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ピトー管とは?原理・仕組みは?流速の計算【流量計・係数・例題・マノメータ】

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流体力学や流体計測を学ぶ上で重要な測定器の一つがピトー管です。飛行機の速度計測、風洞実験、配管内の流速測定など、流体の速度を知るためには、ピトー管の知識が欠かせません。

しかし、ピトー管とは何を測定する装置なのでしょうか。どんな原理で流速を測定するのか、どうやって計算するのか、わかりにくいと感じる方も多いはずです。

実は、ピトー管は流体の動圧と静圧の差を利用して流速を測定する装置であり、ベルヌーイの定理に基づく最も基本的な流速計となります。

航空機の速度計として実用化されて以来、様々な分野で広く使われているのです。

この記事では、ピトー管の基本的な定義から、測定原理と仕組み、ベルヌーイの定理との関係、流速の計算公式、ピトー管係数、そしてマノメータを使った具体的な計算例題まで、わかりやすく丁寧に解説していきます。

流体力学や機械工学を学ぶ方はぜひ最後までお読みください。

ピトー管とは?基本的な意味と定義

それではまず、ピトー管の基本的な意味と定義について解説していきましょう。

ピトー管の定義

ピトー管(ピトーかん、英語:Pitot tube)とは、流体の流速を測定するための管状の測定器です。

フランスの物理学者アンリ・ピトー(Henri Pitot)が1732年に発明しました。

ピトー管の特徴:

・流体の動圧と静圧を同時に測定

・圧力差から流速を計算

・構造がシンプル

・比較的安価

・広範囲の流速測定が可能

ピトー管は、次のような場面で使われています。

・航空機の速度計(対気速度計)

・風洞実験での風速測定

・配管内の流速測定

・換気ダクトの風速測定

・河川の流速測定

例えば、飛行機の機首や翼に取り付けられている細い管がピトー管。これにより、飛行機の対気速度を正確に測定できるのです。

ピトー管は、流体力学の実験、産業プロセスの監視、環境測定など、様々な分野で不可欠な測定器となっています。

ピトー管の構造

ピトー管の基本構造は非常にシンプルです。

基本的な構成要素

・全圧管(動圧管):流体に正面から向けた管

・静圧孔:流体の流れに平行な側面の穴

・圧力測定装置:マノメータや圧力計

全圧管(よどみ点)

・流れに正対して開口

・流体がぶつかって静止する点

・全圧(動圧 + 静圧)を測定

静圧孔

・流れに平行な側面に開けた穴

・流体の流れを乱さない位置

・静圧のみを測定

2つの圧力の差が動圧となり、これから流速を求めることができます。

ピトー管の種類

ピトー管にはいくつかの種類があります。

ピトー管(単純型)

・全圧のみを測定

・別に静圧測定が必要

・最も単純な構造

ピトー静圧管(ピトー・スタティック管)

・全圧と静圧を同時に測定

・1本の管で完結

・航空機で広く使用

・最も一般的なタイプ

ケルピトー管

・L字型の構造

・狭い場所での測定に適する

・配管内測定で使用

ピトー静圧管が最もよく使われるため、単に「ピトー管」と言えばこのタイプを指すことが多いでしょう。

ピトー管のポイント
・流体の流速を測定する装置
・動圧と静圧の差を利用
・構造がシンプルで安価
・航空機や配管で広く使用

ピトー管の原理と仕組み

続いては、ピトー管が流速を測定する原理と仕組みについて確認していきましょう。

ベルヌーイの定理

ピトー管の測定原理は、ベルヌーイの定理に基づいています。

ベルヌーイの定理は、流体のエネルギー保存則を表す式です。

P + (1/2)ρv² + ρgh = 一定

ここで、
・P:静圧 [Pa]
・ρ:流体の密度 [kg/m³]
・v:流速 [m/s]
・g:重力加速度 = 9.8 m/s²
・h:高さ [m]

この式の各項の意味:

・P:圧力エネルギー(静圧)

