富士時報 Vol.73 No.10 2000 新形超音波流量計「NEW TIME DELTA シリーズ」 山本 俊広（やまもと としひろ） 杉田 勉（すぎた つとむ） 福島 正人（ふくしま まさと） まえがき 図１ NEW TIME DELTA シリーズ超音波流量計の外観 超音波は，いわゆる人間の可聴範囲を超える周波数の音 可搬形変換器 ポータフロー X 波であり，伝搬媒質があれば，固体，液体，気体を問わず， 設置形変換器 TIME DELTA-S 設置形変換器 TIME DELTA-F 基本的にあらゆる物質中を伝搬する。流量計には多種多様 なものがあるが，超音波のこの性質を利用したクランプオ ン形超音波流量計は，配管を切断したり，配管に穴をあけ たりすることなく，測定流体に非接触で既設配管内の液体 流量を測定できるただ一つの流量計である。 富士電機は，1975年に超音波流量計を発表してから，水 処理分野を中心に，鉄鋼や半導体，また最近では地域冷暖 大型センサ 房など，多岐にわたる分野で各種の経験を積み重ねてきた。 その結果，新形超音波流量計「NEW TIME DELTA シリー ズ」として，1995年にディジタル信号処理技術を応用して 高温センサ 小型センサ （設置形） （1） 性能 を 飛躍的 に 向上 させた 可搬形 のポータフロー X を 発 表した。また，1998年には一対の超音波センサからなる一 測線 の 設置形 TIME DELTA-S を， 1999年 には 同時 に 二 測線の平均流速を測る同時二測線式の設置形 TIME DEL 処理技術を応用し，基本精度は 1 ％ of rate である。 （3） 流体の温度変化に強い測定方式 TA-F を 発表 した。さらに， 2000年初 めに 多言語対応 の 測定流体の温度や圧力による音速変化をリアルタイムに ポータフロー X を， 7 月 に CENELEC（ヨーロッパ 電気 補償する技術を確立し，流体温度や圧力の変化の影響をほ 標準化委員会）規格の防爆形センサを発表した。これらは， 共通の新しいコア技術に基づいて設計されている。 とんど受けない（新音速測定方式）。 （4 ） 気泡に強い測定方式 以下 ， 本稿 において，これら 新形超音波流量計 NEW 同期加算処理というディジタル信号処理技術を応用し， TIME DELTA シリーズのコア技術と製品概要について紹 耐 気 泡 性 能 が 優 れている〔アドバンスト ABM （ Anti- 介する。 。 Bubble Measurement）方式〕 （5） 豊富な品ぞろえ NEW TIME DELTA シリーズの特長 6 種類の可搬形および設置形の超音波流量センサにより， 適用口径範囲 13 ∼ 6,000 mm と 流体温度範囲−40 ∼＋ （1） 簡単取付けクランプオンセンサ 200 ℃をカバーする。変換器は，可搬形と一測線および同 超音波流量センサは，既設配管の表面に簡単に取付けが できるクランプオン形である。電磁流量計など，インライ 時二測線 の 設置形 が 用意 されている。 図 １ に，これら NEW TIME DELTA シリーズ超音波流量計の外観を示す。 ン形流量計と単体コストを比較すると，大口径ほど有利で NEW TIME DELTA シリーズのコア技術 ある。また，小口径でも配管工事費を入れて計装コストを 比較すると，安価となる。 （2 ） 高精度 ３.１ 測定原理 超音波の伝搬時間や伝搬時間差の計測にディジタル信号 富士電機の超音波流量計は，伝搬時間差法を測定原理と 山本 俊広 杉田 勉 福島 正人 官公需分野における各種制御シス フィールド機器，特に発信器・流 受信計器およびフィールド機器， 量計の開発，設計に従事。現在， 特に流量計の開発・設計に従事。 テムのエンジニアリング業務に従 富士電機インスツルメンツ （株） 技 現在，富士電機インスツルメンツ 事 。 現在 ， 電機 システムカンパ 術本部 センサー 機器技術部主査 （株） 技術本部センサー機器技術部 。計測自動制御学会会員。 （統括） 主任。 ニー環境システム事業部システム 技術部担当課長。 