超音波式とレーダー式レベル送信器の比較：測定原理、用途、選定ガイド

超音波式およびレーダー式レベル送信機は、連続的な液体およびバルク固体のレベル測定に広く用いられている非接触式技術である。いずれの技術も、センサと材料表面との距離を算出するが、使用する信号の種類が異なるため、温度・圧力・蒸気・フォーム・粉塵およびプロセス条件の変化に伴い、異なる挙動を示す。

超音波式計測装置は音響波を用い、レーダー式計測装置は電磁波を用います。この測定原理の違いが、両技術の適用範囲に差が生じる主な要因となります。選定にあたっては、プロセス環境、求められる精度、設置条件、およびプロジェクト全体のコストを総合的に考慮する必要があります。

1. 超音波式レベル送信装置はどのように動作するのでしょうか？

超音波式液面送信機は、材料表面の上方に設置され、液体または固体に対して音響パルスを送信する。このパルスは表面で反射され、再びトランスデューサによって受信される。

本計器は、往復伝搬時間から距離を算出する。式は以下の通りである：

距離 = 音速 × 往復時間 ÷ 2

設置時の基準高さが既知である場合、実際のレベルは次のように算出できる：

レベル = 基準高さ − 測定距離

音波はセンサと材料表面の間の気体空間を伝播するため、空気温度、気体組成、蒸気分などの変化の影響を受ける。フォームの性質および強い気流は、音の伝播およびエコーの品質に影響を及ぼす可能性がある。そのため、産業用超音波送信機では、温度に起因する誤差を低減するため、温度補正が一般的に採用されている。

2. レーダーレベル送信機はどのように動作するのでしょうか？

レーダーレベル送信機は、アンテナから高周波の電磁波を被材料表面に向けて送信します。この電磁波は液体または固体によって反射され、再び同じアンテナから受信されます。

本装置は、信号の伝搬時間から、あるいは FMCW レーダーでは送信信号と反射信号の周波数差から、対象物までの距離を算出します。測定された距離は、その後、実際の水準に換算される。

レーダーは空気中の音速に依存せず、真空中でも動作することがある。一般的に、空気温度、圧力、および気流の変化に対する感度は低い。実際のレーダー性能は、誘電特性、アンテナ設計、フォーム材料、凝縮、粉塵、および設置構造によってより大きく影響を受ける。

3。超音波式とレーダー式レベル測定における主な相違点

4. 超音波による計測は大気条件下に限定されるか？

超音波式液面送信器の動作範囲は、製品の種類によって異なります。産業用計測器には、プロセス温度、周囲温度、および圧力に関する異なる許容範囲を備えた製品が用意されており、超音波計測は開放状態かつ完全に無圧のタンクにのみ限定されるものではありません。

しかし、超音波は材料上のガス空間を伝播する必要があります。高温、高圧、濃密な蒸気、異常なガス組成、あるいは急峻な温度勾配といった条件は、測定環境の要件をより厳しくする可能性があります。こうした条件については、選定したトランスデューサおよび計測装置の仕様と照らし合わせて評価する必要があります。

5．レーダーは、すべての用途で超音波を代替できるのか？

レーダーと超音波による計測は、適用範囲に重複する部分があるものの、それぞれ異なる用途に用いられる。レーダーは、高温・高圧・真空、あるいは蒸気濃度が高いといった過酷な工業プロセスにおいて、より広い動作範囲を提供できる。一方、超音波計測は、貯水池、廃水処理槽、開放式水路、および一般的な大気環境下での応用など、多数の用途において、成熟した技術であり、経済的な解決策として広く採用されている。

最終的に選定する技術は、ある技術が他技術の普遍的な代替となるという前提ではなく、プロセス条件、求められる測定性能、設置上の制約、およびプロジェクトコストに基づいて選定されるべきである。

6．フォームが存在する場合、どの技術がより適しているか？

フォームは、両技術において困難な条件となる。厚いフォームは超音波エネルギーを吸収し、実質的な液体表面からのエコーを著しく減衰させる可能性がある。レーダーは、フォームの厚さ、水分含有量、泡構造、媒体の特性および動作周波数に応じて、フォームによって減衰または反射される場合がある。

光を用いた測定法または間欠的な発泡法では、いずれの技術を用いても信頼性の高い測定が可能である。一方、持続的に発生する高密度発泡の場合には、非接触型レーダー、誘導波レーダー、圧力に基づく測定法、あるいはその他の適切なレベルの技術について、より詳細な比較検討が必要となる可能性がある。

7. 粉状のバルク固体サイロにおいて、どの技術がより適しているか？

超音波技術およびレーダー技術のいずれも、特定のバルク・固体用途に適用可能であるが、粉塵、傾斜した材料表面、および音響散乱により、超音波式計測装置の適用範囲が制限される可能性がある。

高周波レーダー、特に 80GHz レーダーは、狭いビームを形成するため、サイロ壁やビーム、内部構造を回避できるという利点があります。そのため、セメント、穀物、鉱物、石炭、化学原料のサイロなどにおいて広く用いられています。

選定にあたっては、粉塵濃度、サイロの高さ、材料表面の傾斜角、誘電特性、および利用可能な取付位置を依然として考慮する必要があります。

8. どの技術がより高い精度を提供するか？

測定精度は、「レーダー」または「超音波」という言葉だけでは決定できません。機器によって、精度クラス、測定範囲、信号処理機能、およびアプリケーションの制限が異なります。インストールの品質とプロセス条件も実際のフィールドパフォーマンスに影響します。

