栄野 隼一

早稲田大学大学院理工学研究科 機械工学専攻・制御工学研究

2009 年 2 月

プロセス流体の圧力揺動に対する 導圧管の圧力応答の解明と

その機器診断への応用

Pressure characteristics of impulse-line

caused by the pressure fluctuation of process fluid

and its application to the diagnostic of field instruments

目次

第１章 序論 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 プロセスオートメーションにおける導圧管の役割 1

1.1.2 導圧管に見る不具合とその対策 5

1.1.3 プロセスオートメーションにおける

FOUNDATIONフィールドバスの役割 8

1.2 従来研究 9

1.2.1 導圧管の長さ・太さが測定圧力に与える影響 10

1.2.2 プロセスオートメーションにおける各種診断 11

1.2.3 差圧伝送器の導圧管詰まり診断 13

1.3 本論文の目的 16

1.4 本論文の構成 17

第２章 導圧管の詰まりが差圧測定に及ぼす影響の解明 20

2.1 静的状態下での導圧管の特性評価 21 2.2 動的状態下での導圧管の特性評価 25

第３章 詰まりの初期段階における導圧管の圧力応答特性 34

3.1 モデルを基にした圧力応答特性 34

3.2 圧力揺動振幅の評価 37

3.2.1 定常状態において圧力揺動の振幅が詰まりから受ける影響 38 3.2.2 過渡状態において圧力揺動の振幅が詰まりから受ける影響 46

3.3 オリフィス前後圧力の位相差の評価 50

3.3.1 導圧管測定端における圧力揺動成分の位相評価 50

3.3.2 導圧管の詰まりと圧力揺動の位相との関係 53

3.4 圧力揺動の振幅と位相差からみた導圧管の圧力応答のまとめ 60

第４章 導圧管の詰まり診断への応用 62

4.1 圧力揺動振幅を利用する詰まり診断の限界 62

4.1.1 流量・圧力水準の変更を含む静的状態における詰まり診断 63

4.1.2 動的状態下における診断 71

4.2 オリフィス前後圧力の位相差を利用する詰まり診断の提案 77

4.3 プロセス流体を水・空気・油をとする場合の診断 80

4.3.1 プロセス流体を水とする静的状態における評価 80

4.3.2 プロセス流体を水とする動的状態における評価 85

4.3.3 プロセス流体を油・空気とする場合の評価 89

4.4 導圧管詰まり診断のまとめ 96

第５章 結論 98

参考文献 102

謝辞 109

研究業績 110

P

記号表

A ：差圧伝送器の圧力算出式に用いる係数

a ：コーナータップオリフィスの開口部の間隔 mm C ：流出係数

C_v ：ニードル弁Cv値

D ：管路内径 mm

d ：オリフィスの絞り径 mm

F₀ ：基本周波数 Hz

F_S ：最大周波数 Hz

F_c ：圧力振動子の固有周波数 Hz

F_c0 ：無加圧時の圧力振動子の固有周波数 Hz

F_r ：圧力振動子の固有周波数 Hz

F_r0 ：無加圧時の圧力振動子の固有周波数 Hz

f ：周波数 Hz

G ：質量流量 kg/min

H ：高圧側詰まりの導圧管詰まり指標

IPV ：ライン圧力の変化指数 kPa

L ：低圧側詰まりの導圧管詰まり指標

l ：オリフィスと圧力取り出し口の距離 mm M ：移動平均数

N ：測定回数

P ：圧力（ゲージ圧力） kPa

∆P ：圧力階差 kPa

：圧力の平均 kPa

PSD ：パワースペクトル密度 kPa²/Hz RMS ：圧力階差のroot mean square kPa S ：周波数のデータ集計数

V ：体積 m³

α ：差圧伝送器の圧力算出式におけるスパン kPa β ：差圧伝送器の圧力算出式におけるゼロ kPa ε ：膨張補正係数

φ ：位相 deg

Φ ：位相差に基づく導圧管詰まり指標

κ ：断熱圧縮率 Pa^-1

ρ ：密度 kg/m³

σ ：圧力の標準偏差 kPa

添え字

D ：差（圧）

H ：高圧側 L ：低圧側 n ：測定番号

第 １ 章 序 論

１ ． １ 研 究 背 景

こ れ ま で 産 業 界 の ニ ー ズ は 生 産 性 の 向 上 と 効 率 の 追 求 を 主 と し て い た が ， 近 年 で は 化 石 燃 料 の 枯 渇 や 資 源 の 高 価 格 化 ， 地 球 温 暖 化 や 大 気 汚 染 な ど の 環 境 問 題 が 広 く 認 識 さ れ る よ う に な っ た こ と を 受 け ， 省 資 源 化 や 環 境 負 荷 の 軽 減 に も 大 き な 関 心 が 寄 せ ら れ て い る ． そ し て こ れ ら を 実 現 す る 手 法 の 1 つ と し て ， 正 常 運 転 を 維 持 し て ダ ウ ン タ イ ム を い か に 減 少 さ せ る か が 注 目 さ れ て い る ．

プ ラ ン ト で は ， 定 め ら れ た ル ー ル や 操 作 マ ニ ュ ア ル に し た が っ て 運 転 が 管 理 さ れ て お り ， 正 常 運 転 を 阻 害 す る 要 因 と し て ， ル ー ル や マ ニ ュ ア ル の 不 備 ， オ ペ レ ー タ の 違 反 ， 機 器 の 動 作 異 常 な ど が 考 え ら れ る ． い ず れ の 要 因 も 重 大 な 問 題 で あ り ， マ ニ ュ ア ル を 安 全 面 か ら 見 直 す こ と や ， オ ペ レ ー タ が 違 反 を 起 こ す 心 理 を 解 明 し て マ ニ ュ ア ル に 反 映 す る こ と も 必 要 で は あ る が ， 本 論 文 で は 機 器 の 動 作 に 焦 点 を 当 て て い る ．

近 年 の 電 子 技 術 の 進 歩 は 目 覚 し く ， 新 し い 計 測 原 理 や デ ィ ジ タ ル 処 理 に よ る 高 精 度 ， 低 価 格 化 が 進 ん で い る ． そ の 一 方 で ， 問 題 発 生 時 に 外 見 か ら は 異 常 が わ か り に く い た め ， 機 器 自 身 が 診 断 機 能 を 備 え る こ と が 強 く 求 め ら れ る よ う に な っ た ． 本 論 文 で は ， プ ロ セ ス オ ー ト メ ー シ ョ ン で 広 く 使 わ れ て い る 差 圧 式 流 量 計 に お い て ， オ リ フ ィ ス 等 と 差 圧 伝 送 器 と を 結 ぶ 導 圧 管 の 機 能 に 注 目 し た 差 圧 測 定 精 度 の 向 上 を 意 図 し た 導 圧 管 の 圧 力 応 答 特 性 の 解 明 と ， そ の 結 果 の 応 用 と し て ， 差 圧 式 流 量 計 の 運 用 上 の 不 具 合 の 中 で 多 く の 割 合 を 占 め る ， 導 圧 管 の 詰 ま り 診 断 手 法 の 構 築 を 目 的 と す る も の で あ る ． 本 節 で は ， 導 圧 管 の プ ロ セ ス オ ー ト メ ー シ ョ ン に お け る 重 要 性 ， そ の 使 用 中 の 問 題 点 ， さ ら に 現 状 で の 詰 ま り へ の 対 応 方 法 を 記 す ．

１ ． １ ． １ プ ロ セ ス オ ー ト メ ー シ ョ ン に お け る 導 圧 管 の 役 割

産 業 革 命 以 後 ， 人 間 や 動 物 の 力 に 頼 っ て い た 力 仕 事 を 機 械 化 し ， さ ら に は 人 間 の 頭 脳 に 頼 っ て い た 仕 事 ま で も 機 械 化 す る こ と で ， 飛 躍 的 に 文 明 が 発 展 し て き た ． す な わ ち ， 機 械 に よ る 動 力 と 制 御 の 自 動 化 ― オ ー ト メ ー シ ョ ン が 今 日 の 我 々 の 暮 ら し を 支 え て い る ． オ ー ト メ ー シ ョ ン が 導 入 さ れ た 当 初 は 扱 う エ ネ ル

ギ ー が 小 さ く ， 複 雑 な シ ス テ ム は 少 な か っ た た め ， 制 御 は 大 き な 問 題 で は な か っ た ． し か し ， 扱 う エ ネ ル ギ ー 量 が 増 え ， シ ス テ ム が 複 雑 に な る に つ れ て 制 御 の 重 要 性 は 増 し ， 現 在 で は 動 力 と 同 様 に 重 要 視 さ れ て い る^{( 1 )}．

オ ー ト メ ー シ ョ ン は ， 対 象 と す る シ ス テ ム か ら ， 大 き く プ ロ セ ス オ ー ト メ ー シ ョ ン（ 以 後 ，PA）と フ ァ ク ト リ オ ー ト メ ー シ ョ ン（ 以 後 ，FA）に 分 類 さ れ る ． 種 々 の 原 料 に 物 理 的 も し く は 化 学 的 処 理 を 加 え る こ と に よ っ て 製 品 に す る 過 程 を プ ロ セ ス と い い ，PA で は プ ロ セ ス の 状 態 に 関 す る 量 ， す な わ ち 流 量 ， 圧 力 ， 温 度 ， 液 位 な ど を 制 御 す る^{( 2 )}． 他 方 の FA で は ，PA に よ っ て 製 造 さ れ た 製 品 に 対 し て ， さ ら に 加 工 ， 組 み 立 て を 行 う た め ， 位 置 ， 速 度 ， 力 な ど を 制 御 す る ． こ の 2 つ の オ ー ト メ ー シ ョ ン う ち ， 本 論 文 で は PA の 分 野 を 対 象 と し て い る ．

