レーダーレベル送信器の長所と短所：設置、周波数の違い、選定ガイド

レーダー式液面送信機は、工業用タンク、水処理システム、化学プロセス、石油貯蔵施設、食品製造、鉱業、およびバルク固体用サイロにおける連続的な液面測定に広く用いられている。測定原理およびプローブ構造に応じて、工業用レーダー式液面測定は一般的に非接触式レーダーと導波式レーダーに分類される。

非接触型レーダー送信機は、アンテナを介して電磁波を被覆材の表面へ送信し、反射された信号から距離を算出する。一方、導波型レーダーは、レーダーパルスを棒状またはケーブル状の導体に沿って伝送する。両技術はレーダーの基本原理を共有しているが、設置方法、適した応用分野、および保守要件は異なる。

1. レーダー用レベル送信機はどのように動作するのか？

レーダー式液面送信機は、プロセス面の上方へ高周波の電磁波を放射する。レーダー信号が液体、スラリー、または塊状固体の表面に到達すると、信号の一部が装置へと反射される。送信機は、送信された信号と反射された信号との間の伝搬時間または周波数差を解析し、対象材料の表面までの距離を算出する。

タンクまたはサイロの基準高さが既知である場合、実際の液面高度は以下の式で算出できる：

Level = 基準高さ − レーダーから材料表面までの距離

現代の産業用レーダー計器では、一般的にパルスレーダーまたは FMCW（周波数変調連続波）技術が用いられている。レーダーは電磁波を利用するため、伝搬媒体として空気を必要とせず、真空中でも動作することが可能である。また、空気温度、圧力、および空気流量の変化に対して、超音波計測法に比べて一般的に感度が低い。

2. レーダー式液面計の主な種類にはどのようなものがあるか？

非接触式レーダー式液面送信器

アンテナは材料の上方に設置されており、プロセス媒体と直接接触しない。液体、スラリー、粉末、粒状物および選定されたバルク固体の測定に使用できる。

誘導波レーダー

レーダーパルスは棒状またはケーブル状の導体上を伝播するため、接触式測定構造を採用している。本装置は、特定の低誘電率を持つ液体、フォーム系用途、界面測定、およびバイパスチャンバーの測定に適している。

非接触型レーダーは、プロセス媒体との直接接触を最小限に抑える必要がある場合に有効であり、一方、誘導波型レーダーは、フォーム、界面、および狭い容器環境などの特定の用途で利点を発揮します。最終的な選定にあたっては、プロセス媒体、温度、圧力、フォームの性質、設置スペース、およびメンテナンス条件を総合的に考慮する必要があります。

3。レーダー式液面送信器

の主な利点：非接触による連続測定

非接触型レーダーアンテナは、媒体内に浸漬する必要がないため、腐食、摩耗、および付着物の蓄積に対する直接的な影響を軽減できます。

広範な温度・圧力対応能力

モデルによっては、レーダー計測装置を大気中、真空環境、加圧環境、および高温プロセスで使用することが可能です。

液体および固体に適用可能。

適用対象は、水、油、化学物質およびスラリー、ならびにセメント、穀物、鉱物、石炭その他のバルク固体などを含む。

狭光束により干渉を低減。

高周波レーダーは狭い測定ビームを生成できるため、船舶の壁面、配管、構造梁などの内部障害物を回避することが可能となる。

密度の変化に直接影響を受けない：

のレーダーによる液面測定は静水圧に依存しないため、液体の密度の変化が静水圧測定で観察される同様の液面誤差を直接引き起こすことはない。

Easy Automation Integration

モデルによっては、PLC、DCS、RTU、および SCADA システムとの統合を目的として、4-20mA、HART、および RS485 Modbus RTU のインターフェースが提供される場合があります。

4. ラダー式液面計測の制限点には何がありますか？

レーダーは適用範囲が広いものの、適切な選定および設置を行わない限り、すべてのプロセスに自動的に適しているとは限りません。中程度の反射率、フォーム材料、アンテナの積層、内部構造、および取り付け位置などが、測定性能に影響を及ぼす可能性があります。

低誘電率媒体

反射性が低い媒体では、より広い動的範囲、あるいはより適切なレーダー周波数およびアンテナの採用が必要となる場合があります。

厚い発泡材：

高密度発泡材はレーダー信号を減衰させる可能性があるため、レーダーがすべての発泡材を制限なく透過すると想定してはならない。

重厚なアンテナの蓄積

厚い被覆、堆積物、または凝縮はエコー品質を低下させる可能性があり、アンテナ設計および信号処理と併せて評価されるべきである。

複雑な内部構造

攪拌装置、加熱コイル、支持構造体およびビームは、偽エコーを生じさせる可能性がある。

設置位置

高性能なレーダー送信機であっても、不適切な位置に設置された場合には、測定結果が不安定になることがある。

5.高周波レーダーと低周波レーダーの違いは何ですか？

レーダーの周波数は、波長、アンテナのサイズ、ビーム角、および異なるプロセス条件への適用可能性に影響を及ぼす。一般的な産業用レーダー技術には、24/26GHz および 80GHz の非接触式レーダーがあり、一方で、より低い周波数を持つ製品も特定の用途で用いられている。

