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超音波流量計とは？｜3種類と測定用途・比較基準・主要メーカーをご紹介
流量計にはさまざまな種類がありますが、中でも超音波を使用して流量測定をする機器が超音波流量計と呼ばれています。
しかし、超音波流量計は製品ごとに特徴が異なっています。そのため、目的や現場の用途に合わせた機械を選ぶことが重要です。
この記事では、一般的な超音波流量計の特徴と価格帯、構造の解説から、種類別のメリット・デメリット、選定基準、そして主要なメーカーまで紹介しています。
導入検討前に情報を整理しておくことで、最適な機械選びが可能となるので、ぜひ最後までご一読ください。
超音波流量計とは？測定の特徴・原理と価格帯を紹介
まず最初に、超音波流量計の基本的な特徴・原理と価格帯について説明します。
超音波流量計の基本的な特徴・原理
超音波流量計は、測定対象となる物体内部を伝播した超音波の速度や周波数変化を調べることで、流量の測定ができる計測機器です。
超音波とは、人間の耳には聞こえない、非常に高い周波数を持つ音波のことを指します。医療の分野（例えば、妊娠中の赤ちゃんのエコー画像）や、物の距離を測るセンサーなど、様々な用途で使用されています。
超音波流量計のメリットとしては、圧力損失がないこと、機械的駆動部がないこと、クランプオン型があること、測定精度が高いこと、計測結果の応答が早いことなどが挙げられます。一方で、超音波流量計の注意点としては、直管部が必要なこと、固形物や気泡の影響を受けやすいことなどが挙げられます。
超音波流量計は、次のような一連の流れで動作します。
超音波流量計動作の流れ
- 超音波送信器が流体に向けて超音波を発信する
- 発信された超音波は、流体とその中に含まれる物質（固体粒子や気泡など）と相互作用する（ドップラー方式では反射された超音波の周波数変化を利用し、伝搬時間差方式では超音波の伝播時間の差を利用）
- 上記の相互作用に基づき、超音波受信器が反射を受信後、流体の流速が計算される（ドップラー方式は反射された超音波の周波数変化から、伝搬時間差方式は超音波の伝播時間の差から流速を求める）
- 流速と流体が流れる管の断面積を元に、流量算出。これにより、特定の時間における流体の総量を測定する
超音波流量計の価格帯
超音波流量計の値段は、種類や性能によって大きく異なりますが、一般的には数万円から購入が可能です。
例えば、価格帯を次の三区分に分けることが可能です。参考にしてください。
超音波流量計の価格帯
低価格帯：約2万円～約20万円
特徴：基本的なドップラー方式の流量計や簡易な伝搬時間差方式のモデルが主に見られます。小規模な用途や比較的単純な流体の測定に適しており、装置の機能は基本的なレベルに留まります。水処理施設や簡単な工業アプリケーションで使用されることが多いです。
中価格帯：約20万円～約100万円未満
特徴：より高精度で安定した測定が可能な伝搬時間差方式の流量計が一般的です。これらは、温度や粘度が変化する流体や、中規模から大規模な産業用途に適しています。改良されたデータロギング機能や通信インターフェース（Ethernetや無線LANなど）、複数の測定チャネルを持つ製品が含まれます。
高価格帯：おおよそ100万円以上
特徴：非常に高い精度を提供する高度な伝搬時間差方式や、特殊な条件下での使用に適した高機能モデルが含まれます。極端な環境条件下（高圧力、高温度、高腐食性流体など）での使用や、非常に正確な測定が必要な科学的研究や高度な工業プロセスでの使用に適しています。高度なデータ分析機能、複数の測定パラメーター、耐久性などが特徴です。
ここまで、超音波流量計の基本的な特徴・仕組みと価格帯について説明しました。次の章では、超音波流量計の基本構造を解説します。
基本的な特徴と仕組みを押さえた上で構造を理解することで、種類別の特徴が理解しやすくなります。ぜひ続けてお読みください。
超音波流量計の基本構造を解説
超音波流量計は、超音波センサと制御電子回路、流量計本体から構成されています。
超音波センサは、超音波を発生させる送信器と超音波を受信する受信器から構成されます。このセンサは、配管に直接取り付けるインサート型や、配管の外側に取り付けるクランプオン型などが存在します。
