高温・高圧・動的プロセス条件に対応した超音波式液面送信器

超音波式液面・粉体・固体レベル送信装置は、材料表面へ音響パルスを送信し、反射されたエコーの帰還時間を測定することで、液体または粉体・固体の液面を算出する。この技術は連続的かつ非接触での測定が可能であるが、実際の性能はトランスデューサ自体に限定されず、温度、ガス組成、蒸気、凝縮、表面の乱流、および設置構造など、さまざまな要因が音響波の伝播およびエコーの品質に影響を及ぼす。

高温・高圧、または急激に変化するプロセスにおいて、超音波式液面計測には、トランスデューサの材質、プロセス温度対応範囲、許容されるプロセス圧力、温度補正、エコー処理、およびセンサの配置について慎重に検討する必要があります。 METRAVON の超音波式液面計測ソリューションは、PLC、RTU、DCS、SCADA、および遠隔監視システムとの統合を可能にする 4-20mA や RS485 Modbus RTU などの産業用出力端子で構成することが可能です。

1。高温は超音波による液面測定にどのような影響を及ぼすか？

空気中の音速は温度に依存し、0°C付近では約331 m/sである。温度が1°C上昇するごとに、音速は約0.6 m/s増加する。超音波計が一定の音速を用いて距離を算出する場合、温度の変動が顕著である場合には、計測値の誤差が生じる。

そのため、産業用超音波式液面計では、一般的に温度検出機能と自動補正機能が採用されている。変換素子近傍で測定された温度を用いて、音速の算出を補正する。標準的な産業用センサは通常、中程度のプロセス温度に対応するように設計されているのに対し、特殊な高温用変換素子は、適切な材料、分離された電子回路、および熱的断絶構造を備えることで、動作温度範囲を拡大することが可能である。

一部の産業用超音波センサーは100°Cを超える温度で動作することがありますが、最大動作温度はモデルによって大きく異なります。そのため、高温での使用は超音波技術の普遍的な特性として想定するのではなく、各製品の詳細なデータシートから確認する必要があります。

｜2．高温環境での使用において、なぜ個別のトランスデューサと電子回路が用いられるのか？

高温のタンク、サイロ、およびプロセス容器においては、超音波トランスデューサをプロセス部位に近接して設置する必要があるのに対し、表示装置、通信装置、および信号処理用電子回路は、より低温の環境に配置することが推奨される。分割型設計を採用することで、センサを測定点に設置し、電子回路を環境条件がより適した場所に配置することが可能となる。

トランスデューサとコントローラは専用ケーブルで接続される。ケーブルの標準および最大長さは、計測装置の設計に応じて異なる。長距離のケーブル接続については、一律の最大距離を想定するのではなく、信号の完全性、電磁干渉、接地および遮蔽に関する要件を十分に評価する必要がある。

高温環境下では、トランスデューサ表面に堆積物、炭素化物質、あるいは凝縮が生じる可能性がある。音響伝送特性およびエコー感度を維持するため、定期的な点検および清掃が必要となる場合があります。

3. 超音波式液面計測におけるプロセス圧力に関する制限事項とは？

超音波式液面計測は、通常、極高圧容器における主要な技術とは見なされない。許容されるプロセス圧力は、まずトランスデューサ、プロセス接続部、シール、および外装の機械的設計によって制限される。したがって、最大許容圧力は、具体的なモデルごとに確認する必要がある。

圧力の増加が単に気体の密度を増加させ、それによって音速が比例して変化するとは考えすぎるのは誤りである。超音波による飛行時間測定においては、音速に直接影響を及ぼす要因として、一般的に温度および気体組成がより重要となる。実際のプロセス容器では、圧力の上昇に伴い、蒸気濃度や気体組成の変化、凝縮現象、および音響減衰が生じることもある。

このため、圧力容器における応用では、のプロセス圧力評価、プロセス温度、ガス組成、蒸気および凝縮に関する検討を行う必要がある。いくつかの産業用超音波計は数バールのプロセス圧力向けに設計されているが、許容される圧力範囲は製品群によって大きく異なる。

真に高圧環境、または高温・高圧の複合環境に該当するプロセスについては、通常、レーダーまたは誘導波レーダーを代替的な測定技術として検討すべきである。

4．シール処理、外殻保護および危険区域

指定された圧力範囲内では、プロセス接続部には適切なねじ接続またはフランジ接続方式を用い、プロセスガスまたは液体の漏れを防止するための互換性のあるシールを採用する必要がある。シールの材質は、プロセス温度、化学的互換性、および圧力要件に基づいて選定する。

