界面レベル測定：オイル・水および化学品の界面

界面レベル測定とは、同一容器内で混ざり合わない2つの液体の境界を測定することです例えば、生産用セパレーターにおける油水分離界面や、化学タンク内の製品層と水相の境界などです。最も広く使用されている工業的方法は、 デュアルフロート式磁歪式界面トランスミッターであり、密度差によって界面を検出します。レベルフロートは上部液体の表面に浮かび、界面フロートは2つの液体の間の密度に設計されているため、上部相を沈み、境界に定着します。この方法は通常、 ±1～2 mmの界面精度を提供し、 2つの液体間の密度差が少なくとも約50 kg/m³ある場合に確実に動作し、 高さ約20 mまでのタンクに対応できるため、油水分離器、燃料水分離タンク、化学界面用途の標準的なソリューションとなっています。

界面レベル測定とは？

密度の異なる2つの液体が同じ容器に貯蔵または処理される場合、それらは2つの明確な層に分離し、軽い液体が上になります。2つの層が接する平面を界面と呼びます。

二液タンクの全体像を把握するには、2つの測定が必要です。

• 全レベル（表面レベルまたは全体レベルとも呼ばれる）— 上部液体の上面の位置であり、従来のレベル伝送器が測定するものです。
• 界面レベル — 上部液体と下部液体の境界の位置で、タンク底部またはノズル中心線を基準とします。

この2つの測定値は独立しています。油水分離器では、油面が安定している間に水層が排出され、界面が上昇または下降することがあります。全レベルしか知らない運転員は、水がどれだけ溜まったか、油出口にオーバーフローしそうか、分離セクションが機能しているかどうかをまったく把握できません。

界面測定は、2つの液体を意図的に分離、混合、または抜き出すあらゆる場面で重要です：

• 石油生産における油水分離器および遊離水分離ドラム
• 燃料・水沈降タンク
• 触媒または水相を製品層の下に保つ必要がある反応器および貯蔵タンク
• より重い試薬が製品抜き出しに混入してはならない化学プロセス槽

両方の液体が同じ容器内にあるため、測定技術は「液体が存在する」ことを単に感知するのではなく、密度、誘電率、または他の物理的特性によってそれらを区別する必要があります。

単一の全レベル測定値だけでは不十分な理由

従来のレベル伝送器は、タンク内の液体量という1つの質問にしか答えません。二液層の用途では、その答えは危険なほど不完全です。

脱塩器や洗浄タンクを考えてみてください。全レベルは運転範囲の中央付近で快適に読み取れますが、界面は水面引き抜きラインのわずか数センチ上にあります。次に水バルブが開くと、オペレーターは水の代わりに製品を引き抜くことになります。これはキャリーオーバー事象であり、完成バッチを汚染したり、下流設備を汚損したり、製品品質の不合格を引き起こす可能性があります。逆も同様にコストがかかります。セパレーターが界面を低く保ちすぎると、油出口に水が混入し、規格外の油を生成して下流の処理能力を浪費します。

界面レベルはプロセス変数でもあり、単なる安全上の読み取り値ではありません。連続分離では、界面位置が滞留時間、合一効率、両方の引き抜き流の品質を制御します。多くのプラントでは界面を自動制御しています。界面伝送器は、水または底部引き抜きの制御バルブに信号を送り、境界を設定値に保持します。実際の界面測定がなければ、そのループには入力がなく、オペレーターは手動のディップサンプリングに頼らざるを得ません。

最後に、単一のレベル読み取りでは界面をまったく検出できません。表面フロート、上部のレーダー、底部の圧力セルはすべて全レベルに反応しますが、油がどこで終わり水がどこから始まるかを知ることはできません。界面用途には専用の技術が必要です。

界面の測定方法

産業用界面測定では、主に5つの方法が用いられています。これらは、2つの液体をどのように分離するか、境界をどの程度正確に特定するか、そしてそれぞれがどのような場合に機能しないかという点で異なります。

デュアルフロート式磁歪式界面トランスミッタ

磁歪式界面トランスミッタは、界面測定の主力機器です。単一の磁歪導波管上に2つの永久磁石フロートを備え、浮力（アルキメデスの原理）を利用します。

• A レベルフロート は上部の液体よりも密度が低いため、上面に浮かびます。
• 「 界面フロート 」は、2つの液体の中間の密度でサイズ設定されます。上部の軽い液体を沈み、密度の高い下部の液体の境界に浮かびます。