PA で は ， 流 量 ， 圧 力 ， 温 度 ， 液 位 が 主 な 測 定 対 象 で あ り ， そ れ ぞ れ ら の デ ー タ を 取 得 し ，D C S（D i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m） な ど の コ ン ト ロ ー ラ に 送 信 す る 機 器 が 伝 送 器 で あ る ． 伝 送 器 は 1 プ ラ ン ト に 数 多 く 設 置 さ れ る た め ， 交 換 を ほ と ん ど し な い こ と が 前 提 と さ れ て お り ， 屋 外 で の 長 期 （1 0～1 5 年 程 度 ） に わ た る 連 続 運 転 が 求 め ら れ て い る ． そ の た め ， 外 部 か ら の 衝 撃 に 耐 え る た め に 強 固 な 外 殻 を 持 ち ， 炎 天 下 で も 動 作 す る よ う 放 熱 性 を 確 保 す る た め に 余 裕 の あ る 空 間 を 有 す る の で ， 重 く て 大 き い も の と な る （ 重 量 1 [ k g ]以 上 ， 体 積 約 1 [ℓ]）． し た が っ て ， 伝 送 器 の 設 置 に は 十 分 な 空 間 と 重 量 に 耐 え ら れ る 支 持 が 必 要 と な る が ，そ れ ら が 常 に 測 定 箇 所 の 直 近 で 得 ら れ る と は 限 ら な い ．以 下 で は ，温 度 計 ， 流 量 計 ， 圧 力 計 に つ い て ， そ の 測 定 箇 所 ， 伝 送 器 ， セ ン サ の 位 置 関 係 を 見 て い

く^{( 3 )}．

ま ず ， 温 度 計 の 場 合 に は ， セ ン サ （ 熱 電 対 ま た は 側 温 抵 抗 体 ） と 伝 送 器 が 分 離 型 に な っ て い る も の が 一 般 的 で あ る ． し た が っ て ， セ ン サ を 測 定 箇 所 に 挿 入 し ， 設 置 ・ メ ン テ ナ ン ス が 容 易 な 箇 所 に 設 置 し た 伝 送 器 と ， プ ロ ー ブ で 接 続 す る ．

次 に ， 流 量 計 の 場 合 に は 様 々 な 種 類 が 利 用 さ れ て い る た め 一 概 に は 言 え ず ， 測 定 箇 所 ， セ ン サ ， 伝 送 器 の 位 置 関 係 は 以 下 の 3 と お り が あ る( 4 ) , ( 5 )．

A ) セ ン サ と 伝 送 器 が 一 体 に な っ た も の（ 一 体 型 伝 送 器 ）を 測 定 箇 所 に 直 接 接 続 す る

B ) セ ン サ の み を 配 管 に 接 続 し ，設 置 ・ メ ン テ ナ ン ス が 容 易 な 箇 所 に 設 置 し た 伝 送 器 と ケ ー ブ ル で 接 続 す る

設 置 箇 所 に 必 要 な 空 間 は A，B，C の 順 で C が 最 も 少 な い が ， 測 定 原 理 に よ る 制 約 や 実 現 に か か る コ ス ト の 高 さ か ら C を 選 択 で き る も の は ほ と ん ど な い ． 代 表 的 な 流 量 計 の 特 徴 を 表 1 . 1 に 示 す( 3 ) - ( 1 4 )．現 実 的 に 一 体 型 を 設 置 箇 所 か ら 離 れ た 場 所 に 設 置 で き る ， 数 少 な い も の の 1 つ が オ リ フ ィ ス 式 で あ り ， そ の 安 さ や 適 用 範 囲 の 広 さ ， 実 流 校 正 が 不 要 な こ と か ら 流 量 計 の 中 で 最 も 多 く 利 用 さ れ て い る ． な お ， オ リ フ ィ ス 式 流 量 計 は ， 測 定 箇 所 か ら 差 圧 伝 送 器 へ 圧 力 を 伝 達 す る た め に 導 圧 管 と 呼 ば れ る 細 い 鋼 管 を 使 用 す る ．

最 後 に ， 圧 力 計 の 場 合 に は ， 伝 送 器 を 直 接 測 定 箇 所 に 設 置 す る こ と も で き る が ， 設 置 ・ メ ン テ ナ ン ス が 容 易 な 箇 所 に 設 置 す る こ と が ほ と ん ど で あ る ． そ の 際 に は オ リ フ ィ ス 式 流 量 計 と 同 様 に ， 導 圧 管 で 圧 力 を 伝 え る 場 合 が ほ と ん ど で あ る ．

以 上 の よ う に ， オ リ フ ィ ス 式 流 量 計 と 圧 力 計 で 導 圧 管 が 使 用 さ れ て お り ，PA で 重 要 な 役 割 を 担 っ て い る こ と が わ か る ．

Ta b l e 1 . 1 C h a r a c t e r i s t i c s o f f l o w me t e r s .

Ty p e P r i n c i p l e M e r i t We a k p o i n t

O r i f i c e T h e s q u a r e o f P r e s s u r e d i ff e r e n c e b e t w e e n o r i f i c e u p s t r e a m a n d d o w n s t r e a m p r e s s u r e i s p r o p o r t i o n a l t o f l o w r a t e

S u i t e f o r v a r i a b l e f l u i d s，n e e d l e s s o f c a l i b r a t i o n i n r e a l f l o w ， s i mp l e c o n s t r u c t i o n a n d c o s t s a v i n g

L o w a c c u r a c y（2

～ 3 ％ ）， N e e d s t r a i g h t p i p e r u n

Va r i a b l e A r e a B a l a n c e o f d r a g a n d g r a v i t y

S i mp l e , E a s y t o u s e

L o w a c c u r a c y ， h i g h p r e s s u r e l o s s E l e c t r o ma g n e t i c F l e mi n g ' s r i g h t h a n d

r u l e ; i n d u c t e d c u r r e n t i s p r o p o r t i o n a l t o f l o w r a t e

N o p r e s s u r e l o s s , H i g h a c c u r a c y

（0 . 5 %）

o n l y b e u s e d f o r e l e c t r i c a l

c o n d u c t i v e f l u i d s Vo l u me t r i c T h e p r o d u c t i o n o f

v o l u me o f f l o w me t e r a n d

r o u n d - s p e e d i s p r o p o r t i o n a l t o f l o w r a t e

N o t a ff e c t e d b y

t h e f l o w c o n d i t i o n s

D e e p l y i n f l u e n c e d b y v i s c o s i t y

U l t r a s o n i c M e a s u r e me n t o f t h e v e l o c i t y o f u l t r a s o n i c , w h i c h i s a ff e c t e d b y f l o w r a t e

St a b l e i n l o n g t e r m

N o t s i t e f o r v a c i l l a t e f l o w ( d i s t r i b u t i o n i n f l o w, v o r t e x）

Vo r t e x F r e q u e n c y o f K a r ma n v o r t e x s t r e e t i s p r o p o r t i o n a l t o f l o w r a t e

H i g h a c c u r a c y（0 . 5

～ 1 ％ ）， w i d e r a n g e a b i l i t y

N e e d s t r a i g h t p i p e r u n , d i ff i c u l t t o me a s u r e l o w f l o w r a t e

C o r i o l i s C o r i o l i s f o r c e i s p r o p o r t i o n a l t o m a s s f l o w r a t e

E n a b l e t o me a s u r e ma s s f l o w ra t e d i r e c t l y, H i g h a c c u r a c y

E x p e n s i v e ， h i g h p r e s s u r e l o s s

１ ． １ ． ２ 導 圧 管 に 見 る 不 具 合 と そ の 対 策

導 圧 管 は ， 多 く の 工 業 用 部 材 と 同 様 に 規 格 が 定 め ら れ て お り ，I S O^{( 1 5 )}で は 形 状 と 配 置 に 関 す る 記 述 が あ る ． 応 答 性 の 問 題 か ら ， 導 圧 管 は 可 能 な 限 り 短 く 細 く す る こ と が 推 奨 さ れ て い る が ， 内 径 が 細 す ぎ る と ， 液 体 中 の 気 泡 が 抜 け な い な ど の 問 題 が あ る た め ， 流 体 や 導 圧 管 の 長 さ に よ っ て 表 1 . 2 に 示 す 内 径 が 推 奨 さ れ て い る ． な お ，I S O を 基 に よ り 詳 細 を 記 し た マ ニ ュ ア ル^{( 1 6 )}な ど 参 考 と な る 文 献 は あ る が ，J I S に は 導 圧 管 に 関 す る 直 接 の 規 定 は な い ．な お 図 1 . 1 に 示 す よ う に ， メ ン テ ナ ン ス 性 の 向 上 の た め に ， 差 圧 伝 送 器 を 接 続 す る 場 合 に は 三 岐 弁

（ 別 名 ： 三 方 弁 ， マ ニ ホ ー ル ド ） を 設 け る こ と が 一 般 的 で あ る ．

導 圧 管 は PA に 欠 か せ な い も の で あ る が ，そ れ ゆ え に 問 題 と な る こ と も 多 い ．

図 1 . 2 は あ る プ ラ ン ト に お け る ， フ ィ ー ル ド で の 流 量 計 機 器 の 年 間 故 障 頻 度 を

表 し た も の^{( 1 7 )}で あ る が ，い ず れ の セ ン サ よ り も 導 圧 管 ま わ り で 最 も 不 具 合 が 多 い こ と が わ か る ．導 圧 管 ま わ り の 不 具 合 と し て ，導 圧 管 の 詰 ま り ，腐 食 ，漏 れ ， そ し て 寒 冷 地 で 使 用 す る ス チ ー ム ト レ ー ス の 不 具 合 が あ る が ， こ の 中 で 詰 ま り に 起 因 す る も の が 最 も 多 く な っ て い る ． さ ら に ， 漏 れ は 外 見 か ら 発 見 可 能 で あ り ， 腐 食 は あ る 程 度 の 周 期 性 が あ る た め 予 測 可 能 で あ る が ， 導 圧 管 の 詰 ま り は 外 見 か ら の 発 見 は 不 可 能 で ， 周 期 性 も な い た め 予 測 や 発 見 が 難 し く ， 導 圧 管 の 詰 ま り は 深 刻 な 問 題 と な っ て い る ． な お ， 導 圧 管 に 詰 ま り が 発 生 す る 具 体 的 な 原 因

F i g . 1 . 1 Ty p i c a l i n s t a l l a t i o n o f i mp u l s e l i n e .

