高周波・低周波レーダーレベル計の利点とは？

1. 高周波レーダー液位計と低周波レーダー液位計の違いは何ですか？

レーダー式液面計は、電磁波を用いて非接触式で液面を測定する。

この装置は、アンテナを介してマイクロ波信号を測定対象物の表面に向かって送信します。これらの信号が液体、スラリー、粒状物質または粉体の表面に到達すると、反射されます。装置はこの反射信号を受信し、送信信号と受信信号との間の時間、周波数、または位相の変化に基づいて、センサーから媒体表面までの距離を算出します。

実際の液体または材料のレベルは、タンクまたはシロの高さを用いて算出できます。

産業用レーダー液位測定に用いられる一般的な動作周波数には、6 GHzが含まれます。26GHz、および約80GHz.

基本原則として：

周波数が高くなるほど、波長は短くなる。
周波数が低くなるほど、波長は長くなる。

これらの差異は、レーダのアンテナサイズ、ビーム角、方向性、およびさまざまな運用条件に対する適応性にも影響を及ぼします。

したがって、高周波型と低周波型のレーダー液位計との違いは、単にどちらがより先進的か、あるいはより高精度かという点にすぎません。どちらのタイプも、異なる現場環境下でそれぞれ異なる技術的利点を提供します。

2. 高周波レーダー液位計の利点は何か？

現在、産業分野で広く用いられている高周波レーダー液位計には、一般的に26GHzおよび80GHzのレーダーが含まれます。近年、80GHzレーダーは液体および固体の液位測定分野でますます一般的になっています。

高周波レーダーの主な利点には、狭いビーム、優れた方向性、小型のアンテナ、および複雑な環境下でも高い干渉耐性が挙げられます。

1. 小さなビーム角

アンテナのサイズが同程度の場合、より高いレーダー動作周波数は、一般的に、より狭い送信ビームを生成しやすくなる。

狭い光束は、レーダーのエネルギーがより集中していることを意味します。

高さのある貯蔵タンクにおいて、大きなビーム角により、測定距離が増加するにつれてレーダービームがますます広い範囲をカバーします。

その結果、タンクの壁、階段、充填管、攪拌機、支持構造物、加熱コイルおよびその他の機器がレーダービームに含まれ、干渉エコーを発生させる可能性があります。

高周波レーダー、特に80GHzレーダーは、測定領域をより狭い範囲に集中させることで、内部構造によって発生する干渉信号を低減できます。

したがって、内部構造が複雑な戦車において、高周波レーダーは一般的に明確な利点をもたらします。

2. 窄型タンクに適しています

多くの化学薬品タンク、化学薬品添加タンク、添加剤タンク、および小型プロセス用タンクは、比較的小さな直径を有しています。

レーダービームの幅が広い場合、信号が容易にタンクの壁に照射される可能性があります。

タンクの壁、溶接部、パイプ、または支持構造から生じる強い反射信号は、実際の液面エコーの識別に支障をきたす可能性があります。

高周波レーダーはビームがより集中しているため、高さが高く、狭いタンク内での設置および試運転が一般的に容易です。

この狭い光束という利点は、レーダーをタンクの中央部に設置できない場合、代わりにタンクの壁に近接して設置する必要があるとき、特に重要となる。

3. 小型アンテナサイズ

高周波レーダーのもう一つの重要な利点は、アンテナを小型化できる点です。

高周波レーダーは、狭いビームを取得するために大規模なアンテナを必要としないのが一般的です。

これは特に小型タンクにおいて重要です。

例えば、一部の機器では上部に小型のねじ接続部または小径のフランジのみが設けられている場合があります。このような機器でレーダーに大型のホーンアンテナを搭載する必要がある場合、設置スペースが不足する可能性があります。

80GHzレーダーは、より小型のアンテナおよび処理回路を採用できるため、以下のような用途に非常に適しています：

小型貯蔵タンク；
化学薬剤投与タンク；
化学添加剤タンク；
水処理タンク；
IBCコンテナ；
狭いサイロ；
機械設備内部に設置された小型ホッパー。

4. 細密な内部構造を備えたタンクに適しています

工業用タンクには、以下のような多様な内部構造がよく設けられています：

攪拌器用ブレード；
コイル；
ヒーター；
梯子；
支持梁；
充填用パイプ；
内部配管；
補強リブ。

これらのすべての構造は、不同程度でレーダー反射を発生させ得る。

ビームの照射範囲が広い場合、レーダーは液体表面および複数の固定障害物からの反射を同時に受信することがある。

現代のレーダー機器には一般的に誤検出抑制機能や信号処理機能が搭載されているものの、適切な取り付け位置やより狭いビームを用いることで、設置・運用の難易度を大幅に低減することが可能である。

