静電容量式センサー 液位検知 導入：タイ工場の選定・RFP・受入試験

タイの工場で樹脂タンクの液切れや満杯を検知したいとき、「非接触で後付けできる」という理由だけで静電容量式センサーを発注すると、現場で動作が不安定になることがあります。静電容量式センサーによる液位検知の導入では、液体、容器壁、取り付け距離、汚れ、洗浄、配線、制御の組み合わせを先に確かめる必要があります。本稿は製品カタログの比較表ではなく、タイ工場の購買・生産技術・保全が同じ条件で見積もりを比較し、FAT/SATで判断できるようにする実務ガイドです。

最初に「何を検知したいか」を一点で定義する

液位という言葉は一つでも、要求は少なくとも三種類あります。第一は下限・上限など指定位置に液が「ある／ない」を知る点検知です。第二は残量を段階的に表示したい多点検知です。第三は液面の高さを連続値として読みたい連続測定です。必要なのがポンプ空運転防止の下限接点なら、連続測定器のデータを集めること自体は目的ではありません。一方、毎日の補充量を予測したいのに一点の接点しか買わなければ、運用要求を満たせません。

メーカーの公開情報にもこの差が明確にあります。AutonicsのCPシリーズは円筒形の静電容量式近接スイッチで、液位の有無などの点検知に使える製品群です。同社は最大検出距離を「最長25 mm」と記載しますが、これは全型式・全媒体・全壁厚で25 mmの検出を保証する意味ではありません。IO-Link対応型式と標準型式も分かれます。一方、ifmのKQ10は非金属タンク外側での連続液位測定をうたう別のセンサーです。点スイッチに連続値を期待したり、連続センサーの仕様を点スイッチ全般へ転用したりしてはいけません。製品例は機能分類を説明するためで、特定製品の採用推奨ではありません。Autonics CP、ifm KQ10。

調達票の最初の行は「高さ何mmの液面を計る」ではなく、実際に制御を変える判断にします。たとえば「タンクAの液面が下限位置を下回った状態を検出し、ポンプ始動要求を禁止し、HMIに原因を表示する」。満杯防止なら「上限を超えたら供給弁を閉じる」と書きます。ただし、この信号を設備安全の独立した保護層として扱うかどうかは別のリスク評価と設計が必要です。一般の液位検知スイッチを、そのまま人身安全機能や法令上の保護装置とみなさないでください。

非接触の静電容量式液位検知が成立する境界

静電容量式の検出は、センサー周辺の誘電特性の変化を利用します。非金属容器の壁越しに中身を検知できる構成がありますが、「非接触」はセンサーが液体に触れないという意味で、あらゆるタンクで壁越しに検知できるという意味ではありません。金属壁、厚い壁、取り付け部の空隙、低誘電率の媒体、泡、付着物、隣接した金属部品は、選定や感度設定に影響します。ifmは容器材と媒体の誘電率の関係、壁厚、低誘電媒体での注意を設置ガイドに明記しています。ifm設置ガイド。

Balluffは電池製造における原材料・電解液容器の点検知例として、非金属容器越しのBCSセンサーを紹介しています。導電性媒体と一定壁厚という条件を示しており、「10 mmまで」といった値も指定製品・条件に結びついています。別メーカーの別型式に壁厚値を横滑りさせてはいけません。Balluff用途例。

タンクと媒体を一組の測定対象として記録する

現場調査では、タンクの材質名だけでなく、メーカー・型番、肉厚の実測値と公差、曲率、溶接部やリブ、外装カバー、センサーとの隙間を記録します。液体については名称、濃度や配合範囲、温度範囲、導電性・誘電率について入手できる技術データ、粘度、泡立ち、沈殿、洗浄液への切替、容器内側の残膜を記録します。「水で動いた」という試験結果は、油、樹脂、溶剤、高濃度液の採用根拠にはなりません。同じ製品でも供給会社やロットで配合が変わるなら、最悪条件のサンプルを用意します。

