高周波レーダーレベル計の選定と分類：周波数、アンテナ、測定範囲、使用条件

1. 高周波レーダー液位計とは？

高周波レーダー液位計は、高周波電磁波を用いて連続的な液体液位測定を行う非接触式計測機器です。

レーダーはアンテナを介して電磁波を媒体の表面に向かって送信します。この信号が液体表面に到達すると、反射されます。装置はこの反射信号を受信し、伝播時間、周波数変化、または位相関係に基づいて、レーダーアンテナと液体表面との間の距離を算出します。

この距離をタンクの高さおよびゼロポイント位置と組み合わせることで、実際の液面高さを算出できます。

現在の産業用プロジェクトで一般的に用いられるレーダー周波数には、6GHz、26GHz、および約80GHzがある。これらのうち、26GHzおよび80GHzは、一般的に比較的高周波数帯のレーダー測定技術に分類される。

特に、80GHzレーダーは、その短い波長、より集束度の高いビーム、および小型のアンテナ構造という利点から、化学処理、水処理、貯蔵タンク、反応器、小型容器、および複雑な内部構造を持つタンクなどへの利用がますます広がっています。

しかし、高い周波数がすべての運用条件下でより優れた性能を意味するわけではありません。

高周波レーダー式レベルメーターの適切な選定には、媒体、タンク構造、測定距離、温度、圧力、蒸気、泡、凝縮水、取り付け方式および制御システムの要件など、総合的に考慮する必要があります。

2. 高周波レーダー液面計はどのように分類されるか？

レーダー式レベルメーターは、単一の方法のみで分類することはできません。

工学的選定の観点から見ると、より実用的な分類手法には以下が含まれる：

動作周波数による分類；
測定原理に基づく分類；
アンテナおよびプロセス接続構造に基づく分類；
用途および測定等級別分類。

これらの分類を理解した後でなければ、特定のプロジェクトに適したレーダー液位計を選択することはできません。

3. 運転周波数別分類

1. 6GHzレーダーレベルメーター

6GHzは比較的低いレーダー周波数です。

この光線は波長が長く、一般的に光束が広い特性を有しています。なお、この光線は特定の大型液体貯蔵タンク、表面に激しい変動が生じる用途、および特殊な蒸気・凝縮条件下でも引き続き使用されています。

しかし、アンテナのサイズが比較的大きいため、小型タンク、限られた設置場所、または内部構造が複雑な船舶においては、高周波レーダーに比べて設置の柔軟性が一般的に低くなる。

2. 26GHzレーダーレベルメーター

26GHzレーダーは、長年にわたり産業分野で利用されてきました。この技術は成熟しており、多数の従来型液体貯蔵タンクおよびプロセス容器に適しています。

一般的な用途には以下が含まれます：

水タンク；
下水処理池；
化学物質貯蔵タンク；
酸・アルカリ貯蔵タンク；
燃料タンク；
反応容器；
特定の粉体および粒状物質用サイロ。

低周波数のレーダーと比較すると、26GHzレーダーは小型のアンテナを採用でき、より集中したビームを生成できます。このため、多くの産業分野での応用においても高い汎用性を維持しています。

3. 80GHzレーダーレベルメーター

80GHzは、現在、高周波レーダーによるレベル測定分野における重要な技術的動向となっています。

その主な特徴は以下の通りです：

小さなビーム角；
優れた方向性；
小型アンテナ；
タンク内での障害物回避に高い能力；
狭いタンクに適しています；
小型プロセス接続に適しています；
複雑な内部構造を備えたタンクに適しています。

