超音波式とレーダー式レベル計：原理・性能・選定比較

Engineering Summary

超音波式およびレーダー式レベル計測器はいずれも非接触式レベル計測に用いられるが、その物理的原理は異なる。超音波式計測器は機械的音波を用いるため、センサと製品表面との間のガス経路に依存するのに対し、レーダー式計測器は電磁波を用いるため、伝播媒体として空気を必要としない。その結果、レーダーは一般的に、真空中、高温環境、蒸気、粉塵、および複雑な容器形状といった条件下においても広範な動作範囲を実現できます。ただし、レーダーは発泡物、凝縮水、低誘電率、およびアンテナ周囲の電気的積聚などの要因によって影響を受ける可能性があります。

目次

• 超音波とレーダーの根本的な違い

• 超音波レベル測定法はどのように動作するか？

• レーダーによるレベル測定はどのように機能するか？

• 性能比較：

• 温度はこの2つの技術にどのように影響するか？

• 圧力および真空条件

• フォームは測定にどのように影響するか？

• 粉塵が多めのサイロには、どちらの技術が適していますか？

• 蒸気および凝縮

• ビーム角度および設置スペース

• 範囲および精度：

• 26 GHz対80 GHzレーダー

• 典型的な産業用途：

• PLC、RTU、および産業用ゲートウェイ統合

• エンジニアリング選定表

• FAQ

超音波式レベル計とレーダー式レベル計の根本的な違い

超音波レベル測定はどのように動作するのでしょうか？

超音波液面センサーは、製品上のガス空間を介して高周波数の音波を送信します。この音波は液体または固体の表面から反射され、受信機へと戻ります。

d = v × t / 2

（ここでは...） d距離：vは気体中の音速であり、tこれは往復伝搬時間です。

重要な点は、音速がすべての場の条件下で完全に一定であるわけではないということです。音速は温度やガスの組成に応じて変化するため、産業用超音波計では通常、温度補償機能が採用されています。

レーダーによる液位測定はどのように機能するか？

レーダーは、液体または固体の表面に向けてマイクロ波電磁信号を送信し、反射されたエコーを分析します。

マイクロ波伝送 → 製品表面反射 → エコー受信 → 信号処理 → 距離算出 → レベル換算

パルスレーダ用：

d = c × t / 2

FMCWレーダーでは、距離は送信されたスイープ信号と遅延された帰還信号との周波数差から算出されます。

「26 GHz」および「80 GHz」は動作周波数を表します。「Pulse」および「FMCW」は測定および信号処理方法を表します。

功能比較

温度は2つの測定方式にどのような影響を与えるか？

– 超音波測定は、ガス路における音速に依存しています。音速は温度に応じて変化するため、誤った補正処理により距離測定誤差が生じる可能性があります。

レーダーの電磁波伝播は、通常の気体温度変動に対しては感度が低く、しかしレーダー装置自体には、周囲温度、処理温度、シール性能および電子部品に関する制限が存在します。

圧力および真空条件

真空

超音波は、空気や気体などの物質的媒体を必要とします。理想的な真空環境では、音波は通常通り伝播しません。一方、レーダー用の電磁波は真空中でも伝播可能です。

圧力：

圧力容器においては、計測機器の機械的設計が極めて重要です。最大プロセス圧力、フランジ圧力クラス、シール、および必要な承認状況を確認してください。

泡は測定にどのように影響するか？

レーダーは常に泡を透過する、あるいは超音波測定法は常に失敗するという考え方は誤りです。

超音波測定法と泡

フォームは音響エネルギーを吸収、散乱、または反射することができます。厚い泡を用いることで、実際の液体表面からのエコーを大幅に低減できます。

レーダーおよび

レーダーの性能は、フォームの厚さ、水分含有量、気泡の大きさ、密度、動作周波数、および液体の誘電特性に依存します。場合によっては、レーダーが下層の液体表面ではなく、フォームの表面を検出する可能性があります。

