クランプオン式超音波レベルセンサー：タンク壁越しの測定可否

クランプオン式レベルセンサーの利点は明確です。タンクの外側から測定するため、設置時にノズルを新設したり、シールを開放したり、プロセス液を外部にさらしたりする必要がありません。リスクも明確です。超音波パルスは容器壁を通過する必要があり、壁による減衰や散乱が大きすぎると測定値を得られません。したがって、壁越しの測定可否は、測定以前に検証すべき課題です。カタログから推測するのではなく、現場試験で判断する必要があります。

壁が計測系の一部になる理由

気相を通して下方を見る非接触レーダーとは異なり、クランプオン式超音波レベルセンサーは、鋼製または樹脂製の壁にパルスを音響結合させ、壁を通して液体へ送り、再び壁を通って戻る信号を受けます。壁は単なる取り付け場所ではなく、音路の最初と最後の音響要素です。使用可能なエコーが戻るかどうかは、壁厚、材質、内面の状態によって決まります。液体の性質だけで選定したセンサーは、選定時に確認していなかった壁の条件によって測定できなくなることがあります。これがクランプオン式でよく起こる期待外れの原因です。

そのため、クランプオン式は挿入式などの方式を置き換えるというより、条件に応じて選ぶ代替案です。ノズルがあり、精度が重要な場合、ガイド波式やレーダー式の伝送器なら壁を測定経路から完全に除外できます。クランプオン式が有効なのは、ノズルの新設が禁止されている場合、タンクを開放できない場合、またはプロセスを停止せずに短時間で改造する必要がある場合です。この2つの状況を区別するのが適用可否試験です。

第1段階：壁の材質と厚さ

最初に、壁がそもそもパルスを伝えられるかを確認します。鋼やほとんどの金属は超音波をよく伝えますが、壁が非常に厚いと音路が長くなり、戻ってくるエネルギーが減少します。薄い樹脂壁でも測定できる場合がありますが、残響によってエコーが不明瞭になることがあります。一次判定の目安として、炭素鋼の壁厚が約6 mm～30 mmなら通常は測定可能です。一方、約50 mmを超える壁や、音響損失が大きい材質、多層材の壁には、対応するプローブと試験が必要です。30 mm～50 mmは試験でのみ可否を判断する領域とし、見積もり前にプローブ別の対応壁厚表を入手して、音響結合させた試験を行ってください。正確な限界はプローブの周波数によって異なるため、供給元の対応壁厚表で確認します。

壁の外面にはアクセスでき、清潔であることも必要です。音響結合させる部分は平らで、厚い断熱材や剥がれかけたスケールがない状態にします。接触媒質は、プローブと壁の間の空気層をなくすために使用します。これがないと、空気との界面でほぼすべてのエネルギーが反射してしまいます。壁の種類、厚さ、外面のすべてがプローブの規定範囲内なら第1段階は合格です。どれか1つでも範囲外なら不合格です。

第2段階：壁透過時の減衰収支

第2段階では、往復後にどれだけの信号が残るかを見積もり、壁の確認結果を数値化します。各界面と壁そのものによってエネルギーが失われても、残る信号はセンサーの最小検出レベルを上回る必要があります。以下の収支例は仮定値を用いた計算方法であり、METRAVONの実測データではありません。

仮定した現場条件による計算例：

• 壁：鋼製、厚さ10 mm、片道の損失 ≈ 2 dB

• 壁内の往復：2回通過 → 4 dB

• 内面コーティング：5 mm、片道の損失 ≈ 3 dB → 往復6 dB

• 液中の音路と復路の損失：≈ 5 dB

• 総減衰量：4 + 6 + 5 = 15 dB

• プローブの送信余裕：最小検出レベルに対して25 dB

残る余裕 = 25 dB − 15 dB = 10 dB。結果：この仮定値では、エコーに10 dBの余裕が残るため、この用途は第2段階に合格します。限界条件として、壁厚50 mmでは片道約10 dB、往復20 dBとなります。コーティングと液中の損失を同じ11 dBとすると、総損失は31 dBです。25 dBの許容減衰量に対して6 dB不足し、合否の境界ではなく明確な不合格です。厚い壁、断熱材付きの壁、クラッド壁が第2段階でよく除外されるのはこのためです。

第3段階：内部の状態と音響結合

第3段階では内部の状態を確認します。壁がきれいでも、液体側の条件でエコーが得られない場合があるためです。内面の厚い付着物、持続する泡層、激しい撹拌、またはプローブの音路から約200 mm以内にある浸漬管や撹拌機は、戻るパルスを散乱・吸収します。これらは壁そのものの問題ではなく、第1段階では判明しません。そのため、空で静止したタンクではなく、通常の運転状態で別途試験する必要があります。

