超音波流量計は、流体を通して高周波音波を送信し、上流と下流に伝わる信号の時間差、または流れ中の粒子によって反射された波の周波数シフトを測定することによって機能します。{0}これらの測定値は流体速度と直接相関しており、メーターはパイプの既知の断面積を使用して体積流量に変換します。-。
超音波流量測定の背後にある物理学
超音波流量測定の中心には、シンプルだが強力な原理があります。それは、音波が流体の動きの影響を受ける速度で流体中を伝わるということです。流体がパイプ内を流れるとき、流れに対する超音波信号の方向に応じて、超音波信号が加速または減速します。
この技術は、電気エネルギーを機械振動に、またはその逆に変換する特殊なセラミック結晶を使用した圧電トランスデューサに依存しています。{0}交流電流がこれらのクリスタルを通過すると、通常、人間の可聴範囲である 20 Hz ～ 20 kHz をはるかに上回る 25 kHz ～ 5 MHz の周波数で振動します。これらの振動により超音波が発生し、超音波がパイプ壁を通って流れる流体内に伝播します。
室温の水中の音速は約 1,480 メートル/秒です。ただし、水自体が動いている場合、この基準速度は変化します。流れに沿って伝わる音波は累積速度 (音速 + 流速) を経験しますが、流れに逆らって伝わる音波は速度が低下します (音速 - 流速)。この差は、通過時間測定の数学的基礎を形成します。
通過時間流量計: 時間差の測定
通過時間型超音波流量計は飛行時間計とも呼ばれ、産業用途で最も一般的なタイプです。{0}{1}通過時間-シングル/デュアルパス超音波流量計の世界市場は、2034 年までに 19 億 2,000 万ドルに達すると予測されており、超音波流量計市場の大部分を占めます。
測定プロセス
通過時間システムは、流れの方向に対してある角度でパイプの反対側に取り付けられた 2 つのトランスデューサーを使用します。これらのトランスデューサは、送信モードと受信モードを交互に切り替えます。最初のトランスデューサーが超音波パルスを下流 (流れとともに) に送信し、システムが時間を測定します。t₁2 番目のトランスデューサーに到達するまでに時間がかかります。次に、プロセスは逆になります。2 番目のトランスデューサーが上流 (流れに逆らって) にパルスを送信し、システムが時間を記録します。t₂.
時間差 Δt=t₂ - t₁ は、超音波経路に沿った平均流体速度に正比例します。経路の長さと角度は既知の定数であるため、メーターは次の式を使用して速度を計算します。
v=(L / 2 cos θ) × [(t₂ - t₁) / (t₁ × t₂)]
どこ：
v=の流体速度
トランスデューサ間の経路長 L =
パイプ軸に対するトランスデューサの角度 θ =
t₁=下流通過時間
t₂=上り通過時間
パス構成
メーターは、精度要件と流体力学に応じて、シングルパス、デュアルパス、またはマルチパス測定システムを使用して構成できます。-シングルパスメーターは、均一な流量プロファイルを持つ清浄な流体に適しており、±1-2% の精度を達成します。パイプ直径全体の異なる位置で 3 つ以上の音響パスを使用するマルチパス構成では、パイプ断面全体の流速の変動を考慮することで、±0.5% の精度を達成できます。
マルチパス メーターは、商取引におけるコストのかかる測定エラーを防ぐために精度要件が 0.1% に達する保管転送アプリケーションで特に価値があります。{0}}
ドップラー流量計: 周波数シフトの測定
ドップラー超音波流量計は、1842 年にクリスチャン ドップラーによって発見された異なる原理で動作します。ドップラーは、音波の発信源が観測者に近づくと波長が短くなり、遠ざかるにつれて波長が長くなるということを観察しました。これは、車のクラクションのピッチが車が近づくと上昇し、離れると低下する理由を説明しました。
動作原理
ドップラー流量計は、流れる流体に固定周波数の連続超音波ビームを送信します。このビームは、反射不連続性-、100 ミクロンを超える浮遊粒子、同伴された気泡、または乱流渦に遭遇する必要があります。これらの反射板は超音波エネルギーを散乱させて受信トランスデューサーに戻します。
反射体は流体とともに移動するため、反射信号に周波数シフトが発生します。流体がトランスデューサに向かって流れると、反射周波数が増加します。流れ去ると周波数は下がります。この周波数シフト (ドップラー シフト) は流体の速度に比例します。
関係は次の方程式に従います。
