産業用のレベル計(伝送器)にはどんな種類がある?特徴や選び方は？

私たちは日常生活の中で、様々な「量」を測っています。例えば、コップに入った水の量、ガソリンタンクの燃料の量、料理に使う砂糖の量など、その種類は様々です。工場やプラントといった産業の現場でも、タンクや容器の中に入っている液体や粉末などの「量」、つまりレベルを正確に知ることは、安全な操業、効率的な生産、そして品質管理のために非常に重要です。この役割を果たすのが産業用レベル計です。

この記事では、産業現場で使われる様々な種類のレベル計について、その仕組み、特徴、そしてどのような時に選ぶのかを解説していきます。今回は、超音波式、レーダー式（パルスレーダー式、FMCWレーダー式）、静電容量式、フロート式、ディスプレーサ式、そして差圧式の7種類のレベル計を見ていきましょう。

様々な産業用レベル計の種類と特徴

超音波式レベル計

計測原理

超音波式レベル計は、人間の耳には聞こえない高い周波数の音波、つまり超音波を利用してレベルを測定します。 センサーから発信された超音波は、測定したい物質（液体や固体など）の表面に向かって進み、その表面で反射してセンサーに戻ってきます。この時、センサーは超音波が発信されてから反射して戻ってくるまでの時間を計測します。空気中を伝わる音の速さは一定であることが分かっているので、この時間を計測することで、センサーから物質の表面までの距離を計算し、結果としてレベルを知ることができるのです。これは、コウモリが暗闇の中で超音波を使って自分の位置や周りの状況を把握する仕組み（エコーロケーション）と似ています。

一般的な精度

超音波式レベル計は、多くの産業用途において十分な精度を提供します。一般的な精度としては、測定距離に対して±2 mmに加えて、測定距離の0.17%程度の誤差が生じることがあります。高精度なモデルでは、±0.25%の精度を実現するものもあります。ただし、精度は使用するモデルや環境条件によって変動することがあります。例えば、液体の表面が大きく波立っていたり、空気中に塵や蒸気が多かったりすると、超音波がうまく反射せず、測定精度に影響が出ることがあります。

一般的な流体条件

超音波式レベル計は、様々な液体や一部の固体材料のレベル測定に適しています。水や薬品といった導電性の液体だけでなく、油のような非導電性の液体にも使用できます。また、下水処理水のような比較的汚れた液体や、粉末状の物質のレベルを測定することも可能です。しかし、泡立ちが激しい液体や、大量の蒸気やガスが発生する環境下では、超音波が散乱または吸収されてしまい、正確な測定が難しくなることがあります。

据付上の注意点

超音波式レベル計を設置する際には、いくつかの注意点があります。まず、超音波が物質の表面までスムーズに伝わり、反射して戻ってくることができるように、センサーの真下には障害物がない場所を選ぶ必要があります。 また、タンクの壁や内部の構造物からの不要な反射（エコー）を避けるために、センサーを壁から適切な距離だけ離して設置することが重要です。 センサーのすぐ近くには、測定できない範囲（不感帯）が存在するため、これを考慮して設置する必要があります。液体を測定する場合は、一般的にセンサーを液面に対して垂直に設置することで、より正確な測定が可能になります。

メリット

超音波式レベル計の大きなメリットは、測定対象に直接触れる必要がない非接触式であるため、センサーが汚染されたり、腐食性の物質によって損傷を受けたりするリスクが低いことです。 また、他の種類のレベル計と比較して、比較的安価であることも魅力の一つです。 取り付けやメンテナンスも比較的容易に行うことができます。 さらに、液体の密度や誘電率、導電率といった物性に影響を受けにくいという利点もあります。

デメリット

一方で、超音波式レベル計は、空気の状態（温度、圧力、塵埃、蒸気、ガスなど）によって測定精度が影響を受ける可能性があります。 また、粘度の高い液体には適していません。 液体の表面が激しく波立っていたり、泡が多量に発生している場合も、正確な測定が困難になることがあります。