検出位置には、タンク満杯時の自由表面と泡層、ポンプ吸入口、配管戻り口、攪拌翼、補充時の流れを重ねます。戻り配管の直下に置いたセンサーは液面の変化ではなく流滴を拾うかもしれません。空に近いタンクでは壁面に残った液が「液あり」に見えることがあります。取り付け位置を決める前に、空・目標下限・通常運転・満杯・排液直後・洗浄直後を写真と動画で記録し、どの状態を正解とするか合意します。

「泡や付着に強い」を型式と条件で限定する

メーカーが泡や付着物の補償を説明していても、その効果をすべての静電容量式センサーに一般化してはいけません。BalluffはSmart Levelの特定構成で泡や付着物への対応を説明します。ifm KQ10には壁面付着の監視機能の説明があります。しかし洗浄剤の膜、結晶、固着物、混合媒体が現場でどう見えるかはFAT/SATで確かめる必要があります。感度を上げて液を拾いやすくすると、残膜も拾いやすくなる可能性があります。逆に付着物を無視する設定が薄い液体の検出を損なうこともあるため、上下双方の境界試験が必要です。Balluff技術概要、ifm技術概要。

非接触液位センサーの選定表を、価格表より先に作る

方式の切替を提案できるRFPにする

技術を比較するときは、まずセンサーが容器に触れてよいか、タンクに穴を開けられるか、上部に空間があるか、内部の攪拌・泡・蒸気・洗浄がどう変化するかを確認します。非接触が必須なら、容器の外壁に付ける方式と上から液面を見る方式でも制約が違います。上部に配管や蓋が密集していれば上方計測が難しく、外壁が金属なら壁越し静電容量式の前提が崩れます。接液が許されても、食品・薬品で洗浄性や耐薬品性の審査が必要なら、その工数を価格に入れます。したがってRFPには「静電容量式で不可なら理由と代替案を回答」と一行を設けると、供給者が不適合を隠して同等品と称する誘因を減らせます。

判定する位置の機械的な再現性も購買条件です。タンクがパレットごと交換される工程では、壁の同じ高さにセンサーが当たる治具を設けるのか、タンク側へセンサーを固定して電気コネクタだけを着脱するのかで、故障モードと作業費が変わります。保全担当が手袋を着けたまま位置を戻せるか、洗浄後の水滴が治具に溜まらないか、フォークリフトや台車がケーブルに当たらないかも確認します。図面上の取り付け位置が現場で再現できなければ、FATで得た検出余裕は量産条件で維持できません。

また、候補の比較点を「感度が高い順」にしないでください。感度は対象液の検出と背景物・残膜の無視の両方を満たす必要があります。閾値を変えたときの余裕幅が狭い場合、温度や配合変動が入った量産で不安定になる可能性があります。供給者には、複数条件での最小余裕、設定手順、再設定が必要になる条件を説明してもらいます。メーカーの「最大検出距離」はこの現場余裕の代わりにはなりません。

候補技術は静電容量式だけではありません。上から液面を見る超音波や光学、タンク内に入れる電極・フロート、圧力式、重量計なども対象になります。比較は「最安のセンサー」ではなく、制御目的と環境条件に対する適合性から始めます。金属タンクの外側から壁越しに検知したい、媒体の誘電差が小さい、壁厚や付着状態が管理できないなら、外付け静電容量式を前提に見積もりを揃えること自体が誤りです。代替方式の設置・衛生・保守・工程停止のコストも含めて比較します。

価格を比べる前に、この表の空欄を埋めます。「液体対応」「IO-Link対応」の二語だけで同等品と判断しないことが重要です。検出距離は製品の定格と実現場の余裕を分けてください。カタログの最大値が壁厚と空隙の単純な足し算で使える保証もありません。指定型式の取扱説明書、設置条件、試験結果を契約添付にします。