Impulse-line Volumetric Mass flowmeter Differential pressure Turbine type

Variable area Electromagnetic Vortex

Others

68%

9%

6%

10%

F i g . 1 . 2 F a i l u r e f r e q u e n c y o f f l o w me t e r

Ta b l e 1 . 2 R e c o m me n d e d i n t e r n a l d i a me t e r o f i mp u l s e l i n e . I n t e r n a l d i a me t e r m m

P r e s s u r e s i g n a l t r a n s mi s s i o n d i s t a n c e m Ty p e o f me t e r e d f l u i d

0 t o 1 6 1 6 t o 4 5 Wa t e r, s t e a m, d r y a i r, g a s 7 t o 9 1 0

We t a i r, w e t g a s 1 3 1 3

O i l s o f l o w t o me d i u m

v i s c o s i t y 1 3 1 9

Ve r y d i r t y f l u i d s 2 5 2 5

と し て ， 析 出 や 腐 食 に よ る 沈 殿 物 の 堆 積 ， メ イ ン ラ イ ン に 混 入 し て い た 異 物 の 導 圧 管 へ の 進 入 ， 点 検 後 の 三 岐 弁 の 開 け 忘 れ な ど が 挙 げ ら れ る( 1 7 ) - ( 1 9 )．

こ れ ら の 不 具 合 の 判 定 と そ の 除 去 な ど に 対 し て ， 現 在 は 主 に プ ラ ン ト を 停 止 し て の 定 期 点 検 に よ り 対 処 し て い る^{( 2 0 )}．し か し ，定 期 点 検 で は 突 発 的 な 不 具 合 の 発 生 に は 対 処 で き な い だ け で な く ， 導 圧 管 の 点 検 の た め に プ ラ ン ト を 停 止 す る こ と に な り ， 経 済 的 損 失 も 発 生 す る ． そ の た め ， 運 転 を 停 止 す る こ と な く オ ン ラ イ ン で の 導 圧 管 の 詰 ま り を 診 断 で き る 手 法 の 確 立 が 強 く 望 ま れ て い る ．

な お ， 問 題 の 起 こ る 導 圧 管 の 使 用 を 嫌 い ， 導 圧 管 を 使 わ な い 圧 力 測 定 手 法 と し て ， ダ イ レ ク ト マ ウ ン ト 方 式 と リ モ ー ト シ ー ル 方 式 が 実 用 化 さ れ て い る が ， い く つ か の 問 題 に よ り 依 然 と し て 導 圧 管 を 使 う 場 合 が 圧 倒 的 に 多 い ． 以 下 に そ の 2 つ を 示 す^{( 1 7 )}．

a ) ダ イ レ ク ト マ ウ ン ト 型

導 圧 管 を 廃 し て ， 圧 力 測 定 箇 所 に 直 接 伝 送 器 を 接 続 す る ． 使 用 機 材 を 削 減 す る の で ， 材 料 費 や 保 守 ・ 点 検 箇 所 の 減 少 な ど の メ リ ッ ト が あ る が ， 設 置 作 業 が 非 常 に 困 難 に な る だ け で な く ， プ ロ セ ス が 高 温 の 場 合 に は 使 用 で き な い と い う 問 題 が あ る ． 外 観 を 図 1 . 3 に 示 す ．

b ) リ モ ー ト シ ー ル 型

導 圧 管 に 代 わ っ て ， 封 入 液 を 充 填 し た チ ュ ー ブ を 圧 力 タ ッ プ と フ ラ ン ジ 接 続 す る ． プ ロ セ ス が 高 温 で あ っ て も ， 導 圧 管 を 介 す る よ う に 差 圧 伝 送 器 に 達 す る ま で に は 十 分 に 冷 え る が ， 応 答 が 遅 く な る だ け で な く ， 価 格 が 高 い と い う 問 題 が あ る ． 外 観 を 図 1 . 4 に 示 す ．

F i g . 1 . 3 D i r e c t mo u n t t y p e .

１ ． １ ． ３ プ ロ セ ス オ ー ト メ ー シ ョ ン に お け る

FOUNDATION フ ィ ー ル ド バ ス の 役 割

日 本 で は 現 在 ，フ ィ ー ル ド 機 器 間 の 通 信 に は 4 - 2 0 [ mA ]の 電 流 を 用 い る こ と が 一 般 的 で あ る が ，約 1 0 年 前 か ら 世 界 規 模 で フ ィ ー ル ド バ ス 規 格 の 普 及 が 進 ん で お り ， 特 に 海 外 で は プ ラ ン ト の 新 設 の 際 に 積 極 的 に 導 入 さ れ て い る ． フ ィ ー ル ド バ ス 規 格 と は 工 業 用 の デ ィ ジ タ ル 通 信 規 格 の 総 称 で あ り ，I E C 6 11 5 8 に て 6 種 類 の フ ィ ー ル ド バ ス 規 格 が 規 定 さ れ て い る^{( 2 1 )}． そ の 多 く が ，1 本 の ケ ー ブ ル に 複 数 の フ ィ ー ル ド 機 器 を 接 続 で き る マ ル チ ド ロ ッ プ 機 能 や 双 方 向 通 信 機 能 を 備 え て い る が ， 通 信 速 度 や ケ ー ブ ル の 最 大 長 ， 通 信 の 周 期 な ど が 異 な っ て い る ． 表 1 . 3 に 主 な フ ィ ー ル ド バ ス 規 格 の 比 較 を 示 す( 2 1 ) - ( 2 9 )．FA で は 高 速 （1 [ ms ] レ ベ ル ） で 大 容 量 の 通 信 に 対 応 す る 一 方 ，PA で は 5 0 0 [ ms ]や 1 [ s ]周 期 で の 小 容 量 の 通 信 に 留 め ， よ り 確 実 な 通 信 の 持 続 に 特 化 し て い る ． ま た ， 同 じ FA 用 フ ィ ー ル ド バ ス で あ っ て も ， 例 え ば C C - L i n k と P r o f i b u s - D P で は 設 計 思 想 が 異 な り ，C C - L i n k は 異 な る メ ー カ の 機 器 同 士 を 事 前 設 定 な し に 通 信 で き る よ う 通 信 プ ロ フ ァ イ ル を 機 器 の 種 類 ご と に 固 定 し て い る （ 例 え ば ， モ ー タ の 発 す る 情 報 は 先 頭 か ら 順 に ， 回 転 の 有 無 ， 回 転 数 ， 連 続 動 作 時 間 ， な ど と 決 め る ）． そ の 一 方 P r o f i b u s - D P で は ， 通 信 プ ロ フ ァ イ ル を 機 器 ご と に 作 成 す る こ と で ， 通 信 を 始 め る ま で に 手 間 は か か る が ， 多 種 多 様 な デ ー タ の 通 信 を 可 能 に し て い る ． P r o f i b u s - PA は P r o f i b u s - D P を も と に ，PA で 必 要 と さ れ る 長 距 離 通 信 と 本 質 安 全 防 爆 に 対 応 し た も の で あ り ，P r o f i b u s - D P の 下 位 に 接 続 さ れ る ． 言 い 換 え れ ば ， P r o f i b u s - PA は 従 来 の PA 用 計 装 を デ ィ ジ タ ル 通 信 化 し た だ け の も の で あ り ， 付 加 機 能 は ほ と ん ど な い ．

F i g . 1 . 4 R e mo t e s e a l t y p e .

た 際 に は フ ィ ー ル ド 機 器 の 制 御 機 能 を 利 用 す る こ と で 運 転 を 持 続 す る こ と が で き る ． ま た ， 自 己 診 断 に よ り 異 常 を 検 知 す る と ， 双 方 向 通 信 機 能 を 使 っ て ホ ス ト へ 異 常 を 知 ら せ る ア ラ ー ム を 発 す る と 同 時 に ， 測 定 値 に 付 属 す る ス テ ー タ ス を 利 用 し て 制 御 ル ー プ の 動 作 モ ー ド を 安 全 側 へ 変 更 す る （ 例 え ば ， 自 動 運 転 か ら 手 動 に 変 更 ） こ と も で き る ． こ れ ま で に ， 電 磁 流 量 計 の 絶 縁 物 付 着^{( 3 3 )}や バ ル ブ の 診 断( 3 4 ) - ( 3 6 )な ど の 機 器 単 体 を 対 象 と し た 診 断 が す で に 実 用 化 さ れ て お り ， さ ら に は 熱 交 換 器 を 含 む シ ス テ ム の 診 断( 3 7 ) - ( 3 9 )な ど も 研 究 さ れ て い る ．

１ ． ２ 従 来 研 究

オ リ フ ィ ス 式 流 量 計 は 歴 史 が 古 く ， オ リ フ ィ ス と 差 圧 伝 送 器 と を 接 続 す る 導 圧 管 に 異 物 な ど が 詰 ま る 問 題 も 以 前 か ら 認 識 さ れ て い た ． そ の た め ， 導 圧 管 に お け る 詰 ま り な ど の 状 態 が 圧 力 検 出 に 及 ぼ す 影 響 や 詰 ま り の 状 態 を 診 断 す る 方 法 に つ い て 多 く の 研 究 が さ れ て い る ． 本 節 で は ， 導 圧 管 に お け る 詰 ま り な ど が 圧 力 検 出 に 及 ぼ す 影 響 ， 及 び 導 圧 管 の 詰 ま り 状 態 を 診 断 す る 手 法 を 示 し た 従 来 研 究 に つ い て 述 べ る ．

ま ず ， 第 1 . 2 . 1 項 に プ ロ セ ス 診 断 の 一 般 的 な 手 法 を ， 続 く 第 1 . 2 . 2 項 に 導 圧 管 が 圧 力 測 定 に 及 ぼ す 影 響 を ， 最 後 の 第 1 . 2 . 3 項 に 導 圧 管 の 詰 ま り 診 断 に 関 す る 研 究 を 示 す ．

Ta b l e 1 . 3 C o mp a r i s o n o f ma j o r f i e l d b u s s t a n d a r d s . N a m e C C - L i n k P r o f i b u s - D P P r o f i b u s

D P

F O U N D AT I O N F i e l d b u s

Ty p e FA FA PA PA

I n s t a l l e d d e v i c e n u mb e r

O v e r 4 M i l l i o n ( a t 2 0 0 6 )

O v e r 1 . 2 M i l l i o n ( s u m o f D P a n d PA ) ( a t M a y 2 0 0 8 )