どのような時に選定するか

超音波式レベル計は、非接触で様々な液体や一部の固体のレベルを比較的安価に測定したい場合に適しています。液体の物性（密度や導電率など）が変動する可能性がある場合や、設置やメンテナンスの手間を抑えたい場合に選ばれることが多いです。

レーダー式レベル計（パルスレーダー式）

計測原理

パルスレーダー式レベル計は、電波を利用してレベルを測定します。空港のレーダーと同様に、センサーから短いパルスの電波を測定対象物に向けて発信します。 この電波は物質の表面で反射し、再びセンサーに戻ってきます。センサーは、電波が発信されてから戻ってくるまでの時間を正確に計測します。電波は光速で進むため、この時間を知ることでセンサーから物質表面までの距離、つまりレベルを非常に正確に測定できます。超音波が空気の状態に影響を受けやすいのに対し、電波は温度や圧力、空気の成分などの影響をほとんど受けないため、より安定した測定が可能です。

一般的な精度

パルスレーダー式レベル計は、非常に高い精度を誇ります。多くの場合、ミリメートル単位での測定が可能です。例えば、±1mmの精度を実現するモデルも存在します。中には、測定値の±0.1%という非常に高い精度を持つものもあります。

一般的な流体条件

パルスレーダー式レベル計は、液体、固体、そしてスラリー状の物質のレベル測定に適しています。 腐食性や毒性のある物質にも使用できるため、様々な産業分野で活躍しています。 超音波式と比べて、塵埃や蒸気、温度変化などの環境条件の影響を受けにくいという特徴があります。

据付上の注意点

パルスレーダー式レベル計を設置する際には、電波の経路に障害物がないように注意する必要があります。 また、アンテナは測定物の表面に対して垂直になるように設置することが望ましいです。 レーダー信号には広がり（ビーム角）があるため、タンクの形状や内部構造を考慮して、不要な反射を防ぐように設置場所を選ぶことが重要です。 液体を測定する場合は、アンテナに結露が発生する可能性も考慮に入れる必要があります。

メリット

パルスレーダー式レベル計は、非接触で測定できるため、センサーへの負担が少なく、様々な物質に使用できるというメリットがあります。 また、非常に高い精度と信頼性を持つことも大きな利点です。 さらに、塵埃や蒸気などの環境条件の影響を受けにくいという点も優れています。

デメリット

超音波式レベル計と比較すると、一般的に高価になる傾向があります。 また、センサーの近くには測定できない範囲（不感帯）が存在する場合があります。 測定する物質の誘電率（電波の反射しやすさ）が非常に低い場合は、電波が十分に反射されず、測定が難しいことがあります。

どのような時に選定するか

パルスレーダー式レベル計は、幅広い条件下で高精度なレベル測定が必要な場合に適しています。特に、塵埃や蒸気が多い環境、温度や圧力の変動が大きい場所、そして比較的長い距離の測定に適しています。

レーダー式レベル計（FMCWレーダー式）

計測原理

FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave：周波数変調連続波）レーダー式レベル計は、パルスレーダー式よりもさらに高度な技術を用いています。この方式では、一定の時間間隔で周波数を連続的に変化させる電波を送信します。測定物で反射して戻ってきた電波の周波数と、その瞬間に送信している電波の周波数を比較し、その周波数差から距離を計算することでレベルを測定します。この方式は、特に高い測定精度が求められる場合や、複雑な環境下での測定に適しています。

一般的な精度

FMCWレーダー式レベル計は、非常に高い精度を実現します。多くのモデルで±1mmまたは±2mmという非常に小さな誤差で測定が可能です。さらに高精度なものでは、±0.1%の精度を誇るものもあります。