・(1/2)ρv²:運動エネルギー(動圧)

・ρgh:位置エネルギー

水平な流れ(高さhが一定)では、

P + (1/2)ρv² = 一定

つまり、流速が速いところでは圧力が低く、流速が遅いところでは圧力が高くなるのです。

よどみ点と全圧

ピトー管の開口部では、流体が正面からぶつかって静止します。

この点をよどみ点(stagnation point)と呼びます。

よどみ点での流速:v = 0

ベルヌーイの定理から、

流れの中:P₁ + (1/2)ρv₁² = 一定

よどみ点:P₀ + (1/2)ρ × 0² = P₀

したがって、

P₀ = P₁ + (1/2)ρv₁²

ここで、

・P₀:よどみ点の圧力(全圧)

・P₁:流れの中の圧力(静圧)

・v₁:流れの速度

全圧P₀は、静圧P₁と動圧(1/2)ρv₁²の和。

動圧と流速の関係

全圧と静圧の差が動圧です。

動圧 = P₀ – P₁ = (1/2)ρv²

この式を変形すると、流速vが求まります。

(1/2)ρv² = P₀ – P₁

v² = 2(P₀ – P₁)/ρ

v = √

これが、ピトー管による流速測定の基本式。

測定の手順:

1. ピトー管で全圧P₀を測定

2. 静圧孔で静圧P₁を測定

3. 圧力差ΔP = P₀ – P₁を求める

4. 流体の密度ρを確認

5. 公式に代入して流速vを計算

ピトー管はこのように、圧力の測定から流速を間接的に求める装置なのです。

測定原理のまとめ
・ベルヌーイの定理に基づく
・よどみ点で全圧を測定
・静圧孔で静圧を測定
・圧力差から流速を計算
・v = √

流速の計算公式とピトー管係数

続いては、ピトー管を使った流速の計算方法を見ていきましょう。

理想的なピトー管の計算式

理想的な(損失のない)ピトー管では、次の式で流速を計算します。

v = √

または、

v = √(2ΔP/ρ)

ここで、
・v:流速 [m/s]
・P₀:全圧 [Pa]
・P₁:静圧 [Pa]
・ΔP = P₀ – P₁:圧力差(動圧)[Pa]
・ρ:流体の密度 [kg/m³]

この式は、理想流体(粘性のない流体)で、ピトー管が完全な形状の場合に成り立ちます。

ピトー管係数

実際のピトー管では、測定誤差や流れの乱れなどの影響があります。

これを補正するために、ピトー管係数Cを導入します。

v = C√(2ΔP/ρ)

ここで、
・C:ピトー管係数(無次元)

ピトー管係数Cの典型的な値:

・理想的なピトー管:C = 1.00

・標準的なピトー静圧管:C = 0.98〜1.02

・よく校正されたピトー管:C = 1.00 ± 0.01

・粗い製作のピトー管:C = 0.95〜1.05

高精度な測定では、個別に校正してC値を決定します。

一般的な計算では、C = 1.0として扱うことが多いでしょう。

マノメータを使った測定

圧力差ΔPの測定には、マノメータ(manometer、液柱圧力計)がよく使われます。

U字管マノメータの場合:

ΔP = (ρₘ – ρ)gh

ここで、
・ρₘ:マノメータ液の密度 [kg/m³]
・ρ:測定流体の密度 [kg/m³]
・g:重力加速度 = 9.8 m/s²
・h:液柱の高さの差 [m]

これを流速の式に代入すると、

v = √

気体の測定でρ ≪ ρₘの場合、

v ≈ √(2ρₘgh/ρ)

よく使われるマノメータ液:

・水:ρₘ = 1000 kg/m³

・水銀:ρₘ = 13,600 kg/m³

・アルコール:ρₘ = 800 kg/m³

・油:ρₘ = 850〜900 kg/m³

単位系の注意点

計算では単位の統一が重要です。

SI単位系での計算:

・圧力:Pa(N/m²)