O v e r 1 M i l l i o n ( a t F e b 2 0 0 8 ) Tr a n s mi s s i o n 1 0 M b p s / 1 5 6 k b p s 1 2 M b p s / 1 8 7 . 5 k b p s 3 1 . 2 5 k b p s 3 1 . 2 5 k b p s D i s t a n c e m 1 0 0 / 1 2 0 0 1 0 0 / 1 0 0 0 1 9 0 0 1 9 0 0

P r o f i l e f i x v a r i a b l e v a r i a b l e v a r i a b l e

I n t r i n s i c a l l y × × ○ ○

S e l f × × × ○

１ ． ２ ． １ プ ロ セ ス オ ー ト メ ー シ ョ ン に お け る 各 種 診 断

一 般 的 な PA の 分 野 に お け る プ ロ セ ス 診 断 を ， 実 施 時 の 対 象 プ ロ セ ス の 運 転 状 態 か ら 分 類 す る と ， 運 転 を 停 止 し て 診 断 を 実 施 す る も の （ オ フ ラ イ ン 診 断 ） と 運 転 中 に 診 断 を 実 施 す る も の （ オ ン ラ イ ン 診 断 ） に 分 け る こ と が で き ， 診 断 す る 機 器 の 重 要 度 に 応 じ て 診 断 形 態 が 選 択 さ れ て い る ．

オ フ ラ イ ン 診 断 は ， オ ン ラ イ ン 診 断 よ り も 診 断 の 技 術 的 難 易 度 が 低 い こ と が 多 く 比 較 的 容 易 に 実 行 で き る が ， プ ラ ン ト 停 止 に よ る 生 産 性 停 止 に 伴 う コ ス ト が か か る た め ， 半 年 ～ 数 年 に 1 度 程 度 と そ の 実 行 頻 度 は 低 い( 4 0 ) - ( 4 2 )． 主 に タ ー ビ ン や ポ ン プ ， ボ イ ラ な ど の プ ラ ン ト に と っ て 重 要 度 が 高 い が ， 運 転 中 の 診 断 が 難 し い も の が 対 象 と な る ．具 体 的 に は ，タ ー ビ ン の 高 温 部^{( 4 3 )}や 分 解 を し な け れ ば ア ク セ ス で き な い 箇 所( 4 4 ) , ( 4 5 )（ 部 品 ） の 診 断 や ， ボ イ ラ や ポ ン プ の 部 材 組 織 検 査( 4 6 ) , ( 4 7 )， さ ら に は 特 別 な 運 転 状 態 に 設 定 し て の 診 断^{( 4 8 )}な ど が 行 わ れ て い る ．

オ ン ラ イ ン 診 断 は プ ラ ン ト 停 止 の 必 要 が な く ， さ ら に は 常 時 監 視 ・ 診 断 が で き る 点 で オ フ ラ イ ン 診 断 よ り も 有 利 で あ る こ と か ら ， 関 心 は 高 く 多 く の 研 究 が な さ れ て い る が ， ニ ー ズ を 満 た す も の は 多 く な い ． 以 下 で は ， オ フ ラ イ ン 診 断 に つ い て ， 性 能 劣 化 を 評 価 す る こ と に よ っ て 診 断 を 行 う も の ， 過 去 の 運 転 デ ー タ を 評 価 す る こ と に よ っ て 診 断 を 行 う も の ， モ デ ル を ベ ー ス に プ ラ ン ト の 状 態 を 比 較 す る こ と に よ っ て 診 断 を 行 う も の に 注 目 し て ， 従 来 研 究 を 紹 介 す る ．

性 能 を 評 価 し て そ の 劣 化 を 評 価 す る 診 断 で は ， は じ め に 注 目 す る 指 標 （ 効 率 な ど ）を 設 定 し ，運 転 中 に 各 種 セ ン サ に よ る 測 定 値 を も と に 所 定 の 演 算 を 行 い ， 随 時 評 価 指 標 を 評 価 す る( 4 2 ) , ( 4 9 ) , ( 5 0 )．そ し て ，評 価 指 標 が あ ら か じ め 設 定 し た 閾 値 よ り も 低 下 し た 場 合 に 異 常 が 発 生 し た と 判 断 す る ． す な わ ち ， 設 定 し た 評 価 指 標 が 絶 対 的 な 基 準 と な り ， そ の 評 価 指 標 に 影 響 を 与 え な い シ ス テ ム パ ラ メ ー タ は 診 断 の 対 象 外 と な る ．

対 象 プ ラ ン ト の 過 去 の 運 転 デ ー タ を 用 い る 診 断 で は ， 過 去 に 取 得 し た 正 常 時 と 異 常 時 の 蓄 積 さ れ た デ ー タ を 用 い て ， 運 転 状 態 の 正 常 ・ 異 常 の 判 定 を 行 っ て い る ． 使 用 す る デ ー タ は ， 圧 力 ， 温 度 ， 流 量 ， 液 位 な ど の 制 御 に 使 わ れ る （ 診 断 に 関 係 な く 測 定 し て い る ）プ ロ セ ス 値 の 他 に ，振 動( 5 1 ) - ( 5 3 )，長 さ^{( 5 4 )}，音( 5 5 ) , ( 5 6 )，

画 像( 5 7 ) - ( 6 0 )，レ ー ザ^{( 6 1 )}な ど 診 断 用 に セ ン サ を 新 た に 設 置 し て 測 定 す る も の も あ

る ． ま た ， 過 去 の 運 転 デ ー タ と 現 在 の 運 転 デ ー タ の 比 較 評 価 に 当 た っ て は ， 測

た 問 題 に は 対 処 で き な い ．

対 象 シ ス テ ム を モ デ ル 化 し ， そ れ を ベ ー ス と す る 診 断 で は ， 理 論 的 な 物 理 ・ 制 御 モ デ ル を 利 用 す る も の( 5 1 ) , ( 6 8 )， 熟 練 オ ペ レ ー タ の 思 考 ・ 経 験 に 基 づ い た モ デ ル を 利 用 す る も の^{( 6 8 )}， エ キ ス パ ー ト シ ス テ ム を 利 用 す る も の( 7 0 ) - ( 7 2 )， フ ァ ジ ー 理 論 を 利 用 す る も の( 7 3 ) - ( 7 5 )， ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク を 利 用 す る も の( 7 6 ) - ( 8 1 )

な ど が 挙 げ ら れ る ． さ ら に ， 診 断 過 程 に お い て 異 常 を 検 知 し た 場 合 に ， 段 階 的 に 異 常 の 原 因 を 特 定 す る も の( 8 2 ) , ( 8 3 )や ， 運 転 中 に 逐 次 プ ロ セ ス 値 を 入 力 し て モ デ ル を 補 正 す る こ と で ， 実 際 の プ ロ セ ス と モ デ ル の 乖 離 を 最 小 限 に 抑 え ， 診 断 の 精 度 向 上 を 図 る も の^{( 8 4 )}も あ る ．た だ し ，い ず れ も モ デ ル の 構 築 が 前 提 と な り ， モ デ ル 化 が 困 難 な も の に は こ の 診 断 手 法 は 適 用 で き な い ．

以 上 の よ う な 従 来 研 究 を 背 景 に ， 本 論 文 で は オ リ フ ィ ス 等 と 差 圧 伝 送 器 と を 結 ぶ 導 圧 管 の 圧 力 応 答 を ， プ ロ セ ス 流 体 に 含 ま れ る 圧 力 揺 動 に 注 目 し て 解 明 す る こ と を 目 的 と し て い る ． そ の 成 果 の 応 用 と し て ， オ リ フ ィ ス と 差 圧 伝 送 器 と を 結 ぶ 導 圧 管 の 異 物 な ど に よ る 詰 ま り が ， 差 圧 測 定 ， す な わ ち 流 量 測 定 に 支 障 を 来 す こ と が な い よ う ， 導 圧 管 の 状 態 を 診 断 す る 手 法 の 構 築 を 目 指 す ．

１ ． ２ ． ２ 導 圧 管 の 長 さ ・ 太 さ が 測 定 圧 力 に 与 え る 影 響

導 圧 管 は 測 定 箇 所 の 圧 力 を ， そ の ま ま 伝 送 器 に 伝 え ら れ る こ と が 理 想 的 で あ る ． パ ス カ ル の 原 理 か ら ， 連 続 し た 液 体 に は 同 じ 圧 力 が か か る た め ， 静 特 性 は 問 題 が な い と さ れ ， 事 実 ， 圧 力 の 変 化 が 緩 や か な こ と が 多 い プ ロ セ ス で は ， 導 圧 管 が 正 常 に 接 続 さ れ ， 詰 ま り や 漏 れ 等 の 問 題 が な い 限 り 圧 力 測 定 に 支 障 は な い ． し か し 激 し い 圧 力 変 化 を 伴 う 場 合 に は ， 導 圧 管 中 の 流 体 の 粘 性 に よ る 圧 力 揺 動 振 幅 の 減 衰 や ， 応 答 の 遅 れ が 生 じ る こ と が 知 ら れ て い る ． そ の た め ， 風 洞 を 用 い た 実 験 に 付 随 し て 風 圧 を 調 査 す る 際 に ， 風 洞 壁 面 の 圧 力 測 定 孔 と 圧 力 変 換 器 の 間 を 接 続 す る 導 圧 管 の 影 響 が 問 題 と な る た め ， 導 圧 管 が 圧 力 測 定 に 与 え る 影 響 が 研 究 さ れ て い る ．

I r w i n ら^{( 8 5 )}（1 9 7 9 年 ） は ， 導 圧 管 中 の 圧 力 波 は 気 柱 振 動 を 有 す る と の 考 え か ら ， 周 波 数 が 下 記 の 条 件 に 該 当 す る と ， 共 振 に よ り パ ワ ー ス ペ ク ト ル 密 度 が 大 き く な る こ と を ， 理 論 式 と 導 圧 管 の 長 さ を 変 化 さ せ た 実 験 に よ り 示 し た ．

,L 2 ,7 2 ,5 2 ,3 2 1 2

0

π π π π

π

a

fL ( 1 . 1 )

た だ し ，f： 周 波 数[ H z ]，L： 導 圧 管 の 長 さ[ m]，a₀； 音 速[ m / s ]