一般的な流体条件

液体、固体、ペースト状の物質、そしてスラリーなど、様々な物質のレベルを測定できます。強固な付着物が発生しやすい環境や、粉塵が舞うような場所、高温高圧といった厳しい条件下でも安定した測定が可能です。また、電波の透過性が高いため、低誘電率の物質でも測定しやすいという特徴があります。

据付上の注意点

設置の際には、他のレーダー式レベル計と同様に、電波の経路に障害物がないように注意が必要です。また、適切な場所にセンサーを設置し、ビーム角を考慮する必要があります。高温環境で使用する場合は、電子部品を保護するための対策が必要になることがあります。

メリット

非常に高い測定精度を実現できることが最大のメリットです。また、測定できない範囲（ブラインドゾーン）が小さいという利点もあります。干渉に強く、塵埃や蒸気などの影響を受けにくいのも特徴です。

デメリット

パルスレーダー式レベル計よりもさらに高価になる傾向があります。また、4線式の配線が必要になる場合があり、電子回路も複雑です。

どのような時に選定するか

最高レベルの測定精度が求められる場合や、非常に厳しい環境条件下での測定が必要な場合に選定されます。小型タンクや狭い場所での測定にも適しています。

静電容量式レベル計

計測原理

静電容量式レベル計は、コンデンサ（電気を蓄える部品）の原理を利用してレベルを測定します。センサーのプローブとタンクの壁（金属製の場合）または別のプローブがコンデンサの2つの電極板となり、測定する物質がその間の絶縁体となります。物質のレベルが変化すると、電極板間の絶縁体の量が変わるため、コンデンサの電気を蓄える能力（静電容量）も変化します。この静電容量の変化を測定することで、レベルを把握することができます。導電性の液体だけでなく、絶縁性の物質にも使用できるのが特徴です。

一般的な精度

精度はモデルによって異なり、1%以内のものや、±0.5%または±1%の精度を持つものがあります。測定範囲が短い場合は、精度が低下することがあります。

一般的な流体条件

液体、粉体、粒状物など、様々な物質のレベルを測定できます。導電性、非導電性のどちらの物質にも使用可能です。腐食性の液体にも対応できるものがあります。ただし、測定する物質の誘電率（電気的な性質）が変化すると、精度に影響が出ることがあります。

据付上の注意点

設置の際には、適切な接地を行うことが重要です。プローブがタンクの壁や内部の構造物に接触しないように注意する必要があります。また、プローブに物質が付着すると測定誤差の原因になるため、付着しにくい材質のプローブを選ぶなどの対策が必要です。 アプリケーションによっては、プローブの向き（垂直または水平）を考慮する必要があります。

メリット

幅広い種類の物質を測定できることが大きなメリットです。構造が比較的シンプルで、設置も容易に行えます。高温や高圧の環境下でも使用できるものがあります。メンテナンスも比較的簡単です。

デメリット

測定する物質の電気的な性質（比誘電率）が変化すると、測定精度に影響が出やすいというデメリットがあります。また、プローブへの物質の付着にも注意が必要です。環境条件（温度や湿度）によっても影響を受けることがあります。金属製のタンク以外では、使用が推奨されない場合があります。

どのような時に選定するか

様々な種類の液体や固体、粉体などのレベルを測定したい場合に適しています。簡便な設置と比較的低いコストでレベル計測を実現したい場合に選ばれることが多いです。

フロート式レベル計

計測原理

フロート式レベル計は、液体の上に浮かぶフロート（浮き）の位置を利用して液面レベルを測定します。 フロートは、液体レベルの変化に合わせて上下し、その動きをロッドや磁気的な仕組みなどを介して、レベル指示計に伝えます。浮力の原理を利用した、シンプルで直接的な測定方法です。液体の電気的な特性に影響されないため、幅広い種類の液体に使用できます。

