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超音波流量計とは?クランプオン型の測定原理と種類別おすすめ機材紹介!

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超音波流量計とは数ある流量計の中でもどういったものなのでしょうか。
また後付け可能なクランプオン型には、どういった種類のものがあるのでしょうか。本記事では上記疑問や測定原理について解説していきます。

同じ超音波流量計であっても測定原理によって用途などが異なる場合があるため、それらを理解することでどの超音波流量計を使うべきか、選定がよりしやすくなることでしょう。
選び方でお悩みの方以外に、そもそも超音波流量計について全く知らない、という方にもわかりやすい記事となっていますので、ぜひ最後までご覧ください。

超音波流量計とは?

超音波流量計とは、超音波を利用して液体または気体が流れる速度を計測する機器です。そもそも「流量計」は、電磁式や熱式、差圧式など測定原理によって種類が分かれています。その中の一つに超音波流量計があるのです。
配管の中に事前に組み込む必要がある流量計が多い中で、超音波流量計はクランプオン型、つまり配管設備の外から取り付けが可能なものが多いのが特徴です。

超音波流量計で用いられている測定原理は主に2つあり、伝播時間差式またはドップラー式と呼ばれています。どちらも共通してクランプオン型の超音波流量計と言われるもので、配管の外から超音波を送受信するセンサーを取り付けるだけで流速の測定ができます。あらかじめ設備内に組み込んでおく必要がないため、必要になった際に手軽に測定することが可能です。
ただし超音波流量計には測定前の確認や設置時にいくつかの注意事項がありますので、それらを理解して正しく取り付け、正確な計測を行いましょう。


次項からは、伝播時間差式とドップラー式の違いや特徴を解説します。

①超音波流量計(クランプオン型)の種類「伝播時間差式」

超音波流量計(クランプオン型)のうち伝播時間差式で計測するタイプは、配管内に超音波を発信して、超音波の伝播時間の差を計測する測定原理となっています。流量の計測精度が高い一方で、液体中に固形物や気泡があると計測できなくなります。

伝播時間差式の超音波流量計(クランプオン型)は、流体が液体と気体のどちらであっても測定することが可能です。ただし、液体用と気体用で機種が異なる場合があるため選定時にはご注意ください。
伝播時間差式の超音波流量計(クランプオン型)は超音波が妨害されると計測できないため、気泡や不純物などのない純度の高い流体のもので利用されます。例としては、一般的な水の流量を測定するといった内容のほか、通常の半導体を洗浄する工程で用いられる「超純水」の流量計測などにも用いられます。

②超音波流量計(クランプオン型)の種類「ドップラー式」

超音波流量計(クランプオン型)のうちドップラー効果を利用したドップラー式で計測するタイプは、伝播時間差式と異なり固形物や気泡を利用して流量の測定を行います。そのため、例えば汚水や排水など不純物の多い流体の流量を計測することに適しています。

超音波流量計(クランプオン型)の中でもドップラー式は一般的な流量計である伝播時間差式が使えないシーンで利用できるというメリットがある一方、伝播時間差式と比較すると計測結果に誤差が生じやすいのが難点です。

超音波流量計(クランプオン型)の測定原理を徹底解説!

ここでは、先述した超音波流量計(クランプオン型)の「伝播時間差方式」と「ドップラー式」の測定原理を詳しく解説していきます。

①超音波流量計(クランプオン型)「伝播時間差式」の測定原理について

超音波流量計(クランプオン型)のうち伝播時間差式の測定原理は、その名の通り超音波の流れる時間の差を利用して流速を測定するものです。ここで求められた流速と配管の断面積から、流量を計算して表示しています。

超音波が送信側のセンサーから受信側のセンサーまで通り抜ける時、測定対象である液体または気体中を進む超音波の方向が流れる方向と逆であれば速度が遅くなり、流れる方向と同じであれば速度が早くなる性質があるため、このような測定が可能となります。

設置方法としては、配管の外側の「上流側」「下流側」の2カ所にセンサーを取り付けます。上流側のセンサーと下流側のセンサーが、交互に超音波を発信し、生じた伝播時間の差から流速を計測します。センサー間の距離については、管のサイズなどによって変わります。
たいていの計測器では、管のサイズや材質などを入力することで、センサー間の距離を算出してくれますのでそれに従ってしっかりと固定しましょう。また、超音波の特性上、管が満水の状態ではなかったり、固形物や気泡が途中にあると超音波が妨害され計測不能となるため注意が必要です。

②超音波流量計(クランプオン型)「ドップラー式」の測定原理について

超音波流量計(クランプオン型)のうちドップラー式は、音源が近づくと波長が短くなり、音源が遠のくと波長が長くなるドップラー効果を利用した測定原理になっています。救急車が遠のいていくと、サイレンの音の高さが変わって聞こえるイメージですね。

超音波を液体中に発信し、固形物や気泡に当たると反射します。流体が移動すると、固形物や気泡も同時に流れるため、周波数(波長)に変化が起こります。この波長変化から流速を計測し、流量へ換算しているのです。

超音波流量計(クランプオン型)の各種測定原理が分かったところで、最後に種類別のおすすめ機材をご紹介します。

超音波流量計(クランプオン型)の種類別おすすめ機材紹介

本項では、超音波流量計(クランプオン型)のおすすめ機材を紹介します。超音波流量計(クランプオン型)のうち伝播時間差式やドップラー式を検討している方はぜひ参考にしてください。

①「伝播時間差式」のおすすめ機材
超音波液体流量計セット PT900

液体用の伝播時間差式超音波流量計です。
流量だけでなく、体積、質量流量や熱量流量などの測定もでき様々な用途に利用可能な人気モデルです。
配管サイズによってセンサーをお選びください。旧モデルから治具も一新され、設置も更に簡単になりました。

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②「ドップラー式」のおすすめ機材
超音波ドップラー流量計 Flow Pulse

コンパクトで利用しやすいドップラー式の超音波流量計です。
初期設定なども簡単で、直感的な操作が可能です。
軽量・コンパクトなため持ち運びも容易で、排水・汚水などの不純物の多く混じった流体の測定に適しています。


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超音波流量計(クランプオン型)の種類と測定原理まとめ

ここまで超音波流量計(クランプオン型)の種類や測定原理について説明してきました。
ポイントをまとめたのでおさらいしていきましょう。

  • 超音波流量計は、外付けが可能なクランプオン型のものが多く、事前に設備内に組み込んでおく必要がありません。
  • 超音波流量計には「伝播時間差式」と「ドップラー式」があり、それぞれ測定できるものが異なります。
  • 「伝播時間差式」は流体が流れる方向によって発生する超音波の伝播時間の差から、導き出される流速を元に流量へ換算しており、流体に固形や気泡などの不純物が含まれていない(少ない)流体の測定に適しています。
  • 「ドップラー式」は流れていく固形物や気泡が反射する際の波長の変化から流速を測定し、流量に換算しており、固形物や気泡がある流体の測定に適しています。(不純物の無い流体の測定はできません)

超音波流量計そのものや、各測定方式の特性を把握したうえで、用途に合わせて適切な種類の超音波流量計(クランプオン型)を使用しましょう。