攪拌機、コイル、階段、充填管、またはその他の機械的構造物を備えたタンクでは、狭いレーダービームによってこれらの構造物から生じる干渉エコーを低減できます。

そのため、80GHzレーダーは、新設される化学工業、水処理、および自動化された貯蔵タンク関連プロジェクトにおいて一般的に採用される手段の一つとなっています。

4. 測定原理に基づく分類

1. パルスレーダー液位計

パルスレーダーは、マイクロ波パルスを送信し、その媒体の表面から反射された信号を受信することで距離を算出します。

その基本原理は、電磁波の伝播時間に関連している。

パルスレーダーは、産業用計測分野で広く採用されている成熟した技術です。

2. FMCWレーダーレベルメーター

「FMCW」は、周波数変調連続波を意味します。

この装置は、時間とともに周波数が変化するレーダー信号を継続的に送信し、送信信号と反射信号との間の周波数差を比較することで、対象物までの距離を算出します。

現在、多くの80GHzレーダーレベルメーターではFMCW技術が採用されています。

FMCW技術は強力な信号処理機能を備えており、高精度な液面測定、複雑な貯蔵タンク、および特定の長距離測定用途に活用できます。

プロジェクト選定の際、「パルス」と「FMCW比較対象として「」だけを用いるべきではありません。実際の製品仕様（測定精度、ビーム角、測定範囲、デッドゾーン、プロセス温度、信号出力など）についても確認する必要があります。

5. アンテナ構造による分類

アンテナは、レーダー液位計において極めて重要な構成部品です。

アンテナの種類は、信号伝送、ビーム角、方向性、および現場条件への適応性に直接影響します。

一般的なレーダー液面計用アンテナは、主に以下のタイプに分類されます。

1. ホーンアンテナ

ホーンアンテナは、従来型のレーダー液位計で一般的に用いられる構造です。

成熟した構造と優れた方向性を備えており、多くの従来型液体貯蔵タンクや工業用プロセス容器に適しています。

同じ動作周波数において、ホーンの直径が大きい場合、一般的により狭いビームを得やすくなります。

したがって、ホーンアンテナを選定する際には、以下の要因を総合的に考慮する必要があります：

レーダー周波数；
アンテナの直径；
マウント用フランジ；
タンク高さ；
タンクの直径；
内部の障壁。

取り付けノズルの直径が小さい場合、アンテナをノズル位置に適切に挿入できるか、または正しく取り付けられるかを確認する必要があります。

2. 抛物線アンテナ

放物曲線アンテナは、高い方向性と信号集中機能を実現します。

現場の条件に応じて、パラボラアンテナを従来型の大容量貯蔵タンクや長距離測定用途における自由空間測定に使用できます。

しかし、放物曲線アンテナは一般的に大型であるため、適切な設置スペースを必要とします。

媒体に重度の付着、結晶化、またはコーク化が生じやすい場合、汚染がアンテナ表面およびレーダー信号に与える影響も考慮する必要があります。

したがって、コークス化しやすいアスファルト、重油、および高温環境においては、パラボラアンテナを単に測定範囲に基づいて選定するのではなく、アンテナの汚染状態についても慎重に評価する必要があります。

3. 平面アンテナまたはアレイアンテナ

平面アンテナおよびアレイ構造は、特定のタンク測定用途や静止井戸・バイパスパイプ設置場所で使用されています。

これらの構造体は、特定の伝播条件下でレーダー信号を伝送するように設計することができる。

特に、大型貯蔵タンク用自動計量システムに静止井を採用する場合には、この設置方法をサポートするために明確に設計されたレーダー製品を選択する必要があります。

ご注意ください：

「静水井レーダー」と「ガイド波レーダー」は、同一の概念ではありません。

静水井内から送信する自由空間レーダーは、依然として非接触式レーダー計測装置である。導波レーダーは、金属棒または鋼製ケーブルに沿って電磁波を伝送する。これら二つの技術は、動作構造が異なる。