- 超音波センサ
- 電子制御ユニット
- 流量計本体
超音波センサ
超音波を送信したり、流体やガス中で超音波の伝播に起こる反射や散乱を検出したりする装置です。以下の2つが存在します。
超音波送信器（トランスデューサー）
特定の周波数の超音波を流体に向けて発信する部品です。超音波は流体の密度や流れの速さに影響を受けるため、送信された超音波の挙動を分析することで、流体の流速や性質を推定することができます。
超音波受信器（トランスデューサー）
送信器から送られた超音波が流体中を通過し、反射または変化した後に戻ってくるのを受信するのが受信器です。この受信した超音波のデータを分析することで、流体の流速や性質を正確に測定します。
電子制御ユニット（EUC）
超音波送受信器からのデータを受け取り、流量や流速などの計算を行う電子装置です。電子制御ユニットは、受信した超音波データの時間差や周波数変化を分析し、流体の特性に基づいて正確な測定値を導き出します。高度なアルゴリズムと処理能力を備え、基本的にはリアルタイムでのデータ処理が可能です。
流量計本体
送受信器を搭載し、流体が通過する管やチャネルの部分です。本体は流体の流れに干渉することなく超音波の送受信ができるように設計されています。
ここまで、超音波流量計の基本構造について説明しました。
超音波流量計の基本構造はこれで押さえられましたが、この構造部分の変動によって、超音波流量計の種類が異なってきます。次の章では、3種類の超音波流量計を確認し、各メリットとデメリットを説明します。
3種類の超音波流量計と用途・メリットとデメリット
ここからは、超音波流量計の種類とそれぞれのメリット、デメリットについて解説します。超音波流量計は、大きく分けて次の3種類に分けることができます。
伝搬時間差方式
流体の流れに対して斜めに配置された超音波トランスデューサーを使用し、上流と下流の伝搬時間の差から流速を計算し、流量を求めます。不純物のない純水に適しています。
メリット
- 高精度の測定が可能
- 大口径の配管でも設置が容易
- 圧力損失が少ない
デメリット
- 上流直管部や整流器が必要
- ノイズによる影響を受けやすい
- 気泡などの影響を受けやすい
ドップラー方式
流体中の気泡や固形物に当たって反射した超音波の周波数変化を測定し、それから流速を計算して流量を求めます。汚れた水や不純物の多い流体の測定に適しています。
メリット
- クランプオン型が存在
- 配管を傷つけない
- 圧力損失が少ない
デメリット
- 気泡などの少ない流体の測定には不向き
- 計測結果の誤差が大きくなる傾向
シング・アラウンド方式
超音波が流体中を往復する際の周波数差を測定し、その差から流速を計算して流量を算出します。超純水または純水の測定に適しています。特定の条件下での使用に限るため、市販されているものはあまり多くありません。
メリット
- 高精度の測定が可能
- 小口径の配管、低流速の流体に最適
- 圧力損失が少ない
デメリット
- 上流直管部や整流器が必要
- 計測速度がそこまで速くない
ここまで、超音波流量計の基本構造について説明しました。
超音波流量計の基本構造はこれで押さえられましたが、この構造部分の変動によって、超音波流量計の種類が異なります。次の章では、3種類のレオメーターを確認し、各メリットとデメリットを説明します
5つの比較基準｜超音波流量計の選定方法
ここからは、超音波流量計を選ぶ際の選定基準を解説します。機械の導入に際して、検討すべき事項は以下の5点です。
配管の直径
配管の直径が大きくなると、超音波の伝搬距離が長くなり、測定精度が低下する可能性があります。また、配管の直径に合わせて超音波の周波数や角度を調整する必要も出てきます。
例えば、大口径の配管だと、流体の流速は遅くなり、超音波のドップラー効果が小さくなります。超音波の伝搬時間の差は大きくなるので、測定精度が向上する可能性があります。
一方で、超音波の伝搬距離が長くもなるため、測定誤差は発生しやすくなります。それに合わせて、超音波の周波数や角度を調整する必要があります。
