レベル測定入門

レベル測定は多くの産業におけるプロセス制御に不可欠なものであり、主に2つタイプに分類されます。ポイントレベル測定センサーは、液体面の1点のデスクリートな高さ、つまり設定されたレベルをマークするために使用されます。一般的に、このタイプのセンサーは、充填しすぎな状態を知らせる高レベルアラームとして、またはローレベルのアラームのマーカとして機能します。連続レベルセンサーはもっと複雑であり、システムの全レベルのモニタリングが可能です。このタイプのセンサーは1点のレベルを測定するのではなく、ある範囲内のレベルを測定し、容器内のレベルと直接的に相関したアナログ出力を生成しています。レベル管理システムを構築するために、出力信号はプロセス制御ループに組み込まれビジュアル表示がされます。

レベル測定センサーの選定
レベル測定センサーを選定する前に、かならず次のような検討をしてください：

固体を測定するのか液体を測定するのか？
測定対象の温度と圧力の範囲は？
ポイントレベルの測定が要求されているか、連続的な測定が要求されているか？
測定レベルの必要な範囲は？
測定対象は電導性を持っているか？
測定対象の表面に被膜があるか、被膜が堆積するか？
液体の表面が一様ではない (乱れている) か、表面に泡や蒸気が発生するか？
接触型のレベル測定が必要か、非接触型のレベル測定が必要か？
どんな種類の (アナログ、リレー、デジタル表示など) 出力が必要か？

設計のバリエーション

フロートスイッチ
このポイントレベルセンサーでは、磁石のフロートが液体表面の動きにつれて動いています。この動きでステム内に密封された「リードスイッチ」が動作します。単純で保守要求が少ない設計ですので、設置が簡単であり、衝撃、振動、圧力が最小になり、さまざまな媒質と一緒に使用できます。使われているリードスイッチは、単極単投 (SPST) スイッチまたは単極双投 (SPDT) スイッチです。

非接触型超音波センサー
このセンサーは、アナログ信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、2進数10進数 (BCD) レンジスイッチおよび出力ドライバー回路で構成されています。マイクロプロセッサからの送信パルスとゲートパルスは、アナログ信号プロセッサを経由してセンサーに流れ、そこから超音波ビームが液体表面に発信されます。センサーは表面からのエコーを検出し、それをマイクロプロセッサへ戻します。マイクロプロセッサはセンサーと表面レベル間の距離をデジタル化します。受信信号を継続的に更新することで、マイクロプロセッサは液体レベル測定値の平均値を計算します。

連続レベルセンサーでは、マイクロプロセッサは平均値を液体レベルと線形であるアナログ信号 (4～20 mA) に変換します。レベルからのエコーが8秒以内にセンサーに戻されてこない場合システムからの出力信号は4 mA未満に下がりますが、これは液体レベルが低レベルであるかまたはパイプ内が空である状態を示しています。ポイントセンサーでは、マイクロプロセッサは平均値をスイッチの設定値 (BCD値) と比較し、出力リレーを励起して高レベルまたは低レベルであるか示します。8秒を超える時間の信号ロスがあるとリレーの励起を止めて、元の状態を戻ります。表面が波打つ影響を最小化するために、電子回路には0.5秒の遅延が組み込まれています。

接触型超音波センサー
このセンサーに使われている低エネルギーの超音波デバイスは、あるポイントで液体レベルを測定します。フィールドマウントのセンサーと内蔵ソリッドステートアンプから構成される接触型超音波センサーには、可動パーツがありませんし校正も不要です。一般的には、電源と外部の制御デバイスを接続するための端子ブロックがあります。超音波信号は、センサーの1/2インチのギャップを横切っており、このギャップに液体が入るとリレースイッチが制御されます。水平に取り付けられたセンサーの場合はギャップの中程がセンシングレベルであり、垂直に取り付けられたセンサーの場合はギャップの頭部 (上部) がセンシングレベルです。液体レベルがこのレベルを下回ると、超音波信号が減衰され最終的にはリレーを前の状態に戻します。

このセンサーは、ポンプや電磁弁、高/低アラームを自動的に動作させるために容器やパイプ内で使用されます。タンクを満タンにしたり空にしたりするため、および液体体積を測定するためには、2つのセンサーが必要になるでしょう。このセンサーはほとんどの液体と適合しており、センサーが液体で被われても、水滴や泡、蒸気が付いていても問題ありません。しかし、液体の気化が激しい場合またはセンサーのギャップを塞いでしまうほど液体の粘度が高い場合、問題が生じます。