・密度:kg/m³

・流速:m/s

・長さ:m

よく使われる単位換算:

1 atm = 101,325 Pa

1 bar = 100,000 Pa

1 mmHg = 133.3 Pa

1 mmH₂O = 9.8 Pa

計算時の注意:

・すべての値をSI単位に統一

・特に圧力の単位に注意

・密度は測定温度での値を使う

・重力加速度g = 9.8 m/s²(または9.81 m/s²)

記号 名称 単位
v 流速 m/s
ΔP 圧力差(動圧) Pa
ρ 流体密度 kg/m³
C ピトー管係数 無次元
h マノメータ液柱差 m

これらの公式と単位を正しく使うことが、正確な流速計算の基礎となります。

ピトー管の計算例題

続いては、ピトー管を使った具体的な計算例題を見ていきましょう。

基本的な流速計算

まずは、圧力差から直接流速を求める基本問題です。

例題1:空気の流速測定

標準状態の空気(密度ρ = 1.2 kg/m³)をピトー管で測定したところ、圧力差ΔP = 300 Paだった。流速は?(ピトー管係数C = 1.0とする)

v = C√(2ΔP/ρ)

= 1.0 × √(2 × 300 / 1.2)

= √(600 / 1.2)

= √500

≈ 22.4 m/s

流速は約22.4 m/s。

例題2:水の流速測定

水(密度ρ = 1000 kg/m³)をピトー管で測定したところ、圧力差ΔP = 5000 Paだった。流速は?

v = √(2ΔP/ρ)

= √(2 × 5000 / 1000)

= √(10000 / 1000)

= √10

≈ 3.16 m/s

流速は約3.16 m/s。

マノメータを使った計算

マノメータの液柱差から流速を求める問題です。

例題3:水マノメータを使った空気流速測定

空気(密度ρ = 1.2 kg/m³)の流速をピトー管で測定し、水マノメータ(ρₘ = 1000 kg/m³)を接続したところ、液柱差h = 50 mm = 0.05 mだった。流速は?

空気の密度は水に比べて非常に小さいので、ρ ≪ ρₘとして、

v ≈ √(2ρₘgh/ρ)

= √(2 × 1000 × 9.8 × 0.05 / 1.2)

= √(980 / 1.2)

= √816.7

≈ 28.6 m/s

流速は約28.6 m/s。

例題4:水銀マノメータを使った空気流速測定

空気(密度ρ = 1.2 kg/m³)の流速をピトー管で測定し、水銀マノメータ(ρₘ = 13,600 kg/m³)を接続したところ、液柱差h = 10 mm = 0.01 mだった。流速は?

v ≈ √(2ρₘgh/ρ)

= √(2 × 13600 × 9.8 × 0.01 / 1.2)

= √(2666.4 / 1.2)

= √2222

≈ 47.1 m/s

流速は約47.1 m/s。

水銀は密度が高いので、小さな液柱差でも大きな流速を測定できる。

ピトー管係数を考慮した計算

実際の測定では、ピトー管係数を考慮します。

例題5:ピトー管係数の影響

ピトー管係数C = 0.98のピトー管を使って、空気(ρ = 1.2 kg/m³)の流速を測定したところ、圧力差ΔP = 400 Paだった。実際の流速は?

v = C√(2ΔP/ρ)

= 0.98 × √(2 × 400 / 1.2)

= 0.98 × √(800 / 1.2)

= 0.98 × √666.7

= 0.98 × 25.8

≈ 25.3 m/s

実際の流速は約25.3 m/s。

もしC = 1.0として計算すると25.8 m/sとなり、約2%の誤差が生じる。

航空機の速度計算

航空機での応用例です。

例題6:飛行機の対気速度

高度3000 mを飛行中の航空機のピトー管が、圧力差ΔP = 8000 Paを示した。この高度での空気密度がρ = 0.9 kg/m³のとき、対気速度は?

v = √(2ΔP/ρ)

= √(2 × 8000 / 0.9)