Δf=(2 × f₀ × v × cos θ) / c
どこ：
Δf=周波数シフト
f₀=の送信周波数
v=の流体速度
θ=ビーム角
c=流体の音速
申請要件
ドップラー超音波流量計には、超音波信号を反射する粒子または気泡が必要であり、固体を浮遊状態に保つのに十分な速度で流体が流れるとともに、固体または気泡の最小濃度とサイズを考慮する必要があります。このため、ドップラー メーターは廃水、スラリー、空気混入液体には最適ですが、脱イオン水や医薬品グレードの化学薬品などの超清浄流体には適していません。{{1}
クランプ-オン vs インライン設置タイプ
超音波流量計には 2 つの主要な設置構成があり、それぞれに異なる用途に合わせて明確な利点があります。
クランプ-超音波流量計テクノロジー
クランプ式メーターは、-非侵襲的な取り付けにより、超音波流量計市場の約 50% を占めています。-これらの外部センサーは、音響伝達を確保するためにカップリングコンパウンドを使用してパイプの外側に直接取り付けられます。超音波信号はパイプ壁を貫通し、流れる流体を横切り、反対側の壁を通って戻ります。
クランプ式超音波流量計を使用すると、パイプを切断したり流れを中断したりする必要がなくなるため、システムのダウンタイムが許容できない改造プロジェクトや用途に最適です。{0}さまざまなサイズのパイプに適合し、超音波センサーを損傷することなく腐食性液体の測定を可能にします。この技術は、直径 0.5 インチから 100 インチを超える範囲の金属、プラスチック、一部の複合パイプに適用できます。{3}}
ただし、クランプの精度は適切な取り付けに大きく依存します。{0}パイプ内の大きな温度変化や過度の振動は、トランスデューサーのアライメントや音響結合に影響を与える可能性がありますが、銅、コンクリート、プラスチック、またはグラスファイバーで作られた内張りパイプは、送信信号を完全に散乱させたり、戻り信号を減衰させたりして、精度がわずか ±20% 以内にまで劇的に低下したり、完全に動作できなくなったりする可能性があります。
インラインメーターの構成
インライン（またはスプールピース）超音波流量計はパイプに直接取り付けられ、流量システムの恒久的な部分になります。これらのメーターは、プロセス オートメーション、保管場所の移送、地域エネルギー システムなど、長期にわたる高精度の監視が必要なアプリケーションに優れています。-{3}}
トランスデューサは流体と直接接触しているか、精密に機械加工されたポケットに取り付けられているため、インラインメータはパイプの壁の厚さ、材料のばらつき、およびカップリングの品質に関連する不確実性を排除します。この構成では通常、クランプオン システムの精度が ±1-2% であるのに対し、±0.5% 以上の精度が得られます。
ポータブル超音波流量計の用途
ポータブル超音波流量計は、通過時間またはドップラー技術とバッテリー電源およびハンドヘルド電子機器を組み合わせています。ポータブル超音波流量計は、システムの試運転、トラブルシューティング、またはエネルギー監査のために一時的な測定が必要な産業用途に役立ちます。
これらのデバイスには通常、次のものが含まれます。
電池式電子機器-（稼働時間 4～8 時間）
トランスデューサのクイック-マウント クランプ-
事前にプログラムされたパイプの材質とサイズのライブラリ
リアルタイムの流量を示すデジタル ディスプレイ-
傾向分析のためのデータロギング
携帯性があるため、固定メーターの精度を確認したり、流量の問題を診断したり、恒久的に設置せずに一時的な測定を実施したりする必要があるフィールドサービス技術者にとって価値があります。
非侵入型超音波流量計の利点
非侵入型の超音波流量計の設計には、従来の挿入式の機器に比べて、いくつかの魅力的な利点があります。{0}}
圧力損失なし: トランスデューサーは流れを貫通しないため、圧力損失はゼロです。これは、最小限の制限でも動作に支障をきたす可能性がある重力供給システムや低圧アプリケーションでは重要です。{1}
汚染リスクなし: 測定システムはプロセス流体と接触することがないため、無菌性が最優先される食品、飲料、製薬業界の衛生用途に最適です。
漏れ箇所がない: パイプ壁の貫通をなくすことで、潜在的な漏れ経路がなくなり、-危険な液体、有毒な液体、または高圧の液体を扱う際に安全性が大きく向上します。-