容量型レベルセンサー
超音波センサーとは異なり、キャパシタンスセンサーは、ポイントレベル測定または連続レベル測定に対応しています。このセンサーではタンク内の液体レベルの変化をモニターするプローブを使い、その出力を電子的に容量値と抵抗値に整形します。この値はアナログ信号に変換されます。プローブと容器の壁がコンデンサーの2枚のプレートに相当し、液体が誘電体媒質となります。レベル変化のみに対応して信号が出力されるので、プローブ上に物質が堆積してもその影響を受けません。流体容器が非電導性である場合は、デュアルプローブの使用または導電性ストリップの外付けが必要なことがあります。

リジッドなプローブでもフレキシブルなプローブでも、PTFEで絶縁した導線が一般的に使われています。ステンレス鋼をプローブのベースメタルとして使用すると、非導電性、粒状、または誘電特性が小さい (4未満の比誘電率の) 液体の測定に必要な極めて高い感度が得られます。リジッドなプローブを使うにはクリアランスが十分でない場合には、または非常に長いプローブを使う必要がある場合には、フレキシブルなプローブを使用すべきです。リジッドなプローブは高い安定性を有しています。特にプローブの揺れが信号の変動に結びつく乱流を含むシステム内では高い安定性を示します。


レベル測定センサーのタイプ

	非接触型超音波レベルセンサー複数のオプションの電源とプログラミングが利用できるRS-232またはRS-485には、通信機能、ボタンを押すだけで済む校正機能、温度補償された信号出力があるので、LVU40シリーズのセンサーは非接触型連続液体レベル測定の分野にこれまではない次元での自由度をもたらしました。測定全範囲で0.3～18.3 m (1～60') という高精度をもつこのセンサーには、周辺の妨害物からの擬似エコーを実質的に排除するフィルターが組み込まれています。このセンサーを、PLC (プログラマブルロジックコントローラー) またはコントローラーと組み合わせるとポイントレベル測定に利用できます。

	>レーダーレベルセンサー液体レベルの非接触測定が必要な用途向けのLVRD500レーダー送信器が適切な価格で利用可能になりましたが、これは超音波センサー技術が当然行きつく先の展開です。このセンサーは、表面に蒸気やごみまたは泡があるので超音波測定ができない場所に最適なセンサーです。レーダーセンサーは、マイクロ波パルス技術を利用して測定対象である液体をアンテナ先端からタンクの底まで追跡します。この先進的な「エコーマーカ」信号処理により、環境条件に左右されず信頼のおけるパルス波形が継続的に得られます。 RS-232とRS-485の2つのモデルが用意されています。

	ドライマティアリアル向けロータリパドルレベルスイッチ粒状、ペレット状または粉体状であるドライな物質の多くと適合性があるLVD-800シリーズのロータリパドルスイッチには、大型容器、ホッパー、サイロ、タンクのフェイルセイフなモニタリングを可能にした磁気技術 (特許取得済) を採用しています。自己診断機能付きのマイクロコントローラーが、軸の回転とモータ取り付け板を連続的にモニターしており、物質の有無と機械的または電気的な故障に即座に反応します。磁気的な検出/検知を行うことで、光学的なシステムでは避けがたいセンサーの汚れの問題を回避できます。ちょっとねじ込むだけでカバーをすることができるのでボルト止めは不要です。2ヶ所から導体をセンサーに入れられます、またほとんどのモデルにステータスライト (状態表示ライト) が付いています。高温対応モデルの定格温度は、399°C (750°F) です。

	キャパシタンスプローブ LV3000/4000シリーズのプローブは高温、高圧力に耐えることができ、多くの腐食性物質に対する耐性があり、難しい用途でも信頼のおけるレベル測定を連続的にできます。このプローブは、導電性の有無を問わず液体やペースト、一部の固体に適応しており、可動パーツを使っていないので設置がしやすいです。電子回路は入力される電力を整流、フィルタリング、RF信号生成、入力の変化の電流変換をして、プロセスレベルに比例した4～20 mAの2線出力信号を生成します。ゼロ点と測定スパンが容易に調整できるので、ユーザーは媒質のタイプ、容器の寸法、ロッドの長さ、設置位置などのような変数を必要に応じて設定できます。ステンレス鋼のプローブを導電性のある容器の壁の近傍で使用する場合には、PTFE絶縁モデルを使い短絡を防止します。