超音波流量計の動作原理と校正

超音波流量計は、超音波パルスを使用して流体の流量を測定する速度型流量計です。非接触での動作、広い測定範囲、取り扱いおよび設置の容易さ、配管径への高い適応性、使いやすさ、デジタル化の容易さなどの特徴があります。ガスおよび流体の速度と流量の現場測定に広く使用されています。本稿では、最も一般的に使用される超音波流量計の設計原理について紹介し、その測定誤差の不確かさについて分析・評価するとともに、現場測定精度を向上させる方法についても検討します。

I. 超音波流量計の測定原理

超音波流量計の動作原理を図1に示します。2つの超音波プローブが設置されており、下流側のトランスデューサAが超音波パルス信号を送信し、上流側のトランスデューサBが受信します。トランスデューサは外部クランプZ方式で取り付けてあり、流体配管の両側に所定の距離を隔てて設置されています。配管の内径はd、下流側の超音波速度はV、超音波伝播方向と流体流方向との間の角度はθです。

2. 測定不確かさの分析

式(3)による流体の流量は、配管の内径d、測定流体中の理論音速C、音波屈折角の正接tanθ、およびトランスデューサAB間を流体が往復流する際の時間差Δtの、4つの部分から構成されています。その測定不確かさの分析は以下の通りです。

1. 配管内径dの測定における反復性によって導入される不確かさの評価

**規格によると、配管の公称直径Dおよび配管の厚さsは近似的な公称寸法にすぎません。配管外径Dおよび配管厚さsは毎回測定する必要があります。したがって、この不確かさには、測定対象物の測定反復性と現場で使用される計測器の測定不確かさという2つの要素があります。当社の実際の現場測定の経験によると、配管内径dの測定不確かさは一般的にUrel(d) = 0.5%（k = 2）です。したがって、配管内径dの測定により導入される標準不確かさは次のとおりです。

urel(d) = urel(d) / k = 0.5% / 2 = 0.25%

2. 流体音速Cの測定によって導入される不確かさの評価、urel(C)

技術データによると、この不確かさはクラスBとして評価されます。測定対象流体における音速測定の不確かさは次のとおりです：

Urel(C) = 0.6% (k = 2)。これは直接引用できます：

urel (C) = Urel (C) / k = 0.6% / 2 = 0.3%

3. 送信機AとBとの間の距離lの測定繰返し性によって導入される不確かさ

Urel (l) の不確かさの評価：下流側送信機Aと上流側送信機Bとの間の距離lの測定不確かさには、測定対象物の測定繰返し性と現場で使用される測定器の測定不確かさという2つの要素があります。当社の実際の現場測定の経験に基づくと、送信機AとBとの間の距離lの測定繰返し性によって導入される標準不確かさは一般的に

Urel(l) = 0.6% (k = 2)：

Urel(l) = s/k = 0.5%/2 = 0.25%

4. 順流および逆流時に送信機ABを通過する時間差Δtの紹介

不確かさu(Δt)の評価 超音波流量計における送信機AB間の順流および逆流方向の時間差Δtは、下流側送信機Aから上流側送信機Bへの順流方向にパルスを送信した時間t1から、逆流方向にBからAへパルスを送信した時間t2を差し引いて測定される（図1参照）。式(1)によれば、その不確かさの要素は主に下流側送信機Aと上流側送信機Bとの間の距離l、管の内径d、測定流体中の音速Cによって決定される。時間および周波数の測定精度は、すべての測定分野の中で最も高い。超音波流量計のパルスタイミング測定によって生じる誤差は無視できる。距離l、管の内径d、測定流体中の音速Cは、その他の不確かさの要素に含まれる。したがって、上流および下流流体が送信機AB間を通過する際の時間差Δtによって導入される不確かさu(Δt)は無視できる。

III. 超音波流量計の現場測定精度を向上させる方法

現場の測定においては、まず各種要因を総合的に分析することが重要です。以下に示すように、これらの要因はすべて最終的な測定結果に一定の影響を与えます。

1. 音速Cの不確実性の影響と現場測定精度を向上させるための経験的手法

現場での測定を始める前に、測定対象となる媒体を提供する必要があります。媒体がガスの場合には、特定のガス組成、運転温度、運転圧力を提供する必要があります。超音波音速は、上記の情報をもとに関連規格を参照して取得することができます。作動媒体の音速Cの超音波流量計への影響は、測定結果への影響は少ないです。媒体が液体の場合には、特定の液体名、運転圧力、運転温度、運転圧力、および液体中に懸濁粒子が含まれているかどうかを提供する必要があります。音速設定は温度効果を考慮に入れる必要があります。水溶液の音速は水よりも大きく、ほとんどの流体において温度が高いほど音速は速くなります。流体に粒子が多く含まれる場合（ただし測定範囲内）、次の2つのケースがあります。① 均一に分布した粒子の場合。この場合、信号は比較的安定しており、測定によって検出することが難しくなります。測定媒体には粒子の発生原因と種類を提供する必要があります。粒子の種類が判明すれば、流体の音速を適切に調整し、信号品質を比較してより正確な測定結果を得ることができます。② 不均一な粒子の場合。この場合、信号強度が大きく変動します。このような場合には、最も適切な方法は長時間にわたって測定を行い、良好な信号品質が得られる複数のポイントの測定値を平均することです。

2. 送受信子AおよびB間の距離lと管内径d

測定再現性への影響と現場での測定精度向上方法：測定点の管路を選定する際、ポンプ駅弁から離れた、作動媒体が流れるまっすぐで安定した区間を選んでください。管路内の媒体が液体の場合、底部に沈殿物が生じにくく、上部に空気がたまりにくい管区間を選定してください。最初にプローブを垂直に設置して測定し、次に水平に設置して測定します。両測定値の差が超音波流量計の最大許容誤差以内であり、他のパラメータが変更されていない場合は、追加のパラメータ設定後、次の測定に進んでください。そうでない場合は、管路の再選定を行ってください（両測定値の差が超音波流量計の許容誤差を超える場合、その管区間は作動媒体で完全に満たされていないことを示しています）。

次の測定の詳細なパラメータを設定する際、測定精度に影響を与える主な要因は、送信機AとBの間の距離lと管の内径dです。距離lは一般的に鋼製定規やノギスを使用して距離lに基づいて測定されます。管の内径dを測定する場合、管の外径が小さいときはノギスを直接使用できます。より大きな管の場合は、精密な鋼製定規を使用して円周を測定し、その後直径を計算するのが最善です。内部堆積物や汚れが深刻な管を測定する場合、管壁パラメータsを増加させ、壁面音速を減少させることができます。内部腐食が深刻な管を測定する場合、管壁パラメータsを減少させることができますが、壁面音速は変化しません。

超音波流量計の伝搬時間式原理に基づき、本論文では超音波流量計誤差の測定不確かさについて分析・評価を行います。当研究所が超音波流量計の現場試験において長年培った経験を基に、超音波流量計の現場測定精度を向上させるためのいくつかの重要なポイントを提案し、説明しています。