最小限のメンテナンス: 超音波流量計には可動部品がなく、流れの中の化学薬品、グリース、浮遊物質、シルトの影響を受けないため、機械式流量計と比較してメンテナンスコストが削減され、耐用年数が長くなります。
超音波水流量計の用途
水と廃水は、超音波技術の最大の応用分野です。水の保全と効率的な資源管理に対する懸念の高まりにより、2024 年の上下水管理における超音波流量計の市場価値は大幅に高まりました。
都市水道システム
通過時間計は以下の浄水測定に優れています。
流通ネットワーク: 処理場から配送ゾーンまでの流れの監視
請求メーター: 家庭用および商業用水の使用量測定
漏れの検出: 複数のポイントでの流れを比較してシステム損失を特定する
地方自治体の上下水道システムでは、パイプを貫通する必要がなく、サービスを中断することなく重要なインフラに設置できるため、外部に取り付けられた超音波流量計が使用されることがよくあります。
廃水処理
ドップラーメーターは廃水用途で広く使用されています。
流入水の測定: 処理施設に流入する未処理下水の流れを追跡
プロセス制御: 治療段階間のフローのモニタリング
汚泥の流れ: 他の技術では不可能な、粒子を含んだ濃厚な流体の測定-
超音波メーターは、自動廃水用途や導電性または水ベースの汚れた液体に最適ですが、通常、ドップラー モードの蒸留水や飲料水では動作しません。{0}}この区別は重要です。超純水にはドップラー測定に必要な粒子が含まれていないため、代わりに通過時間技術が必要になります。-
産業プロセスへの応用
超音波メーターは水域を超えて、さまざまな産業分野で使用されています。
石油とガス
アジア太平洋地域における石油・ガス部門の生産量の増加は、超音波流量計の需要を押し上げる可能性を秘めており、インドは今後 5～6 年間でガス部門に 670 億ドルの戦略的投資を行うと発表しています。アプリケーションには次のものが含まれます。
天然ガスパイプラインの保管移管
生産施設における原油測定
流通ターミナルでの洗練された製品計量
化学処理
化学プラントでは次の目的で超音波計が使用されます。
腐食性液体の測定（クランプによる取り付け-によりセンサーの接触が防止されます）
バッチプロセス制御
冷却水システム
HVAC システム
ビルディングオートメーションでは、以下の目的で超音波測定への依存度が高まっています。
冷却システム内の冷水の流れ
温水循環監視
コスト配分のためのエネルギー (BTU) 計測
超音波流量計技術と電磁流量計技術の比較
どちらのテクノロジーも非侵入的な流量測定を提供しますが、アプリケーション範囲が異なり、根本的に異なる原理に基づいて動作します。{0}
測定原理
電磁流量計は流れの方向に垂直な磁場を生成します。ファラデーの法則によれば、導電性液体が磁場中を移動すると、流速に比例した電気信号が生成されます。これには、流体の導電率が最小限である必要があり、通常は 1 センチメートルあたり 5 マイクロジーメンスを超えます。
対照的に、超音波メーターは音響信号を使用し、油、アルコール、純水などの非導電性液体を含むあらゆる音響伝導性流体を処理します。{0}超音波流量計と電磁流量計の最大の違いは、超音波流量計は機能するために導電性の液体を必要とせず、気体も測定できますが、固体や気泡を多く含む液体の場合はあまり効果がありません。
流体の適合性
電磁的利点:
スラリーと重い固形分を含む場合に優れています
気泡やガスの混入の影響を受けない
温度と圧力に依存しない
高粘度流体の取り扱い
超音波の利点:
非導電性流体（石油、純水、ガス）の測定-
あらゆるパイプ素材（金属、プラスチック、ライニング）に加工可能
可動部品や接液部がないこと
既存システム用のクランプ{0}オプション
インストール要件
マグメーターは超音波メーターよりも必要な直管の数が少なく、{0}上流に 1 つの直径と下流に 2 つの直径だけですが、超音波メーターでは通常、上流に 10、下流に 5 つの直径が必要です。ただし、電磁流量計は多くの場合、超音波流量計よりも初期費用が安くなりますが、超音波システムの方が長期的なメンテナンス費用が安くなる可能性があります。-
ストラップオン超音波流量計の取り付け
ストラップオン超音波流量計の正確な性能には、適切な取り付けが重要です。このプロセスには、いくつかの重要な手順が含まれます。
サイトの準備
パイプの状態評価: 取り付け部分の外装塗装、錆、スケールを取り除きます。最適な音響結合を実現するには、パイプの表面は清潔で滑らかな金属でなければなりません。