内部構造が複雑なタンクの場合、80GHz高周波レーダーはしばしば最適な解決策の一つとして用いられます。

3. 高周波レーダーは固体レベルの測定に適している理由とは？

固体レベルの測定は、液体レベルの測定と大きく異なる。

静止した液体の表面は通常平坦であるのに対し、粉体や粒状物質の表面はしばしば不規則である。

例えば、シロに保管されたセメント、フライアッシュ、穀物、鉱石、砂、プラスチックペレット、肥料などは、顕著な休止角を形成する場合があります。

充填中に中央部に材料の堆積層が形成されるのに対し、排出中に漏斗状または円錐状の材料表面が形成される場合がある。

したがって、固体液位測定は、従来の液体液位測定に比べて一般的により複雑である。

これらの応用分野における高周波レーダーの重要な利点は、より集中した放射束を実現できる点にあります。

狭い光束を用いることで、サイロの壁や支持構造物などからの干渉を低減でき、レーダーが対象物の表面により効果的に焦点を当てられるようになります。

このため、80GHzレーダーは以下のような分野で広く利用されています：

セメントサイロ；
フライアッシュ用サイロ；
穀物サイロ；
フィードサイロ；
プラスチックペレットサイロ；
鉱石サイロ；
砂および骨材用サイロ；
肥料用サイロ；
化学粉末用サイロ；
その他の粉体および粒状物質用サイロ。

ただし、固体レベルレーダーは、単に周波数に基づいて選定すべきではありません。

最大測定距離、材料の誘電特性、粉塵濃度、粒子径、充填位置、サイロ構造、およびアンテナ上に材料が蓄積する可能性についても考慮する必要がある。

4. 高周波レーダーは、粉塵多き環境に適していますか？

多くの固体材料は、充填または排出の際に大量の粉塵を発生します。

例えば、セメント、フライアッシュ、小麦粉、鉱物粉末、および特定の化学粉末は、急速な充填工程中に目立つほこりの雲を発生させることがあります。

レーダーは測定に電磁波を用いるため、その動作原理は、空気中で伝播する音波に基づく超音波計測機器とは異なる。

通常の塵は、超音波測定において影響を及ぼすのと同様に、伝搬条件を直接変化させることでレーダー測定に影響を及ぼすとは一般的にない。

したがって、レーダー式レベルメーターは、大量の粉塵を含むサイロにも適しています。

ただし、粉塵がアンテナ表面に長期間付着し、厚い堆積物を形成した場合、信号品質が低下する可能性があります。

粉塵が多い現場では、アンテナ構造、取り付け位置、および粉塵蓄積防止設計に特に注意を払うべきです。

5. 高周波レーダーは高温・高圧環境に適していますか？

レーダー式レベルメーターは非接触式測定方式を採用しているため、高温・高圧・真空といった多様な環境下でも使用可能です。

ただし、以下の点に留意する必要があります：

許容される温度および圧力は、特定の製品の構造に依存しており、単にその製品が動作しているかどうかにのみ依存するものではありません。80GHz, 26GHzまたは 6GHz。

異なるレーダー液面計モデルでは、以下のような方式が採用されることがあります：

PTFE；
PEEK；
ステンレス鋼；
セラミック；
異なるシール材；
異なるフランジおよび工程接続部。

高温レーダーレベルメーターを購入する際には、以下の情報を明記する必要があります：

通常の運転温度；
最大プロセス温度；
正常血圧；
最大プロセス圧力；
真空が存在するかどうか；
媒体が腐食性であるかどうか；
爆発防止認証が必要かどうか。

80GHzレーダーを、すべての高温または高圧用途に自動的に適しているとみなすべきではありません。

6. 低周波レーダー液位計の利点は何ですか？

高周波レーダーには明確な利点があるが、それによって低周波レーダーが応用価値を失ったわけではない。

低周波レーダーも、特定の特殊な液体環境下では依然として優れた性能を発揮します。

1. 液体表面の変動に対する特定の利点

低周波レーダーは、一般的に比較的広いビームを有しています。

特定の大型タンクや、液体の表面変動が顕著な用途では、より広いビームを用いることで、より広い表面領域をカバーすることが可能である。

例：

大型混合タンク；
高速充填・排液可能なタンク；
液体面が連続的に変動するタンク；
特定の化学反応器。

これらの条件下では、液体の表面は完全に平坦ではない。

レーダーが、波や乱流の影響を受ける非常に小さな局所領域のみを測定した場合、エコーの状態が大幅に変化する可能性があります。

広い光束はより大きな液体表面積をカバーでき、したがって、激しい変動が生じる特定の条件下で実用的な利点をもたらす可能性があります。

現代の80GHzレーダーは、高度な信号処理アルゴリズムを用いることで、多数の変動する表面も処理可能であるため、最終的な判断は依然として当該機器の性能に基づくべきである。