厚い泡用途においては、必要な測定対象が実際の液体界面であるか、それともフォームの上面であるかを定義してください。

粉塵が発生するサイロには、どの技術が適しているか？

高濃度のセメント粉塵、鉱物粉末、石炭粉塵、または穀物粉塵は、超音波エネルギーを減衰させたり散乱させたりする可能性があります。

レーダーは一般的に緻密な粉塵に対してより適していますが、極端な粉塵状態、アンテナ上の粉塵蓄積、および低誘電率の製品も、ラダエコーの品質を低下させる可能性があります。

困難なバルク固体物のサイロにおいては、80 GHz狭ビームレーダーを事前に検討する価値がある。

蒸気および凝縮現象。

高温容器では、蒸気、温度勾配、高湿度、および凝縮が生じる可能性がある。これらの条件は、超音波の音速および音響エネルギー伝達に顕著な影響を及ぼす可能性がある。したがって、強烈な蒸気環境下では

レーダーが一般的に優先されるが、レーダーアンテナに重度の凝縮水が生じた場合でも、エコーの品質が低下したり、誤ったエコーが発生したりする可能性がある。

なぜビーム角が重要なのか？

超音波法もレーダー法も、無限に薄い線状信号ではない。両手法とも、ビームまたは測定円錐を生成する。タンクの壁面、ビーム、階段、攪拌機、コイル、およびそのビーム内にある充填管などは、不適切な反射を引き起こす可能性がある。

80 GHzレーダーの主要な利点の一つは、適切なアンテナ設計により狭いビームを形成できる点にあります。これは、小径のタンク、反応炉、狭いサイロ、または容器壁に近い設置位置などにおいて特に有用です。

距離と精度はどのように比較すべきか？

「超音波 50 m」または「レーダー 70 m」などの定数を、普遍的な業界基準として扱わないでください。実際の測距範囲は、具体的なモデルおよびプロセス条件に依存します。

超音波の射程距離は、音響出力、周波数、温度、粉塵、蒸気、対象面の範囲および表面角度に依存します。

レーダーの射程距離は、動作周波数、アンテナのゲイン、誘電率、固体表面の幾何学的形状、粉塵、信号処理および設置構造に依存します。

正しい工学上の質問は以下の通りです：この特定のモデルの実際の使用環境およびプロセス条件下における有効測定範囲はどのくらいですか？

レーダーは常に超音波測定法よりも高精度ですか？

高性能のミリ波レーダーは優れた分解能およびミリメートル単位の精度を実現できますが、すべてのレーダーがすべての超音波測定機器よりも高精度であるとは限りません。

単純な水タンクの場合、超音波測定法で要求される精度を十分に満たすことができます。一方、高精度なタンク、複雑なサイロ、または厳しいプロセス制御環境においては、レーダー測定法がより優れた利点を提供します。