電流パルスが導波管を伝わり、各フロートの磁場がねじり戻りパルスを生成し、機器は飛行時間から両方のフロート位置を計算します。その結果、1つのデバイスで全レベルと界面レベルを直接独立して測定でき、フロート以外にプロセスに接触する可動部品はありません。

典型的な性能は、界面精度±1〜2 mm、サブミリの再現性、タンク用プローブ長は約20 mまでです。主な要件は密度差です。界面フロートは、2つの液体間で少なくとも約50 kg/m³の差が必要で、一方に沈み他方に浮くようにサイズ設定できます。WELKの 磁歪式界面レベル伝送器 は、まさにこの用途向けに作られています。

界面フロート付きマグネチックレベルゲージ

マグネチックレベルゲージは、容器の側面に取り付けられ、上部と下部でプロセスに接続された視覚表示カラムです。カラム内では、フロートが磁気アセンブリを運び、外部インジケータを駆動します。界面を測定するには、ゲージに2つのフロートを取り付けます。カラム上部近くの標準レベルフロートと、2つの液体の中間の密度を持つ色付き界面フロートです。2つのフロートはインジケータの異なる位置に表示され（通常は色で区別）、オペレータに表面と境界の一目でわかる読み取りを提供します。同じカラムに磁歪式またはリードスイッチ式伝送器を追加して、リモートの4-20 mA/HARTまたはModbus出力を提供できます。

界面精度は通常±5〜10 mmで、ほとんどのセパレータや多くの化学用途に十分であり、低密度差サービスでは圧力ベースの方法よりも著かに優れています。これは、フロートが推測された圧力比ではなく浮力に直接応答するためです。ゲージの背後にある物理的原理は、当社の「 マグネチックレベルゲージの動作原理」ガイドで詳しく説明されており、WELKは標準の マグネチックレベルゲージ （単一または二重フロート付き）。

差圧（DP）による界面測定

差圧は界面を間接的に測定します。異なる高さの2つの圧力タップ間に接続されたトランスミッタは、液層の合計静水圧を測定します。全レベルが既知で、両方の液体密度が安定している場合、界面は圧力バランスから計算されます。

DPは安価で実績があり、タンク内要素が不要です。これは汚れや高温サービスでの利点です。しかし、これは直接測定ではなく推測であり、条件が変動すると精度が低下します。いずれかの液体の密度が温度や組成で変化すると、実際の界面が動いていなくても計算された界面はシフトします。また、界面は密度差に比例してのみ差圧に寄与するため、密度差が小さい場合、大きな界面変化でも小さな圧力変化しか生じません。精度は±10〜25 mmが一般的で、軽液サービスではさらに悪化する可能性があります。DPは、密度差が大きく、厳密な制御が重要でない、単純で安定した二液系には合理的な選択肢です。

静電容量式界面測定

静電容量式プローブは、ロッドまたはケーブル周囲の誘電率の変化を感知します。非混和性の液体は通常異なる誘電率を持つため、界面がプローブを通過するとプローブの静電容量が変化します。単一の連続プローブは静電容量プロファイルから界面を導出し、複数の短いプローブはそれぞれの高さにある液体を報告します。

油水分離サービスはこの方法に適しています。水は非常に高い誘電率（約80）を持ち、炭化水素は通常2〜4で、その大きなコントラストが強い信号を生成します。精度は通常±10〜20 mmです。

静電容量式の弱点は、誘電遷移をぼやけさせるものすべてです。境界のエマルジョン層、プローブに蓄積する導電性コーティング、表面のフォームなどです。それぞれが信号の鋭さを低下させ、見かけの界面を遷移帯域の中央に向かってシフトさせます。静電容量式は、誘電コントラストが強くプロセスがクリーンな場合の実用的で経済的な選択肢ですが、仕様決定前に実際の液体に対して検証する必要があります。

導波レーダー界面モード

導波レーダーは、液体中に延びるプローブにマイクロ波パルスを送信します。界面モードでは、機器は2つのエコーを分析します。1つ目は上面からのもので、2つ目は誘電率が変化する界面で生成されます。界面位置は2番目のエコーの飛行時間から導出されます。

使用可能な界面エコーのためには、上部液体は低誘電率流体である必要があります。通常は約10未満で、理想的には下部液体に対して10以上のコントラストが必要です。そのため、典型的な用途は油の上の水または炭化水素の上の水相です。典型的な界面精度は±10〜25 mmの範囲であり、界面がシャープで上部層が2つのエコーを分離するのに十分な厚さがある場合に最適な性能が得られます。