2. 特定の重蒸気環境における利点

高温の水タンク、蒸気凝縮システム、反応炉、および特定の化学物質貯蔵タンク内に、大量の蒸気が存在している場合があります。

蒸気の存在が必ずしもレーダー測定が不可能であることを意味するわけではありません。

ただし、極めて厳しい蒸気および凝縮条件下では、レーダーアンテナ上に凝縮水が形成される可能性があります。

重度の凝縮は、レーダー信号の送信および受信に影響を及ぼす可能性があります。

特定の低周波レーダー製品は、高圧蒸気や凝縮水を伴う特殊な環境において広範な工学的実績を有しています。

したがって、以下の用途において、80GHzレーダーを単にその高い周波数という理由だけで選択すべきではありません：

高温水；
飽和蒸気環境；
重度の凝縮；
反応器；
蒸発器；
高湿度環境下での使用に適した密閉タンク。

これらのプロジェクトは、蒸気の媒体、温度、圧力および重症度に応じて包括的に評価されるべきである。

3. 泡沫状態は包括的な評価を必要とする

フォームは、液面測定において複雑な課題である。

フォームはレーダー信号を吸収、反射、または減衰させる可能性があります。

実際の効果は以下の要素に依存します：

フォームの厚さ；
フォーム密度；
バブルのサイズ；
フォーム中の水含有量；
液体の誘電特性。

したがって、「低周波レーダーは常に発泡材を透過できる」とも、「80GHzレーダーは常に発泡材関連の問題を解決できる」とも言うのは誤りである。

プロジェクト設計の段階で確認すべき最初の要件は以下の通りです。

システムは、フォームの上端を測定すべきか、それともその下にある実際の液体レベルを測定すべきか？

これらは全く異なる2つの測定要件です。

発泡体が極めて厚い場合、または運用条件が特に複雑な場合には、誘導波レーダーやその他の液面測定技術も検討することができる。

7. 80GHzレーダーレベルメーターにはどのような明確な利点がありますか？

産業用レベル測定技術の現状を踏まえると、80GHzレーダーの主な利点は以下の通りです。

まず、ビームは非常に集中している。

この特性により、狭いタンクや複雑なサイロに特に適しています。

第二に、アンテナのサイズが小さい。

小型のねじ継手またはフランジ継手を用いることができます。

第三に、内部の障壁に対してより良好に適応する。

タンク壁、梯子、パイプ、攪拌機などの構造物によって生じる干渉を低減できます。

第四に、固体レベル測定に適しています。

粉体および粒状材料を貯蔵するサイロに特に適しています。

第五に、取り付け位置がより柔軟です。

タンクの中央部への設置が不可能な場合、狭いビームを用いて、内部構造を可能な限り回避できます。

第六に、不要な偽エコーを低減できます。

優れたビームフォーカシング技術は、後続のソフトウェアベースの信号処理に完全に依存するのではなく、特定の干渉源を直接低減できます。

これらの理由から、80GHzレーダーは、現代の工業自動化分野における複雑な液体レベルおよび固体レベルの監視プロジェクトに非常に適しています。

8. 80GHzのレーダーは常に26GHzのレーダーよりも優れているのでしょうか？

必ずしもそうとは限りません。

80GHzレーダーの主な利点は、狭いビーム、小型のアンテナ、および複雑な環境下でも対象を正確にフォーカスできる能力にあります。

しかし、26GHzレーダーは長年にわたり産業分野で広く利用されており、高度に成熟した測定技術を備えています。

多くの従来型タンクでは、26GHzレーダーを用いることで、以下の条件が満たされた場合に、安定かつ信頼性の高い測定が可能となる：

タンクの直径は比較的大きい；
内部構造はシンプルです；
取り付け位置が適しています；
液体表面は良好な反射性を有しています；
測定距離は適度です；
複雑な干渉は存在しません。

