加圧タンクのレベル測定：LPGとアンモニア

加圧タンクのレベル測定とは、大気圧を超える圧力に保たれた容器内の気液界面を連続的に測定することです。通常は非接触式の80 GHzレーダーレベル伝送器を使用します。対象にはLPG、液体アンモニア、液体酸素があり、蒸気の比誘電率、極低温用材料、危険場所での使用認証によって適用範囲が決まります。代表的な測定スパンは0-12 m、圧力は最大25 bar gです。

加圧タンクのレベル測定に蒸気補正が必要な理由

FMCWレーダーレベル伝送器は、液面上の空間を通るマイクロ波掃引信号の往復時間を測り、d = c*t/2で距離を求めます。20 °Cの乾燥空気の比誘電率は約1.0006なので、cと真空中の値との差は0.03 %以内です。加圧タンクでは上部空間が空気ではなく飽和蒸気で満たされ、波の速度はc/sqrt(er)に低下します。真空中の速度を使い続ける伝送器は、距離を実際のsqrt(er)倍、すなわち真の距離の(sqrt(er) - 1)だけ過大に表示します。

液位は空タンク距離Eから測定距離を引いた値なので、距離を過大に測ると、その分だけ液位が低く表示されます。蒸気空間が8.000 m、er = 1.021の場合、表示距離は8.000 * sqrt(1.021) = 8.084 mとなり、表示液位は実際の界面より83.6 mm低くなります。この偏差は蒸気空間が大きいほど増えるため、低液位警報を設定する空に近い状態で最大になります。非接触式FMCWもガイド波レーダーも加圧蒸気中を波が通過するため、この影響を受けます。一定のer値の入力、既知の距離に設けた基準反射体、またはスティリングウェル内の基準プローブにより補正できます。

小さな比誘電率の変化がミリメートル単位の誤差になる仕組み

上部空間での波の速度はv = c0/sqrt(er)で、c0 = 299 792 458 m/sです。伝送器は反射波の往復時間にc0/2を掛けるため、表示距離はd_read = d_true*sqrt(er)、液位誤差はdL = -d_true*(sqrt(er) - 1)となります。

現場条件を仮定した計算例です。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。蒸気空間8.000 mのLPG球形タンクに、8 bar g、20 °Cの飽和プロパン蒸気があり、er = 1.021と仮定します。sqrt(1.021) = 1.010445より、dL = -8.000 m * 0.010445 = -0.0836 m、すなわち-83.6 mmです。8 bar gでer = 1.015なら偏差は-59.8 mm、12 bar gでer = 1.030なら-119.1 mmになります。加圧タンクのレベル測定では、圧力、温度、蒸気組成が安定していることがこの計算の前提です。充填中に圧力が変動すると一定のer値では補正できないため、基準を用いた補正が必要です。

これらは飽和蒸気の代表的な工学参考値であり、製品仕様ではありません。補正値を入力する前に、実際のガス組成と圧力におけるerを、最新のガス物性データシートで確認してください。

密閉容器で超音波式を採用できない条件

充填サイクル中に蒸気組成、圧力、温度が変わる可能性がある加圧タンクでは、超音波レベル伝送器を指定すべきではありません。超音波式は機械波の伝播時間を測定し、その速度はガスの分子量、圧力、温度に依存します。大気開放の水槽では温度補正だけで足りますが、LPGやアンモニアの上部空間では、飽和圧力に応じてガスの密度と組成が変わるため、音速を一つの値に定められません。このため音響経路には制御できない誤差要因が加わり、通常の過充填防止用途で求められる±2 mm～±10 mmの精度を大きく超えてしまいます。

さらに、この方式が使用できなくなる条件が二つあります。音は真空中を伝わらないので、真空引きする容器では反射波が完全に失われます。また、高密度の飽和蒸気、泡、凝縮液滴はパルスを減衰させ、液体が存在していても反射波が消えることがあります。こうした条件では、超音波機器を高性能化するのではなく、上記の蒸気補正を備えたレーダーレベル伝送器を選定するのが適切です。

極低温用途で接液材料に求められる条件

液体酸素は大気圧に近い圧力で約-183 °Cに保たれます。一方、液体アンモニアやLPGは冷却貯蔵時に約-40 °Cとなる場合があります。オーステナイト系ステンレス鋼はこれらの温度でも靱性を保ちますが、一般的な炭素鋼や多くのエラストマーは脆くなります。冷却時や圧力放出時には組立品の温度が設計条件を下回ることがあるため、アンテナ、プロセスシール、ガスケット、コーティングはそれぞれ、通常運転温度だけでなく最低金属温度にも対応している必要があります。

酸素用途では清浄度の条件も加わります。接液部に油脂がなく、洗浄の記録が残っていなければなりません。断熱延長部によって電子回路のハウジングを低温域から離し、その長さを認証済みの周囲温度範囲に合わせます。定格下限が-40 °Cのハウジングを-183 °Cのノズル上に直接置くことはできません。冷却時にはアンテナ面に結露や着氷が生じやすいため、通常はパージ、または低温シールの性能を確認した密閉アンテナを指定します。設置前に、すべての接液材料の材質、ガスケットの配合材料、認証済み周囲温度範囲を納入品の銘板で確認してください。

