FMCWレーダーレベル計：原理、方式比較、選定

FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）レーダーレベル計は、周波数を一定の規則で変化させた連続波を送信します。反射波は伝搬時間だけ遅れて戻るため、送信信号と受信信号の間に周波数差が生じます。機器はこの差から表面までの距離を求め、タンク基準高さからレベルへ換算します。

FMCWレーダーの動作

発振回路が周波数スイープを作り、アンテナが測定面へ放射します。送信信号と反射信号を混合して得られるビート周波数は、伝搬時間と距離に対応します。スペクトル処理によって測定物エコーと固定反射を分離し、信号品質を評価できます。

最終レベルは基準高さと空間距離の差です。そのため、基準点、ノズル形状、タンク寸法の入力誤りは、レーダー本体の精度が高くても測定誤差になります。

FMCWとパルスレーダー

パルスレーダーは短いパルスを送信し、戻り時間を測ります。FMCWは周波数が変化する連続波を使います。どちらも適切な機種であれば良好な測定が可能で、性能は周波数名だけでなく、アンテナ、信号処理、近距離特性、温度安定性、設置条件で決まります。

非接触レーダーとガイド波レーダー

非接触レーダーはアンテナから自由空間へ信号を送ります。ガイド波レーダーはロッドまたはケーブルに沿って信号を伝えます。ガイド波は小型容器や弱い反射に有効な場合がありますが、プローブが測定物に接触し、付着の影響を受けます。

界面測定へ使用する場合は、上下液の誘電率、層厚、乳化、プローブ形状を確認します。タンク内へ部品を入れたくない場合は非接触方式が有利です。

アンテナとノズルの役割

アンテナはビームを形成し、プロセス空間へ信号を結合します。一般に大きなアンテナや高い周波数は狭いビームを得やすいものの、測定レンジとノズル寸法に適合させる必要があります。長く細いノズルは不要な導波路となり、近距離エコーを生むことがあります。

アンテナとシールの材質は温度、圧力、薬品に適合させます。結露、結晶、粉じん付着は有効エコーを弱めるため、保守方法も選定時に決めます。

測定物特性の影響

一般に誘電率が高いほど反射は強くなります。低誘電率液体では感度、アンテナ、レンジを確認します。粉粒体は表面が傾き、投入・排出で形状が変わるため、反射がアンテナへ戻りにくい場合があります。

泡の挙動は一様ではありません。透過する泡、信号を減衰させる泡、泡面自体が反射する場合があります。蒸気や圧力変化の影響は超音波より小さいことが多いものの、濃い雰囲気、付着、結露は確認が必要です。

周波数をどう選ぶか

高周波は小型アンテナで狭いビームを作りやすく、障害物の多い容器で有利です。一方、低い周波数が適するプロセスや接続条件もあります。「最も高い周波数が最も良い」という選び方は避けます。

選定時の確認事項

測定レンジ、基準高さ、近距離不感帯
測定物、誘電率、温度、圧力、付着
泡、蒸気、粉じん、撹拌、変化速度
ノズル寸法、内部構造、投入位置、表面角度
材質、接続、防爆区分、保護等級、認証
4–20 mA/HART、RS-485などの出力

試運転とエコー解析

正しいタンク寸法を設定し、既知レベルで照合し、エコープロファイルを保存します。不要エコーマッピングは測定物の正しいエコーを消さない範囲で行います。ノズル、アンテナ、測定物、内部構造を変更した後は再確認が必要です。

よくある質問

FMCWはパルスレーダーより常に高精度ですか。

常にではありません。具体的な機種、アンテナ、信号処理、設置条件を比較する必要があります。

FMCWは粉粒体専用ですか。

いいえ。機種が条件に合えば、液体と粉粒体の両方に使用できます。

大きなアンテナほど良いですか。

必ずではありません。ビームを狭められる場合がありますが、ノズル、レンジ、プロセスへの適合が優先です。

泡の下の液面を測れますか。

泡の厚さと性質、周波数によります。重要用途ではアプリケーション評価または実機試験を行います。

まとめ

FMCWレーダーは豊富なエコー情報と高精度な距離測定を提供しますが、信頼性はアンテナ、設置、実際のプロセスデータの組み合わせで決まります。技術名称だけでなく測定点全体を評価してください。