村 上 ら^{( 8 6 )}（1 9 8 4 年 ） は ， 導 圧 管 の 長 さ だ け で は な く 内 径 の 大 き さ も 変 化 さ せ た 実 験 を 行 い ， 長 さ が 変 化 す る 影 響 は I r w i n ら と 同 様 の 結 果 を 述 べ ， 内 径 は 測 定 圧 力 の 周 波 数 特 性 に 影 響 を 与 え な い こ と を 示 し た ． た だ し ， こ の 実 験 で は 内 径 が 最 小 1 [ m m]， 最 大 1 . 5 [ m m]と そ の 変 化 幅 が 小 さ い た め に ， 影 響 を 捉 え る こ と が で き な か っ た と 考 え る ．

内 径 の 影 響 は 翌 年（1 9 8 5 年 ）の 大 熊 ら の 報 告^{( 8 7 )}に よ り 改 め て 示 さ れ て お り ， 導 圧 管 の 内 径 を 1 . 6 [ m m]か ら 1 5 [ m m]ま で 変 化 さ せ た 実 験 に よ り ，内 径 も や は り 導 圧 管 の 特 性 に 影 響 が あ る こ と を 明 ら か に し た ． そ し て そ の 影 響 を 自 身 の 他 の 実 験 と ま と め て ， 共 振 周 波 数 ， ゲ イ ン ， 位 相 に つ い て ， 論 文 に て 表 1 . 4 の よ う に ま と め て い る ．

Ta b l e 1 . 4 C o mp a r i s o n o f e ff e c t s i n t u b e l e n g t h a n d i t s d i a me t e r t o w a r d p r e s s u r e .

C h a r a c t e r i s t i c s L e n g t h , d i a me t e r o f

i mp u l s e l i n e E ff e c t

L o n g e r L o w e r R e s o n a n t

f r e q u e n c y Wi d e r H i g h e r

S ma l l e r w h e n t h e f r e q u e n c y i s n o n - d i me n s i o n a l i z e d d i v i d e d b y f i r s t - o r d e r r e s o n a n t f r e q u e n c y

L o n g e r

L o c a l ma x i mu m v a l u e i s s m a l l e r; p e a k s h a r p n e s s i s d u l l

Wi d e r B i g g e r G a i n

C o m mo n a l i t y M a x i m u m v a l u e i s i n f i r s t - o r d e r r e s o n a n t f r e q u e n c y

G r a d i e n t n e a r r e s o n a n t f r e q u e n c y i s s l o w L o n g e r

Av e r a g e d g r a d i e n t i s s h a r p e n

G r a d i e n t n e a r r e s o n a n t f r e q u e n c y i s s h a r p e n P h a s e

Wi d e r

Av e r a g e d g r a d i e n t i s e a s y

１ ． ２ ． ３ 差 圧 伝 送 器 の 導 圧 管 詰 ま り 診 断

本 論 文 で は ，オ リ フ ィ ス 上 流 側 を 高 圧 側 ，オ リ フ ィ ス 下 流 側 を 低 圧 側 と 呼 び ， オ リ フ ィ ス 上 流 側 圧 力 を 高 圧 側 圧 力 ， オ リ フ ィ ス 下 流 側 圧 力 を 低 圧 側 圧 力 ， そ し て 両 者 の 差 を 差 圧 と 呼 ぶ ． ま た ， 高 圧 側 圧 力 を 差 圧 伝 送 器 に 伝 え る 導 圧 管 を 高 圧 側 の 導 圧 管 ， 低 圧 側 圧 力 を 差 圧 伝 送 器 に 伝 え る 導 圧 管 を 低 圧 側 の 導 圧 管 と 呼 ぶ ．

A ma d i - E c h e n d u ら （1 9 9 3 年 ） は ， オ リ フ ィ ス 前 後 か ら 得 ら れ る 差 圧 信 号 に は バ イ ア ス 成 分 と し て 主 に 流 量 情 報 が ，高 周 波 の 圧 力 変 動 成 分（ 以 後 ，圧 力 揺 動 ） の 振 幅 と し て 差 圧 測 定 系 （ 機 器 ） の 状 態 を 代 表 す る パ ラ メ ー タ が 含 ま れ て い る と い う 考 え （ 図 1 . 6 参 照 ） に 基 づ い て ， 導 圧 管 の 詰 ま り を 診 断 す る 手 法 を 明 ら か に し て い る ． す な わ ち ，1 台 の 差 圧 伝 送 器 を 用 い て ， 測 定 値 の バ イ ア ス 成 分 か ら 流 量 情 報 を 得 る と 同 時 に ， 圧 力 揺 動 か ら 機 器 の 状 態 量 を 得 る も の で あ る ． 詰 ま り が な く 導 圧 管 が 正 常 な 場 合 と ， 高 圧 側 の 導 圧 管 内 に ス チ ー ル ウ ー ル を 挿 入 す る こ と に よ っ て 導 圧 管 の 詰 ま り を 模 擬 し た 場 合 の 2 と お り に つ い て ， 空 気 銃 を 用 い て ス テ ッ プ 状 に 圧 力 を 変 化 さ せ ， 差 圧 信 号 の 変 化 を 調 査 し て い る ． 差 圧 測 定 系 の 状 態 変 化 は 圧 力 揺 動 の 振 幅 に 現 れ る と 考 え た た め ， 周 波 数 解 析 に よ り 得 ら れ る パ ワ ー ス ペ ク ト ル 密 度 に 着 目 し ， 導 圧 管 内 に ス チ ー ル ウ ー ル の よ う

F i g . 1 . 5 C o n c e p t i o n o f d i ff e r e n t i a l p r e s s u r e s i g n a l .

な 詰 ま り が 進 行 す る と ， 差 圧 の パ ワ ー ス ペ ク ト ル 密 度 が 変 化 す る こ と を 明 ら か に し た^{( 8 9 )}．

さ ら に 1 9 9 4 年 に は ，水 を プ ロ セ ス 流 体 と し た 実 流 環 境 下 で ，高 圧 側 の 導 圧 管 内 の 水 を ド ラ イ ア イ ス で 凍 結 さ せ て 詰 ま り を 模 擬 し ， こ の よ う な 導 圧 管 の 詰 ま り が 差 圧 測 定 に 及 ぼ す 影 響 を 研 究 し て い る ． 導 圧 管 内 の 水 が 凍 る こ と で 詰 ま り が 進 行 す る と ， 差 圧 の 標 準 偏 差 が 減 少 す る だ け で な く ， 差 圧 測 定 値 が 増 加 ・ 減 少 し て 測 定 に 支 障 を 来 す こ と を 明 ら か に し て い る ． た だ し ， こ の 研 究 で は 差 圧 測 定 に 支 障 を 来 す 前 に ， 標 準 偏 差 の 減 少 に よ っ て 導 圧 管 の 詰 ま り を 判 定 で き る 診 断 手 法 は 確 立 さ れ て い な い^{( 9 0 )}．

Z h a n g ら （2 0 0 0 年 ） は ，Wa v e l e t 変 換 を 利 用 し た 導 圧 管 の 詰 ま り 診 断 手 法 を 研 究 し て い る ． 実 験 に よ り ， 導 圧 管 に 異 物 等 の 詰 ま り が 発 生 す る と ， 測 定 圧 力 の あ る 特 定 周 波 数 の パ ワ ー ス ペ ク ト ル 密 度 が 減 少 す る た め ， こ の 特 定 周 波 数 の 信 号 を 適 切 に 選 択 す る こ と で 導 圧 管 の 詰 ま り を 診 断 で き る こ と を 明 ら か に し て

い る^{( 9 1 )}． そ し て ，2 0 0 1 年 に は 差 圧 に 含 ま れ る 圧 力 揺 動 に 着 目 す る こ と に よ っ

て ， 導 圧 管 に 詰 ま り が 進 行 し て 差 圧 測 定 に わ ず か な 支 障 を 来 し た 時 点 で ， 導 圧 管 の 詰 ま り を 診 断 で き る 手 法 を 明 ら か に し て い る^{( 9 2 )}．

S Z A N Y I ら （2 0 0 3 年 ） は ， 導 圧 管 を 通 し て 得 ら れ る 差 圧 に 含 ま れ る 圧 力 揺 動 に 注 目 し ， 導 圧 管 が 正 常 な 場 合 と 詰 ま り を 生 じ て い る 場 合 と を 比 較 す る パ タ ー ン マ ッ チ ン グ に よ り ，導 圧 管 の 詰 ま り を 診 断 す る 手 法 を 提 案 し て い る ．そ し て ， F C C ユ ニ ッ ト（F l u i d C a t C r a c k i n g ユ ニ ッ ト ，原 油 の 分 解 精 製 法 の 一 種 ）を 用 い た 実 験 に よ り ， 差 圧 を 測 定 す る 2 本 の 導 圧 管 の 中 の 一 方 の み が 詰 ま る と ， 差 圧 に 含 ま れ る 圧 力 揺 動 の 振 幅 が 正 常 時 （ 詰 ま り が な い 場 合 ） よ り も 増 加 し ，2 本 の 導 圧 管 が い ず れ も 同 じ よ う に 詰 ま る と ， 差 圧 に 含 ま れ る 圧 力 揺 動 の 振 幅 が 減 少 す る こ と を 明 ら か に し て い る ． た だ し ， パ タ ー ン マ ッ チ ン グ の 手 法 を 用 い る の で ， 導 圧 管 の 詰 ま り 状 態 の 診 断 を 開 始 す る 前 に ， 導 圧 管 に 詰 ま り が な い 正 常 な 状 態 で 基 準 と な る デ ー タ （ 差 圧 測 定 値 の パ タ ー ン ） を 収 集 す る 必 要 が あ る た め ， 運 転 動 作 点 （ 流 量 ， 圧 力 ） が 変 化 す る た び に 基 準 デ ー タ を 収 集 す る 必 要 が あ り ， 対 象 プ ラ ン ト の 運 転 形 態 に よ っ て は ， 技 術 的 に も 経 済 的 に も 大 き な 負 担 と な る( 9 3 ) - ( 9 7 )．

