レーザ式レベルセンサ

位相差検出方式

• 位相差検出方式は、古くから土木、建築分野で光波測距計として使われてきました。
• 基本周波数(例：数100MHz)で振幅変調したレーザ光を物体に照射し、その物体から戻ってきた反射光との位相差を測定することから時間を求め、その時間に光速をかけることで、測定物までの距離を求めることができます。
• 位相差検出方式でリアルタイムに得られる位相差は僅かで、そのままでは計測困難なため、基本周波数で変調されている反射光とは、僅かにずれた局発周波数(PLL によって発生)とをミキシングして、ビートダウンし、位相差を拡大して精度良く測定しています。
• 更に、測定距離を伸ばし、分解能を上げるため、基本周波数は２～３種類切り替えて測定しており、それぞれから得られるデータをつなぎあわせて、１つの距離データとしています。そのため、測定時間は0.1s 程度に制限されますが、プロセス用タンクの液面制御であれば問題になることは少ないでしょう。
• 光源にはDVDやCDなどに使われる半導体レーザ(可視光)です。照射ポイントが肉眼で確認でき、設置時に大変便利です。
• レーザはスポット径が小さく、理想的な平行光が作れるため、狭いところでの測定やピンポイント測定に適しています。

TOF方式(Time of Flight方式)

• 位相差検出方式に比べ原理は簡単ですが、使用する回路や素子には高い技術が要求され、レーザを使ったレベルセンサの中でも比較的新しい製品です。
• 立ち上がり時間が数nsで、光ピークパワーが数10Wの超短パルスを測定物体に向けて照射し、その超短パルスが測定物体で反射して受光素子に戻ってくるまでの時間tを測定します。この時間tを測定して、物体までの距離をL、光速をcとすると、L=(c×t)/2・・・・(8.1.2)距離Lは式(8.1.2)から求まります。距離分解能1cmを得るには約70psの時間測定が必要で、電子回路、半導体レーザ素子、受光素子など、超高速性が要求され、位相差方式と比べて小型化や低コスト化は難しくなります。
• TOF方式のレベルセンサは大きな光ピークパワーが必要なため、赤外光のレーザが使われます。そのため測定ポイントの視認はできず、別途可視ガイドレーザ光やスコープが付いています。

三角測距方式

• 三角測量法を使って距離や変位を測定する方式で、主としてFAの分野で使われています。液体・粉体などの原料レベル計測というよりは、小さな物体までの距離や厚みなどの形状測定に使われることが多いです。
• 原理的に長い距離の測定には不向きですが、現在では、2mの測定レンジをもつセンサも登場し、FA用途のレベルセンサとしては、十分な測定レンジとなっています。
• 測定分解能は位相差検出方式、TOF方式に比べ優れており、0.1mm以下の測定が十分に可能な精度を持っています。また、応答性も1ms以下で十分に早いと言えるでしょう。
• 測定物にレーザ光を垂直に照射し、物体から乱反射して返ってくる光の一部をレンズで集光し、位置センサ(例：CMOS)上に結像させます。測定物までの距離が変わると、位置センサ上の受光位置も変わるため、この位置センサ上の受光位置を特定することで、測定対象物までの距離を求めることができます。
• 液体がきれいな水の場合、乱反射しないため測定が困難となります。また、液面が波立つと、レーザの反射光が受光レンズに入光しないため、測定が困難です。

レーザクラス

レーザ式レベルセンサを選択する場合、レーザの危険性を十分認識しておく必要があります。レーザ製品の安全性を規定するIEC規格(IEC60825-1-Safety of Laser Product)でクラス基準及びクラス判定基準が改定されています。日本のJIS規格(JIS C6802)もこれに準じて規定されています。

レーザクラス分類(JIS C 6802:2011)

レーザ製品を扱う上で、ユーザとして具体的な安全対策を採らなければならない内容を以下に示します。

EN60825-1 レーザ機器使用者への留意事項

※実際の適用については必ず規格原文を参照してください。

他の非接触レベルセンサとの比較

レーザ式レベルセンサと非接触式レベルセンサの超音波式、電波式との主要なスペックの比較表を掲載します。

スペック比較

レーザ式レベルセンサの各方式の特徴

レーザ式レベルセンサの各方式の特徴を以下に示します。測定方法により測定距離や精度、応答性、安全性も異なってくるので、アプリケーションを良く検討して選択する必要があります。

特徴比較

フィルターガラス

レーザ放射口のフィルターガラスがが結露したり汚れたりすると、レーザ光が出射されなかったり、乱反射して検出できないため、エアパージなどの対策を講じる必要があります。

攪拌や液投入時などに、液が跳ねてフィルターガラスに付着するとご検出につながるため、十分な距離を離す必要があります。

泡・波立ち

液面が波立っていたり泡立っていたりすると、レーザ光が乱反射し、受光できない場合があります。導波管を使うなどして対策が必要です。

透明な液体

透明な液体はレーザ光の反射率が低く、測定が困難です。液面にフロート(浮子)を浮かべればそれを検出可能です。

乱反射・外乱光

サニタリ用などでタンク内部が鏡面仕上げの場合、レーザ光がタンクに当たり、その反射光が乱反射して測定不能になることがあります。また、直射日光や、蛍光灯、その他照明などの光源によって受光素子が飽和してしまうことがあります。

耐圧

レーザ式レベルセンサの耐圧使用はほとんどが大気圧使用に限定されます。もし、減圧／加圧タンクで使用するならば、ガラス窓越しなどタンクの外から使用します。

ガラス越し

レーザ式レベルセンサであればガラス越しの測定は、ガラス面での正反射光が受光素子に入らないように角度を調整する必要があります。そのセンサの光学配置を確認して、設置する必要があります。