配管の直径が大きい場合は伝搬時間差方式が適しています。直径が小さい場合は伝搬時間差方式やドップラー方式（粒子や気泡が多い流体の場合）が適しています。
流体の特性
流体の粘度、純水度合いなどの違いによって、適切な超音波流量計の種類が変わります。
例えば、流体の粘度が高い場合、流れが層流に近くなり、超音波の伝搬に影響を与えることがあります。高粘度の流体では、超音波の伝搬速度が遅くなり、伝搬時間差式超音波流量計の測定誤差が増加する可能性があります。
また、流体中に固形物や気泡が含まれている場合、ドップラー式超音波流量計が有効です。固形物や気泡は超音波を反射し、流速に応じた周波数変化（ドップラー効果）を生じさせます。しかし、反射体が少ない場合は測定が困難になることがあります。
一方、流体が純水で、反射する固形物や気泡が含まれていない場合は、伝搬時間差式超音波流量計が適しています。この方式は、流体自体の超音波伝搬特性を利用して流速を計測するため、粒子や気泡の有無に依存しません。
流体の温度
流体の温度が高くなると、超音波の伝搬速度が増加し、測定誤差が発生する可能性があります。また、流体の温度変化により配管の熱膨張や収縮が起こり、超音波の伝搬距離や角度が変わることがあります。したがって、流体の温度に合わせて、温度補正が必要です。
温度が上昇すると、流体の粘度が低下し、流速が増加します。これにより、ドップラー式超音波流量計のドップラー効果が強まり、測定精度が向上することがあります。
一方、温度が低い場合は、超音波の伝搬速度が減少し、測定誤差が減少する傾向にあります。配管の熱膨張や収縮も少なくなり、超音波の減衰や散乱も減少します。
高温の場合はドップラー式超音波流量計が適していることが多いですが、低温の場合や温度の変化が少ない場合は伝搬時間差方式が適しています。温度補正機能を備えているモデルであれば、伝搬時間差方式であっても、温度変化による影響を最小限に抑えることができます。
流体の流速
流体の流速が速くなると、超音波のドップラー効果が増し、測定精度向上の可能性があります。一方で流速が遅すぎると、超音波の伝搬時間差が小さくなり、誤差が増加します。流速変化は、流速分布や流れの乱れを引き起こす可能性があります。よって、適切な超音波の周波数や強度の選択が必要です。
伝搬時間差方式では、流速が速いと伝搬時間差が小さくなり、精度が低下する可能性があります。流速上昇は、乱れや流速分布の変化をもたらすことがあります。流速が低いほど伝搬時間差が大きくなり、精度向上が期待できます。
ドップラー式超音波流量計の場合、流速が高いほどドップラー効果が強まり、精度が向上します。一方で流速が遅いとドップラー効果が弱まるため、精度低下の可能性があります。流速が低すぎると、伝搬が妨げられることもあります。
流体の圧力
流体の圧力が高くなると、超音波の伝搬速度が増加し、測定誤差が生じやすくなります。また、圧力変化により気泡やキャビテーションが発生し、超音波の伝搬を阻害することがあります。そのため、流体の圧力に適応するためには、超音波の周波数や強度を慎重に選択する必要があります。
高圧下では、流体の密度が増し、音速が上昇します。これにより、伝搬時間差方式の超音波流量計で測定精度が改善することが期待されます。一方で、ドップラー式の流量計では、高圧により超音波の周波数変化が小さくなり、精度が低下する可能性があります。
低圧の状況では、超音波の伝搬速度が下がり、測定誤差が減少します。ドップラー式では、圧力が低いほど周波数変化が大きくなり、精度が向上しますが、伝搬時間差方式では、低圧により音速が減少し、測定精度が低下する場合があります。
以上、超音波流量計を選定する際の基準5点を紹介しました。次の章では、超音波流量計を製造するメーカーを紹介します。続けて読むと、貴社にとって適切なメーカーがわかりますので、是非ご一読ください。
超音波流量計を製造している主要メーカー
ここからは、超音波流量計を製造している主要企業を紹介します。貴社の導入条件を整理し、比較基準の5点を確認した後は、実際に超音波流量計を製造している企業を探しましょう。
※JET-Roboticsの問い合わせフォームに遷移します。
