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理化工業ホーム > 技術解説ホームページ > 静電容量式レベル計について
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| １．はじめに | ||||||
| レベル計と言う言葉を聞いたことがあるかと思います。このページではレベル計の概要と静電容量方式のレベル計についてお話ししたいと思います。 |
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２．レベル計とは？ |
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| レベルとは流動性物体相互間の境界面の総称です。流動性物体相互間の境界面とは気体と液体、気体と粉粒体、液体と液体、液体と粉粒体等の境界面のことです。 レベル計とは、それら境界面の位置を測定するための計器のことです。 用途に応じ、液面計、界面計、粉面計、粒面計などと呼ばれる機器が存在し、これらを総称してレベル計と呼びます。 特に検知のみに使用される計器をレベルスイッチと呼ぶこともあります。 レベル計は温度計、圧力計、流量計と同様に工業プロセスの測定に使用されており、一般に液体用レベル計が最も多く使用されています。 |
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３．レベル計の歴史 |
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| レベルの測定はまず水の管理の必要から始まったと言われています。古代文明発祥地の多くは半乾燥地帯であり、とかく枯渇しがちな井戸を管理する必要性がありました。紀元前3000年頃の古代エジプト人は、今日のタンク尺のような物で井戸の液面を測っていたと言われています。 また農業の発達に伴い、定期的にやってくるナイル川の洪水を、その水量を監視することで予見するようになりました。そのためにナイル川の各所には岸の岩場に水位計が刻まれました。今日、河川水位計の事をナイロメータと呼ばれる所以でもあります。 ローマ時代では都市水道が整備され、この設備の一部である貯水槽の水位の測定に、ノッチ棒が使用されていました。西欧においては、下水道の発達と共に水洗便所のボールフロートバルブが発達し、レベル管理の自動化がされるようになりました。やがて貯水槽や貯油槽レベルの監視のためのフロート式レベル計も、ポンプを自動操作する装置に発展していきます。 その後も近代産業の発展と共に測定対象も水以外の物に拡大され、ことに石油精製と消費量の増大はレベル計をますます巧緻にし、その利用範囲を広げて行きました。 今日では様々な原理を用いた計器が存在し、その精度や計測環境に応じた最適な物が選択使用されています。 |
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| 静電容量式レベル計の原理を説明する前に、まず静電容量とは何か？をお話しします。 | ||||||
４．静電容量とは？ |
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 静電容量とは、いわば電気をためる能力です。電気容量とかキャパシタンスともいいます。面積Sの2枚の金属板を距離dだけ離して平行に置きます（図1）。この金属板の間に電界をかけると、ここに静電容量が生じます。 両平板の間に何らかの物質が存在すると、この静電容量はkε・S／dに比例した値となります。式中のεは比誘電率と言い物質に固有の値です。両平板間が真空の場合の誘電率を1とした時の比で表される値です。 |
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５．静電容量式レベル計 |
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 両平板間に物質が部分的に存在する場合、静電容量はその物質の量に応じて変化します。内部電極と外部電極間に液体がまったくない場合と液体がある場合の静電容量の差は液体レベルhに比例しますので、両電極間の静電容量を測定して液位を知ることができます。（静電容量式レベル計原理図：図2） 静電容量式レベル計には、 （1）設置・保守が容易 （2）温度・圧力等の使用可能範囲が広い （3）液体・粉粒体の両方に使用可能 （4）比較的安価 などの長所がありますが、一方対象物体の誘電率の変化により誤差が発生するという短所があります。参考までに物質の20℃での比誘電率の例を挙げると、空気は1.0005、水は約80、エチルアルコールは24.3です。 静電容量式レベル計にとって注意が必要なのは、測定対象（以下液体として説明します）が導電性か、絶縁性かと言うことです。  液体が非導電性でかつ液体を入れる容器が金属の場合は、1本の金属棒を容器内に入れるだけでレベルを測定できます。この場合は、容器の壁が外部電極になるからです。（図3）しかし容器が樹脂等の非金属の場合は、容器の壁を外部電極にすることが出来ないため、もう１本別の電極を挿入したり、2重円筒型の電極にしたりする必要があります。 |
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 一方液が導電性の場合は、電極間または電極と容器の間は短絡に近い状態になり、このままではレベルの測定はできません。そこで、電極をフッ素樹脂などの絶縁性物質で被覆した電極を使用します。この場合は液体と容器がセンサの外部電極に相当し、絶縁性物質である樹脂被覆に発生した静電容量を測定することになります。（図4） 静電容量式レベル計では、測定対象物質の比誘電率が変化すると大きな誤差が発生します。そのため、下記のいずれかの対策をとる必要があります。 （1）現場校正を時々行う。測定対象物質の温度変化が大きいときは温度補正を行う。 （2）リファレンスセンサを併用し、比誘電率の変化を自動補償する。 リファレンスセンサは、常に測定対象物質内に設置し比誘電率を測定するセンサです。 上記のような対策をとることで、より誤差の少ない計測を実現しています。 |
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