音叉レベルスイッチ：液体と粉体の検出方法

音叉式レベルスイッチは、液体またはバルク固体の存在を検出するポイントレベル計器であり、フォークをその共振周波数（通常はフォークの設計とティンの長さに応じて300〜1,400 Hz）で連続的に振動させます。媒体がフォークを覆うと、振動が減衰し、周波数が低下して振幅が変化します。スイッチの電子機器は、シフトした信号を設定されたしきい値と比較し、リレー出力をトリップして、高レベル、低レベル、または中間レベルのアラームを発します。標準の音叉式レベルスイッチは、密度0.5〜0.7 g/cm³以上の液体と、かさ密度20〜30 g/L以上のバルク固体を検出し、-40°C〜+150°C（拡張オプションで最大+250°C）、圧力最大40 barで動作し、316L、ハステロイ、またはPTFE/ECTFEコーティングされた接液部を供給できます。同じフォーク原理が可動部なしで両方の流体ファミリーに機能するため、今日のプロセスプラントで最も広く指定されているポイントレベル技術の1つです。

音叉式レベルスイッチの仕組み

プローブハウジング内部には、フォークの基部近くに2つの圧電結晶が接着されています。1つの結晶がフォークを連続振動させ、もう1つが振動を感知して電子機器に信号をフィードバックします。この閉ループ構成により、フォークはティンの形状と材質によって決まる固有の共振周波数で振動し続けます。フォークが空気のみに囲まれている場合、明確に定義された特性周波数（「乾燥」または基準状態）で振動します。

検出イベントは、その振動の変化によってトリガーされます。液体または粉末がフォークを覆うと、媒体はティンの実効質量を増加させ、振動エネルギーを吸収します。その結果、共振周波数の測定可能な下方シフトと振幅の減少が生じます。スイッチの電子機器は、ライブ振動信号を基準しきい値と継続的に比較し、シフトがトリガーポイントを超えると、出力リレーが状態を変更し、スイッチはアラームまたは制御信号を生成します。媒体が落ちると、フォークは空気基準周波数に戻り、出力はリセットされます。

電子機器は絶対測定ではなく相対変化を監視するため、音叉は温度と経年変化に対してほぼ自己補正されます。一般的に提供される2つのフォークバリアントがあります：ほとんどの液体と低密度粉末に適した周波数シフト設計と、媒体が強い減衰を引き起こす場合に使用される振幅検出設計です。フォーク自体は微小な振幅（通常は数マイクロメートル）で屈曲し、ティンが金属の純弾性領域で動作するのに十分小さいです。

可動部なし、摩耗なし

これは音叉の信頼性の核となる論拠であり、保守予算に直接影響します。音叉式レベルスイッチには機械的な可動部がありません：モーター、ベアリング、シャフトシール、フロートリンケージ、ピボットはありません。唯一の動きは2つのティンの弾性屈曲であり、これは可逆的で設計上摩耗しません。固着、詰まり、腐食による不動化、定期的な潤滑を必要とするものは何もありません。

これをロータリーパドルスイッチと比較してください。ロータリーパドルスイッチは、小型電動モーター、ギアトレイン、およびプロセスに対してシールされなければならない回転シャフトに依存しています。モーターは焼損し、ギアは摩耗し、シールは故障します—それぞれが現場サービスコールです。フロートスイッチには、固着する可能性のある機械的なアームとヒンジがあり、フロートがコーティングされると浮力特性が変化します。音叉はそのような故障のクラス全体を排除します。プラントの保守管理者にとって、これは計画外の介入の減少、スペアパーツ在庫の削減、そして計器の寿命にわたる真に低い総所有コストを意味します。

1つのフォーク設計、2つの媒体ファミリー

音叉の決定的な利点は、同じ計器ファミリーが液体とバルク固体の両方を処理できることであり、調達と在庫管理が簡素化されます。物理は同一です—振動要素が媒体に覆われると減衰します—しかし、感度設定は異なります。

液体：水、油、化学品、スラッジ、フォーム

液体の場合、標準フォークは密度が約0.5〜0.7 g/cm³以上の媒体を確実に検出します。これには、水、鉱物油および合成油、ほとんどの酸とアルカリ、溶剤、中間スラッジおよびスラリーが含まれます（密度がしきい値を超える場合）。測定は浮力ではなく剛性金属フォークの減衰に基づいているため、スイッチは乱流タンク、撹拌容器、および流れが存在するラインでも同様に機能します。感度を低減した特別なフォークがフォーム検出用に利用可能です：軽いフォームは無視しながら、下にある液体ではトリップします。これは、フォームが誤った高レベルアラームを引き起こす可能性がある発酵槽、バイオリアクター、および廃水用途で価値があります。