一部の会社とは正式な提携がない場合がありますが、皆さまに最適なご案内ができるよう努めています。
- 東京計器 / TOKYO KEIKI
- オーバル / OVAL
- 愛知時計電機 / Aichi Tokei Denki
- キーエンス / KEYENCE
- 富士電機 / Fuji Electric
※クリックで各メーカーの詳細に飛びます。
東京計器 / TOKYO KEIKI
| 会社名 | 東京計器 / TOKYO KEIKI |
| 設立年 | 1948年 |
| 本社 | 東京都大田区南蒲田2-16-46 |
| 概要 | 計測機器・流量計メーカー |
東京計器は、超音波流量計の長年の実績を持ち、ポータブルから定置型、バッテリー駆動型まで幅広い製品を揃えています。
代表的な機種には「UFP-20」「UFW-100」「UC-1」があり、配管切断や停水を伴わずに設置でき、工事負担が小さく適用範囲が広い点が魅力です。
上下水道の配水監視や空調設備の熱量計測、さらには化学プラント薬液ラインの流量監視などで幅広く活用されています。
オーバル / OVAL
| 会社名 | オーバル / OVAL |
| 設立年 | 1949年 |
| 本社 | 東京都中野区中央2-4-12 中野坂上NKビル |
| 概要 | 流量計専業メーカー |
オーバルは、液体・気体・蒸気まで対応する豊富なラインアップと国内の校正・サポート体制に強みを持つメーカーです。
製品には「Psonic-1」「Psonic-S1」「FLOWSIC600-XT」があり、気体や蒸気を含む幅広いプロセス条件に適用できる点が魅力です。
蒸気配管のエネルギー管理やユーティリティ計測の省エネ用途、プロセス配管の流量監視などで導入されています。
愛知時計電機 / Aichi Tokei Denki
| 会社名 | 愛知時計電機 / Aichi Tokei Denki |
| 設立年 | 1949年 |
| 本社 | 名古屋市熱田区千年1-2-70 |
| 概要 | 水道・ガスメーター／流量計メーカー |
愛知時計電機は、水道・ガスメーター分野で培った技術を活かし、圧縮空気や燃料ガス、液体まで対応する超音波流量計を展開しています。
代表製品には「TRX」「TRA」「ATZTA UX/UZ」があり、圧損ゼロ・電池駆動・ワイドレンジで工場のエアや燃料ガス計測に適する点が特徴です。
圧縮エアの見える化による省エネや食品・小型炉の燃料ガス管理、純水・海水の流量監視などで実用化されています。
キーエンス / KEYENCE
| 会社名 | キーエンス / KEYENCE |
| 設立年 | 1974年 |
| 本社 | 大阪府大阪市東淀川区東中島1-3-14 |
| 概要 | センサ・画像処理装置の専業メーカー |
キーエンスは、クランプオン方式による配管工事不要の超音波流量計を提供し、短時間で設置できる現場適用力に強みを持っています。
代表的な機種には「FD-Hシリーズ」「FD-Rシリーズ」があり、既設配管に非接液で後付けでき、幅広い液体や配管に適用できる点が評価されています。
冷却水ラインや純水配管の監視、薬液・洗浄液の管理、さらに設備保全の予兆監視などで導入されています。
富士電機 / Fuji Electric
| 会社名 | 富士電機 / Fuji Electric |
| 設立年 | 1923年 |
| 本社 | 東京都品川区大崎1-11-2 |
| 概要 | 計測制御機器・電機メーカー |
富士電機は、可搬型から蒸気用まで幅広い超音波流量計をラインアップし、エネルギー管理分野に強みを持っています。
代表機種の「Portaflow」「F-4400」「FSJ／FSX」は、蒸気配管を含む多様な媒体をクランプオン方式で計測できる点が特徴です。
ボイラ設備の蒸気見える化や冷却水配管の流量監視、上下水道やプラントの点検用途などに広く活用されています。
導入などでお困りでしたら以下からお気軽にご相談ください。
※JET-Roboticsの問い合わせフォームに遷移します。
一部の会社とは正式な提携がない場合がありますが、皆さまに最適なご案内ができるよう努めています。
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