4. レンズアンテナ

レンズアンテナは、現代の高周波レーダー機器、特に80GHzレーダー液位計に広く用いられています。

この構造により、コンパクトなアンテナ設計と優れたビーム集中が可能となる。

レンズアンテナは、ねじ式、フランジ式および衛生プロセス接続方式とも組み合わせて使用できます。したがって、特に以下の用途に適しています：

小型貯蔵タンク；
化学プロセス用タンク；
水処理用化学薬品タンク；
食品・医薬品用容器；
設置スペースが限られている機器。

特定のモデルが腐食性環境、高温環境、または衛生面接続用途に適しているかどうかは、アンテナおよびプロセス接続用材に応じて確認する必要があります。

6. 用途別グレードによる分類

1. プロセス制御用レーダー液面計

多くの化学工業、水処理、下水処理および工業用貯蔵タンク関連のプロジェクトでは、プロセス制御用レーダー液面計が採用されています。

その主な機能には以下のものが含まれます：

連続的な液面レベルモニタリング；
高レベルおよび低レベル制御；
ポンプの起動・停止制御；
貯蔵タンクの在庫管理；
PLCまたはSCADAによるデータ取得。

これらのプロジェクトでは、安定性、測定範囲、出力信号、温度および圧力耐性、ならびに現場環境への適応性に特に重点が置かれています。

2. 高精度タンク測定用レーダー

石油、精製油、大規模タンク群、および在庫測定プロジェクトでは、一般的なプロセス制御応用に比べて、大幅に高い測定精度が求められる場合があります。

測定データが在庫管理または保管権移譲に使用される場合、単にその理由のみに基づいて一般プロセスレーダーを選択してはなりません。

必要な測定精度、認証基準、設置構造および完全なタンク群測定システムは、プロジェクトの要件に従って確認されなければならない。

つまり：

通常のレベル制御と商取引計量は、それぞれ異なる用途向けのグレードです。

レーダー式レベルメーターが一般的に高精度であるとされているからといって、一般的なプロセス計測機器を商業的な決済用途に適していると想定することはできません。

7. 高周波レーダー液位計を選定する際には、まず何を考慮すべきでしょうか？

高周波レーダー液位計を選定する際の最初に考慮すべき要因は、使用媒体です。

これは、多くのプロジェクトにおいて容易に見落とされがちな問題です。

少なくとも、以下の情報を確認する必要があります：

中間名；
媒体が電気的に導電性であるかどうか；
誘電特性；
媒体が腐食性であるかどうか；
媒体が粘性であるかどうか；
媒体が容易に結晶化するかどうか；
媒体が容易に付着するかどうか；
フォームが生成されるかどうか；
蒸気の有無。

例えば、清浄水と濃硫酸が正確に同じ測定範囲を有している場合でも、両者のアンテナやプロセス接続用材料に対する要件はまったく異なる場合があります。

ディーゼル燃料および下水の測定も、測定範囲のみに基づいて選択された製品を用いては行えない。

したがって、レーダーレベルメーターを購入する際には、単に「測定範囲が10メートルである」と記載するのではなく、まず使用する媒体を明記することが重要です。

8. 容器の高さおよび直径に応じた選定

タンクの寸法は、レーダー液面計の選定に直接影響します。

以下の情報を提供してください：

タンクの総高さ；
タンクの直径；
液面最高値；
液体の最低水位；
レーダーの取り付け位置

例えば、高さ10m、直径2mのタンクと、高さ10m、直径20mのタンクは測定範囲は同じですが、レーダーベームに関する要件は異なります。

高くて細いタンクの場合、80GHzの狭角レーダーは一般的により大きな利点をもたらす。

タンクに配管、攪拌機、またはコイルが設置されている場合は、ビーム角および取り付け位置に特に注意を払うべきです。

9. タンクの内部構造に基づく選定

実際の工業用貯蔵タンクは、ほぼ常に完全に空ではない。

一般的な内部構造には以下が含まれます：

扇動者；
ヒートコイル；
梯子；
支持梁；
充填用パイプ；
排水管；
補強リブ。

これらのすべての構造は、レーダー反射を発生させる可能性があります。

選定および設置の段階において、可能な限りこれらの構造物から主レーダービームを避けるように配置する必要がある。

したがって、複雑なタンクの場合、測定範囲や精度だけが考慮すべき要因ではない。

ビーム角は、高周波レーダー液位計を選定する際の非常に重要なパラメータです。

80GHzのレーダーは一般により狭いビームを生成できるため、内部構造が複雑な戦車において明確な利点を有する。

10. 浮体式屋根タンクに用いる際、レーダー式液面計の選定方法とは？

浮き屋根式タンクは、比較的専門的な用途に用いられる。

浮上天蓋下の実際の液面をレーダーで測定する必要がある場合、一般的な自由空間レーダーでは、浮上天蓋上から直接液面に向けられることが一般的に不可能である。

タンクの構造に応じて、専用の静止井、ガイドパイプ、または浮き天板タンクに適したタンク測定システムを採用することができる。

「単純に次のように述べる」のは誤りです：

浮体式屋根付きタンクには、誘導波レーダーの使用が必須である。

静止井内で運用される誘導波レーダーと自由空間レーダーは、それぞれ異なる技術です。

大規模な石油貯蔵タンクおよび高精度な在庫計測プロジェクトにおいては、当該タンク計測用レーダーシステムを、タンクの構造、定置井の寸法、および測定精度に応じて適切に選定する必要がある。