IO-Link液位センサーを選ぶ条件

IO-Linkが役立つのは、型式が対応し、IO-LinkマスタとPLC側の統合、IODD、パラメータ管理、保全手順まで用意できるときです。IO-Link CommunityはIODDが識別、設定可能なパラメータ、プロセスデータ、診断データ、通信特性を記述すると説明しています。ただし提供される実データ項目は個々のデバイスのIODDとマニュアルで確認する必要があります。IO-Linkという接続方式だけで「連続液位」「付着診断」「自動再校正」が必ず得られるわけではありません。IO-Link IODD。

一つの下限警報しか必要なく、交換時に手動調整でき、既存PLCの入力が足りているなら、標準出力型も候補です。複数のタンクや多品種レシピを管理し、交換時設定の再現や診断を重視するならIO-Link型を比較します。関連するデータ統合の全体像はIO-Linkセンサーデータ統合の記事にあります。本稿で決めるのはネットワーク一般論ではなく、どのタンクのどの液を検知し、その試験証拠をどう受け取るかです。

タイ工場向けRFP：供給者が同じ条件で答えられる文面

RFPには「対象タンクの図面と写真」「媒体リスト」「制御機能」「受入条件」「作業範囲」「除外事項」を一緒に入れます。以下は文面例です。実設備の条件に合わせて数値を確定し、承認してから配布してください。

対象は樹脂タンクAの下限および上限の点検知である。媒体は別紙に記す通常品、最も低い誘電特性を示す品、洗浄液の三群とする。供給者は各媒体の空・下限直下・下限直上・上限直下・上限直上・排液直後・洗浄後について、指定型式、設置位置、感度設定、出力、遅延、試験方法を示す。適用できない媒体または壁部位があれば見積書に明記する。

さらに、配線図、PLC I/O割付、通常時と断線・電源喪失時の出力、電源投入時の初期挙動、センサー交換後の再設定方法、保全アクセス、予備品の国内在庫とリードタイム、保証条件を求めます。制御への接続が既設PLCプログラム変更を伴う場合は、変更権限、バックアップ、差分レビュー、ロールバック、停止時間を別行で見積もらせます。機器代だけの見積書と、PLC改造・SAT・教育込みの見積書を単純比較しないようにします。

機能仕様を正常時・異常時・復旧時に分ける

下限検知がONになったときにポンプを止めるのか、始動だけを禁止するのか。上限ONで供給弁を閉じるのか、オペレーター確認を求めるのか。信号がチャタリングしたときの遅延やヒステリシスはどこに置くのか。電源喪失や配線断で入力が固定した場合、PLCはどう表示し、次の運転要求をどう扱うのか。これらはセンサーの型番からは決まりません。設備の状態表で合意し、点検知と制御の責任を分けます。

「異常時は安全側」という一文だけでは、液漏れ防止と空運転防止のどちらが優先か分からない場合があります。異なるリスクを持つ上限・下限を単一スイッチに兼用させないこと、必要なら独立した保護を設けることを設備リスク評価で決めます。水処理ライン全体のポンプ・弁・PLC・SCADAの設計論点は水・排水自動化の記事で扱っています。ここでは容器壁越しの一点検知と、その検証に範囲を絞ります。

調達比較表で除外事項を見えるようにする

提案書には、候補型式と代替型式、供給者が想定する壁厚と媒体、必要な取付治具、ケーブル長、PLC入力の変更有無、IO-Linkマスタの有無、パラメータ保存方式、FATサンプル数、SAT期間、現地教育、交換品、保証対応、除外事項を同じ列で並べます。「現地確認後に決定」は許しても、確認費用と決定期限と条件不適合時の代替案を空白にしないでください。

担当者を製造・保全・生産技術・品質・購買・制御ベンダーに分け、承認が必要な判断も記します。媒体変更を誰が知らせるか、洗浄レシピ変更後の再評価を誰が起動するか、設定値を誰が変えられるかが決まっていないと、導入日のFAT合格が運用保証になりません。設定変更には変更理由、変更前後値、試験結果、承認者を残します。