537（11） 富士時報 新形超音波流量計「NEW TIME DELTA シリーズ」 Vol.73 No.10 2000 している。配管の上流と下流に超音波センサを離して配置 純に伝搬時間の差を取る方法（トリガ法）を基本としてい し，測定流体に対し斜めに放射された超音波パルスが測定 るが，双方向の波形データの相互相関関数を計算し，その （ 3） 流体の運動に携帯されることにより発生する双方向の伝搬 最大値に対応する時間シフト量から求める方法（相関法） 時間の差を検出する方式である。この方式は，伝搬経路上 への切換もできる。相関法の場合には，相互相関関数の最 の平均流速を検出するので，流体中の一部の微粒子による 大値の検出を容易にするため，その形状が急しゅんになる 散乱波の周波数変化を測るドップラー法に比べ高精度であ よう超音波センサの駆動信号としてチャープ信号（周波数 （4 ） 変調信号）を使っている。トリガ法は高精度，相関法は外 る。 一対 の 超音波 センサは， 1 MHz 前後 の 共振周波数 を 持 つ圧電素子とプラスチックの斜角くさびで構成され，送信 乱に強い，という特長をそれぞれ持っており，相互補完的 に使い分ける。図４に，これら計測法の概念図を示す。 源と受信端の役割を交互に繰り返す。配管内の液体の体積 流量 Q は，双方向の伝搬時間の差ΔT（＝T2−T1）に比例 し，次式で与えられる。図２に測定原理図を示す。 Q＝ πD2 4 1 K D sin2θf ΔT （1） …………… 2 （T0−τ） ここに，D ：配管の内径 ３.３ アドバンスト ABM 超音波流量計は気泡に弱い，というのが長年の通説であっ たが，富士電機は，この問題の大半をディジタル信号処理 技術により解消した。 上述のディジタル量に変換された波形データは，各送信 （ 3） K ：流速分布補正係数 のタイミングを重ね合わせて多数回，同期加算される。一 θf ：測定流体への超音波入射角 つの流量信号を計算するのに，双方向交互に各 100 個以上 T0 ：静止水の伝搬時間 の受信データが加算される。多数回の送受信のうち，気泡 τ ：遅延時間（配管とセンサ内の伝搬時間） 混入により複数回の受信ミスがあっても，残りの加算デー K は， 伝搬経路上 の 平均流速 を 配管断面 の 平均流速 に タが有効なので，このデータに対し伝搬時間や伝搬時間差 換算する係数であって，軸対称の十分に成長した流れを仮 の信号処理を行えば，流量計は正常に動作する。概念図を 定している。乱流域では約 1 に等しく，流れの様子を決め 図５に，耐気泡性能を図６に示す。気泡混入量の許容値は， （2 ） る無次元量，レイノルズ数の減少関数である。また，層流 域では 4/3 の定数に等しい。 図３ 回路ブロック図 ３.２ 伝搬時間，伝搬時間差の計測法 高速MPU/DSP（32ビット） NEW TIME DELTA シリーズ超音波流量計は，伝搬時 間および伝搬時間差の計測のためにディジタル信号処理技 クロック メモリ 送信信号 術を応用している。すなわち，受信端で電気信号に変換さ 高速A-D れた受信パルスを増幅した後，高速ディジタルサンプリン 送信回路 グを行って，受信波形を丸ごとディジタル量に変換し，後 増幅器 続の信号処理を行う。このため，ディジタルフィルタなど 超音波 の高度なデータ処理ができる。図３に回路ブロック図を示 受信信号 す。 送信センサ 受信センサ 双方向の伝搬時間は，ディジタル量に変換された波形デー タに対し高精度の補間を行った後，ディジタル的なトリガ を掛けることによって計測する。また，伝搬時間差は，単 図４ 伝搬時間，伝搬時間差の検出 図２ 測定原理図 送信信号 順方向 上流側センサ くさび 振動子 0 逆方向 0 θf 演算： ΔT＝T2−T1 下流側センサ τ/2 T1 T2 538（12） t y（t ） 精密 トリガ t T2 Q τ/2 x（t ） T1 配管 D 受信信号 精密 トリガ C xy 相互相関 0 τ ディジタルトリガ法 ΔT max. C xy（τ） ＝C xy（ΔT ） ディジタル相関法 富士時報 新形超音波流量計「NEW TIME DELTA シリーズ」 Vol.73 No.10 2000 図５ アドバンスト ABM の概念図 超音波の正常な伝搬 V 流れ 受信信号： 気泡 t 受信信号のディジタルデータ： 気泡による伝搬障害 V 後続の信号処理に十分な 信号レベルを確保できる。 