レーダー式計測装置は、温度・圧力・蒸気状態の広い範囲において安定した測定性能を維持できるため、厳密なプロセス制御および貯蔵用途に対してより多くの製品選択肢を提供します。従来の水位計測用途において、超音波式計測装置もプロジェクトの要件を満たす精度を確保することが可能です。

｜コストの比較

レーダー式と超音波式の高位計送信中の固定された価格比は存在しません。製品コストは、測定範囲、レーダー式または音響式設計、精度、プロセスにおける温度および圧力、外装保護、危険区域対応認証、使用材料、アンテナまたはトランスデューサの構造、および通信インターフェースによって異なります。

従来の大気中の水位測定において、超音波送信機は費用対効果の高い解決策として広く用いられている。一方、高温または圧力がかかるタンク、真空プロセス、高密度の蒸気、あるいは粉塵を含むサイロなどの環境では、レーダーのより広範な適用可能性が技術的要件により適した選択肢となる可能性がある。

10. さまざまな用途に最適な技術とは何か？

水タンクと貯水池

超音波とレーダーの両方を使用できます。選択は、環境、必要な精度、およびプロジェクト予算に基づくことができる。

廃水盆地

フォーム、蒸気、および表面の動きを考慮する必要がある。超音波式は多くの一般的な条件下で適用可能であるのに対し、レーダー式はより厳しい環境で評価することがある。

高温または圧力下にあるタンク

適切なプロセス温度および圧力耐性を持つレーダー式計器をまず評価することが一般的である。

真空容器

レーダー式計器は電磁波を利用するため、真空状態における液面測定に適している。

大量固体用サイロ

粉塵量が多く、測定範囲が広く、サイロの形状が複雑な場合、高周波レーダーが適している。

開放型チャンネル

超音波測定法は、長年の応用実績とコスト面での優位性を持つ一方で、レーダー測定法も環境条件に応じて選択することが可能です。

11. 選定にあたって必要な情報とは何ですか？

FAQ

Q1：レーダーによる計測は、超音波による計測よりも常に優れているのでしょうか？

A1：両技術の適用範囲は異なります。レーダーは、厳しい温度・圧力・真空・蒸気・粉塵環境下で一般的に評価されるのに対し、水槽、開放型流路、および一般的な大気環境下での適用については、プロジェクトの要件に応じていずれの技術も使用可能です。

Q2：超音波式液面送信器は、圧力下にあるタンクに使用できますか？

A2：選定されたモデルでは、限定的な圧力下での動作が可能です。許容されるプロセス圧力は、トランスデューサおよび計測装置の構造に依存する。高圧容器については、レーダーまたはその他の適切な技術による評価が一般的に求められる。

Q3：レーダーはフォームの影響を受けるか？

A3：はい。その影響は、フォームの厚さ、水分含有量、泡の構造、レーダーの周波数、および測定対象物・媒体の特性に依存します。持続的に形成される高密度フォームについては、特に評価する必要があります。

Q4：超音波測定では、なぜ温度補正が必要になるのでしょうか？

A4：空気中の音速は温度によって変化します。温度補正により、音速の算出を修正し、温度に起因する距離誤差を低減できます。

Q5：レーダーは真空中で動作できますか？

A5：はい。レーダーは電磁波を利用するため、伝搬媒体として大気を必要としません。ただし、選定する計測装置は、規定されるプロセス温度、圧力および機械的特性に適合している必要があります。

Q6：バルク固体の測定には、超音波法とレーダー法のいずれを用いるべきでしょうか？

A6：対象となる固体については、両方の技術を用いることができます。粉塵量が多い、長距離または複雑なシロ運用では、高周波レーダーが好まれるのに対し、より単純な短距離運用では超音波式測定も使用可能です。

Q7：レーダー式水位送信機は、超音波式送信機の価格の2倍になることが常にあるのでしょうか？

A7：いいえ。定まった価格比率は設けられていません。コストは、測定範囲、周波数、精度、使用材料、温度・圧力耐性、保護機能、認証、および通信インターフェースによって異なります。

Q8：両方の技術が PLC に接続可能ですか？

A8：はい。計器の種類によっては、4-20mA、RS485 Modbus RTU、HART などのインターフェースを用いて、PLC、DCS、RTU、およびデータ収集システムとの統合が可能となります。

結論

超音波式とレーダー式の高さ計送電器の主な相違点は、測定信号である。超音波式計器は音響波を用いるため、ガス空間の温度、組成、蒸気、および泡の存在が波の伝播に影響を及ぼす可能性がある。一方、レーダー式計器は電磁波を用いるため、真空状態や温度・圧力の変動下でも、一般的により広い動作範囲を確保できる。

レーダーはすべての超音波応用を代替するものではなく、超音波技術が完全に開放され、蒸気のないタンクに限定されるものでもない。従来の水位計測や開放型流路の用途では、超音波計測の技術的成熟度およびコスト効率からその利点を享受できる一方で、高温・圧力下、真空環境、蒸気濃度が高い、あるいは粉塵を含む環境における用途では、レーダーの適用を検討することが適している。

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