FATとSATで「検知した」を証拠に変える

FATはベンダー側の治具や実タンク片を使って、型式と設定の妥当性を先に潰す試験です。SATは工場の実タンク、実配線、実液、実温度、実洗浄・補充操作で確認します。どちらも一回の点灯動画では不足です。試験ごとに試験ID、タンク・媒体・ロット、温度、壁厚、位置、設定値、液位の正解、センサー出力、PLC/HMI結果、時刻、担当者、写真またはログ、合否を残します。

受入値の例として「指定した全媒体の下限付近を各30回往復し、誤判定0件、PLCの状態遷移は仕様内」と書くことはできます。ただし30回は説明用の仮定であり、統計的な信頼性保証を意味しません。必要試行数、温度・ロットの分布、誤検知許容値は工場のリスクと停止損失から決めます。連続液位測定を採用する場合は、点接点の合否表では足りず、測定レンジ、許容誤差、校正点、ドリフト、表示更新を別に定義します。

SATでは、補充直後、交代勤務、保全洗浄後、タンク交換後を含めます。実液を使えないFAT項目があれば「未検証」としてSATへ移し、受入書の署名前に閉じます。オペレーターが見た警報名と、保全が見た実信号、PLCプログラムの状態を同じ試験IDで紐付けます。異常が出たときは感度値だけを変更して終わらせず、媒体・壁・取付・配線・PLC入力のどこが原因かを切り分けます。

受入判定を保留する条件も先に合意する

試験の一部が不合格でも、生産都合でその場で設備を動かすことはあります。その場合「暫定運用」は正式な受入と区別します。どのタンク・媒体・運転モードで暫定使用するか、オペレーターが何を目視確認するか、どの異常で停止するか、是正責任者と期限、再試験日を残します。警報を無効化して運転を続けるなら、権限と代替の監視方法を設備責任者が承認しなければなりません。期限のない暫定措置を横展開の標準として扱わないことが重要です。

逆に、工場側の試験準備不足で実液や停止時間を用意できなかった場合も、供給者を一方的に不合格にはできません。未実施項目、必要な資源、再試験の費用負担と日程を記録します。FAT/SATの合否を曖昧な「概ね良好」にせず、合格、不合格、未実施、条件付きの区分で残すと、購買の支払判断と現場の稼働判断が同じ記録を参照できます。

高温や腐食性の媒体を扱う場合は、センサーが液体に触れない構成でもケーブルや接着剤、取付金具が周囲環境にさらされます。材料の適合と洗浄手順、装置の防爆・安全要求など、現場固有の条件を供給者の書面で確認してください。非接触という理由だけで電気・機械的な設置条件を省略しないでください。

保全に引き継ぐ記録

引き渡しファイルには、センサー型式、シリアル、取り付け位置の写真、距離・角度、治具図、タンク仕様、媒体一覧、配線図、PLC I/O、閾値・ヒステリシス・遅延、IODDとマスタ設定（該当時）、FAT/SAT生データ、異常・洗浄・交換手順、予備品表を入れます。設定値を紙だけに書いても交換機に移せません。デバイスのパラメータバックアップができる場合も、交換後に媒体を使った現場確認が要るかをメーカー文書と試験で確認します。IO-Linkの一般的な置換機能が、個別現場の校正を自動で代替するとは限りません。IO-Link System Description。

90日PoC：小さく試し、量産条件まで広げる

境界条件を意図的に通す試験計画

PoCの試験日を「工場がいつも通り動く日」だけにすると、最も知りたい不安定条件を見逃します。実際の導入では、早朝の低温、日中の高温、供給元の違う媒体、タンクの交換直後、洗浄直後、稼働が始まったばかりの泡、長時間停止後の残膜など、異なる条件を試験予定表に予約します。危険物や食品の実媒体を使う際は、工場の手順と許可に従います。工場の制約で試せない状態があれば、評価書には「合格」と書かず「適用範囲外／未評価」と書きます。