周波数が高くなるほど波長は短くなる。アンテナのサイズが同程度である場合、高周波数レーダーは通常、より狭いビームを生成することができる。低周波数レーダーは波長が長いため、特定のフォーム、凝縮、または特殊な処理条件において利点を持つ可能性があります。

6. 高周波数帯のレーダーは、特にどのような場面で有用ですか？

高周波レーダーの主な利点として、波長が短く、ビーム角が狭く、アンテナがより小型化できることが挙げられる。例えば、同じまたは類似のアンテナサイズを用いる場合、80GHz のレーダーは一般的に 26GHz のレーダーよりもより狭いビーム角を確保でき、近傍の固定構造物からの干渉の影響を低減することができる。

狭いまたは小型の貯蔵タンク

パイプ、梁、または攪拌装置を備えた容器

セメント、穀物、鉱物用サイロ

小型アンテナまたはプロセス接続を必要とする用途

壁面または構造的な干渉を最小限に抑える必要がある設置環境

良好なビームフォーカス性を要する長距離計測

周波数が高いからといって、すべての計測装置で自動的に精度が向上するわけではありません。実際の性能は、ダイナミックレンジ、信号処理、媒体の反射率、アンテナ設計および設置条件にも依存します。

7．どのくらいの状況で、低周波数レーダーまたは導波レーダーを考慮すべきでしょうか？

80GHz 技術が広く用いられているにもかかわらず、低周波数レーダーには依然として重要な応用が存在する。持続的な発泡、強い凝縮、異常な気相条件、あるいは特定の低誘電率媒質を有するプロセスにおいては、低周波数非接触レーダー、80GHz レーダー、および導波レーダーを比較することが有効である。

したがって、正しい設計原則は「周波数が高いほど常に優れている」というものではなく、媒体の反射率、フォーム、凝縮状態、測定範囲、および設置条件に応じてレーダー技術を選択することである。

8. 非接触型レーダーの一般的な設置方法

非接触式レーダー送信機は、通常、船舶、タンク、またはサイロの上部から、ねじ接続、フランジ、取付ブラケット、またはその他の適切なプロセス接続を用いて設置する。アンテナには明確な測定経路を確保し、可能な限り対象物の平均的な表面に対して直接向き合うようにする。

充填流への設置を避ける

落下する固体物、流入する液体流、または強流を直接レーダーに照準してはならない。

大きな内部障害物を避けること。

可能な限り、攪拌装置、構造梁、足場、加熱コイルおよび内部配管を避けること。

容器壁からの距離を考慮すること。

レーダーを壁に不必要に近接して設置しないでください。適切な距離は、ビーム角および製品設置説明書に基づいて決定されます。

ノズルの寸法を確認する

長尺または細長のノズルは追加の反射を生じ得るため、選択したモデルの許容寸法に準拠する必要がある。

9. フランジの向き表示は常にタンク壁を向く必要があるか？

いいえ。一部のレーダー送信機では、フランジ、アンテナ、または外殻に方向性マークが設けられており、製造業者が船舶の壁面、バイパス開口部、または内部構造に対する特定の方向を規定する場合もあります。ただし、この要件はアンテナの設計、偏波、および使用する計器の種類に応じて異なります。

製品に向き表示がある場合は、すべてのレーダー送信機に共通の「壁に向かって」の基準を適用するのではなく、該当する正確なモデルの取扱説明書に従って設置する必要があります。

10. 大量貯蔵用固体サイロにおけるレーダーの設置方法とは？

バルク状固体の表面は通常水平ではなく、休止角を形成することがある。充填作業により粉塵が発生し、材料の形状が継続的に変化する場合もある。このため、レーダーは通常、充填流の真上には設置しないべきである。

設置地点は、代表的な平均レベルおよび安定したエコーを確保できる位置であるべきである。高所または構造が複雑なサイロにおいては、製品によって支持される場合に、調整可能なフランジまたはその他の角度調整機構を用いて、レーダービームを対象表面により効果的に照射することが可能である。

エコーが壁、支持梁、またはその他の固定構造体によって影響を受ける場合、偽エコー抑制を用いることで、こうした固定された反射の影響を低減できる。

11．偽エコー抑制とは何か？

レーダー信号は、材料表面だけでなく、容器壁、構造部材の梁、配管、攪拌装置、その他の内部物体によっても反射され得る。こうした固定された反射は、プロセスレベルとして誤って解釈される可能性がある。