信号なし！ 気泡 t 受信信号： t 流れ V 流量信号1出力 あたり，多数回 加算する。 この時点で，従来のアナログ信号 処理では計測障害を起こす。 図６ アドバンスト ABM の耐気泡性能 適用配管：SUS304，150A，Sch20 （外形：165.2 mm，厚さ：5.0 mm） 流速：約1.3 m/s，センサ取付け：V 法 12 10 NEW TIME DELTAシリーズ 8 7.0 6 4.0 4 2 1.2 0 1.0 従来形 0.4 2.0 1.5 0.03 3.0 流 速（m/s） 0.02 4.0 1.0 0.02 5.0 〈注〉流量計は，気泡を含む体積流量を指示する。 誤 差（％ of rate） 気泡混入量の許容値 （Vol.％） 12 図７ 流体温度の影響 5 4 3 2 1 0 −1 −2 −3 −4 −5 10 20 30 40 50 60 70 80 水 温（℃） 流速に反比例するが，従来形と比較し10倍以上となった。 最近では粒状活性炭を使った高度水処理が盛んであるが， 越流落下により大量の気泡を含んだ処理水の流量計測にも 製品シリーズの概要 NEW TIME DELTA シリーズ超音波流量計を適用し，順 調に稼動している。 表１に設置形の TIME DELTA-S と TIME DELTA-F， ならびに可搬形のポータフロー X の仕様一覧を示す。 ３.４ 新音速測定方式 TIME DELTA-S は， 機能 の 絞 り 込 みを 行 ってコスト また他方で，超音波流量計は流体の温度変化に弱い，と パフォーマンスを上げた機種であり，一測線仕様である。 いう欠点を持っていた。富士電機は，これについても新し TIME DELTA-F は， 同時二測線仕様 の 高性能 ， 多機 い補償方法を確立し，問題を解決した。 超音波は，スネル則，すなわち入射角の正弦値が伝搬媒 能タイプである。二測線仕様は通常，切換方式，すなわち 二対の超音波センサを交互に切り換えて，それぞれの測線 質の音速に比例して屈折する。したがって，測定流体の温 上の平均流速を測定する方式であるが，富士電機はそれら 度や圧力が変化すると，音速が変化するため，超音波の伝 を同時に測定する方式を採用した。この方式の最大の特長 搬経路が変わる。音速と伝搬経路が変化すれば，伝搬時間 は，旋回流のように，時間的に速度分布が変化する流れに が変わり，流量計指示値の変化をもたらす。富士電機は， 強いことである。一例として，某下水処理場の沈殿池出口 双方向の伝搬時間だけから，逐次計算法により流体の音速， において，大口径電磁流量計のリプレースのために行った 伝搬経路（入射角θf） ，および遅延時間τをリアルタイム 精度比較試験の結果（瞬時出力の比較）を図８に示す。 に求めるアルゴリズムを考案し，流量計指示値の補償を行っ ている。 他方 ， 可搬形 は 約 5 年前 に 発表 し，ポータフロー X の 呼称で全世界で使用されている機種であるが，このたび， この方法の特長は，温度や圧力のセンサをまったく用い モデルチェンジを行い，サポート言語を日本語（片仮名）， ていないこと，また受信信号が得られる限り，液体の種類 英語のほか，ドイツ語，フランス語の 4 か国語対応とした。 によらず補償ができることである。液体の音速の温度・圧 ところで，超音波流量計を実際に適用するとき，まず設 力依存性は一般に不明であるが，この影響を原理的に補償 置現場で「音を通す」ことが重要な作業である。設置形を できる。水温を連続的に変え，電磁流量計を基準器として 適用する前に，可搬形を使用して事前確認を行い，適切な 瞬時出力を比較した流体温度特性の代表例を図７に示す。 超音波センサや設置場所の選定を行うことが望ましい。 