導波レーダーはフロートや密度計算を必要とせず、ある程度の泡を透過して測定できます。しかし、2つの液体の比誘電率が類似している場合、エマルションが界面を覆い隠す場合、または上部層が薄すぎてエコー分離ができない場合には苦戦します。密度差がわずかでも比誘電率の差が大きい場合には、フロート方式に代わる優れた選択肢となります。

界面測定比較表

適切な界面測定方式の選定方法

界面計器の選定は、方式を5つのプロセス上の現実に合わせることが重要です。

2つの液体間の密度差

これが最初のフィルターです。フロート式（磁歪式およびマグネチックゲージ）は、上部の液体に沈み下部の液体に浮くフロートを設計するために、少なくとも約50 kg/m³の密度差が必要です。ほとんどの油水分離や燃料-水分離はこれを十分に満たします。密度差が小さい場合は、圧力式またはレーダー式が唯一の実用的な選択肢となることがあり、それらも差が狭まると感度が低下します。開始する前に、動作温度での両方の液体密度を把握してください。

エマルション層とフォーム

界面が鋭利であることはほとんどありません。エマルション層（2つの液体の混合帯）が境界に存在し、フォームが表面を覆うことがあります。フロートは帯内での浮力位置に応答し、レーダーや静電容量は段差ではなく漸移的な遷移を捉えるため、各方式は不確かさの帯を伴って界面を報告します。エマルションが厚い場合、より長い界面フロートを用いた直接フロート方式が一般的に最も再現性の高い結果をもたらしますが、予想される帯の厚さをベンダーに伝え、フロートと設置を適切にサイズ選定できるようにしてください。

温度と圧力

温度は密度（したがってフロートのサイズ選定と差圧推測）と誘電率（レーダーと静電容量）に影響します。圧力は機器の機械的定格を制約するため重要です。高圧セパレーターや容器には、適切なフランジとボディ材質を備えた定格ゲージが必要です。WELKの 高圧マグネチックレベルゲージ がその用途に対応します。プロセスが腐食性の場合、接液部品をアップグレードする必要があります。ライニング付きマグネチックレベルゲージは、過酷な化学薬品サービスに対する標準的な解決策です。

タンク形状とノズルアクセス

機器は物理的に適合する必要があります。マグネストリクティブおよびレーダープローブは、上部ノズルと、動作範囲全体にわたって界面に到達するのに十分なプローブ長を必要とします。サイドマウントのマグネチックゲージは、タンク内部からコラムが干渉されないように、上部と下部のプロセス接続が必要です。非常に高いタンクでは、プローブが20m以上に達するマグネストリクティブまたはレーダーが適しており、圧力ベースの方式はプローブがないため任意の高さで機能します。容器内部、バッフル、ミキサーはフロートやプローブの設置に干渉してはなりません。

出力と統合

最後に、読み取り値がどのように使用されるかを検討してください。ローカル表示のみのサービスには、マグネチックゲージインジケータが適しています。制御や遠隔監視には、4-20 mA、HART、またはModbus出力を備えた電子トランスミッタが必要です。マグネストリクティブ界面トランスミッタは、同じバス上で全体値と界面値の両方を提供し、これはほとんどの制御ループが必要とするものです。

セパレーターと化学タンクの実践的ガイダンス

オイル-水セパレーター

古典的な油水分離器では、磁歪式デュアルフロートトランスミッタが標準です。レベルフロートは油面を報告し、界面フロートは油水境界に位置し、水抜き制御弁に信号を送ります。トランスミッタが両方の値を出力するため、1台の計器で分離器の2つの制御ループを閉じ、その±1〜2 mmの界面精度により水層を安定させ、油出口への水の混入と水出口への油の引き込みの両方を防ぎます。冗長なローカル表示として、着色界面フロート付きマグネチックレベルゲージが視覚的なクロスチェックを提供し、試運転時や定期メンテナンス時にトランスミッタと照合できます。

