ポイントレベルスイッチの種類：音叉式、静電容量式、フロート式

ポイントレベルスイッチは、音叉式、静電容量式、フロート式、RFアドミタンス式、光学式の五つに大別されます。主な故障モードはそれぞれ異なり、そのうち二つの方式には共通して付着物の問題があります。ポイントレベルスイッチが検出するのは、ある高さに測定物があるかどうかであり、連続値ではありません。液体や乾燥固体の上上限、下下限、ポンプ保護に用い、独立した連続レベル伝送器と組み合わせてください。

検出対象となる物理量によるポイントレベルスイッチの分類

ポイントレベルスイッチは、測定物がプローブに達したときに変化する物理量を基に選定します。音叉式は振動する音叉片の減衰、静電容量式とRFアドミタンス式はプローブと容器壁間の電気的アドミタンスの変化を検出します。フロート式は浮力を利用して接点を動かし、光学式はプリズム先端の屈折を検出します。このように分類すると、同じ測定物でも、ある方式では動作し、別の方式では検出できない理由が分かります。

五つの方式の出力は共通して、フェイルセーフ方向を定めた離散状態です。いずれも測定物がプローブよりどれだけ上昇したかは分からないため、在庫管理や制御に用いる連続式レーダーレベル伝送器の代わりにはなりません。スイッチが追加するのは、独立した明確な限界点です。使用範囲より上に設置した上上限スイッチは、伝送器、4-20 mAループ、PLCのスケーリングに異常があっても、レベル上昇時にトリップします。ただし、バックアップ対象機器とケーブル、入力カード、電源を共用すると、その独立性は失われます。

同じ測定物の比較表で故障モードを確認する

次の表は優劣を順位付けするものではなく、初期選定のための比較表です。各方式の代表的な適用限界と、誤った状態を最も生じやすい故障モードを示しています。測定物が適用限界を外れる場合は、価格や配線を検討する前に、その方式を候補から除外します。

これらは初期選定用の代表的な工学的適用範囲であり、製品仕様ではありません。方式の採否を決める前に、実際の測定物の比誘電率、かさ密度、粘度、プロセス温度を、最新データシートと納入品の銘板に照らして確認してください。

最後の二列は特に重要です。タンクがまだ過充填状態にあるのにスイッチがリセットされると、保護になりません。上上限用途には通常、RFアドミタンス式や設定可能な音叉式など、ラッチできる方式が好まれます。非ラッチ式の光学式やフロート式は、自動再始動を意図したポンプ保護に適しています。

測定物と付着挙動によって方式を除外する

まず測定物の性質から候補を絞ります。比誘電率がおよそ2未満の液体では、接液状態と非接液状態の差が小さく判別しにくいため、静電容量式を信頼できません。この方式は貯蔵物を変更するたびに再校正も必要です。結晶化する液体、固形分を含む液体、粘度がおよそ1 000 mPa·sを超える液体には、可動部が固着するおそれのあるフロート式を使用すべきではありません。凍結・結晶化する用途では、プリズムへの付着物によって実際には存在しない液体を検出し続けるため、光学式を指定すべきではありません。音叉式は、かさ密度がおよそ50 kg/m³未満の非常に軽い乾燥粉体には不向きで、付着が多いと音叉片間が橋絡し、接液状態が継続する場合があります。

このような場合は、調整ではなく方式そのものの変更が必要です。すべての接液部に付着する測定物や、バッチごとに比誘電率とかさ密度の両方が変わる測定物では、1点検出機器で信頼できる状態判定は得られません。感度調整や遅延時間の延長でも物理的な特性は変わりません。RFアドミタンス式は通常の静電容量式より付着に強いものの、導電性の層によってガードが機能しなくなる場合はあります。

充填速度と停止遅延からトリップ位置を決める

適切な高さに設置しても、入口弁が閉まる前に液面がスイッチを通過して上昇すれば保護できません。現場条件を仮定した計算例を示します。これは説明用の計算であり、現場での実測データではありません。自由表面積4.0 m²の容器に1.2 m³/minで流入すると、上昇速度は(1.2 / 60) / 4.0 = 0.005 m/s、すなわち5.0 mm/sです。停止系統にはスイッチ応答0.5 s、コントローラーのスキャン0.3 s、弁の全行程3.0 sが加わり、合計3.8 sです。この間に液位は5.0 mm/s * 3.8 s = 19.0 mm上昇します。

• 液面の波立ちと設置公差に対する余裕を加えます。2倍にすると38 mmです。
• 切り上げて、上上限トリップを最大許容液位より少なくとも50 mm下に設定します。38 mmを50 mmに切り上げることで、動作点の繰返し性と設置公差のために12 mmの余裕を確保できます。
• 弁の全行程時間が長くなった場合や、流入量が増えた場合は再計算してください。

流入量には想定し得る最大値を用い、遅延時間は一つのデータシートから抜き出すのではなく、系統全体を実測してください。スイッチのテストボタンで確認できるのは電子回路だけで、バリア、PLC入力、弁の動作までは証明できません。プルーフテストでは最終制御要素を実際に動かす必要があります。