宮 地 ら （2 0 0 4 年 ） は ， フ ィ ー ル ド バ ス ネ ッ ト ワ ー ク 上 に あ る ホ ス ト コ ン ピ ュ ー タ 上 で 運 用 で き る 診 断 手 法 と し て ， 導 圧 管 を 通 し て 得 ら れ る 差 圧 測 定 値 の 差 分 に 着 目 し た 導 圧 管 の 詰 ま り 診 断 手 法 を 明 ら か に し て い る ．こ の 診 断 手 法 で は ，

に 含 ま れ る 圧 力 揺 動 を 基 準 状 態 と 比 較 し ， 導 圧 管 に お け る 詰 ま り 状 態 を 判 断 し て い る^{( 9 8 )}．

PA 分 野 に お い て 現 在 主 流 と な っ て い る 4 - 2 0 [ m A ]の 直 流 電 流 を 通 信 に 用 い る フ ィ ー ル ド 機 器 で は ， 信 号 線 追 加 に 伴 う コ ス ト 等 の 問 題 か ら ， 一 般 的 に は 1 つ の フ ィ ー ル ド 機 器 に 1 つ の プ ロ セ ス 量 を 当 て て い る が ，F O U N D AT I O N フ ィ ー ル ド バ ス に 対 応 し た 機 器 で は ， 特 別 な 設 備 変 更 を す る こ と な く 多 種 多 様 な デ ー タ を 送 受 信 で き る た め ， 複 数 の セ ン サ を 搭 載 し て そ れ ら の プ ロ セ ス 値 を 送 信 す る マ ル チ バ リ ア ブ ル 機 器 が 実 用 化 さ れ ， 使 用 さ れ て い る ． 例 え ば ， 渦 流 量 計 で 流 量 と 温 度 を 同 時 に 測 定 し ， 体 積 流 量 や 温 度 と と も に 質 量 流 量 も 出 力 で き る も の

( 9 9 )や ，差 圧 伝 送 器 に お い て ，差 圧 の 他 に 高 圧 側 圧 力 や 低 圧 側 圧 力 も 同 時 に 測 定

で き る も の( 1 0 0 ) , ( 1 0 1 )な ど が あ る ． 後 者 の 差 圧 伝 送 器 を 用 い た 研 究 と し て ， 以 下 の も の が 挙 げ ら れ る ．

田 谷 ら は ， 差 圧 だ け で な く 高 圧 側 圧 力 と 低 圧 側 圧 力 も 同 時 に 測 定 で き る 差 圧 伝 送 器 を 使 用 し ， オ リ フ ィ ス と 差 圧 伝 送 器 を 接 続 す る 導 圧 管 に つ い て ， 導 圧 管 が 異 物 等 に よ っ て 詰 ま っ た 場 合 ， 高 圧 側 と 低 圧 側 の ど ち ら の 導 圧 管 に 詰 ま り が 生 じ た か を 判 別 で き る 手 法 を 研 究 し て い る ． こ の 研 究 で は ， 測 定 し た 3 つ の 圧 力 （ 差 圧 ， 高 圧 側 圧 力 ， 低 圧 側 圧 力 ） を F F T（F a s t F o u r i e r Tr a n s f o r m） 処 理 に よ り 周 波 数 解 析 し ，3 つ の 圧 力 の パ ワ ー ス ペ ク ト ル 密 度 の 相 関 が ， 導 圧 管 が 正 常 な 時 と 導 圧 管 に お け る 3 つ の 詰 ま り 状 態 （ 高 圧 側 の 導 圧 管 だ け が 詰 ま る ， 低 圧 側 の 導 圧 管 だ け が 詰 ま る ， 両 側 の 導 圧 管 が 詰 ま る ） の そ れ ぞ れ に お い て ， い ず れ も 固 有 の 特 徴 を 持 っ て い る こ と を 明 ら か に し て い る ． そ し て ， 正 常 時 の 導 圧 管 に 見 る 特 徴 と の 比 較 を 行 う パ タ ー ン マ ッ チ ン グ に よ り ， プ ロ セ ス 流 量 水 準 の 影 響 を 受 け ず に 導 圧 管 の 詰 ま り を 判 別 で き る 手 法 を 提 案 し て い る^{( 2 0 )}．

以 上 の よ う に ， 導 圧 管 の 詰 ま り 状 態 の 診 断 手 法 に つ い て 多 く の 提 案 が さ れ て い る が ， い ま な お 実 用 上 問 題 と な る こ と が 残 さ れ て い る ． 大 き な 問 題 と し て ， 測 定 に 支 障 を 来 す よ う な 導 圧 管 の 詰 ま り 状 態 に 至 る 前 に ， 詰 ま り が 初 期 段 階 に あ る こ と を 判 定 で き な い こ と と ， 診 断 で き る プ ラ ン ト の 運 転 状 態 が 限 ら れ て い る こ と が 挙 げ ら れ る ．

導 圧 管 に 異 物 等 に よ る 詰 ま り が 生 じ る と ， 導 圧 管 末 端 に お け る 圧 力 応 答 に 遅 れ 等 が 生 じ ， 圧 力 ・ 流 量 測 定 や そ れ ら を 利 用 し た 制 御 に 支 障 を 来 す ． さ ら に ， 場 合 に よ り プ ラ ン ト の 運 転 停 止 に 繋 が る 恐 れ も あ る ． 従 来 研 究 で は ， 計 測 ・ 制 御 に 支 障 を 来 す 前 に 導 圧 管 の 詰 ま り 状 態 を 把 握 す る こ と は 難 し い ． 問 題 が 生 じ た 後 に そ の 原 因 が わ か る こ と は 事 後 対 応 に 有 用 で あ る が ， プ ラ ン ト の 運 転 停 止 や 事 故 に 伴 う 損 失 は 計 り 知 れ な い ， 種 々 の 支 障 を 来 す 前 に 詰 ま り を 診 断 す べ き

で あ る と い え る ．

ま た ，プ ラ ン ト や フ ィ ー ル ド 機 器 の 不 具 合 の 監 視・診 断 に 関 す る 従 来 研 究 は ， そ の ほ と ん ど が 特 定 の 定 常 状 態 に あ る 運 転 動 作 点 を 対 象 と し て お り ， 運 転 動 作 点 の 変 更 に 対 応 し て い な い ， も し く は 運 転 動 作 点 が 変 更 に な る 度 に 煩 雑 な 操 作 が 必 要 で あ る ． さ ら に は ， 過 渡 状 態 に 対 応 で き る も の が な い だ け で な く ， 過 渡 状 態 で の 監 視 ・ 診 断 の 可 否 が 不 明 な も の が 少 な く な い ． し た が っ て ， あ る 状 態 で 導 圧 管 の 詰 ま り を 監 視 ・ 診 断 で き る と い っ て も ， 定 常 状 態 の 定 義 が 明 ら か で は な く ， 過 渡 状 態 と 明 確 に 区 別 が で き な い こ と か ら ， 任 意 の 診 断 に よ っ て 導 圧 管 に 詰 ま り が な い と い う 結 果 が 得 ら れ て も ， 本 当 に 詰 ま っ て い な い の か ， 主 管 路 の 圧 力 が 変 化 し て い る た め に 詰 ま り を 検 出 で き な い の か が わ か ら な い と い う の が 現 状 で あ る ．

１ ． ３ 本 論 文 の 研 究 目 的

オ リ フ ィ ス 式 流 量 計 に 代 表 さ れ る 差 圧 式 流 量 計 は ，PA の 分 野 で 広 く 用 い ら れ て い る 重 要 な フ ィ ー ル ド 機 器 の 1 つ で あ る ． こ の 形 態 の 流 量 計 は 可 動 部 が な い た め 堅 牢 で ， 保 守 も 容 易 で あ る が ， ま れ に 不 具 合 が 発 生 す る ． そ の 不 具 合 の 中 で 最 も 多 い の が オ リ フ ィ ス 等 と 差 圧 計 と を 結 ぶ 導 圧 管 に お け る 異 物 等 に よ る 詰 ま り で あ る こ と は 第 1 . 1 . 1 項 で 示 し た と お り で あ る ． 導 圧 管 が 詰 ま る と 導 圧 管 の 圧 力 応 答 特 性 の 劣 化 等 に 起 因 し て 差 圧 測 定 に 支 障 を 来 し ， 過 度 な 詰 ま り の 場 合 に は プ ラ ン ト の 制 御 性 の 低 下 や 事 故 の 発 生 に つ な が る ． こ の よ う な 問 題 に 対 し て ， 現 在 は プ ラ ン ト の 運 転 停 止 を と も な う 定 期 点 検 で の 対 処 が 主 流 と な っ て い る ． し か し ， プ ラ ン ト の 運 転 停 止 を 伴 う 点 検 に は 費 用 が か か る だ け で な く ， 突 発 的 な 詰 ま り に よ る 不 具 合 に は 対 応 で き な い と い う 問 題 が 多 く 存 在 す る ．

こ こ で ， プ ラ ン ト お よ び フ ィ ー ル ド 機 器 の メ ン テ ナ ン ス の 分 類 を 図 1 . 5 に 示

す^{( 4 0 )}． ま ず ， メ ン テ ナ ン ス は 事 前 対 応 と 事 後 対 応 に 大 別 さ れ る ． 中 央 下 の 事 後

保 全 （B r e a k d o w n m a i n t e n a n c e） は ， 問 題 が 起 こ っ て か ら 対 応 す る も の で あ り ， 重 要 度 の 低 い も の （ 例 え ば 室 内 の 蛍 光 灯 な ど ） に 適 用 さ れ る ． オ リ フ ィ ス 流 量 計 に 欠 か せ な い 導 圧 管 の 詰 ま り 状 態 等 を 事 後 保 全 で 対 応 す る の は 不 適 切 で あ る ． な お ， 導 圧 管 が 異 物 等 で 詰 ま っ た 場 合 に は ， 一 般 的 に は ， 導 圧 管 に 圧 力 を か け て 詰 ま り を 除 去 ， も し く は 導 圧 管 の 交 換 に よ り 対 処 し て い る ． 図 1 . 6 の 上 段 に 示 す 予 防 保 全 は ， さ ら に 時 間 基 準 保 全 と 状 態 基 準 保 全 に 分 類 さ れ る ． 一 定 期 間