一部の分割式超音波計において、センサはIP68保護を備えているのに対し、リモート電子ユニットはIP65またはIP66の保護等級を有する場合がある。IP格付けは、粉塵および水侵入に対する保護性能を示すものであり、プロセス圧力に対する耐性を規定するものではなく、また危険区域の認証を代替するものでもない。

計測器が爆発性雰囲気に設置される場合、当該計測器の特定バージョンには、危険区域の分類、ガスまたは粉塵のグループ、および適用される温度クラスに照らして適切な認証が付与されていなければならない。

5．急激に変化する表面または乱流状態の表面はどのように測定されるか？

充填・排出の速さ、乱流、攪拌、およびバルク固体表面の継続的な変化により、超音波エコーの位置および振幅が急速に変化することがある。計測装置の応答速度が過剰に速く設定されると、出力が不必要に変動する可能性がある。一方、過剰な減衰を適用すると、実際のプロセス変化に対して測定値の応答が著しく遅くなるおそれがある。

産業用超音波計は、エコー認識、デジタルフィルタリング、減衰処理、動的閾値設定、および偽エコー抑制を適用することで、応答速度と測定安定性の両立を図ることができる。これらのパラメータは、単に最大フィルタリングを適用するのではなく、実際のプロセスのダイナミクスに適切に適合させるべきである。

流路の充填を避ける

流入する液体または落下する物質が主音響経路を通過するのを防止する。

攪拌装置を回避する。

ブレード、渦流、および可動機械構造から生じる不要なエコーを低減する。

適切な減衰を設定する。

プロセスのダイナミクスに応じて、応答速度と出力の安定性をバランスさせる。

偽エコーの抑制

：固定された配管、ビーム、容器壁およびその他の構造物からの反射を低減する。

6. ビーム角、遮蔽距離およびセンサー位置

：超音波トランスデューサには、あらかじめ定義された音響ビームが存在する。一般的な工業用ビーム角は、トランスデューサの周波数、径および測定範囲に応じて、約5°～12°となる。ビームを狭くすることで、血管壁や内部構造が測定経路に侵入する確率を低減できるが、センサーの位置設定の誤りを補うことはできない。

トランスデューサーは、通常、材料の平均的な表面に対して可能な限り直結するように配置し、充填点、攪拌装置、ラダー、構造梁、配管、および主要な壁面による反射から距離を置くようにする必要がある。バルク固体の設置においては、材料の休止角および充填過程における表面形状の変化についても考慮すべきである。

すべての超音波トランスデューサには、センサ近傍に信頼性の高い測定が不可能となる「遮断距離」（デッドゾーン）が存在する。トランスデューサおよび測定範囲に応じて、典型的な値は約0.25～1.2 m、あるいはそれ以上となる。想定される最大レベルは、適切な技術的余裕を考慮し、この区域の外側で維持される必要がある。

7．長期的な安定性およびメンテナンス

長期的な測定安定性は、適切な適用設計から始まります。センサの選定前に、最大測定距離、最高使用レベル、プロセス媒体、プロセス温度、プロセス圧力、蒸気状態、ガス組成、表面の動的特性、および利用可能な設置スペースをすべて明確に定義する必要があります。

機械的取付けは、剛性および安定性を保つように行うこと。電力線、信号線および高電圧ケーブルは、産業用EMC対応の基準に従って配線すること。RS485 通信ネットワークには、適切なツイストペアケーブルを使用し、必要に応じて適切なシールド処理、接地、終端処理および過電圧保護を講じること。

定期的な点検には、トランスデューサの表面、プロセス用シール、ケーブル、プロセス接続部および取付構造が含まれるべきである。粉塵、堆積物、凝縮水または炭化物については、センサの材質に適合する清掃手法を用いて除去する必要がある。保守の頻度は、固定された間隔ではなく、実際の汚染状況に基づいて決定されるべきである。

8。信号出力および自動化・システム統合

選択したモデルに応じて、 METRAVON 超音波式水位計測装置は、4-20mA 信号を出力することが可能です。mA, RS485 Modbus RTU、リレーまたはその他のプロジェクト固有の出力オプション。

4-20mA 出力は、PLC、DCS、および従来のアナログ制御システムに適しています。RS485 Modbus RTU はデジタルデータ取得をサポートしており、PLC、RTU、データロガー、産業用ゲートウェイに接続することで、SCADA、Ethernet、セルラー通信、またはIoT監視システムとのさらなる統合が可能です。

動的プロセスでは、減衰および応答時間を計器レベルで設定でき、さらにフィルタリング、アラーム、トレンド分析を PLC または SCADA システム内で実装することも可能です。