粉体および粒体：セメント、プラスチックペレット、小麦粉、ダスト

バルク固体用に調整された同じフォークは、かさ密度20～30 g/L以上の粉体および粒体を検出します。この範囲は、セメント、フライアッシュ、プラスチックペレット、グラニュー糖、穀物、鉱物粉末など、ほとんどの工業用固体をカバーします。連続振動するティンはまた、自己洗浄効果をもたらします。その動きが付着物を振り落とすため、フォークは静的プローブを悩ませる堆積やブリッジングに耐性があります。標準しきい値未満の非常に低密度のダストには、高感度フォークをサプライヤーが提供しています。WELKの 粉体および粒体用フォークスイッチ は、固体用に調整された設計の一例です。

サイロやホッパーが用途である場合、振動フォークは他の技術と並んで使用されます。選択要因の概要については、 サイロおよび粉体レベルアプリケーション ガイドと、 粉体およびセメント用サイロレベル測定に関するより深い議論を参照してください。

フェイルセーフモード：最大、最小、およびプラント安全のための配線

振動フォークスイッチは通常、選択可能なフェイルセーフモードで供給され、ハウジング内のDIPスイッチまたは配線によって設定されます。標準的な2つの構成は以下のとおりです。

• 最大（高）フェイルセーフ — リレーは通常の乾燥状態では励磁され、レベルがフォークに達すると非励磁になります。これは過充填防止に使用され、停電、配線断線、または電子機器の故障が発生するとリレーが非励磁になり、警報が発せられます。
• 最小（低）フェイルセーフ — レベルがフォークより下がるとリレーが非励磁になります。これはポンプの空運転防止や低レベルインターロックに使用され、信号喪失時にも安全な状態が確保されます。

この非励磁で警報を発する方式は標準的な安全アプローチであり、安全な状態とはリレーが故障時に報告する状態です。一般的な出力にはDPDTリレー、トランジスタまたはNAMUR出力、遠隔診断用のオプションの4～20 mA信号が含まれます。フェイルセーフの選択は通常、試運転時の一度きりの設定であり、ハードウェアの変更は必要ありません。

温度、圧力、および接液部材質

標準の音叉は-40°C～+150°Cで動作し、タンクやサイロの大部分の用途をカバーします。拡張バージョンでは、ビチューメン、熱油、特定の化学プロセスなどの高温媒体向けに+250°Cまで範囲が拡張されます。標準的な圧力能力は最大40 barで、大気圧以下のプロセスで運転される真空用途にはフランジ付きバージョンが指定されます。

接液部材質の選択は化学的用途に従います：

• 316Lステンレス鋼 — 水、油、中性化学薬品、乾燥固体の標準的な選択肢です。
• ハステロイC-276 — 塩酸や硫酸などの高腐食性媒体用です。
• PTFE/ECTFEコーティングフォーク — 金属自体が耐えられないような激しい腐食環境向け。コーティングが不活性バリアを提供し、金属コアが機械的強度を保持します。

プロセス接続は、ねじ式（G1"、G1½"、1" NPT、R1½"）またはフランジ式が利用可能です。保温タンク、厚肉ノズル、またはフォークが警報ポイントまで届く必要がある背の高いサイロの場合、約200 mmから数メートルまでの延長チューブが利用できます。ノズルサイズや容器形状が狭い場合は、 コンパクトな音叉スイッチ が、検出範囲を犠牲にすることなく小さなプロセス接続に適合します。

設置：取り付け、挿入深さ、および位置

正しい設置が、音叉が確実に作動するかどうかを決定します。ほとんどの用途には3つのルールが適用されます：

1. 警報ポイントに応じて側面または上面に取り付けます。 側面取り付けでは、検出する正確なレベルにフォークを配置します。上面取り付けでは、延長チューブを使用して背の高い容器の低レベルまたは中間レベルに到達します。挿入深さは、プロセス接続ではなく、フォーク先端が目的のトリップポイントに来るようにする必要があります。
2. フォークを流れや衝撃の領域から遠ざけます。 タンクの直接投入流路やサイロ入口の下に取り付けると、飛沫や材料の衝撃がフォークを減衰させ、誤作動を引き起こす可能性があります。スイッチを入口から離して配置するか、静止ウェルまたはシールドを取り付けてください。
3. 粉体の場合はフォークを傾けます。 バルク固体の場合、フォークをわずかに下向きの角度で取り付ける（または材料を落とすように設計されたフォークを使用する）ことで、粉体がティンの間にブリッジしないようにします。タンク壁、撹拌機、内部バッフルからクリアランスを保ち、ティンが自由に振動するスペースを確保してください。

ポンプの空転防止のため、フォークを吸引ラインまたは容器内の最小安全レベルに設置してください。発泡しやすい液体の場合は、耐泡性フォークを選択し、安全機能として使用する前に実際のプロセスで性能を確認してください。