応 で き る が ， 異 物 が 進 入 す る よ う な 突 発 的 な 詰 ま り に は 対 応 で き な い た め ， プ ラ ン ト 全 体 や フ ィ ー ル ド 機 器 の 状 態 を 常 に 把 握 し ， そ れ に 基 づ い て 保 全 を 行 う 状 態 基 準 保 全 が 最 適 で あ る ． た だ し ， プ ラ ン ト 運 転 中 に 特 定 の フ ィ ー ル ド 機 器 の 状 態 を 常 時 把 握 す る こ と は 困 難 で あ る こ と か ら ， 時 間 基 準 保 全 に 留 ま っ て い る ． そ こ で ， 本 論 文 で は ， 差 圧 式 流 量 計 に 欠 か せ な い 導 圧 管 の 圧 力 応 答 特 性 を 解 明 し た 上 で ， そ の 成 果 を ， 状 態 基 準 保 全 が 可 能 な 導 圧 管 の 詰 ま り 状 態 を 診 断 す る 手 法 の 構 築 を 目 指 す ．

第 1 . 2 節 で 示 し た よ う に ， 従 来 か ら 導 圧 管 に 異 物 等 が 詰 ま っ た 場 合 の 圧 力 応

答 特 性 や 詰 ま り 状 態 の 検 出 ・ 評 価 方 法 が 研 究 さ れ て い る が ， 実 際 の 診 断 に は 不 可 欠 と 考 え ら れ る 以 下 の 条 件 を 全 て 満 た し た も の は 未 だ 構 築 さ れ て い な い ．

‹ ラ イ ン を 停 止 す る こ と な く 導 圧 管 の 詰 ま り を 診 断 で き る

‹ 高 圧 側 と 低 圧 側 の ど ち ら が 詰 ま っ て い る の か 判 別 で き る

‹ 運 転 動 作 点 の 変 更 に 対 応 で き る

‹ 過 渡 状 態 に 対 応 で き る

そ こ で ， 本 論 文 で は こ れ ら の 条 件 を 全 て 満 た す ， 導 圧 管 詰 ま り 診 断 手 法 を 確 立 す る こ と を 目 的 の ひ と つ と す る ． こ の と き ， 診 断 に 際 し て 各 部 の 圧 力 を 測 定 す る 必 要 が あ る が ， 実 用 上 の 利 便 性 を 考 慮 し て ， 差 圧 伝 送 器 以 外 の セ ン サ を 使 用 せ ず に ， 従 来 研 究 と 同 様 に 差 圧 伝 送 器 の 本 来 の 役 割 で あ る 差 圧 測 定 （ 流 量 測 定 ） を 中 断 す る こ と な く ， 導 圧 管 の 詰 ま り 診 断 も 同 時 に 実 行 す る ．

F i g . 1 . 6 C l a s s i f i c a t i o n o f ma i n t e n a n c e .

１ ． ４ 本 論 文 の 構 想 と 構 成

差 圧 式 の 流 量 計 は ， ラ イ ン 中 の 2 点 の 圧 力 差 か ら 流 速 （ 流 量 ） を 算 出 す る も の で あ る た め ， 伝 送 器 に は 差 圧 の 測 定 が 求 め ら れ る ． プ ラ ン ト 用 の 機 器 は 機 能 の 豊 富 さ よ り も 価 格 の 低 さ の ほ う が 優 先 さ れ る た め ， 従 来 は 差 圧 の み を 測 定 す る 差 圧 伝 送 器 が ほ と ん ど で あ っ た ． す な わ ち ， セ ン サ と し て 差 圧 の み し か 測 定 で き ず ， 高 圧 側 圧 力 や 低 圧 側 圧 力 を 測 定 す る に は 他 の セ ン サ （ 伝 送 器 ） が 必 要 で あ っ た ． そ れ ゆ え に ， 差 圧 伝 送 器 を 用 い た 導 圧 管 の 詰 ま り 診 断 に 関 す る 従 来 研 究 の ほ と ん ど が 差 圧 の み に 着 目 し て お り ， 周 波 数 成 分 と し て も ゲ イ ン （ 振 幅 の 大 き さ ） を 利 用 す る も の し か な か っ た ． 位 相 も 周 波 数 成 分 の 情 報 と し て 測 定 圧 力 に 含 ま れ る も の の ，1 つ の 圧 力 信 号 し か な い 場 合 に は 周 波 数 ご と の 位 相 の 相 関 し か 得 ら れ な い た め ， 導 圧 管 の 詰 ま り 診 断 に は 利 用 で き な い と し て 注 目 さ れ て い な か っ た ． こ れ に 対 し て 本 論 文 で は ， 差 圧 そ の も の で は な く ， 高 圧 側 圧 力 と 低 圧 側 圧 力 を 独 立 に 測 定 し て 2 つ の 圧 力 信 号 を 得 る こ と で ，2 つ の 圧 力 信 号 の 位 相 を 算 出 し ， こ れ を 導 圧 管 の 詰 ま り 診 断 に 利 用 す る ． メ イ ン ラ イ ン か ら の 圧 力 信 号 は ， オ リ フ ィ ス を 挟 ん だ 前 後 か ら 導 圧 管 を 通 し て 測 定 端 に て 測 定 さ れ る が ， 高 圧 側 圧 力 と 低 圧 側 圧 力 の 行 路 長 は ほ ぼ 同 一 な の で ， 正 常 な 状 態 （ 詰 ま り の な い 状 態 ） で は 高 圧 側 圧 力 と 低 圧 側 圧 力 の 位 相 は 同 一 で あ り ， い ず れ か の 導 圧 管 内 に 詰 ま り が 生 じ る と 2 つ の 位 相 に 差 が 生 じ る と 考 え る ． 従 来 研 究 で 広 く 用 い ら れ て き た 圧 力 信 号 に 含 ま れ る 振 幅 は ， 圧 力 水 準 や 動 的 状 態 な ど 外 乱 の 影 響 を 受 け や す い が ， 位 相 は そ れ ら の 影 響 を 受 け な い と 考 え ら れ る た め ， よ り 広 い 状 態 に 対 応 し た 導 圧 管 の 詰 ま り 診 断 が 可 能 に な る ．

本 論 文 は ，ま ず 第 2 章 に お い て ，PA 分 野 に お い て 広 く 利 用 さ れ て い る オ リ フ ィ ス 式 流 量 計 に 代 表 さ れ る 差 圧 式 流 量 計 を 対 象 に ， オ リ フ ィ ス 等 と 差 圧 を 測 定 す る 差 圧 伝 送 器 を 接 続 す る 導 圧 管 に ， 異 物 等 に よ る 詰 ま り が 発 生 し た 場 合 の 導 圧 管 の 圧 力 応 答 特 性 を 解 明 し ， 導 圧 管 に お け る 詰 ま り が 差 圧 測 定 に 与 え る 影 響 を 明 ら か に し て い る ． 次 に ， 第 3 章 に お い て 導 圧 管 が 異 物 等 に よ る 詰 ま り を 有 す る と き の 圧 力 応 答 特 性 に つ い て ，2 つ の 導 圧 管 の 測 定 端 末 に お け る 圧 力 揺 動 の 振 幅 と 位 相 に 注 目 し て ，運 転 動 作 点 の 変 更 や 過 渡 状 態 と の 関 連 で 論 じ て い る ． 第 4 章 で は ， 以 上 の 導 圧 管 の 圧 力 応 答 特 性 を オ リ フ ィ ス 式 流 量 計 の 不 具 合 の ひ と つ で あ る 導 圧 管 の 詰 ま り 診 断 に 応 用 す べ く ， 圧 力 揺 動 の 振 幅 と 位 相 に 着 目 し た 具 体 的 な 手 法 を 示 し て い る ． た だ し ， 圧 力 揺 動 の 振 幅 は 外 乱 の 影 響 を 受 け や す い た め こ の 手 法 の 限 界 を 示 し ， 圧 力 揺 動 の 位 相 に 着 目 し た 手 法 を 提 案 す る ． こ の 診 断 手 法 は ，2 つ の 導 圧 管 の 測 定 端 に お け る 圧 力 揺 動 の 位 相 特 性 と パ ワ ー

り 診 断 手 法 を 構 築 し て い る ． 最 後 に ， 第 5 章 で は 結 論 と し て 本 論 文 の 成 果 を ま と め ， 実 用 化 に 向 け た 今 後 の 課 題 と 方 向 性 を 提 案 す る ．

第 ２ 章 導 圧 管 の 詰 ま り が

差 圧 測 定 に 及 ぼ す 影 響 の 解 明

オ リ フ ィ ス 等 と 差 圧 伝 送 器 と を 接 続 す る 導 圧 管 に 異 物 等 に よ る 詰 ま り が 生 じ た 場 合 ， 詰 ま り の 程 度 に 応 じ て 導 圧 管 の 圧 力 応 答 特 性 が 影 響 を 受 け ， 圧 力 ・ 差 圧 測 定 に 支 障 を 来 す こ と が 知 ら れ て い る が ， 導 圧 管 の 詰 ま り 状 態 と 導 圧 管 の 測 定 端 に お け る 測 定 圧 力 ・ 差 圧 と の 関 係 は 明 ら か に さ れ て い な い ． そ こ で ， 本 章 で は 導 圧 管 に お け る 詰 ま り が 圧 力 ・ 差 圧 測 定 に 与 え る 影 響 を ， 実 験 調 査 を 通 し て ， 測 定 対 象 圧 力 が 静 的 お よ び 動 的 な 状 態 に あ る 場 合 に つ い て 明 ら か に す る ． オ リ フ ィ ス 式 流 量 計 は ， ベ ル ヌ ー イ の 定 理 と 連 続 の 式 に 基 づ き ， オ リ フ ィ ス 前 後 の 圧 力 差 と 流 量 が 式 （2 . 1） に 示 す 関 係 を 持 つ こ と を 利 用 し て い る ．

(

)