11. 蒸気が存在する場合、レーダーレベルメーターはどのように選定すべきか？

レーダーは測定に電磁波を用いるため、超音波液位計と同様に、空気中の音速に依存するものではありません。

この特性により、温度・圧力・蒸気の変動を伴う多くの工業プロセスにおいて、レーダーが極めて適している。

しかし、「蒸気がレーダーに全く影響しない」と言うのは誤りである。

高温環境下では、大量の蒸気に伴い、激しい凝縮が生じる場合があります。

アンテナ表面に凝縮物または媒体の付着層が長期間残留すると、レーダー信号に影響を及ぼす可能性がある。

したがって、以下の用途向けに：

高温水タンク；
反応器；
蒸発器；
蒸気凝縮システム；
高湿度環境下での使用に適した密閉タンク；

適切なレーダー周波数およびアンテナ構造を選定する前に、実際のプロセス温度、圧力、蒸気条件および凝縮条件を提供する必要があります。

12. 泡沫が存在する場合、レーダー式レベルメーターはどのように選定すべきか？

フォームは、レーダーによる液面測定において複雑な運用条件を生じさせます。

最初のステップは、プロジェクトが実際に測定する必要がある内容を特定することです：

フォームの上面ですか？
あるいは、泡の下にある実際の液体表面でしょうか？

これらは全く異なる2つの要件です。

フォームの効果は、その厚さ、密度、水含有量、気泡の大きさ、および媒体の特性に依存します。

したがって、反応器、曝気槽、または重度の泡を伴う化学プロセスにおいては、実際の泡の状態を事前に説明する必要があります。

発泡状態が極めて深刻な場合には、自由空間レーダー、誘導波レーダーおよびその他の測定手法を総合的に検討する必要があります。

13. 高温・高圧工事において、レーダー式レベルメーターはどのように選定すべきか？

レーダー式レベルメーターは、多くの高温・高圧プロセスで使用できますが、その計器が要件を満たすかどうかは、その具体的な構造に依存します。

選択時に以下のパラメータを確認してください：

通常の運転温度；
最大プロセス温度；
通常の運転圧力；
最大圧力；
真空が存在するかどうか；
プロセス接続型；
シール材；
アンテナ用材料

レーダー周波数のみを選択の基準として使用してはなりません。

80GHzのレーダーが自動的に「高温レーダー」であるとは限りません。また、すべての80GHz製品を高圧反応炉に使用できるとは限りません。

最終的な決定は、当該モデルの許可されたプロセス温度および圧力範囲に基づいて行う必要があります。

14. 電気誘電率の低い媒体に対して、レーダーレベルメーターをどのように選定すべきか？

レーダー信号が媒体の表面に到達した際には、安定した測定を実現するためには十分に強力な反射信号が発生する必要があります。

異なる媒体は、レーダー波の反射特性が異なります。

誘電特性の低い液体では、エコーの強度が比較的弱くなることがあります。

例えば、特定の油、溶媒、および誘電率の低い化学媒体について、選定した製品の適性を慎重に確認する必要があります。

工学的な応用においては、「低い誘電率には常に特定のアンテナタイプが適している」という固定されたルールを適用すべきではありません。

以下の要因も包括的に考慮する必要があります：

距離の測定；
アンテナゲイン；
取り付け方法；
タンク構造；
レーダー周波数；
信号処理機能。

特殊な媒体の場合は、製品選択の際、その正確な名称を入力することをお勧めします。

15. 出力信号はどのように選択すべきか？

産業用レーダーレベルメーターの一般的な出力オプションには、以下のものが含まれます：

4–20mA;
4–20mA + HART；
RS485;
Modbus RTU；
その他のデジタル通信方式。

プロジェクトで従来型のPLCアナログ入力が使用されている場合、4–20mA出力を選択できます。

パラメータ設定、診断機能、およびデジタル通信が必要な場合、制御システムに応じてHARTを検討することができる。

システムで～を使用している場合RS485バス：この機器が対応しているかどうかを確認してください。Modbus RTUまた、その通信アドレス、バードレート、およびレジスタ定義を確認する。