ここでは外側の音響結合も再確認します。試験中は接触媒質による結合を維持し、プローブを動かないようにクランプで固定します。プローブを軽く押したり離したりしたときに測定値が漂うなら、変動しているのはレベルではなく音響結合です。運転中のタンクでレベルが変化しても安定したエコーを維持できれば第3段階は合格です。実際の運転を代表しない理想条件でしか信号が現れない場合は不合格です。

試験前に適用不可と判断すべきタンク条件

構造上の理由で測定できないタンクは、試験前に適用不可と判定すべきです。プローブの対応範囲を超える厚さの壁や、吸音性の発泡材、サンドイッチ構造、厚いクラッド構造の壁では、その構造自体がパルスの伝搬を妨げます。内容物が常に乱流状態または発泡状態にあり、安定した表面が存在しないタンクでは、安定していても誤った測定値が出ることがあります。また、外面にアクセスできない、または清潔に保てない容器には、そもそも音響結合できません。

壁厚が場所によって異なるタンクで高精度が要求される場合も、適用不可と判断します。壁内の伝搬遅延がプローブ位置によって変わり、センサーを移動するとゼロ点が変わるためです。クランプオン式は改造や在庫管理に有用な方式ですが、壁そのものが問題となる用途には適しません。その場合は挿入式、またはノズルを通して測定するレーダー式を指定すべきです。

クランプオン式を選ぶべきでない場合

要求精度が厳しく、壁の条件が不確かな場合は、クランプオン式の採用を見送るべきです。壁を通る音路によって、校正では取り除けない誤差要因が加わるためです。また、すでにノズルがあり、連続測定用伝送器の方が長期的に明瞭で低コストの信号を得られる場合も見送るべきです。ノズルが不要という主な利点が生かされないためです。厚いクラッド壁で内容物が乱れるタンクに無理に適用すると、好条件のベンチ試験には合格してもプラントでは測定できない案件になります。

クランプオン式は既定の選択肢ではなく、候補となる複数の方式の1つとして扱うのが適切です。3段階試験に合格する場合には、最も迅速かつ安全に改造できる方式となります。不合格なら早い段階でそう伝えることで、無駄な現地訪問や運転担当者の失望を避けられます。この適用可否の評価方法は、楽観的な期待ではなく証拠に基づいて判断するためのものです。

よくある質問

Q1. 音響結合さえ良ければ、どのタンクでも測定できますか。

いいえ。壁厚と材質がプローブの対応範囲内にあり、内部から安定したエコーを得られる必要があります。厚い壁、クラッド壁、損失の大きい壁、または常に乱れや泡がある液体では、音響結合の品質にかかわらずパルスが妨げられます。見積もり前に3段階試験を行ってください。

Q2. クランプオン式センサーは、どの程度の壁厚に対応できますか。

一次判定の目安では、炭素鋼の壁厚が約6 mm～30 mmなら通常は測定可能で、一部のプローブはさらに厚い壁にも対応します。約50 mmを超える壁や、多層構造、クラッド構造、発泡材の壁は通常測定できず、30 mm～50 mmは試験でのみ可否を判断します。推測せず、使用するプローブの対応壁厚表で確認してください。

Q3. センサーが外側にあるのに、内面コーティングが影響するのはなぜですか。

パルスは内側の壁面を通って液体に入り、再び戻るためです。計算例では、5 mmのコーティングによって片道ごとに約3 dBの減衰が加わります。外面が清潔でも、内面の厚い付着物が余裕を使い切り、エコーが断続的になったり消失したりすることがあります。

Q4. ノズル取り付け式レーダーを置き換えられますか。

ノズルの新設が禁止されている場合、またはタンクを開放できない場合に限ります。すでにノズルがあり精度が重要な場合は、壁を音路から完全に除外できる挿入式やレーダー式の伝送器が、通常は長期的に優れた選択です。クランプオン式の利点が生きるのは、ノズルのないタンクの改造です。

Q5. プローブを押すと測定値が漂います。何を意味しますか。

接触媒質の結合やクランプが不安定で、変動しているのはレベルではなく外側の音響結合であることを示します。確実に結合させ、動かないように固定して第3段階を再実施してください。押している間しか信号が得られない場合、その設置状態は合格していません。

Q6. クランプオン式を断念し、別の方式を選ぶべきなのはいつですか。

壁がプローブの対応範囲外の場合、内容物が常に乱流状態や発泡状態にあり安定した表面がない場合、または壁厚が変動するタンクで厳しい精度が必要な場合です。挿入式やノズル取り付け式レーダーを指定し、現地訪問前にその判断を伝えてください。

まとめ

クランプオン式超音波レベルセンサーは、壁の材質・厚さ、壁透過時の減衰、内部状態を確認する3段階試験を経て初めて適用可能と判断できます。計算例では、厚さ10 mmの鋼壁と5 mmのコーティングによる損失は15 dBで、25 dBの余裕内に収まり合格します。一方、50 mmの壁では約6 dB不足して不合格です。厚い壁、クラッド壁、内容物が乱れるタンク、外面にアクセスできないタンクは、試験前に適用不可と判定します。