80 GHz レーダー液位計

レーダーは、表面が見えない所で機能する液位測定の技術です。音ではなくマイクロ波で測るため、水蒸気、蒸気、温度の層、粉じん、泡といった、音のパルスを乱すものはほとんど影響せずに通り抜けます。熱いプロセス容器、粉じんの多いサイロ、屋外の河川計測に対して答えになるのはそのためで、非接触の二方式のうち通常は割高になるのも同じ理由です。

このページの背後にある製品群は、同じ原理を三つの異なるアンテナ構成にまたがって担っています。用途ごとに入れ替わるのは原理ではなく、信号の導き方です。

三シリーズの役割

高周波シリーズは 80 GHz で放射します。波長が十分に短いため小さな対象を分解でき、狭いビームに集められます。表面が遠い高いサイロで使えるのも、アンテナ間近に障害物があり、広いビームならそれを打って表面の代わりに読んでしまう容器で使えるのも、この組み合わせのおかげです。製品群で最も狭いビーム角は 3° とされ、1機種はブランキング距離 8 cm まで達します。これで計器の直下近くでも測定が続けられます。

低周波シリーズは同じ仕事をはるかに大きなアンテナで行い、タンクの液体、なかでもアンテナ材質を測定対象に合わせて選ぶ必要がある強腐食性の液体向けとされています。導波管シリーズは自由空間への放射を一切やめ、信号を液面に届くロッドまたはケーブルに沿わせます。伝播路が固定されるので、空中のビームを悩ませる問題はビームそのものと一緒に消えます。製品群で最も高いプロセス温度を担えるのもこのシリーズです。

三つの選び分け

最初に問われるのは測定範囲ではなく伝播路です。自由空間式の計器はアンテナから表面までの見通しが必要なので、泡、強い結露、狭い容器、ビーム内に立つ撹拌機、またはアンテナを困らせるほど熱いプロセスがあれば、答えは導波管シリーズになります。見通しが保てるなら、高周波と低周波の選び分けはほぼ距離と対象の大きさです。高周波シリーズはより小さな対象を分解でき、より正確に照準できるので、高い容器や障害物のある容器で効きます。表面が近く、ビームに余地があるなら、低周波シリーズが簡便な道です。

測定範囲と精度は、続いてシリーズではなく機種を絞り込みます。どちらも資料が機種別に載せているのは、アンテナと測定対象で到達できる値が変わるためです。一般的な説明には精度 0.1 % という値もありますが、機種別のミリメートル値とは別数値で整合していません。作業で基準にするのは機種別の値です。

プロセス条件と接液部

圧力と温度は、測定範囲よりも頻繁に機種を決めます。製品群全体で、圧力は開放容器向けの機種が大気圧を基準とする値から、加圧仕様では 4 MPa まで、温度は 80 GHz の機種で周囲温度から、導波管シリーズでは 250℃ まで幅があります。圧力と温度の両方を課すプロセス容器は、液位だけから想定するより短い候補リストになります。

接液部は測定対象に従います。アンテナはロッド、ホーン、ケーブル、シールした耐食形が用意され、高周波シリーズのフランジとホーンはステンレス鋼です。媒体が強い腐食性を持つ所では、アンテナ材質とその周囲のシールが計器の持ちこたえを決め、資料はまさにそのケース向けに耐食アンテナ形を挙げています。

取付と、避けるべき二つの誤り

レーダー設置が機能しない理由の大半は二つの誤りに集まり、資料はどちらも述べています。第一は、最高液位がブランキング距離に上がるケースです。アンテナ近傍では計器は自分の放射と返るエコーを分離できないため、容器が到達し得る最高液位はその帯より下に保たねばなりません。第二はビーム内の障害物です。信号は円錐状に放射され、その円錐の中にあるもの（充填管、はしご、加熱コイル、狭い容器なら容器壁）は、表面からのエコーより先に返ってくることがあります。そこで資料の指示は、ビームの見通しを保ち、アンテナ面を表面に対して直角に構えることに集約され、基準面はねじの下端またはフランジのシール面に取ります。

測定上の制約と選定の留意点

制約は製品群ではなく技術に属します。レーダーはビーム内の最初の強い反射を測るので、十分に密度の高い泡の層は表面として読まれてしまいます。誘電率の極めて低い媒体は反射が弱く、分解できるほどエコーが返らないことがあります。どちらも故障ではなく、別の原理がより良い答えになる条件です。レーダーと超音波の境界が液面上方の雰囲気で引かれ、レーダーと接液プローブの境界が容器の中身で引かれるのはそのためです。

資料は多くの数値を未確定のまま残しており、それらは繕わずに列挙してあります。保護構造は機種により異なり、電源電圧は 2機種にのみ記載があり、プロセス温度は低周波シリーズと高周波シリーズの大半を欠き、1機種は同じ文書の異なる箇所で 2つの測定範囲を与えられています。これらはここで解決せず、質問として記録しました。推論で決めれば、未確認の数値が仕様書に乗ることになるためです。

ご注文について

答えを固定する項目は、容器の高さと直径、最高液位と最低液位、測定対象が液体か粉じんか固体か、液面上方の水蒸気・粉じん・泡・結露、プロセス圧力とプロセス温度、容器内部のものとアンテナから壁までのクリアランス、容器側が用意するプロセス接続、必要な出力とそれを読む側、そして表示を容器で見る必要があるのか信号だけで良いのか、です。圧力と温度を書き込んだ容器の図面がこれらの大半に答えてくれ、照会のなかで最も有用な単項目です。数量、仕向港、必要な納期がこれを完成させます。