一般的な精度

高精度なモデルでは±0.1%程度の精度を持つものもあります。 一般的な精度としては±8mm程度のものがあります。

一般的な流体条件

水、油、薬品など、様々な液体に使用できます。 また、二種類の液体間の界面（油と水など）を測定できるものもあります。ただし、比重が軽すぎる液体ではフロートが浮かなかったり、粘度が高すぎる液体ではフロートの動きが妨げられたりする場合があります。

据付上の注意点

フロートがタンク内をスムーズに上下できるように、障害物のない場所に設置する必要があります。 液体の比重や粘度に合わせて適切なフロートを選ぶことが重要です。 磁石を利用している場合は、強い磁気を発生する機器の近くへの設置は避けるべきです。 液体に流れがある場合は、フロートが安定するように防波管を設置することが推奨されます。

メリット

構造がシンプルで取り扱いが容易であるというメリットがあります。 また、比較的安価に入手できることも魅力です。 電気的な特性に影響を受けにくく、幅広い種類の液体に使用できます。 悪環境下でも使用できるものがあります。

デメリット

フロートに汚れや異物が付着すると、動作不良や誤測定の原因となることがあります。 液体の密度や粘度の影響を受けることがあります。 フロートが動くためのスペースが必要になります。 定期的なメンテナンスが必要になる場合があります。

どのような時に選定するか

シンプルで信頼性の高い方法で液面レベルを測定したい場合に適しています。液体の種類が比較的安定しており、コストを抑えたい場合に選ばれることが多いです。

ディスプレーサ式レベル計

計測原理

ディスプレーサ式レベル計は、液体に沈むように設計された重り（ディスプレーサ）を利用します。ディスプレーサは、液体レベルの変化に応じて浮力が変化する仕組みになっており、この浮力の変化をバネやトルクチューブなどの機構で検出し、液面レベルに変換します。 アルキメデスの原理に基づき、液体に浸かっている部分の体積に比例した浮力を受けます。

一般的な精度

高精度なモデルでは±0.9mmの精度を持つものがあります。一般的な精度としては±5mm程度のものがあります。トランスミッターと組み合わせることで±0.2%の精度を実現できるものもあります。

一般的な流体条件

液体やスラッジ状の物質、比較的きれいな液体から汚れた液体、そして軽油から重油、酸まで、幅広い種類の液体に使用できます。界面（二種類の液体間の境界面）や密度の測定にも利用できます。高温高圧の条件下でも使用可能なモデルがあります。ただし、液体の密度が変化すると測定精度に影響が出ることがあります。

据付上の注意点

ディスプレーサは、測定する液体の密度に合わせて設計されたものを使用する必要があります。ディスプレーサの動きを妨げるような障害物がない場所に設置してください。使用する温度や圧力の範囲内で使用可能なモデルを選定してください。界面を測定する場合は、ディスプレーサ全体が常に液体に浸っている必要があります。

メリット

高い測定精度が得られます。厳しい環境条件下でも使用可能です。液面だけでなく、界面や密度も測定できます。信頼性が高く、長期間使用できます。

デメリット

液体の密度が変化すると測定精度に影響が出ます。可動部があるため、固着や摩耗のリスクがあります。校正が必要になる場合があります。

どのような時に選定するか

高圧・高温環境下での使用に適しています。界面や密度の測定が必要な場合や、信頼性の高い測定を求める場合に選ばれます。

差圧式レベル計

計測原理

差圧式レベル計は、タンクの底にかかる液体の圧力（液圧）を利用して液面レベルを測定します。 液体が高いほど、タンクの底にかかる圧力は大きくなるため、この圧力を測定することで液面レベルを知ることができます。密閉されたタンクの場合は、液圧とタンク内の圧力（上部の空間の圧力）の差を測定することで、より正確なレベルを算出します。