= √(16000 / 0.9)

= √17778

≈ 133 m/s

対気速度は約133 m/s ≈ 479 km/h。

配管内流速の計算

配管内の流速測定の例です。

例題7:配管内の水流速

直径300 mmの配管内の水の流速をピトー管で測定したところ、圧力差ΔP = 2000 Paだった。流速と流量は?(水の密度ρ = 1000 kg/m³)

流速:

v = √(2ΔP/ρ)

= √(2 × 2000 / 1000)

= √4

= 2.0 m/s

流量:

配管の断面積 A = π × (0.3/2)² = π × 0.0225 ≈ 0.0707 m²

流量 Q = v × A = 2.0 × 0.0707 ≈ 0.141 m³/s

流速は2.0 m/s、流量は約0.141 m³/s(約141 L/s)。

計算のポイント
・v = √(2ΔP/ρ) が基本式
・マノメータ使用時:v ≈ √(2ρₘgh/ρ)
・単位をSI単位系に統一
・ピトー管係数Cを考慮(通常1.0前後)
・流量Q = v × A(断面積)

これらの計算方法をマスターすれば、様々な流速測定の問題が解けるでしょう。

ピトー管の測定誤差と注意点

続いては、ピトー管を使用する際の測定誤差や注意点を確認していきましょう。

測定誤差の要因

ピトー管による測定には、いくつかの誤差要因があります。

設置位置の誤差

・流れに対して正確に向ける必要がある

・5度以上の傾きで誤差が増加

・10度の傾きで約1%の誤差

・壁面近くでは流速分布の影響

流れの乱れ

・乱流の影響で圧力が変動

・測定値の時間平均が必要

・脈動流では誤差が大きい

レイノルズ数の影響

・低レイノルズ数(Re 1000)では精度良好

圧縮性の影響

・気体の高速流(マッハ数 > 0.3)では補正が必要

・非圧縮性の仮定が成り立たない

・航空機の高速飛行で重要

測定精度を上げる方法

より正確な測定のための工夫:

・ピトー管を流れに正確に向ける

・十分な助走区間を確保

・管壁から離れた位置で測定

・複数点での測定と平均化

・校正されたピトー管を使用

・適切なマノメータの選択

・温度補正(密度の温度依存性)

ピトー管の利点と欠点

利点

・構造がシンプル

・安価で入手しやすい

・広範囲の流速測定が可能

・流れを大きく乱さない

・保守が容易

・長期間使用可能

欠点

・低速流の測定が困難(圧力差が小さい)

・正確な向きの設定が必要

・1点測定(流速分布は測定できない)

・詰まりやすい(微粒子を含む流体)

・応答が遅い(圧力伝達の遅れ)

・凍結の危険(航空機での着氷)

使用上の注意
・流れに正対させる(±5度以内)
・十分なレイノルズ数を確保
・定期的な校正
・詰まりの防止
・温度補正を忘れない

これらの点に注意することで、より正確な流速測定が可能となります。

まとめ

ピトー管について、基本的な定義から測定原理、計算方法、具体的な例題、測定上の注意点まで詳しく解説してきました。

ピトー管は、流体の動圧と静圧の差を利用して流速を測定する装置であり、ベルヌーイの定理に基づいています。

測定原理は、よどみ点で全圧を測定し、静圧孔で静圧を測定し、その差(動圧)から流速を計算するもの。

流速の計算式はv = C√(2ΔP/ρ)であり、Cはピトー管係数(通常1.0前後)、ΔPは圧力差、ρは流体密度です。

マノメータを使う場合は、v ≈ √(2ρₘgh/ρ)の式を使い、液柱差hから流速を求めることができます。

測定では、設置角度、流れの乱れ、レイノルズ数、圧縮性などの影響を考慮する必要があるでしょう。

航空工学、流体力学、機械工学、環境工学など、多くの分野でピトー管の知識が必要です。

この記事で学んだ知識を使って、流速測定の理解を深めてください

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