音叉式 vs フロート式、静電容量式、ロータリーパドル式、振動ロッド式

すべてのポイントレベル技術にはトレードオフがあります。以下の比較は、音叉式がプラントで一般的に指定される代替技術と比較してどうかをまとめたものです。

実用的な要点: フロートスイッチは単純な水用途では経済的ですが、可動部品と汚れの問題があります。静電容量式スイッチは粘着性媒体に対応できますが、付着に敏感で既知の誘電率が必要です。ロータリーパドル式は固体の伝統的な選択肢ですが、モーターとギアトレインのためメンテナンス負荷が最も高くなります。音叉式と振動ロッド式は可動部品なしの原理を共有しています。フォークは同じ計器で液体と粉体の両方をカバーするため、2つのうちでより汎用性が高いです。一方、 バルク固体用振動ロッドレベルスイッチ は、粗粒、塊状、または高温の固体に適しており、単一のロッドが2本のティインを持つフォークよりも堅牢です。

防爆タイプとSIL対応

可燃性液体、ガス、または可燃性粉塵を扱うプラントでは、音叉式スイッチは、ガスゾーン（Zone 0/1/2）および粉塵ゾーン（Zone 20/21/22）の両方についてATEXおよびIECEx認証を取得した防爆タイプが利用可能です。本質安全（Ex ia）および耐圧防爆（Ex d）の筐体オプションは、石油化学、製薬、穀物取扱施設で見られる配線方法に対応しています。 防爆型音叉式レベルスイッチ は、同じ検出原理を持ち、危険区域ループに配線するために必要な認証を追加しています。過充填保護などの安全計装機能には、SIL 2対応バージョンが利用可能で、IEC 61508/61511に基づく安全要求仕様をサポートするための文書と故障率データが提供されます。認証とSIL適合性は、仕様決定前に必ず特定のプロジェクトループに対して確認する必要があります。

FAQ

音叉式レベルスイッチはどのように動作しますか？ 2つの圧電結晶が金属フォークを共振周波数（通常300〜1,400 Hz）で振動させます。液体または粉体がフォークを覆うと、振動が減衰し、周波数が低下し、電子機器がリレーをトリップします。媒体がなくなると、フォークは基準周波数に戻り、出力がリセットされます。

同じフォークで液体と粉体の両方を検出できますか？ はい。フォークの原理は両方の媒体で同一です。違いは感度設定とフォークのチューニングです。同じ機器ファミリーは、水、油、化学薬品などの液体と、セメント、顆粒、プラスチックペレットなどのバルク固体の両方をカバーするため、音叉式はプラント全体のスペアパーツ在庫を簡素化します。

音叉式が検出できる最小密度は？ 液体の場合、標準的なしきい値は約0.5〜0.7 g/cm³です。それ以下では、媒体がフォークを十分に減衰させず、確実にトリップしません。バルク固体の場合、標準フォークは20〜30 g/L以上のバルク密度を検出します。高感度フォークは、非常に低密度の粉末や粉塵の範囲を拡張します。

音叉式と振動ロッド式スイッチの違いは何ですか？ どちらも共振で振動し、可動部品はありません。音叉式は2本のティンを備え、液体と固体の両方に使用できる汎用性があります。振動ロッド式は単一の振動素子を使用し、一般にバルク固体を対象としており、2本のティンが詰まったり損傷したりする可能性のある粗い固体や高温の固体に選ばれることがよくあります。

高フェイルセーフ配線と低フェイルセーフ配線のどちらを選ぶべきですか？ 過充填保護には高（最大）フェイルセーフを使用します。レベルが高いときにリレーが非通電になるため、電源や配線の故障でも警報が作動します。ポンプの空運転防止や低レベルインターロックには低（最小）フェイルセーフを使用します。レベルが低いときにリレーが非通電になります。どちらの場合も、警報状態ではリレーが非通電になり、故障時に安全な状態となります。

アプリケーションの見積もりを取得

タンク、サイロ、ホッパー、またはプロセスライン用に 音叉式レベルスイッチ を選定する場合、正しい構成は媒体密度、温度、圧力、プロセス接続、およびループが危険区域にあるかどうかによって異なります。WELKのアプリケーションエンジニアが、フォークタイプ、接液材質（316L、ハステロイ、またはPTFE/ECTFE）、延長長さ、フェイルセーフモード、必要な認証の選定を支援します。すべての計器は中国石家荘のISO 9001認証工場で製造され、完全なドキュメント、校正、保証サポートが付属します。プロセスデータ（媒体、密度、温度、圧力、タンクまたはサイロの寸法、ゾーン分類）を送信し、お客様の正確な用途に合わせた推奨事項の見積もりを本日ご依頼ください。