一般的な精度

精度はモデルによって異なり、±0.075%程度の高精度なものから、±0.25%～±1%程度のものまであります。¹⁰⁰

一般的な流体条件

液体、気体、蒸気など、様々な流体のレベル測定に使用できます。 開放タンクだけでなく、密閉タンクにも適用可能です。ただし、液体の密度が変化すると測定精度に影響が出ることがあります。

据付上の注意点

開放タンクと密閉タンクでは、圧力の取り出し方が異なります。圧力の伝達には導圧管が使用されますが、この導圧管内に気泡が溜まったり、液体が凝縮したりすると、正確な測定ができなくなることがあります。導圧管の凍結や詰まりにも注意が必要です。液体の密度も考慮する必要があります。

メリット

信頼性が高く、多くの実績があります。タンクの底に取り付けるだけで設置が比較的容易です。

デメリット

液体の密度が変化すると測定精度に影響が出ます。導圧管に問題が生じやすいです。泡や固形物の影響を受けることがあります。

どのような時に選定するか

信頼性が高く、比較的安価な方法で液面レベルを測定したい場合に適しています。液体の密度が安定しているアプリケーションに向いています。

レベル計比較表

種類	計測原理	一般的な精度	一般的な流体条件	据付上の注意点	メリット	デメリット	どのような時に選定するか
超音波式レベル計	超音波の反射時間測定	±2 mm + 0.17%	液体、一部固体	障害物回避、不感帯考慮、垂直設置推奨	非接触、比較的安価、設置・メンテ容易、物性影響小	環境条件、高粘度液体、泡立ちに弱い	非接触、多様な液体・固体、コスト重視
パルスレーダー式レベル計	パルス電波の反射時間測定	±1 mm	液体、固体、スラリー	障害物回避、垂直設置、ビーム角考慮	非接触、高精度・高信頼性、環境影響小	超音波式より高価、不感帯あり、低誘電率に注意	幅広い条件下で高精度、塵埃・蒸気環境、長距離
FMCWレーダー式レベル計	周波数変調連続波の周波数差測定	±1～2 mm	液体、固体、ペースト、スラリー	他レーダー式と同様	超高精度、小ブラインドゾーン、耐干渉性、悪環境に強い	パルスレーダー式より高価、配線複雑	最高精度要求、狭小空間、強干渉環境
静電容量式レベル計	静電容量の変化測定	<1%	液体、粉体、粒状物	適切な接地、タンク壁との接触回避、付着注意	多様な物質、設置容易、高温高圧可、低メンテ	比誘電率変化に弱い、付着に敏感、環境影響あり	多様な物質、コスト重視
フロート式レベル計	浮力によるフロート位置検出	±0.1%～±8 mm	各種液体、界面測定可	自由なフロート移動確保、比重・粘度考慮、磁気影響回避、防波管	シンプル、安価、電気特性影響小、悪環境向き	付着・固着に弱い、密度・粘度影響、設置スペース必要、メンテ必要	シンプル・低コスト、液体安定、悪環境
ディスプレーサ式レベル計	浮力変化を機械的に検出	±0.9 mm～±5 mm	液体、スラリー、界面・密度測定可	液密度適合、障害物回避	高精度、高環境耐性、多機能	密度変化に影響、可動部あり	高圧高温、界面・密度測定
差圧式レベル計	液圧とタンク内圧の差を測定	±0.075%～±1%	液体、気体、蒸気	開放・密閉タンクで方式が異なる、導圧管注意	信頼性高、設置容易	密度変化に影響、導圧管トラブル、泡・固形物影響	信頼性重視、液体密度安定

まとめ

この記事では、様々な産業用レベル計の種類と特徴について解説しました。それぞれのレベル計には、測定原理、精度、適した流体条件、設置上の注意点、そしてメリットとデメリットがあります。どのレベル計を選ぶかは、測定する物質の種類や状態、求められる精度、設置環境など、様々な要因を考慮して決定する必要があります。この記事が、皆さんが産業用レベル計について理解を深め、適切な選択をするための一助となれば幸いです。