購入前に、当該機器が最終的に以下の機器に接続されるかどうかを確認してください：

PLC；
DCS;
RTU;
データロガー；
IoTゲートウェイ；
SCADAシステム。

通信プロトコルを決定する際には、機器が現場に到着するまで待つべきではありません。

16. 高周波レーダー液位計の選定に必要なパラメータはどれですか？

高周波レーダー液面計の選定を迅速に完了するため、プロジェクトの調達段階において、少なくとも以下の情報を提供することを推奨します：

レーダーレベルメーターの選定に必要なパラメータはどれですか？

レーダーレベルメーターのモデルをより正確に選択するため、問い合わせまたはプロジェクト選定の過程において、以下の情報について可能な限り詳細に提供することを推奨します。

測定対象媒体および測定範囲

測定対象媒体の名称；
測定範囲；
タンクの総高さ；
タンクの直径。

タンクの運用条件

通常運転温度および最大温度；
通常運転圧力および最大圧力；
真空が存在するかどうか；
蒸気が存在するかどうか；
フォームの有無；
凝縮が容易に生じるかどうか。

内部タンク構造

攪拌機の有無；
内部配管、加熱コイル、支持構造物、またはその他の障害物が存在するかどうか；
信号に影響を及ぼす可能性のある構造物が、レーダーの取り付け位置の近くに存在するかどうか。

取り付けおよび接続方法

マウントポートの直径；
ねじ継手またはフランジ継手；
フランジの仕様および圧力等級（適用される場合）；
取り付け位置とタンク壁または充填入口との間の近似距離。

電気的および機能的要件

供給電圧；
出力信号（例：4–20mAまたはRS485 Modbus）；
ローカルディスプレイが必要かどうか；
爆発防止構造の採用が必要かどうか；
この機器は、保管権移転、在庫測定、または一般的なプロセスレベルのモニタリングに使用されるか。

サイト情報
条件が許す場合には、以下のものを提供することも推奨されます：

タンクの現場写真；
タンク構造図；
マウントポートの寸法図；
内部タンク構造図。

提供される情報がより完全であるほど、適切なレーダー周波数、アンテナの種類、測定範囲、処理接続方式、材料および取り付け方法を決定することが容易になります。これにより、設置後に誤検出エコー、測定不可能領域、または信号の不安定性といった問題が発生するリスクを低減できます。

レーダーレベルメーターのプロジェクト選定METRAVONまず現場の実際の状態を確認した上で、レーダー周波数、アンテナの種類、プロセス接続、測定範囲および出力方法を決定することを推奨します。