現代のレーダー式液面送信機には、偽エコー抑制機能やエコー学習機能が搭載されていることが多く、これらは固定された反射面の位置または特性を識別・記憶することで、計測装置が実際の液面測定に与える影響を低減できるようにする。

偽エコー抑制機能は導入時の調整用ツールであり、適切な設置を代替するものではない。より適切なセンサーの配置によって回避可能な障害については、まず設置設計段階で対処すべきである。

12. ガイデドウェーブレーダーはどのように設置されるか？

誘導波レーダーでは、レーダーパルスを導くために棒またはケーブルを用いるため、その設置要件は非接触式レーダーとは異なる。棒またはケーブルは一般的に垂直に保持され、船舶の壁面、内部構造、または攪拌装置に接触してはならない。

深部容器における柔軟なケーブルプローブについては、プローブの移動および底面への固定に関する配慮が必要となる場合がある。誘導波レーダーは、特定のフォーム環境、低誘電率媒体、界面測定、およびバイパス用途において有効であるが、付着性のある物質やスケール生成物がプローブに蓄積することで、保守作業の負担が増大する可能性がある。

13. レーダーの選定および設置に先立ち、どのような情報を確認すべきか。

FAQ

Q1：高周波レーダーは、常に低周波レーダーよりも優れているのでしょうか？

A1：いいえ。高周波レーダーはビーム角が狭く、アンテナが小型化できるという利点がありますが、フォーム材、強凝縮環境、または特殊な媒体を扱う用途では、低周波レーダーや導波レーダーがより適している場合があります。

Q2：80GHz レーダーが小型タンクに適している理由は何か。

A2：同じまたは類似のアンテナサイズを用いる場合、80GHz レーダーは通常、より狭いビーム角を実現でき、より小型のアンテナを適用できるため、船体壁や内部構造を回避することが容易になります。

Q3：周波数が低いレーダーは、波長が長くなるのか、それとも短くなるのか？

A3：波長が長くなる。周波数が低いほど波長は長くなり、周波数が高いほど波長は短くなる。

Q4：レーダーによる距離測定は、温度および圧力によって影響を受けるか。

A4：電磁波の伝播は、通常、空気中の温度や圧力の通常の変動によって強く影響を受けないが、計器自体には、機械的仕様、プロセスシール、および電子回路に関する温度・圧力に関する仕様限界が設けられている。

Q5：レーダーは低誘電率媒質を測定できますか？

A5：はい。ただし、誘電率が低いほど、反射強度は一般的に低下します。適切なダイナミックレンジ、周波数、およびアンテナ設計を備えたレーダーを、プロセス媒体に応じて適切に選択してください。

Q6：長尺ノズルにレーダー用レベル送信機を設置することは可能ですか？

A6：はい。ただし、ノズルの直径および長さは、該当するモデルの仕様要件を満たす必要があります。ノズルが長すぎたり細すぎたりすると、追加の反射が生じ、有用なエコーが減少したり、干渉が生じたりする可能性があります。

Q7：バルク・ソリッドサイロには、常に 80GHz のレーダーを使用すべきでしょうか？

A7：80GHz 帯の狭光束レーダーは、多数の複雑なサイロに非常に適していますが、選定にあたっては、粉塵、測定距離、材料表面の形状、および反射率などを依然として考慮する必要があります。

Q8：導波レーダーと非接触式レーダーの主な相違点は何ですか？

A8：非接触型レーダーは電磁波を自由空間を介して被測定物の表面へ送信するのに対し、導波型レーダーは信号を棒状またはケーブル状の導体に沿って伝送するため、接触式測定構造を採用する。

結論

レーダー式レベル送信機は、非接触式測定が可能であるほか、多様な媒体との互換性が高く、真空環境下での運用が可能なほか、厳しい温度・圧力条件下でも動作し、産業用自動化システムへの容易な統合が特徴である。ただし、実際の性能は、媒体の反射率、フォームの存在、凝縮、アンテナの電位蓄積、容器の形状、およびセンサの配置位置によって影響を受ける。

高周波レーダーの主な利点として、波長が短く、ビームが狭く、アンテナのサイズが小さいことが挙げられ、これにより小型船舶や複雑なタンク、バルク・固体用サイロへの適用に特に適している。低周波レーダーは、特定のフォーム、凝縮、および特殊な媒体に関する用途において依然として有効であり、誘導波レーダーは、低誘電率材料、界面、フォーム、およびバイパス室に関する特定の用途に有用である。

METRAVON レーダー式距離測定装置の選定は、処理媒体、測定範囲、誘電特性、処理温度、処理圧力、フォーム、蒸気、粉塵、容器の形状、および必要な出力インターフェースに基づいて行うべきである。適切な選定および設置は、利用可能な最も高いレーダー周波数を選択することよりも、一般的に重要である。