位置によるばらつきも無視できません。同じ型式をタンクAとタンクBへ取り付けても、壁の肉厚、補強リブ、曲面、センサーとタンクの固定方法が違えば同じ設定値を使えるとは限りません。PoCでは一つの代表タンクを選んだ理由を記し、横展開時はタンクを「同一構造」と判定する条件を文書化します。図面が同じでも、現物の肉厚と固定隙間は抜き取りで確認します。後で容器サプライヤーが変わった場合に再評価を発動するトリガーも決めます。

また、点検知の誤りには二方向あります。液がないのに「あり」となる偽陽性は空運転を招き、液があるのに「なし」となる偽陰性は不要停止や補充作業を招きます。上限では影響が逆になることもあります。両方をまとめて「精度」と呼ぶと、供給者と工場が違う失敗を想像します。RFPとPoCには、下限・上限それぞれで偽陽性、偽陰性、持続時間、制御結果を分けて書きます。チャタリングを時間遅延で隠すなら、遅延がポンプや弁に許されるかも確認します。

変更管理をPoCの出口に含める

工場の立ち上げ時には、作業員が誤報を嫌って感度やPLC側の遅延を変えることがあります。変更の履歴がなければ、90日後の試験結果がどの条件の結果か分からなくなります。設定の初期値、変更値、変更日時、変更理由、権限者、変更前後の試験IDを同じ台帳で管理します。IO-Link型でも、マスタから書ける範囲と現場で再校正が必要な範囲を分けます。設定値を遠隔で戻せることと、媒体との物理的な適合を再確認できたことは同じではありません。

PoCの終わりには、工場が自分で予備品を交換し、設定を復元し、空と満の試験を記録する演習を行います。供給者しか交換できないなら、故障時の停止時間と現地支援の費用を総保有費用に入れます。操作説明会への出席記録だけでは引継ぎの証拠として弱く、交換作業を担当する人の実演記録が有効です。

「一つのタンクで一日動いた」を全工場の採用判定にしないため、90日を三つのゲートに分けます。以下の期間は計画例であり、工程停止やサンプル調達の都合で調整します。

PoCのKPIは「センサーが何個ついたか」ではなく、誤った空・満判定、未検知、停止分数、材料廃棄、保全工数、交換復旧時間で表します。ログには正解液位を独立に採る手順が必要です。センサー自身の出力を正解として評価すると、誤検知を検出できません。目視の基準目盛、秤、工程の投入・排出記録などを使い、測定の不確かさも記します。日々の運転条件が偏れば、PoC合格の適用範囲を限定して横展開前に再試験します。

Go/No-Goは「全受入項目が合格」「未解決の重大異常がない」「保全部門が交換・復旧できた」「想定媒体と容器に適用範囲が明示された」「導入後コストに納得した」を同時に満たす形にします。満たさないときは方式変更、位置変更、機械的保護の追加、適用タンクの限定を選びます。センサーが不適合という結果も、量産前のPoCなら有益です。

導入費用：機器単価ではなく5年間の作業を数える

以下は比較方法を示す仮の数字です。タイの市場価格、実見積、投資効果の保証ではありません。例として、樹脂タンク10基、各2点、計20点を導入するとします。センサー1点4,000 THB、治具・配線1点2,000 THB、PLC/HMI改造と試験を一式90,000 THB、FAT/SATと教育を50,000 THBと仮定します。初期費用は20×(4,000+2,000)+90,000+50,000=260,000 THBです。予備品2点を各4,000 THBで持つなら268,000 THBになります。実際には型式、輸入、停止工事、制御変更、検証範囲で大きく変わります。