したがって、単により高い周波数を得るためだけにレーダー計測機器を無作為に交換する必要はありません。

新規プロジェクトでは、まず80GHz対応のソリューションを検討することができます。

既存の26GHz用途において、測定結果が安定している場合、製品が異なる周波数で動作しているという理由だけで、その製品を「古くなった」と見なすべきではありません。

9. 6GHz、26GHz、および80GHzのレーダーはどのように選定すべきか？

レーダー周波数を選択する際には、以下の論理を適用できます。

小型タンク、狭いタンク、複雑な内部構造を有するタンク、または固体物質を貯蔵するサイロにおいては、まず80GHzレーダーを検討することができる。

内部構造がシンプルな従来型液体貯蔵タンクにおいては、26GHzレーダーも一般的に成熟した解決策として用いられています。

現場に重度の蒸気、凝縮、顕著な液体表面の変動、またはその他の特殊なプロセス条件が存在する場合、6 GHz。26GHz、および80GHz各種ソリューションを比較する必要があります。

したがって、正しい選択順序は以下の通りです：

測定対象の媒体を特定してください。
タンクまたはサイロの構造を決定してください。
温度、圧力、蒸気、粉塵、泡および内部障害を分析してください。
レーダー周波数、アンテナの種類、およびプロセッサ接続を選択してください。

レーダー周波数は、まず設定した後、現場の条件に合わせて強制的に調整するべきではありません。

10. 高周波および低周波レーダーレベルメーターはどのように選定すべきか？

プロジェクトの調達工程においては、少なくとも以下のパラメータを提供することを推奨します。

測定対象媒体の名称
例えば、水、ディーゼル燃料、酸性またはアルカリ性溶液、下水、セメント、フライアッシュ、穀物、またはプラスチックペレット。
業界の現状
液体、スラリー、粉体、または粒状物質のいずれであるかを指定してください。
最大測定距離
タンクまたはサイロの総高さおよび実際の測定範囲を含めます。
タンクの直径
これは、狭いタンクにおいて特に重要です。
プロセス温度
通常温度および最大温度の両方を提供してください。
プロセス圧力
これは、密閉圧力容器において特に重要です。
蒸気の有無
高温の液体および反応器においては、この点を特に強調する必要があります。
フォームの有無
また、フォームが連続的に存在するかどうかを指定してください。
粉塵の有無
固体物質を用いるサイロについては、粉塵の危険度について指定してください。
攪拌装置または内部構造の有無
例としては、パイプ、コイル、階段、支持梁などが挙げられます。
マウント接続部
例としては、G1½ねじ、G2ねじ、DN50フランジ、およびDN100フランジが挙げられます。
出力信号
一般的な選択肢には、4–20 mA、HART、およびRS485 Modbusが含まれます。
保護および防爆要件
例としては、必須のIP等級やEx認証の必要性などが挙げられます。
電源供給要件
異なる制御システムでは、異なる電源供給方式が使用されることがあります。

固体物質を用いたサイロの場合も、粒子径、休止角、充填位置および現場写真の提供を推奨します。

レーダー液位計を選定する際、METRAVON製品の選定を単に測定距離に基づくのではなく、これらの実際の運用条件に基づいてレーダー周波数を包括的に決定することを推奨します。

11. 高周波・低周波レーダー液位計の比較

高周波レーダー液位計は、一般的に以下の特徴を有しています：

狭い光束；
優れた方向性；
小型アンテナ；
狭いタンクに適しています；
複雑な内部構造に適しています；
固体レベル測定に適しています；
サイロの壁からの干渉を効果的に抑制できる能力。

低周波レーダーは、一般的に以下の特性を有します：

比較的広いビーム；
変動する液体表面を伴う特定の応用分野における利点；
厳しい蒸気および凝縮条件下での広範な実用運用経験；
一部の大型液体貯蔵タンクおよび特殊なプロセス条件に適しています。

したがって、これら二つは互いに代替品ではない。

適切な工学的選定は、計測機器を応用条件に適切に適合させるものであるべきです。

FAQ

Q1：高周波レーダー式液面計は、低周波レーダー式液面計よりも精度が高いですか？

必ずしもそうとは限りません。

測定精度はレーダーの周波数に関連している一方で、製品の構造、アンテナ、信号処理アルゴリズム、設置条件、および媒体の特性によっても影響を受ける。

80GHzレーダーの主な利点は、狭いビーム特性により、複雑な戦車群における干渉を低減できる点です。

調達の際には、特定のモデルの精度仕様を確認するべきであり、単に動作周波数のみをもとに精度を判断するべきではありません。

Q2：80GHzレーダーはセメントサイロに適していますか？

はい。

セメントサイロでは、通常、粉塵、不規則な材質の表面、およびサイロ壁からの反射光が発生します。

80GHzレーダーの狭い光束により、サイロの壁や内部構造から生じる干渉を低減できるため、セメント、フライアッシュ、鉱物粉末など、各種粉末状物を保管するサイロに非常に適しています。