FAQ

Q1：高周波レーダー液位計では、一般的にどのような周波数が使用されますか？

現在の産業プロジェクトで一般的に使用されている高周波レーダー製品には、26GHzおよび約80GHzのモデルが含まれます。

新規プロジェクトにおいて、80GHzレーダーはその狭いビームと小型のアンテナという特長により、複雑かつ小型の戦車にますます広く採用されている。

具体的なモデルの選定は、実際の運転条件に応じて行うべきである。

Q2：80GHz対応のレーダー式レベルメーターは、26GHz対応モデルよりも優れているでしょうか？

これはこれほど単純に判断することはできません。

80GHzレーダーは、狭いビーム、小型アンテナ、および複雑な内部構造への適応性という点で明確な利点を有しています。

しかし、26GHzレーダーは成熟した技術であり、多数の従来型工業用貯蔵タンクにおいても安定した測定を実現できます。

選定は、単に周波数ではなく、現場の条件に基づいて行うべきです。

Q3：レーダー式レベルメーターは腐食性液体を測定できますか？

はい、ただし、適切なアンテナ、プロセス接続部材およびシーリング材は、使用媒体に応じて選定する必要があります。

酸、アルカリ、その他の腐食性化学物質の場合は、モデルを選択する前に、媒体名、濃度、およびプロセス温度を入力してください。

Q4：レーダー式レベルメーターは下水槽に使用可能ですか？

はい。

下水槽、均衡槽、および産業用廃水貯留槽において、非接触型レーダーを用いることで、センサーと下水との直接接触に起因する問題を軽減することが可能である。

重度の泡状物が存在する場合は、事前に説明する必要があります。

Q5：攪拌機が存在する場合にも、レーダーレベルメーターを使用できますか？

はい。

比較的狭いビームを持つレーダーが推奨されます。設置位置は、主ビームが攪拌機の軸およびブレードから外れるよう慎重に選定してください。

80GHzレーダーは、一般的に複雑な内部構造に適しています。

Q6：レーダーレベルメーターは真空容器を測定できますか？

多くのレーダー製品は真空環境でも使用可能です。

ただし、適性は、当該計器のプロセス圧力定格およびシール構造にも依存します。

調達時に、最小および最大のプロセス圧力を提供する必要があります。

Q7：レーダーレベルメーターは媒体の密度変化に影響を受けるか？

このレーダーは、媒体の表面とアンテナとの間の距離を直接測定します。液体レベルは静水圧から算出されません。そのため、媒体の密度変化によって生じる密度補正に関する問題は、圧力ベースのレベル測定法で発生するような問題とは異なります。

しかしながら、媒質の誘電特性はレーダーエコーの強度に影響を及ぼす。

Q8：一般的なレーダーレベルメーターを管理権移転測定に使用することは可能ですか？

これは、一般的なプロセス計測機器の精度のみから判断することはできません。

液面データが保管権移転または高精度なタンク群計測に使用される場合、プロジェクトの測定および認証に関する要件を満たすタンク計測用レーダーシステムを選択してください。

Q9：浮上天井式タンクには、ガイド波レーダーの使用が必須ですか？

いいえ。

構造に応じて、浮き天蓋タンクでは、静止井、導管、または専用のタンク計量用レーダーソリューションを採用することができる。

静止井内での自由空間レーダー測定法は、誘導波レーダーとは異なる技術である。

Q10：高周波レーダー液位計の選定において、最も重要な3つのパラメータとは何か？

初期に3つのパラメータのみを指定できる場合、以下の設定を推奨します：

測定済み媒体；
タンク高さおよび測定範囲；
プロセスの温度および圧力。

しかし、信頼性の高い工学的選定を行うには、タンクの直径、取り付け接続、蒸気・泡沫システム、内部構造、および出力信号についてもさらに確認を行う必要があります。

結論

高周波レーダー液位計の分類および選定は、測定範囲のみに基づいて行うべきではなく、また、より高い周波数が常に優れていると想定すべきではありません。

工学的応用観点から見ると、レーダー液面計は動作周波数、測定原理、アンテナ構造、および応用グレードに応じて分類することができる。

26GHzレーダーは、多数の従来型産業用計量プロジェクトに適した成熟した技術です。

80GHzレーダーは、狭いビーム、優れた方向性、および小型アンテナを特徴としています。このレーダーは、狭いタンク、小型のプロセス接続部、および配管、攪拌機などの障害物を含む複雑なタンクなどに特に適しています。

ホーンアンテナ、レンズアンテナ、平面アンテナおよびパラボラアンテナそれぞれには、それぞれに応用可能な条件が存在します。これらのアンテナの性能は、その外観のみから判断することはできません。

大規模なタンク群、浮き天井式タンク、および保管権移転プロジェクトにおいては、静止井、計測精度、および関連するプロジェクト規格も考慮する必要があります。

高周波レーダー液位計の選定に際しては、以下の手順に従うべきである：

測定対象媒体 → タンク構造 → 測定範囲 → 温度および圧力 → 蒸気および泡 → 内部障害物 → 安装接続 → ラダ周波数 → アンテナタイプ → 出力信号。

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