9. 典型的な技術パラメータ

以下の値は、工業用超音波による液面測定において一般的に用いられる技術的範囲を示しており、プロジェクト選定の初期段階に用いることを目的としています。実際の値については別途ご確認ください。 METRAVON 範囲、温度、圧力、外装構造、出力および材質に関する仕様については、選定したモデルのデータシートから確認してください。

FAQ、

Q1：超音波式レベル送信器の最大処理温度はどの程度ですか？

A1：標準的な産業用超音波計は、一般的に中程度のプロセス温度（通常約80°C）向けに設計されています。特殊な高温用トランスデューサは100°Cを超えることが可能ですが、各モデルにおける許容される最大温度は、当該モデルごとの仕様で確認する必要があります。

Q2：超音波式液面送信器は、高圧容器に使用できますか？

A2：超高圧環境における測定では、通常、超音波測定が第一の選択肢とはなりません。一部の計測装置は限定的な正圧下で動作可能ですが、その最大許容圧力はトランスデューサ、プロセス接続部、およびシール構造によって異なります。真に高圧を伴うプロセスでは、レーダーまたは誘導波レーダーの適用性を検討すべきです。

Q3：圧力を増加させると、音速が直接的に変化しますか？

A3：この関係性をあえて単純化してはなりません。温度およびガス組成は、一般的に音速に影響を及ぼす重要な要因です。また、圧力容器においては、蒸気組成、凝縮現象、および計器の機械的圧力定格の評価も必要となります。

Q4：急激に変化する表面や乱流をどのように測定できるでしょうか。

A4：センサーの適切な位置設定、デジタルフィルタリング、減衰処理、動的エコー認識、および偽エコー抑制により、安定性を向上させることができます。応答設定は、プロセスの実際の速度に合致させる必要があります。

Q5：高温環境で分割型超音波計が有用である理由は何ですか？

A5：トランスデューサはプロセス工程の近くに設置可能であり、電子部材はより低温でアクセスしやすい環境に配置できるため、電子部品への熱的影響を低減できます。

Q6：IP68とは、超音波センサーが高圧プロセス環境に適していることを意味するのでしょうか？

A6：いいえ。IP68は、粉塵および水侵入に対する保護性能を示す規格です。プロセス圧力評価は別個の機械的仕様であり、製品データシートから確認する必要があります。

Q7：測定範囲および遮断距離はどのように選定すべきか？

A7：測定範囲は、センサーから予想される最低レベルまでの最大距離をカバーするとともに、最高レベルを指定された遮断距離外に保つように設定する必要がある。また、追加の工学的余裕も設けるべきである。

Q8：動的プロセスにおいて、より迅速な応答性か、あるいはより強力なフィルタリングかを選択すべきか。

A8：設定は、制御の目的に応じて適切に調整する必要がある。高速なプロセスでは応答時間が短く求められるのに対し、ストレージ監視ではより大きな減衰を適用することが一般的である。しかし、過剰なフィルタリングを行うと、実際のプロセス変化の検知が遅れる可能性がある。

Q9：超音波式液面送信機を PLC および遠隔監視システムに統合することは可能ですか？

A9：はい。4-20mA 出力は PLC またはDCSのアナログ入力に接続可能であり、RS485 Modbus RTU は PLC、RTU、データロガー、およびEthernet、セルラー通信などを含む各種遠隔通信用産業用ゲートウェイに接続可能です。

Q10：超音波式液面送信機を選定する際に必要な情報はどのようなものですか？

A10：重要な情報には、処理媒体、最小・最大レベル、処理温度、処理圧力、蒸気またはガスの条件、表面の動的特性、設置構造、利用可能な電力、および必要とする出力または通信インターフェースが含まれます。

結論

高温・高圧・動的プロセスにおける超音波式液面計測の適用範囲は、トランスデューサの温度許容値、許容されるプロセス圧力、ガス状態、エコー品質、および設置構造に依存する。温度の影響は補正によって低減可能であるのに対し、高圧環境下では、機械的圧力許容値、ガス組成、蒸気状態、およびプロセスシールに関する個別の検証が必要となる。

METRAVON 超音波式水位計測装置は、適切な計測範囲、外装オプション、材質、および 4-20mA などのインターフェースを組み合わせることが可能です。mA そして RS485 Modbus RTU 統合用 PLC s、RTU、DCS、SCADA また、遠隔監視システムについても同様である。適切な選定、設置、フィルタリング、および定期的な保守を行うことで、長期的な計測の安定性を向上させるとともに、将来の自動化システムの拡張に備えた互換性のあるプラットフォームを提供することが可能となる。