直管の要件: 流量計では、乱流によって信号が拡散し、測定が不正確になる可能性があるため、スムーズで均一な流路を確保するために、センサーの両側に真っ直ぐなパイプの長さが必要になることがよくあります。通常、最小要件は、ベンド、バルブ、または直径変更の上流で直径 10、下流で直径 5 です。
取り付け位置: ポンプ (振動)、エアポケット (信号干渉) の近く、またはパイプがいっぱいにならない可能性のある場所は避けてください。
トランスデューサの取り付け
音響接触媒質をトランスデューサとパイプ壁の間にたっぷりと塗布します。このゲルは、超音波の伝達を妨げる空隙を排除します。メーターの計算された間隔に従ってトランスデューサーを配置します。間隔は以下に依存します。
パイプの直径と肉厚
パイプの材質と音速
流体の種類と温度
希望の測定経路 (V、W、または Z 構成)
V- パス (反射) はパイプの片側を使用し、信号が反対側の壁で反射します。 Z-パス（ダイレクト）では、トランスデューサーを反対側に配置して、ストレート-送信します。 W- パスは、小さなパイプでの精度を向上させるために複数の反射を採用しています。
検証
インストール後、次の方法で動作を確認します。
信号強度のチェック (正常な設置では通常 60 ～ 90%)
信号品質インジケーターの確認
バルブを閉じた状態でのゼロ流量校正の実行-
既知の流量条件または代替測定方法に対する読み取り値の検証
超音波流量計のメーカーと選択
主要な超音波流量計メーカーには、General Electric、Emerson Electric Co.、Greyline Instruments、Siemens AG などのほか、Endress+Hauser、YOKOGAWA、Badger Meter などの専門サプライヤーが含まれます。各メーカーは、特定の用途に最適化された製品ラインを提供しています。
主要な選択基準
流体の特性
清浄度: きれいな液体の通過時間、粒子を含んだドップラー-
導電性: 超音波はあらゆる液体に作用します。電磁気には導電性が必要です
温度と圧力: メーターの定格がプロセス条件を超えていることを確認します。
粘度: 高粘度の液体には特別な考慮が必要な場合があります。{0}
プロセス要件
精度ニーズ: 保管転送では ±0.5%、モニタリングでは ±2%
パイプサイズ：0.5インチから数メートルまで
設置上の制約: 直管用のスペース、クランプ取り付けのためのアクセスの容易さ-
双方向の流れ: 多くの超音波計は逆の流れを処理します。
経済的要因
初期費用: クランプオン-は一般に、小さなパイプの場合はインラインよりも費用がかかります
設置コスト: クランプ-で切断や溶接が不要
メンテナンス: 超音波メーターは通常、最小限のメンテナンスを必要とします。
運用コスト: 圧力損失がなく、可動部品の交換も不要
一般的な問題とトラブルシューティング
超音波メーターはその信頼性にもかかわらず、次のようなパフォーマンスの問題が発生する可能性があります。
信号損失の問題
信号損失は、気泡、液体中の汚染物質、パイプの振動、または不適切な取り付けによって発生する可能性があります。症状としては、読み取り値の異常、流量停止時の流量表示、完全な信号障害などがあります。
ソリューション:
音響接触媒質を確認して再適用する-
トランスデューサの位置合わせと密閉性を確認する
ガス抜きまたはメーターの位置変更によりエアポケットを排除します。
パイプがいっぱいになっていることを確認します（高い位置ではなく、低い位置に設置してください）
精度の低下
気泡、汚れ、表面の堆積物などのトランスデューサに関する問題は超音波信号に干渉する可能性があり、また外部の電気機器、近くの機械、または電磁場によって精度が損なわれる可能性があります。
救済策:
トランスデューサ面を定期的に掃除してください
ケーブルを電気ノイズからシールドする
流量計とともに温度センサーと圧力センサーを使用して、温度と圧力の変化を考慮して定期的に校正します。
流れプロファイルに影響を与えるスケールの蓄積がないかパイプ内部を検査します
インストールエラー
表示された流量値が負の場合、これは通常、センサーの取り付けが正しくないことを示しており、構成の変更、流れの方向の確認、またはセンサーの取り付け方向の修正が必要です。
よくあるインストールミスには次のようなものがあります。
トランスデューサは逆向きに取り付けられています（上流/下流が逆）
間違ったパイプパラメータ（直径、肉厚、材質）が入力されました