化学プロセス用タンク

化学タンクでは、液体の密度、誘電率、腐食性、温度が大きく異なるため、状況は複雑になります。まず密度差から始めます。密度差が約50 kg/m³以上あり、プロセスが激しく乳化していない場合は、磁歪式界面トランスミッタまたは界面フロート付きマグネチックゲージが最も正確な結果をもたらします。上部の液体が低誘電率の炭化水素で、下部が水相の場合、界面モードの導波レーダーはフロート不要の強力な代替手段です。密度と誘電率の両方が限界的な場合は、密度補正付きの差圧式がフォールバックとなり、精度は低くなりますが許容されます。

耐食性が接液材質の選択を左右します。強力な化学薬品の場合、 耐食ライニング付きマグネチックレベルゲージ がコラムとフロートを保護し、同じ考慮が磁歪式やレーダー計器のプローブ材質にも適用されます。当社の 化学薬品貯蔵タンク アプリケーションガイドでは、材質と取り付けに関する質問をより詳しく説明しています。2つの液体を大規模に貯蔵する場合（燃料水分離タンク、水層付き製品貯蔵）、 貯蔵タンク用磁歪式レベルゲージ はデュアルフロート界面測定を背の高い容器に拡張し、マグネチックゲージは標準的なローカルバックアップとして残ります。

FAQ

油水界面を測定する最良の方法は何ですか？

ほとんどの油水分離器では、デュアルフロートを備えた磁歪式界面トランスミッタが最適な方法です。これは1台の機器で油面と油水界面の両方を測定し、典型的な界面精度は±1〜2 mmで、油と水の密度差が少なくとも約50 kg/m³あるタンクであれば動作します。これはほぼすべてのタンクに当てはまります。界面フロートを備えたマグネチックレベルゲージは標準的なローカル表示の代替手段であり、フロートが許容されない場合は、界面モードの導波レーダーがうまく機能します。

界面測定の最小密度差はどのくらいですか？

フロート式の場合、2つの液体間の密度差が約50 kg/m³（0.05 g/cm³）が実用的な最小値です。なぜなら、界面フロートは上部の液体に沈むのに十分な密度を持ち、下部の液体に浮くのに十分軽くなければならないからです。それ以下の差では、圧力式やレーダー式の方法が依然として有効な場合もありますが、精度は低くなり、界面自体をシャープに制御するのが難しくなります。

界面レベル測定の精度はどのくらいですか？

代表的な数値は次のとおりです。磁歪式デュアルフロートトランスミッタは±1〜2 mm、界面フロート付きマグネチックレベルゲージは±5〜10 mm、導波レーダーと静電容量式は±10〜25 mmの範囲、差圧式は最高で±10〜25 mmですが、密度差が小さい場合はさらに悪くなることがよくあります。適切な目標値はプロセスによって異なります。分離器の水抜きループでは通常、最も厳密な制御が必要です。

導波レーダーは界面を測定できますか？

はい。導波レーダーには専用の界面モードがあり、誘電率が変化する場所で反射する2番目のエコーから界面位置を導き出します。これは、上部の液体が低誘電率の流体（通常は約10未満）である場合、例えば水や水相の上の油や炭化水素の場合に最もよく機能し、フロートのサイズ選定が不要になります。2つの液体の誘電率が類似している場合や、厚いエマルション層が境界をぼやけさせる場合には、信頼性が低くなります。

界面用途で磁歪式トランスミッタとマグネチックレベルゲージのどちらを選ぶべきですか？

厳密な連続界面制御やレベルと界面の両方のリモート出力が必要な場合は、磁歪式界面トランスミッタを選択してください。これは最高の精度（通常±1〜2 mm）を提供し、4-20 mA/HARTまたはModbus制御ループに供給します。ローカルで機械的な表示を優先し、シンプルで本質安全の視覚的読み取りを希望する場合は、界面フロート付きマグネチックレベルゲージを選択してください。必要に応じて、カラムにトランスミッタを追加することもできます。

界面測定の見積もりをリクエストする

界面用途は既製品ではありません。適切な機器は、2つの液体間の密度差、予想されるエマルションバンド、温度と圧力、タンクの形状によって異なります。そのため、仕様は常にプロセスデータから始まります。

分離器内の油水界面や化学タンク内の製品/水相界面を測定する場合は、動作温度での2つの液体の密度、タンクの高さとノズルの詳細、プロセス温度と圧力をお知らせください。WELKのエンジニアが、磁歪式界面トランスミッタ、界面フロート付きマグネチックレベルゲージ、または適切な代替品を、お客様の容器に合わせて選定し、制御システムに必要な出力を提供します。工場試験済みで、 品質管理 文書。今すぐお見積りをご依頼ください。