調達段階において、最大測定距離および現場の粉塵状態を依然として確認する必要があります。

Q3：80GHzレーダーは小型戦車に適していますか？

はい。

高周波レーダーは、小型アンテナを用いて狭いビームを生成できるため、小型タンクや小径のプロセス接続用途に非常に適しています。

Q4：攪拌機を設置している場合、どのような種類のレーダーを採用すべきでしょうか？

一般的に、狭波束レーダーを最優先で検討すべきです。

タンク内部に攪拌ブレード、コイル、または支持構造物がある場合、80GHzレーダーはその狭いビームを用いて、これらの障害物を可能な限り回避できます。

取り付け位置も慎重に選定する必要があります。

Q5：蒸気存在下でも80GHzレーダーを使用可能ですか？

はい、しかし、蒸気の強度を考慮する必要があります。

通常の蒸気は、必ずしもレーダー測定に影響を及ぼすとは限りません。しかし、大量の蒸気や重度の凝縮が存在する場合には、対象とする特定のモデルの適性を確認し、異なる周波数を用いた対策を比較する必要があります。

Q6：発泡材が存在する場合、高周波または低周波レーダーのいずれを選択すべきでしょうか？

これは、周波数のみに基づいて判断することはできません。

フォームの厚さおよび密度については、また、システムがフォームの表面を測定する必要があるか、あるいはその下にある実際の液体レベルを測定する必要があるかについても、併せて確認しなければならない。

重度の泡状状態がある場合、製品の選定前に現場の情報を提供してください。

Q7：高周波レーダーは粉体を測定できますか？

はい。これは80GHzレーダーの重要な応用分野の一つです。

レーダーは、セメント、穀物、フライアッシュ、プラスチックペレット、肥料、鉱物粉末および同様の材料の連続的なレベル測定に使用できます。

Q8：低周波レーダーは今も必要でしょうか？

はい。

低周波レーダーは、蒸気、凝縮、液体表面の変動、および特殊な工程といった特定の条件下においても、依然として応用価値を有しています。

すべての産業用途に適した単一の周波数は存在しません。

Q9：レーダーレベルメーターは媒体と接触する必要があるか？

一般的な自由空間レーダー液位計は、媒体と直接接触する必要はありません。

したがって、この製品は腐食性液体、高温液体、下水、および粉体状材料に特に適しています。

ただし、アンテナおよびプロセス接続に適した材料は、媒体および現場環境に応じて依然として選定する必要があります。

Q10：レーダーレベルメーターを購入する際の最も重要なパラメータは何ですか？

測定範囲だけでは不十分である。

少なくとも、媒体、測定範囲、タンクの高さおよび直径、温度、圧力、蒸気、泡、粉塵、内部障害、取り付け接続、および出力信号を備える必要があります。

これらのパラメータは、レーダーの周波数およびモデル選択を直接決定します。

結論

高周波および低周波レーダー液位計には、それぞれ適応する使用条件があります。

高周波レーダー、特に80GHzレーダーの最大の利点は、狭いビーム形状、優れた方向性、小型のアンテナ、および内部タンク類の障害物を回避できる能力にある。

したがって、小型タンク、狭いタンク、内部構造が複雑なプロセス用タンク、およびセメント、フライアッシュ、穀物、鉱石、プラスチックペレット等の固体物質を貯蔵するサイロに非常に適しています。

低周波レーダーは、激しい液体表面の変動、大量の蒸気や凝縮、および特殊な液体プロセスといった特定の条件下においても、依然として実用的な利点を有しています。

したがって、レーダーレベルメーターの選定は、「より高い周波数が常に優れている」という前提に基づいて行うべきではありません。

より適切な工学的アプローチとは、媒体の特性、タンク構造、測定距離、温度、圧力、蒸気、泡、粉塵、および設置条件に基づいて、計測機器を総合的に選定する方法です。

液体、スラリー、粉体、粒状材料を対象とする連続的なレベル測定プロジェクトについて、METRAVON現場の媒体、測定範囲、タンクの構造、温度、圧力、プロセス接続、出力信号など、その他の要件に応じて、レーダー式レベルメーターを選択および設定できます。