連続レベル伝送器から警報の独立性を保つ

独立性は単なる呼称ではなく、電気的・物理的な特性です。上上限スイッチには、保護対象のレーダーレベル伝送器とは別のケーブル経路、PLC入力、バリアまたはアイソレーターを用い、可能であれば電源も分けてください。入力カードや端子箱を共用すると、一つの故障で測定値と警報を同時に失うおそれがあります。ヒューズが一つしかない共通24 V DC電源は、よくある弱点です。

故障の通知方法も方式によって異なります。2線式NAMUR機器は断線を通知できますが、単純なリレー接点では、ループを監視しない限り断線と空タンクを区別できません。フェイルセーフ方向は明示してください。上上限用途ではループが非励磁になったときにトリップするようにし、ケーブルが切れた場合に無警報ではなく警報となるようにします。各スイッチの製品ページには負荷定格と使用可能な出力が記載され、警報ロジックの技術記事ではラッチ動作とプルーフテスト間隔を解説しています。

取付方法、負荷、プルーフテストの詳細を確認する

ポイントレベルスイッチは、適切に選定しても設置条件によって動作が左右されます。音叉片の面を流れに合わせ、設計上可能な場合は水平から約20°下向きに取り付けてください。ノズルが充填口近くにある場合は、音叉の約200 mm上にバッフルを設けます。粘性の高い測定物では垂直取付で付着を減らせます。ケーブル引込口は下向きにし、プロセスシールは真空を含む全圧力・全温度条件に対応するものとしてください。

• フロート出力やリレー出力を再使用する前に、突入電流を含む実負荷が接点定格に適合することを確認してください。
• ノズル内部にプローブの自由な動きを妨げる箇所がなく、取り外し空間も十分にあることを確認してください。
• 濡れたプリズムや付着物のある音叉片では状態が戻らないことがあるため、洗浄後にトリップ・リセットの動作幅を確認してください。
• 試験前の状態、試験媒体、最終制御要素の応答を記録してください。

記録には、レベル、スイッチの状態、PLC入力、弁位置を対応付けて示してください。

よくある質問

Q1. 導電性があり付着しやすい液体には、どのポイントレベルスイッチが適していますか？

通常は、付着層の影響を軽減する駆動ガード付きRFアドミタンス式が第一候補です。粘度が中程度に収まる場合は音叉式が第二候補です。通常の静電容量式は、導電性付着物によって接液状態が継続するため除外すべきです。複数の試料でスイッチの適合性を確認してください。

Q2. ポイントレベルスイッチは連続式レーダーレベル伝送器の代わりになりますか？

いいえ。ポイントレベルスイッチは一つの高さだけを検出し、レーダーレベル伝送器が提供するレベル値、トレンド、在庫量は得られません。主測定ではなく、独立した上上限・下下限の保護層として使用してください。一つの故障で両方を失わないように、ケーブル、入力、電源を分けてください。

Q3. 上上限スイッチは最大レベルよりどの程度下に設置すべきですか？

最大充填速度と実測した停止遅延から算出します。計算例では5.0 mm/sで3.8 sの間に19.0 mm上昇し、波立ちと公差を見込んで2倍にすると38 mm、切り上げて50 mmです。想定し得る最大流入量を用い、スイッチ応答から弁の全行程までの系統全体を実測してください。

Q4. 貯蔵物を変更すると静電容量式スイッチが動作するのはなぜですか？

元の液体の比誘電率に合わせて校正されているためです。erが低くなると接液・非接液状態の差が小さくなり、レベルを検出できない場合があります。erの増加や導電性付着物は、接液状態を保持する原因になります。貯蔵物の変更ごとに再確認し、erがおよそ2未満ならこの方式を除外してください。

Q5. 上上限警報はラッチ式と自動リセット式のどちらにすべきですか？

過充填保護では、手動リセット付きのラッチ式としてください。自動リセットでは、タンクがまだトリップ位置より上にあるのに警報が解除され、作業員が状態を確認する前に保護を失う場合があります。非ラッチ動作は、自動再始動を意図したポンプ下下限用途に適しています。引渡し時には配線を外して、両方の動作を確認してください。

Q6. プルーフテストでは何を実証する必要がありますか？

測定物がプローブに達し、スイッチの状態が変わり、バリアとPLC入力がそれを認識し、最終制御要素が動くという、系統全体の動作です。テストボタンで確認できるのは電子回路だけです。レベル、スイッチの状態、入力状態、弁位置を、試験媒体と日付とともに記録してください。

まとめ

ポイントレベルスイッチは除外方式で選定します。測定物が比誘電率、密度、粘度、付着性の限界を外れる方式を除外し、リセットロジックと警報の電気的独立性を確認します。上上限の計算例では、停止遅延3.8 sの間に5.0 mm/sで19.0 mm上昇するため、トリップ位置と最大レベルの差は最低50 mmとする根拠があります。次の手順として、測定物の適用限界、トリップ高さ、フェイルセーフ方向、プルーフテスト範囲をループ図に記載してください。