりに付加的な不確かさ0.5%を足す、という二段の形で整理されています。直管が足りない既設配管では、どちらの列を使ったかを計算書に残しておくと、後で誤差を説明できます。

直管が取れないときの対策

上流に整流器（フローコンディショナ）を入れると必要な直管長を短くできます。ヨシタケのオリフィス流量計 ODF シリーズでは、一般配管で上流10D・下流5D、整流板と併用すると上流8D・下流5Dとしています。

4穴のコンディショニングオリフィスは、エマソンの資料で上流2D・下流2Dとされています。同じ資料は標準オリフィスの要求を ISO 5167 で上流最大60D・下流7Dとしており、比べると直管を最大96%減らせる計算です。

指示が合わないときに確かめる順番

オリフィス流量計の指示が合わないときは、差圧伝送器、導圧管、流体の条件、オリフィス板の順に、手間の少ないところから確かめます。板を見るには配管を開ける必要があるため、最後に回すのが現実的です。

図10：指示が合わないときの確認順

配管を開けずに確かめられる項目から順に進めます。

01伝送器のゼロ点とレンジマニホールドで均圧して差圧ゼロの出力を見る。差圧レンジと開平の設定が計算書と合っているか

02導圧管詰まり・漏れ、液体ラインの気泡、気体ラインの液溜まり。不具合の件数が多い箇所

03流体の条件計算に使った密度・温度・圧力と今の運転の差。気体・蒸気は温度・圧力補正の有無

04オリフィス板表裏の向き、エッジの摩耗や付着物、管の中心からのずれ

※導圧管の勾配やドレン抜きの考え方は、液体と気体で逆になる。

導圧管の詰まりは、計測自動制御学会の論文でもオリフィス式の不具合で件数が多いとされています。漏れは外から見つけられるのに対し、詰まりは検知も予測も難しいため、定期点検で対処しているのが実情と報告されています。

流体の条件のずれは式の中の密度 ρ に効き、質量流量は √ρ に比例します。実際の密度が設計値より4%大きいと、伝送器は設計の密度で計算するため、指示は実際より約2%小さく出ます。

板の取付けについては、エマソンの資料が、板が管の中心からずれて取り付けられると精度が最大5%悪くなると説明しています。配管を開けたときは、エッジの丸みと付着物、ガスケットのはみ出しもあわせて確かめます。

ベンチュリ管・ノズルとの違いと選び方

同じ差圧式でも、フローノズルとベンチュリ管は入口が滑らかで、ベンチュリ管は出口側をゆるやかに広げて圧力を回復させます。恒久圧損はベンチュリ管が最も小さく、オリフィスが最も大きい一方、オリフィスは板1枚で済み、βを変えるときも板の交換で対応できます。

項目	オリフィス	フローノズル	ベンチュリ管
形	穴の開いた薄い板	丸みのある入口をもつ短い筒	絞り→のど→ゆるやかな広がり
流出係数の例	約0.6	約0.99	約0.995
恒久圧損	大きい	中間	最も小さい
規格	ISO 5167-2（JIS Z 8762-2）	ISO 5167-3	ISO 5167-4
向く場面	安く設置したい、βを後で変えたい	高速の蒸気・気体など	圧損を抑えたい大口径の水・気体

McCrometer 社は、3インチ管に水を流して各方式の恒久圧損を比べました。小さい順にベンチュリ管（出口7°）、V-Cone、フローノズルと並び、オリフィス板は渦流量計やタービン流量計より大きい結果です。ベンチュリ管は効率がよい反面、一般にオリフィスより高価です。

図11：オリフィス流量計を選ぶ前の3つの確認

3つとも満たせばオリフィス、どれかで外れたら別の形や方式を候補にします。

Q1圧力損失を許せるか許せない → ベンチュリ管、電磁流量計など圧損の小さい方式

Q2上流の直管が取れるか取れない → 整流器、コンディショニングオリフィス

Q3レイノルズ数が条件内か低い（高粘度） → 円すい入口オリフィス、コリオリ流量計

3つとも満たし、単相で脈動のない流れなら、標準のオリフィスで規格どおりに計算できる。

ほかの方式の流量計を選ぶとき

導電性のある液体なら、管内に絞りがなく圧損のほとんどない電磁流量計が候補になります。配管の外から測りたいときの超音波流量計も含め、違いは超音波流量計と電磁流量計の違いで比べています。

蒸気や気体を可動部なしで測るならカルマン渦を使う渦流量計、高粘度の液や質量そのものを測りたいならコリオリ流量計が向きます。

オリフィス流量計のよくある質問

オリフィス流量計の流量レンジを変えるには？

最大流量を1.2倍にすると、差圧は2乗の1.44倍になります。伝送器の差圧レンジに余裕があり圧損も許せるなら伝送器のレンジ変更で済み、足りなければβの大きい板に交換して計算し直します。

蒸気でもオリフィス流量計は使える？

使えます。蒸気は導圧管の中で凝縮して水になるため、ABB の資料では伝送器を板より下に置き、導圧管を凝縮水で満たして測る配置を推奨しています。同じ資料が示す飽和蒸気の流速の上限は30m/sで、口径とβはこの範囲で決めます。

オリフィスの計算をメーカーに頼むときは何を伝える？

流体工業の資料では、流体名、流体密度、圧力、温度、配管内径、最大流量、最大差圧の指定を求めています。富士電機の注文時の指定項目にも、実測の配管内径、接続する伝送器の最大差圧、恒久圧損の制約が並びます。

P&ID の FE と FT は何が違う？

FE（Flow Element）は流量を検出する素子で、オリフィス流量計ではオリフィス板にあたります。FT（Flow Transmitter）はその差圧を4-20mAなどの信号にして送る差圧伝送器で、図面上では2つが別の記号で並びます。

まとめ

開平した流量信号は瞬時流量として表示され、パルスに変えて積算もされます。信号の扱いは瞬時流量と積算流量の違い、測った流量で弁を動かして目標に合わせる仕組みは流量制御にまとめています。

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出典

出典・参考資料（10件）を開く出典・参考資料を閉じる

• 流量計算式、β比・穴径・エッジ・使用条件・直管長の表・恒久圧損の近似式：ISO 5167-2:2003 Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices — Part 2: Orifice plates（プレビュー版）
• 蒸気の配置・流速の目安：ABB データシート 10/14-5.11-EN「D.P. Flow elements」
• タップ方式・流出係数：Wikipedia「Orifice plate」
• オリフィス計算の指定項目・正逆両方向用の板：流体工業「オリフィス・プレート ORT」
• フランジタップ形オリフィスと注文時の指定：富士電機 データシート FVC
• ODF シリーズの直管長：ヨシタケ ODF-100シリーズ カタログ
• コンディショニングオリフィスと偏心の影響：Emerson（Rosemount）Technical Note「Conditioning Orifice Plate」
• 恒久圧損の比較：McCrometer「Permanent Pressure Loss Comparison Among Various Flowmeter Technologies」
• オリフィス式が使われる理由と導圧管の詰まり：計測自動制御学会論文集 Vol.6 No.13「水ラインにおけるデジタル差圧伝送器による導圧管の詰まり検出」（2007）
• 規格外のオリフィスの扱い：ISO/TR 15377:2023 概要（AFNOR）、ISO/TR 15377:2007（プレビュー）