第7回

マイクロ波式レベル計

松山技術コンサルタント事務所 所長

松 山裕

まつゆたか

やま能を誇っていました。そのため測１．マイクロ波式レベル計の概要
マイクロ波は電波の一種であり、定装置は大きくかつ非常に高価でした。

2．マイクロ波の時間測定方法
マイクロ波の伝播時間測定に使

遠赤外線と超短波の間に位置して1991 年頃、プロセス用のマイク用されている方法には、FMCW（周います。これを送受信器から発射ロ波式レベル計が、ドイツの波数変調連続波）式とパルスレーダし、測定面から反射されて帰ってKrohne、Endress ＋ Hauser、Vega の式の 2 種類があります。

くるまでの時間を測定して、測定3 社より相次いで発売されました。

FMCW 式は、マイクロ波式レベ面までの距離を求めるのがマイク

これらは、性能においては Saab 社

ル計に最初に採用された方法で、ロ波式レベル計の原理です。このの製品より劣りますが、プロセス送信するマイクロ波の周波数を連説明だけでは、前回説明した超音用として必要かつ十分な機能をも続的かつ直線的に変化させる方法

波式レベル計と同じようなものだ

ち、小型・軽量かつ安価でした。そです（たとえば 9.5GHz（ギガヘルと考えるでしょうが、下記の2点がの後他のメーカーも製品化に参加ツ）から 10.5GHz へ）。原理図を図 1

大きく異なっています。

し、とくにここ 4 〜 5 年は急速に発に示します。測定面からの反射波展しています。の周波数と送受信器が反射波を受

まず、超音波は物質がなければ伝播しませんが、マイクロ波は真マイクロ波式レベル計は、測定面け取った時点での送信波の周波数空中でも伝播します。また経路上に非接触で測定できるという特長以を比較すると、両者の間の周波数の気体の状態（温度・圧力・流速な外に、（1）高温・高圧の環境下や真の差は、マイクロ波を送信してかど）には、ほとんど影響されませ

空中でも測定できる （2）マイクロん。次に、マイクロ波の伝播速度は波の経路にある気体や蒸気の圧力・毎秒およそ30万kmなので、超音波温度の影響をほとんど受けないのおよそ百万倍です。たとえば 1m（3）非金属の容器や、非金属の窓を離れた測定面で反射されて帰ってもつ容器内のレベルを外部から測定くるまでの時間は、およそ 6.7 ナノできる といった長所があります。

秒（6.7 × 10 − 9 秒）です。このように

一方、（1）超音波式レベル計に比べ極端に短い時間を精度よく測定すて価格が高い （2）比誘電率が低いるには特殊な手法が必要になりま液体のレベルは測定しにくい といす。

う短所がありますが、価格についてマイクロ波式レベル計は、1975は最近解消する方向にあります。

年スウェーデンのSaab Tank Control

このレベル計の開発・改良の過社により開発されました。この製程におけるキーポイントには、下品は、石油や LPG ／ LNG などのタ記の3点があります。以下これらにンクのレベル測定用でした。取引ついて説明します。

用を目的としていたので、たとえ（1）マイクロ波の時間測定方法

ば測定範囲が 4 0 m でその全域に（2）マイクロ波の周波数の選択亘って精度が±1mmといった高機（3）アンテナの進歩21）直線的に増加する
送信周波数Δf

送受信器
2）伝播による時間遅れ

3）周波数の差発生
tFFT4）デジタル
信号処理
スペクトラムf5）レベル値
算出

図 1 FMCW 式の原理図（Krohne のカタログより）

MS TODAY 2003 年 7 月号

ら受信するまでの時間に比例しま間測定が容易になります。この方す。したがって、両者の周波数の差法を時間軸伸張といいます。

から測定面までの距離を求めるこ

FMCW 式は測定精度は高いのでとができます。ただし反射波にはすが、消費電力が大きいことやや測定面以外からの反射波（ノイズ信や応答が遅いという欠点がありま号）が含まれていることが多いのす。一般の工業計器と同じように2で、送信波と反射波の差の信号を線式（電源線と信号線を共用する方

デジタル信号処理により各周波数式）にするためには、パルスレーダ成分に分けます。各成分の周波数式が有利であることなどの理由かは送受信器からの距離に比例し、ら、最近はパルスレーダ式の製品

各成分の振幅は反射の大きさを示が増加しています。

します。通常は、振幅が大きい成分を採用し、これより距離すなわち3．マイクロ波の周波数の選択レベルを求めます。ただしノイズマイクロ波の周波数としては、信号分が大きいときは、エコーノ

5.8GHz、10GHz、24 〜 26GHz が使イズ除去ソフトを使用して除去し用されています。高い周波数では、ます。この原理は、先月号で説明し測定面上の泡とか汚れに弱くなりた超音波式レベル計の「にせの信ます。24GHzでは、少量の水滴とか号をカットする方法」とほぼ同じ

ごく薄い泡でもマイクロ波が吸収です。

されます。しかし、送信波の拡がり

著 者 紹 介

松 山裕

松山技術コンサルタント事務所所長（TEL／FAX：03-3971-5743
E-mail：yumatsuyama@mx6.ttcn.ne.jp）

ロッドアンテナ
ホーンアンテナ

パルスレーダ式は、マイクロ波が小さく、鋭いビームが得られまのパルスを使うだけで原理的にはす。低い周波数では逆になります。

超音波式レベル計と同じです。しそのため、3〜4年前までは5.8GHzかしマイクロ波は非常に速いので、か 10GHz の製品が主体でした。しロンで作られた棒で、先の方がこれをゆっくりした波に変換してかし送受信器の小型化を実現するテーパー状になっています。マイから測定します。図 2 に示すようには、24 〜 26GHz が有利です。そクロ波はテフロン中では空気中よに、反射波のごく一部をサンプリのため、最近は 5.8GHz と 24 〜り伝播速度が遅くなるので、テーングし、かつこのサンプリングす2 6 G H z の両方の製品をもつメー

パー部はマイクロ波に対してレンる位置を一定時間（Δt ）ずつシフトカーが増えてきています。

ズのような機能をもちます。そのします。次にこのサンプリングしウェーブガイド

図3代表的なアンテナ（ノーケンのカタログより）

ほかにウェーブガイドがあります。

4．アンテナの進歩た部分を合成した反射波を作りま

比誘電率の小さい液体はマイクロ注）す。この合成波は、元の波と同じ波マイクロ波を送受信するために波に対する反射率が小さい ので、形でゆっくりした波になるので時は、アンテナが必要です。アンテナ

普通のアンテナではレベル測定がにはいろいろな種類があり困難です。そのためパイプ状のますが、プロセス用ではウェーブガイドを使用します。 ■ホーンアンテナとロッドア◆ 参考文献 ◆ンテナが主として使用され

1）松山 裕：非接触レベル計の最近の動向、計測技術、Vol. 28、No. 10、
p. 1 〜 （4 2000）

1T0

2T0

345

元の反射波

T0
T0
T0＝初めのポイント
合成した
反射波
T0＋ΔtT0＋3ΔtT0＋2ΔtT0＋4Δt

図2T0

パルスレーダ式の原理図

Vol. 12 No. 7ています（図3参照）。ホーン
アンテナは、金属製のメガホンのような形をしています。ロッドアンテナは、テフ注）比誘電率の例を挙げると、トルエンは2.39、ベンゼンは 2.28、シリコン油は 2.2で、反射率は 4％前後です。

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