26 GHz対80 GHzレーダー；

設置上の違い、

超音波設置、

• センサーを製品表面に対してほぼ直角に配置してください。

• 灌注流路を避けてください。

• 壁面および内部構造物を避けてください。

• 温度補償を考慮してください。

• トランスデューサの表面を清潔に保ちください。

• 激しい蒸気または強力なガス流領域を避けてください。

レーダー設置。

• 灌注流路との直接的なアライメントを避けてください。

• ビーム角を用いて壁や内部構造物を回避してください。

• 深刻なアンテナ汚染や凝縮を防止します。

• ノズルの幾何学的形状を確認してください。

• 空状態および満タン量でのキャリブレーションを適切に設定してください。

• 必要に応じて偽エコーマッピングを実行してください。

典型的な産業用途例

1。シンプルな水タンクおよびオープン水槽

予算、要求される精度および通信インターフェースに応じて、超音波方式またはレーダー方式のいずれかを採用できます。

2. セメント、鉱物粉末および石炭用サイロ

重塵、長距離測定、不規則な固体表面、および複雑なサイロの形状などにおいては、通常、レーダー方式が推奨されます。

3. 化学薬品タンクおよび反応器

レーダーレベルトランスミッター → 4-20 mA/HART → PLC / DCS

4. 小径タンク

壁面との間隔が限界的な場所では、80 GHz狭ビームレーダーやガイド波レーダーの採用を検討してください。

5. 多スイロ遠隔監視システム

レーダーレベルトランスミッター → RS485、Modbus RTU → RTU／産業用ゲートウェイ → 4G／イーサネット → SCADA／IoT；

PLC、RTUおよび産業用ゲートウェイの統合；

4-20 mA：mA

レベルトランシミタ → 4-20 mA → PLC AI / DCS

4-20 mA/HART

レーダーレベルトランスミッター → 4-20 mA/HART → PLC / DCS / HARTシステム

RS485 / Modbus RTU

レベルインストルメント → RS485、Modbus RTU → PLC / RTU / 産業用ゲートウェイ

レーダー → RS485 → ゲートウェイ → 4G / エthernet → MQTT / HTTP → SCADA / カスタマーサーバー

経営選定表

製品選定前に提供すべき情報とは？

FAQ、

Q1：超音波測定法とレーダー測定法のどちらがより高精度ですか？

高性能レーダーはより高い解像度を提供できますが、実際の精度はモデルごとに比較する必要があります。

Q2：真空環境下で超音波測定法を用いることは可能ですか？

通常は不可能です。超音波は、ガスまたはその他の物質的媒体を必要とします。一方、レーダー用電磁波は真空中でも伝播可能です。

Q3：レーダーはフォームの存在に全く影響を受けにくいのでしょうか？

いいえ。厚いまたは湿ったフォームはレーダー信号を減衰または反射させ得ます。場合によっては、レーダーがフォームの表面を測定する場合もあります。

Q4：なぜ超音波は高粉塵含有量のサイロでは適さないのでしょうか？

密に浮遊する粉塵は音響エネルギーを吸収または散乱させ、利用可能なエコー信号を減少させます。

Q5：レーダーは真空中および高圧環境で使用可能ですか？

レーダー信号は真空中でも伝播できますが、計測機器の機械的耐圧値、シール、およびプロセス接続部は容器に適合している必要があります。

Q6：超音波測定には温度補正が必要ですか？

通常、はい、という答えです。これは、音速が温度に応じて変化するためです。

Q7：なぜ80 GHzレーダーは小型タンクに適していますか？

短波長により、近隣の容器壁からの反射を低減できる狭ビームアンテナ設計が可能になります。

Q8：単純な水槽では、常にレーダーが必須でしょうか？

いいえ。プロセスが単純で、重度の蒸気、泡、または温度勾配が存在しない場合、超音波測定法は費用対効果の高い解決策となり得ます。

Q9：超音波測定器とレーダーの両方をPLCに接続することは可能ですか？

はい。製品のインターフェースによって異なります。一般的な選択肢には、4-20 mA方式のmAおよびRS485、Modbus RTUなどがあります。また、多くのレーダー機器ではHARTもサポートされています。

Q10：超音波測定器とレーダーを比較する際には、主に価格を基準にすべきですか？

いいえ。まずプロセス適合性を確認した後、測定範囲、精度、設置、通信インターフェース、メンテナンス、およびライフサイクルコストを比較してください。

結論：

超音波法とレーダー法はいずれも非接触式液面測定技術ですが、それぞれの伝播物理的特性により、応用範囲に差があります。超音波法は、多くの単純なタンクや貯留槽においてコスト効率が高いとされています。一方、レーダー法は、真空状態、粉塵、高温環境、蒸気、複雑な容器内部構造、および長距離でのバルク固体測定など、より広範な工場環境に対応可能です。

超音波、26 GHzレーダー、80 GHzレーダー、ガイドドウェーブレーダー、またはその他の液面測定技術を選択する前に、測定媒体、測定範囲、温度、圧力、泡、粉塵、蒸気、容器の幾何学的形状、設置スペース、精度、および通信インターフェースを考慮する必要があります。

METRAVON：産業用レベル測定装置の選定。

プロジェクト評価の際には、媒体（液体または固体）、最大測定距離、容器またはサイロの寸法、プロセス温度および圧力、真空条件、泡・蒸気・粉塵・凝縮条件、内部構造、プロセス接続、通信インターフェース、ホストシステム、および現場写真または図面を提供してください。