超音波流量計のセンサ
各種超音波センサの動作原理を理解する
要約
- 超音波流量測定は、超音波を使用して流量を測定します。その方式として、伝播時間差法、ドップラシフト法、相互相関法の3つがあります。伝播時間差法は最も正確で広く使用されており、液体、気体、極低温、高温のアプリケーションに適用できます。
- 超音波センサの取付け方式には、クランプオン、挿入型、インラインの3種類があります。クランプオンセンサは配管の外側から流量を測定し、挿入型センサは流体に直接接触します。インラインセンサは、高精度を実現するために測定管にあらかじめ取り付けられます。
超音波流量測定
超音波測定の分野には、さまざまな方式や種類の流量計があります。そのため、「超音波」という用語だけで測定法が決まるわけではありません。「超音波」は、流量を超音波で測定することを示しているにすぎません。流量測定には、3つの原理的に異なる測定法のいずれかが用いられます。
- 伝搬時間差法（time-of-flight）
- ドップラ法
- 相互相関法
最も広く用いられ、最も精度が高いのは、伝搬時間差法（time-of-flight）です。この測定法は、液体、気体、極低温（LNGを含む）および高温のアプリケーションに適用できます。
超音波流量計の設計
現在では、さまざまな超音波センサタイプが提供されており、配管に直接取り付けられるものと、測定管にあらかじめ取り付けられるものがあります。さらに、センサは以下の3つのグループに分類できます。
- クランプオンセンサ
- 挿入型センサ
- インラインセンサ
クランプオンセンサ
音波は、物質を損傷させることなく通過します。医療診断、材質試験、流量測定では、この特性が非常に有効に活用されています。流量測定に音波を使用する場合、センサを配管の外側に設置でき、必ずしも流体に接触させる必要がありません。このようにして取り付けられる機器は、通常「クランプオン」センサと呼ばれます（図1）。クランプオンセンサでは、超音波の経路が常に配管の中心を通ります。
図1：クランプオンセンサは、配管の外側に直接取り付けられます。専用の取付レールにより、正確な位置決めが容易になります。
写真：Endress+HauserのProsonic Flowクランプオンセンサ。
挿入型センサ
流体に直接接触するセンサは、「挿入型センサ」または「接液型センサ」と呼ばれます。このセンサは、複数の音波経路を配管の中央面からずらして配置するマルチパス伝搬時間差流量計にも使用されます。2パスシステムはその一例です（図3）。マルチパスシステムはリニアリティに優れ、流速分布の乱れの影響を受けにくい特性があります。メーカーによっては、ホットタップ対応の挿入型センサも提供しています。
図2：挿入型センサは接液します。センサホルダは配管壁に溶接されます。写真：Endress+HauserのProsonic Flow挿入型センサ。
インラインセンサ
あらかじめ製作された測定管（図3参照）は、ラボで確認された測定精度をそのまま現場に適用するのに最適です。インラインセンサは、あらかじめ挿入型センサを取り付けて製作した測定管で構成されます。この挿入型センサは、流体に接液するタイプと、流体に接液しないタイプがあります。このような構成では、通常、2組、3組、4組またはそれ以上のセンサペアで構成されるマルチパスシステムを備えたインラインセンサが使用されます。
図3：4つの挿入型センサと2つの測定パスを備えた、あらかじめ製作された測定管。写真：Endress+Hauserのインライン流量計Proline Prosonic Flow G 300。
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