液面上方に実用上の測定余裕を確保する方法

加圧タンクのレベル測定で、フランジ面からタンク底までの空タンク距離Eを12.000 mと仮定します。フラッシュ形80 GHzレンズアンテナの不感距離は0.10-0.20 mです。ここでは長いノズルを用いる保守的な例として0.400 mを採用しますが、最新データシートによる確認が必要です。この場合、伝送器は11.600 mを超える液位を測定できません。プロセスの上上限トリップが11.200 m、必要な上部余裕が0.300 mなら、トリップと測定上限の差は0.400 mとなり、条件を満たします。ノズルを0.600 mとすると余裕は0.200 mに減り、条件を満たしません。

発注仕様書には「使用可能な上限余裕 = E - 不感距離 - 最高使用液位」の式を記載してください。高さ12.000 mの容器では0.400 mの余裕はスパンの3.3 %ですが、2.000 m未満の容器では同じ不感距離がスパンの20 %を占めます。

• Eは屋根ではなく、フランジ面を基準に記録してください。
• カタログの最小値ではなく、発注するアンテナとノズルの組み合わせに対する不感距離を明記してください。
• アダプター、延長部、断熱材を変更した場合は、余裕を再確認してください。
• 上上限トリップは測定上限と同じ高さにせず、それより下に設定してください。

納入構成と認証書で照合すべき項目

加圧タンクのレベル測定では、カタログではなく発注構成と認証書を照合してください。ガスグループ、温度等級、機器保護レベル、認証済み周囲温度範囲が納入品の銘板に記載され、タンクの危険場所区分に適合している必要があります。周囲温度-20 °C～+60 °Cで認証された機器は、プロセスシールがさらに低温に対応していても、ハウジングが-40 °Cになる場所には設置できません。後付けのアダプター、パージ、ヒーター、遠隔表示器も認証の対象範囲に含まれている必要があります。

各行を最新データシートと銘板で照合し、不足している値は出荷・使用承認前に提出を求めてください。各レーダー機器の製品ページには構成ごとの認証が記載されており、認証表示の技術記事ではその記号を解説しています。

よくある質問

Q1. 加圧タンクのレベル測定では、すべての容器に蒸気補正が必要ですか？

いいえ。上部空間の比誘電率によって測定値が許容誤差を超える場合にのみ必要です。1 barの空気で距離2.000 mなら影響は約0.6 mmで、無視できます。一方、8 bar gの飽和LPG蒸気で距離8.000 mなら約84 mmになります。erは最新のガス物性データで確認してください。

Q2. 密閉アンモニアタンクで、レーダーの代わりに超音波レベル伝送器を使えますか？

サイクル中に圧力や蒸気組成が変化する場合は使えません。超音波式の時間測定は一定の音速を前提としますが、密閉アンモニアタンクの上部空間では圧力、温度、ガス密度に応じて音速が変わります。真空になると反射波は失われ、高密度の蒸気には吸収されることがあります。蒸気補正付きのレーダーを使用してください。

Q3. 低温用材料の確認で、特に見落としやすい部分はどこですか？

アンテナよりも、ガスケットとプロセスシールです。アンテナの材質は極低温用途向けに指定されていても、定格下限が-20 °Cのエラストマー製ガスケットは-40 °Cで硬化し、漏れを起こします。すべての接液部の最低金属温度、ハウジングの周囲温度範囲、油分除去の洗浄記録を確認してください。

Q4. 発注時に、上上限トリップの上方へどの程度の余裕を確保すべきですか？

最低0.300 mを初期目安とすることが一般的ですが、不感距離と容器形状から算出してください。空タンク距離12.000 m、不感距離0.400 mなら測定上限は11.600 mで、トリップを11.200 mに設定すると余裕は0.400 mです。ノズルを変更した場合は再計算してください。

Q5. ガイド波レーダーなら蒸気の比誘電率の問題を回避できますか？

いいえ。パルスはプローブに沿って上部空間を通るため、erが増すと速度が低下します。自由空間を伝播するFMCW機器とは形状条件が異なりますが、同じsqrt(er)係数が適用されます。高圧用途では、基準プローブまたは一定のer値の入力が引き続き必要です。

Q6. 納入機器の認証書は何と一致している必要がありますか？

発注構成と現場の危険場所区分です。防爆構造、ガスグループ、温度等級、機器保護レベル、認証済み周囲温度範囲を危険場所区分図と照合し、各項目が銘板にも記載されていることを確認してください。後から追加するアダプター、パージ、ヒーターも認証の対象範囲に含まれている必要があります。

まとめ

加圧タンクのレベル測定では、蒸気の比誘電率の補正、低温用接液材料の確認、実際に測定可能な範囲の余裕確保という三つの確認が基本になります。計算例では、er = 1.021と仮定し、蒸気空間が8.000 mあると、表示液位に83.6 mmの偏差が生じます。これは過充填防止用途で通常求められる±2 mm～±10 mmよりはるかに大きい値です。次の手順として受入確認表を作成し、出荷・使用承認前に各行を最新データシートで検証してください。