539（13） 富士時報 新形超音波流量計「NEW TIME DELTA シリーズ」 Vol.73 No.10 2000 表１ 主な仕様 TIME DELTA-S （設置形標準タイプ） TIME DELTA-F （設置形高機能タイプ） ポータフローX（可搬形） 変換器形式 FLV FLH FLC 検出器形式 FLW FLW FLD 種 類 項 目 測定流体 超音波の通る均一な液体（水，海水，油または音速が不明な液体） 液体の濁度 10,000度（mg/L 以下） 流れの様子 適用配管材質 満管内の偏流，旋回流がない均一な流れ 鋼管，ステンレス鋼管，鋳鉄管，塩化ビニル管，FRP（Fiber Reinforced Plastics）管，石綿管， 銅管，アルミニウム管，アクリル管，その他 ライニング材質 必要直管長 なし，タールエポキシ，モルタル，ゴムまたは音速が既知の材質 上流側10 D 以上 下流側5 D 以上（ D は管内径）〈注〉詳細は，日本電気計測器工業会規格 JEMIS-032 による。 測定範囲 流速 −32∼0∼＋32 m/s（最小スパン0.3 m/s） 気泡対策 アドバンスト ABM 方式 温圧補正 新音速測定方式 適用口径 センサ種類 測線数 φ50∼φ6,000 mm φ13∼φ6,000 mm 小型センサφ50∼φ400 mm −40∼＋80 ℃〈注〉 大型センサφ200∼φ6,000 mm −40∼＋80 ℃〈注〉 高温用センサφ50∼φ400 mm −40∼＋200 ℃ 〈注〉CENELEC 防爆形：EEx m ⅡBT6 for Ta ≦60℃ 小口径センサφ13∼φ100 mm −40∼＋100 ℃ 小型センサφ50∼φ400 mm −40∼＋100 ℃ 大型センサφ200∼φ6,000 mm −40∼＋80 ℃ 高温用センサφ50∼φ400 mm −40∼＋200 ℃ 一測線 一または同時二測線，2配管測定 一測線 流 速 精 度 φ13∼ φ50未満 2∼32 m/s 0∼2 m/s 1.5％ of rate 0.03 m/s φ50∼ φ300未満 2∼32 m/s 0∼2 m/s 1.0％ of rate 0.02 m/s φ300∼ φ6,000 1∼32 m/s 0∼1 m/s 1.0％ of rate 0.01 m/s 口 径 流 速 精 度 φ50∼φ300未満 2∼32 m/s 0∼2 m/s 1.0％ of rate 0.02 m/s φ300∼φ6,000 1∼32 m/s 0∼1 m/s 1.0％ of rate 0.01 m/s 口 径 精 度 応答時間 表 示 0.5秒以下 1.5秒以下 1秒以下 16けた2行（LCD バックライト付き） LCD フルドットグラフィック表示 DC4∼20 mA（1点） 許容負荷抵抗1 kΩ以下 DC4∼20 mA（3点） 許容負荷抵抗1 kΩ以下 DC4∼20 mA（1点） 許容負荷抵抗1 kΩ以下 2点（オープンコレクタ） 6点（オープンコレクタ） − BCD 出力（オプション） − オープンコレクタ（一組） − 通信機能（オプション） − アナログ出力 積算・ステータス出力 RS-232C/RS-485切換可能 専用ケーブル長 RS-232C 最大150 m 変換器：−10∼＋60 ℃ 標準5 m（最大150 m） 変換器：−10∼＋50 ℃ 変換器：−10∼＋55 ℃ 周囲温度 センサ：−20∼＋60 ℃ 変換器外形寸法 質 量 データバックアップ H220×W230×D95（mm） H320×W240×D134（mm） H240×W127×D70（mm）（プリンタなし） 約4.5 kg 約10 kg 約1.5 kg（プリンタなし）， 約2.0 kg（プリンタ付き） 不揮発性メモリ リチウム電池 日本語（片仮名）/英語/ドイツ語/フランス語 選択可能 瞬時流量値表示，積算流量値表示，ダンピング，低流量 点カット，電流出力設定，ロガー機能，受信波形表示， 流量トレンドグラフ，プリンタ（オプション）による ハードコピーなど 機 能 日本語（片仮名）/英語 選択可能 瞬時流量値表示，積算流量値表示，ダンピング，低流量点カット， 電流出力設定，自動2レンジ切換，正逆切換， 積算パルス出力，フロースイッチ，積算スイッチ，自己診断 電源電圧 AC100∼240 V 50/60 Hz または DC20∼30 V AC100∼120 V 50/60 Hz または AC200∼240 V 50/60 Hz AC100∼240 V 50/60 Hz，バッテリー内蔵 またはオプションの DC10∼30 V 電源アダプタ 消費電力 約20 VA（AC電源時）， 約10 W（DC電源時） 約50 VA 約12 W ズ」のコア技術を中心に紹介した。