超音波流量計
July 10, 2025
超音波流量計：概要、原理と応用
概要
超音波流量計は、超音波が流れる媒体を通過する際の伝播を分析することにより、流体速度を測定します。検出方法に応じて、以下のように分類されます。
飛行時間（TOF）法（直接時間差、位相差、周波数差）
ドップラー法
ビーム偏向法
ノイズ相関法
集積回路の進歩により、超音波流量計は過去数十年間で産業用途に広く採用されてきました。
利点
非侵襲的測定
可動部品がない→圧力損失や流れの乱れがない
大型パイプ、開水路、アクセス困難な流体に適している
腐食性、非導電性、放射性、可燃性の流体を測定できる
幅広い適用性
パイプ径範囲：2 cm～5 m
液体と気体を測定できる
一時的な測定（例：発電所のタービン取水口）用のポータブルモデルが利用可能
大型パイプのコスト効率
設置はパイプサイズに比例しない（機械式流量計とは異なり）
温度、圧力、粘度の変化による校正ドリフトがない
困難な媒体での汎用性
ドップラー法は、スラリー、下水、二相流を測定できる
飛行時間法は、清浄な液体に対して高い精度を提供する
欠点
温度制限
トランスデューサ材料と結合接着剤によって制限される（通常、<200℃)
高温音速データの不足は精度に影響する
複雑な信号処理
流体速度（～m/s）は音速（～1500 m/s）に比べて非常に小さい
高精度電子機器が必要（10⁻⁵～10⁻⁶の精度）
流体依存性
ドップラー法は、反射体（例：気泡、粒子）を必要とする
飛行時間法は、清浄で均質な流体を必要とする
設置要件
流れのプロファイル歪みを避けるために、直管が必要
腐食またはライニングされたパイプでの結合の問題
基本原理
超音波流量計は以下で構成されています。
トランスデューサ–電気エネルギーを超音波に変換する（およびその逆）ために、圧電素子（例：PZT）を使用。
信号処理回路–時間差（TOF）または周波数シフト（ドップラー）を測定。
表示/出力ユニット–瞬時流量と累積流量を表示。
主要技術
圧電トランスデューサ：チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）製の薄いディスク（直径対厚さ比10：1）。
音響ウェッジ：PMMA（アクリル）またはゴム製で、波を流体に効率的に導く。
測定モード:
Z/V/X構成：パイプサイズに合わせて信号経路を最適化。
クランプオン対湿式センサー：利便性と精度のトレードオフ。
産業用途
水と廃水：河川流量、下水処理。
石油とガス：生成水、薬液注入。
エネルギー：冷却水、蒸気システム。
HVAC：冷水、冷媒モニタリング。
今後の動向
高温センサー：200℃の限界を超える。
AI支援信号処理：流れのプロファイルエラーを補正。
ハイブリッドシステム：より幅広い流体適合性のために、ドップラーとTOFを組み合わせる。
超音波流量計は、エネルギー効率の高い非侵襲的測定に最適ですが、最適な性能を得るには、適切な選択（ドップラー対TOF）と設置が不可欠です。