メーター前後の直管不足
ライナーの特性を考慮せずにライニングされたパイプに取り付ける
今後の動向と市場の成長
世界の超音波流量計市場は、2024 年に 21 億 5,000 万ドルと推定され、2034 年までに 41 億 1,000 万ドルに達すると予測されており、年平均成長率は 6.7% です。この拡大にはいくつかの要因があります。
技術の進歩: マルチパス測定、強化された信号処理、ワイヤレス接続などの進歩により、精度、効率、機能が大幅に向上しました。{0}最新のメーターは、リモート監視のためのリアルタイム データを提供し、産業用 IoT プラットフォームと統合します。-
産業のデジタル化: 製造施設では、制御システムに接続して診断データを提供するスマート計装の需要が高まっています。 HART、Modbus、または Ethernet プロトコルを備えた超音波メーターは、これらの要件を満たします。
サステナビリティへの取り組み：水不足と汚染に対する懸念の高まりにより、資源を効果的に監視および管理するための超音波流量計などの高度な水管理ソリューションへの投資が促進されています。
エネルギー部門の成長：技術の進歩と抽出方法の強化により、2023 年には石油液体生産量が日量石油換算約 3,400 万バレルに増加し、正確な保管移動測定に対する需要が増加しました。
この技術は、信号処理アルゴリズム、小型化された電子機器、および改良されたトランスデューサー材料の開発により進化し続けています。 2023 年 8 月、富士電機は、小さなパイプや純水用途向けのクランプ式超音波流量計 FSZ S-Flow- を発売し、簡単な設置と統合された表示機能を備えました。
よくある質問
超音波流量計はすべてのパイプ材質に対応しますか?
通過時間計は、炭素鋼、ステンレス鋼、PVC、CPVC などのほとんどの固体材料で動作します。ただし、クランプオン メーターは通常、銅、コンクリート、プラスチック、またはグラスファイバー製のライニングされたパイプでは機能しません。これらの材料は送信信号を散乱させたり、戻り信号を減衰させたりするためです。ダクタイル鋳鉄と鋳鉄はうまく機能します。ライニングされたパイプの場合、ライナーを介してポートにトランスデューサを取り付けたインライン設置により、より良い結果が得られます。
超音波計は双方向の流れを測定できますか?
はい、ほとんどの超音波メーターは両方向の流れを測定します。電子機器は上流と下流の通過時間または周波数シフトを区別し、流れの方向に関係なく正確な測定を可能にします。この機能は、逆止弁を備えたポンプ システムや水路の潮の影響など、流れを逆転させるアプリケーションで役立ちます。
正確に測定するための最小流速はどれくらいですか?
通過時間計は通常、0.1-0.3 フィート/秒（3 ～ 9 cm/秒）の流量を測定しますが、非常に低い速度では精度が低下します。超音波流量計の精度は、流量が 2 フィート/秒を下回ると、内部配管変数により流量信号が変化する可能性があるため、信頼性が大幅に低下します。重要な低流量アプリケーションの場合は、メーターの仕様が必要な速度範囲と一致していることを確認してください。
温度変化は超音波測定にどのような影響を与えますか?
温度は流体の音速に影響します。超音波信号は、冷たい流体よりも温かい流体の方が速く伝わり、測定誤差を引き起こす可能性があります。高品質メーターには、温度センサーと温度変動を自動的に調整する補償アルゴリズムが含まれており、定格温度範囲全体で精度を維持します。最良の結果を得るには、温度センサーを取り付け、補償機能を有効にしてください。
超音波流量測定技術の多用途性と信頼性により、超音波流量測定技術は、都市水道システムから石油精製所に至るまで、あらゆる業界で好まれる選択肢となっています。適切な選択と設置には流体の特性と設置場所の条件に注意する必要がありますが、超音波計の非侵襲性と最小限のメンテナンスにより、さまざまな用途に長期的な価値がもたらされます。-
トランスデューサーが電気信号を機械振動に変換する仕組み、それらの振動が流れの影響を受ける速度で流体中をどのように伝播するのか、電子機器が時間差や周波数シフトをどのように解釈するのかを理解することで、メーターの選択、設置、トラブルシューティングについてより適切な意思決定ができるようになります。よりスマートな信号処理と接続機能を備えた技術の進歩により、超音波計はプロセスの最適化とリソース管理においてますます中心的な役割を果たすようになるでしょう。