1

4 /

2 1 4 1

2

P P D

d C d

G −

=

ε

π ρ

こ こ で ，G： 質 量 流 量[ k g / s ]，ε： 膨 張 補 正 係 数 ，C： 流 出 係 数 ，d： オ リ フ ィ ス プ レ ー ト 詰 ま り 口 径[ m m]，D： 配 管 内 径[ m m]，ρ1： オ リ フ ィ ス 上 流 側 の 流 体 密 度[ k g / m³]，P₁： オ リ フ ィ ス 上 流 側 圧 力[ k P a ]，P₂： オ リ フ ィ ス 下 流 側 圧 力[ k P a ]． こ の 式 と 流 出 係 数 の 算 出 式^{( 1 0 2 )}を 用 い て ，J I S^{( 1 0 3 )}に 定 め ら れ た 範 囲 で あ れ ば ， 実 流 校 正 な し に 流 量 を 求 め ら れ る ． 厳 密 に は 温 度 や 圧 力 の 影 響 も 考 慮 す べ き で は あ る が ， プ ロ セ ス 流 体 が 非 圧 縮 性 の 場 合 や ， 測 定 環 境 の 変 化 が ほ と ん ど な い 場 合 は ， 差 圧 が 支 配 的 と な る ． ま た ， オ リ フ ィ ス 式 流 量 計 の 出 力 （ 流 量 ） は プ ラ ン ト の 制 御 系 の 操 作 量 と し て 使 用 さ れ る こ と が 多 い た め ， 差 圧 信 号 が 制 御 系 に お い て 重 要 な 役 割 を 担 っ て い る と い え る ．制 御 系 に 取 り 込 ま れ る 測 定 信 号 が ， ノ イ ズ 的 成 分 を 含 む こ と は 円 滑 な 制 御 経 過 を 実 現 す る 上 で 好 ま し く な い こ と か

２ ． １ 静 的 状 態 下 で の 導 圧 管 の 特 性 評 価

プ ラ ン ト の 運 転 時 間 の 多 く は 定 常 状 態 で あ り ， 圧 力 水 準 や 流 量 水 準 が 変 化 し な い と 考 え ら れ る ． そ こ で 始 め に ， オ リ フ ィ ス と 差 圧 伝 送 器 と を 接 続 す る 導 圧 管 の 詰 ま り が ， 導 圧 管 の 静 的 特 性 に 与 え る 影 響 を 見 る ．

圧 力 は 導 圧 管 中 の プ ロ セ ス 流 体 を 介 し て 伝 達 さ れ ， 定 常 状 態 で は 1 つ の 連 続 し た 媒 体 に か か る 圧 力 は ， 位 置 に よ ら ず 同 一 で あ る ． す な わ ち ， 詰 ま り に よ り 導 圧 管 の 一 部 が 細 く な っ て い て も 完 全 に 分 断 さ れ な い 限 り は ， 圧 力 が 伝 達 さ れ る の で 静 特 性 に 影 響 を 及 ぼ さ な い と 言 え る ． な お ， 詰 ま り に よ り 媒 体 が 分 断 さ れ る と ，1 次 側（ ラ イ ン 側 ）の 圧 力 揺 動 だ け で な く 圧 力 水 準 の 変 化 も 2 次 側（ 圧 力 測 定 部 ， 差 圧 伝 送 器 側 ） に 伝 わ ら な く な る た め ， 詰 ま り の 発 生 後 に 圧 力 が 変 化 し た 場 合 に は ， 測 定 値 圧 力 が 真 値 と 偏 差 を 持 ち ， こ の 状 態 で は 問 題 が あ る ． し た が っ て ， 導 圧 管 内 に 詰 ま り が 生 じ て も 完 全 に 閉 塞 し な い 限 り ， 静 的 状 態 下 で の 圧 力 測 定 に は 影 響 を 及 ぼ さ な い と い え る ．

こ の こ と を ， 通 常 の オ リ フ ィ ス 式 流 量 計 の 運 用 環 境 下 を 模 擬 し た 状 態 に お い て 確 認 し た ． こ こ で は 水 を プ ロ セ ス 流 体 と し ， 図 2 . 1 に 示 す 実 験 装 置 （ ポ ン プ 流 量 1 . 2 [ m³/ mi n ]，揚 程 1 0 0 [ m]）で ，オ リ フ ィ ス と 差 圧 伝 送 器 を 接 続 す る 導 圧 管 に 生 じ た 詰 ま り を 導 圧 管 中 の ニ ー ド ル 弁（ フ ジ キ ン ，U N - 1 4 M B - S，定 格 C_v値 ： 0 . 0 1 5） で 模 擬 し ， そ の C_v 値 比 （ 定 格 C_v 値 に 対 す る 実 際 の C_v 値 ） を パ ラ メ ー タ と し て 実 験 を 行 っ た ． 導 圧 管 に は プ ラ ン ト で 一 般 的 に 使 用 さ れ る ス テ ン レ ス 管 を 使 用 し ， 高 圧 側 と 低 圧 側 の そ れ ぞ れ に ニ ー ド ル 弁 を 設 置 し て い る ． こ れ ま で の 一 般 的 な 差 圧 伝 送 器 は 差 圧 し か 測 定 で き な か っ た が ， 質 量 流 量 の 算 出 の た め に は 温 度 と 圧 力 の 情 報 も 必 要 な た め ， 複 数 の プ ロ セ ス 値 を 測 定 で き る 機 器 の ニ ー ズ が あ り ， 近 年 普 及 し 始 め て い る ． そ の た め ， 本 研 究 で は 差 圧 ， 高 圧 側 圧 力 ， 低 圧 側 圧 力 も 同 時 に 測 定 で き る 差 圧 伝 送 器^{（9 9）}を 用 い る ． 定 常 状 態 で 差 圧 を 4 5 [ k P a ]一 定 と し ，導 圧 管 の 高 圧 側 に 詰 ま り が 生 じ た 場 合 と 導 圧 管 の 低 圧 側 に 詰 ま り が 生 じ た 場 合 を 模 擬 し て ，2 つ の 導 圧 管 の 測 定 端 よ り 得 ら れ る 差 圧 を 調 査 す る ． な お ， 導 圧 管 の 高 圧 側 に 詰 ま り が 生 じ た 場 合 は 高 圧 側 に の み 詰 ま り を 模 擬 し ， 導 圧 管 の 低 圧 側 に 詰 ま り が 生 じ た 場 合 は 低 圧 側 に の み 詰 ま り を 模 擬 す る ． 結 果 を 図 2 . 2 に 示 す ． 図 は 詰 ま り の 進 行 （C_v値 比 ） と 差 圧 の 関 係 を 表 し て お り ， 図 中 左 端 が 詰 ま り の な い 場 合 （ ニ ー ド ル 弁 が 全 開 ） で ， 右 に 進 む ほ ど 詰 ま り が 進 行 し ， 最 終 的 に 導 圧 管 は ほ ぼ 閉 塞 （ ニ ー ド ル 弁 が ほ ぼ 全 閉 ） に な る ． 当 然 の こ と と い え る が ， 導 圧 管 が 閉 塞 状 態 に 近 づ い て も 完 全 な 閉 塞 状 態 に な い 限 り ， 圧 力 ・ 差 圧 測 定 に 支 障 を 来 さ な い こ と を 確 認 で き る ．

参 考 の た め に ， 実 験 な ど で 多 用 さ れ る ， ス テ ン レ ス 管 よ り も や わ ら か い 銅 管 を 導 圧 管 に 使 用 し た 場 合 を 紹 介 す る ．導 圧 管 の 接 続 部 な ど に 漏 れ は 視 認 さ れ ず ， 使 用 上 は ほ と ん ど 問 題 に な ら な い 状 態 で ， こ の 導 圧 管 の 特 性 を 調 査 し た ． 結 果

を 図 2 . 3 に 示 す ． 図 は 詰 ま り の 進 行 （C_v値 比 ） と 差 圧 の 関 係 を 表 し て お り ， 図

中 左 端 が 詰 ま り の な い 場 合 で ， 右 に 進 む ほ ど 詰 ま り が 進 行 し ， 最 終 的 に 導 圧 管 は ほ ぼ 閉 塞 に な る ． 詰 ま り の な い 状 態 か ら C_v値 比 5 %ま で は 差 圧 に 変 化 が な い も の の ，さ ら に C_v値 比 が 小 さ く な り C_v値 比 3 %で は ，導 圧 管 の 高 圧 側 に 詰 ま り が 生 じ た 場 合 で は 差 圧 の 減 少 ， 導 圧 管 の 低 圧 側 に 詰 ま り が 生 じ た 場 合 で は 差 圧 の 増 加 が 見 ら れ る ． こ れ は プ ロ セ ス 流 体 の 極 微 量 の 漏 れ に よ っ て ， 詰 ま り が 生 じ た 側 の 圧 力 が 低 下 し た こ と が 理 由 で あ る ． 導 圧 管 の 高 圧 側 に 詰 ま り が 生 じ た 場 合 の C_v 値 比 3 %に お け る 高 圧 側 圧 力 の 時 系 列 変 化 を 図 2 . 4 に 示 す ． 図 よ り ， ラ イ ン 圧 力 を 9 0 0 [ k P a ]に 設 定 し て い た に も か か わ ら ず ，8 6 0 [ k P a ]か ら 時 間 の 経 過 と と も に 8 5 0 [ k P a ]程 度 ま で 減 少 し て お り ， 時 間 の 経 過 に し た が っ て 減 少 す る こ と か ら ， 漏 れ が 原 因 で あ る こ と が わ か る ． な お ， 測 定 終 了 後 に ニ ー ド ル 弁 を 全 開 に す る と ， 測 定 圧 力 が 再 び 9 0 0 [ k P a ]を 指 す こ と を 確 認 し て い る ．

F i g . 2 . 2 St a t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f d i ff e r e n t i a l p r e s s u r e u n d e r t h e b l o c k a g e c o n d i t i o n u s i n g i mp u l s e l i n e s ma d e o f s t a i n l e s s s t e e l .

F i g . 2 . 1 E x p e r i me n t a l i n s t a l l a t i o n .

F i g . 2 . 3 St a t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f d i ff e r e n t i a l p r e s s u r e u n d e r t h e b l o c k a g e c o n d i t i o n u s i n g i mp u l s e l i n e s ma d e o f c o p p e r.

F i g . 2 . 4 Ti me v a r i a t i o n o f h i g h - s i d e p r e s s u r e u n d e r h i g h - s i d e b l o c k a g e c o n d i t i o n .