これらのコア技術が， あとがき 超音波流量計の適用限界を確実に広げ，より確かな流量計 として発展を促す契機になるものと確信する。 以上，新形超音波流量計「NEW TIME DELTA シリー 540（14） 超音波流量計が市場に出現してから約30年がたつが，メー 富士時報 新形超音波流量計「NEW TIME DELTA シリーズ」 Vol.73 No.10 2000 カーの技術革新と経済環境や市場ニーズが相まって，これ 図８ 同時二測線の測定例 誤 差（％FS） からも超音波流量計は変化を遂げていくと考える。富士電 適用配管：ダクタイル鋳鉄管ライニング付き， 大型センサ V法二測線：X取付け （外形：1,554 mm，厚さ：23.5 mm， ライニング材質：モルタル，厚さ：12 mm） 5 4 3 2 1 0 −1 −2 −3 −4 −5 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 機は，この分野において，これからも先駆的な役割を果た していきたい。 参考文献 （1） 山本俊広：可搬形超音波流量計「ポータフロー X」 ，富士 時報，Vol.68，No.9，p.497- 500（1995） （2 ） 今井功：流体力学，岩波書店，p.153- 164（1970） （3） 宮川洋ほか：ディジタル信号処理，電気通信学会，p.36- 48 （1975） （4 ） Kino, 流 量（m /h） 3 G. : Acoustic Waves. Prentice-Hall. p.383- 387 （1987） 測線1側検出器 測線1側検出器 約90° 電磁流量計 測線2側検出器 測線2側検出器 最近登録になった富士出願 〔特 許〕 登録番号 3076623 名 称 画像表示方法 発明者 登録番号 名 称 発明者 早川 広明 井出 正人 野本 哲夫 3077618 固体高分子電解質型燃料電池 榎並 義晶 3078639 ディジタル信号入力装置 酒井 敏 3076749 回転電機の固定子巻線製造方法 今泉 光男 3079704 電気器具の取付装置 西澤 伸也 中村 豊 3076881 メモリ復元機能付情報処理装置 木村 照道 3079742 固体高分子電解質型燃料電池 小関 和雄 3076895 可撓性太陽電池モジュール 加藤 進二 3079757 自動販売機 上野 学 倉 馨 3077310 送ガス式ガス絶縁変圧器 池田 健二 3079769 高速増殖炉の燃料交換装置 尾崎 博 3077316 集積回路装置 天野 彰 3079771 高速増殖炉の燃料交換装置 吉村 哲治 3077333 台間玉貸機 坂本 雅司 3079790 二重式油ストレーナ 浜 清彦 3077351 データ表示方法 神崎 昇 3079818 プラズマ処理装置 辻 直人 3077361 半導体装置の製造方法 丸山 純章 3079822 開閉器の操作機構 國分多喜雄 3077372 集積回路装置用バンプ電極の製造方 法 白畑 久 3079825 電子計算機装置 光スイッチ 中村 豊 岡田英一郎 清水 源広 長友 宏憲 繁田 雅信 富永 保隆 3079830 薄膜光電素子の製造方法および製造 装置ならびにプラズマ CVD 法およ びプラズマ CVD 装置 佐々木敏明 清水 均 3077460 3077461 水中の有害物質のモニタ方法 田中 良春 原田 健治 守本 正範 3079838 プ ラ ズ マ CVD 法 お よ び プ ラ ズ マ CVD 装置 吉田 隆 清水 均 541（15） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。