運用費は、年2回の点検に2時間×2人×10基、社内工数300 THB/人時を当てれば、2×2×2×10×300=24,000 THB/年です。これは仮定で、洗浄頻度や交換頻度を含みません。5年総額の簡易式は「初期費用＋5×(点検＋交換品＋予定外停止＋再校正)」です。予定外停止をゼロと置くと比較が甘くなりますが、根拠のない削減額を確定便益として入れるのも避けます。PoCで基準期間の空運転、溢れ、材料ロス、再作業の件数と費用を記録し、導入後に同じ定義で比較してください。

たとえば基準期間の年間損失を200,000 THB、導入後の残存損失を80,000 THB、年運用費を30,000 THBと仮定すれば、年純便益は90,000 THB、単純回収期間は268,000÷90,000≒3.0年です。ただし損失差がセンサーだけによるものか、運転条件や作業改善も効いたのかを確認しなければ因果は言えません。最悪条件では便益がゼロ、媒体変更で再設計が必要になるシナリオも比較表に載せます。決裁者が知りたいのは一つの「ROI」より、何が変われば採算が崩れるかです。

FAQ：静電容量式センサーの液位検知を導入する前に

樹脂タンクなら非接触で必ず液位を検知できますか？

できません。樹脂の種類、壁厚、曲率、センサーとの隙間、媒体の誘電特性、金属の近接、付着物が影響します。型式を決め、実容器と実液の最悪条件で境界試験を行います。金属タンクの外側から同じ方法をそのまま使えるとも考えないでください。

静電容量式センサーは液量を連続測定できますか？

点検知用の近接スイッチは、通常、設定した位置での有無を出力します。連続測定には、その機能を明示した別製品を選びます。Autonics CPとifm KQ10は用途を混同しないための例です。見積書に「点・多点・連続」の別と出力値の意味を書かせてください。

IO-Link液位センサーならPLCの改造が不要ですか？

そうとは限りません。マスタ、電源・ケーブル、IODD、PLCデータマッピング、警報・表示、保全設定の変更が必要になる場合があります。標準出力型とIO-Link型を、センサー本体以外の費用を含めて比較します。

泡やタンク壁の付着物は誤検知になりますか？

媒体と製品・設定次第です。補償機能を持つ型式もありますが、一般的な性能保証ではありません。排液後の残膜、洗浄剤、泡の密度と持続時間を試験表に入れ、許容する誤判定を数値で決めます。

FATとSATの違いは何ですか？

FATは供給者の試験環境で候補方式と設定を検証し、SATはタイ工場の実タンク・配線・液・操作で確認します。FATで再現できなかった条件は、未検証としてSATの試験項目へ明示します。

RFPに最初から型番を指定すべきですか？

既設設備との互換や保守標準があるなら候補型番を指定できます。ただし「または同等品」の判断には、媒体・壁厚・出力・故障時挙動・受入証拠を共通条件にする必要があります。適用可否が不明なら、型番固定より先に実サンプル試験を要求します。

まとめ：買うのはセンサーではなく判定の再現性

静電容量式センサーによる液位検知は、非金属タンクの外側から点を監視したい場合の有力候補です。ただし成立する条件は、媒体・壁・取り付け・汚れ・制御と型式の組み合わせで決まります。点検知と連続測定を分け、非接触という語を適用保証と解釈せず、実液・実容器の境界条件でFAT/SATを実施してください。RFPには機能だけでなく、異常時、交換後、保全引継ぎまで書くと、価格差の理由が見えます。

タイ工場で「この樹脂タンクと液体なら外付け点検知を試せるか」という検討段階でも、対象媒体と容器図面、希望する警報・制御を整理するところから相談できます。TOMAS TECHへのお問い合わせをご利用ください。

参照した一次資料

• Autonics CPシリーズ（製品仕様と型式）
• Balluff：電池製造の容器液位点検知
• Balluff：容器外側からの静電容量式検知
• ifm KQ10：連続液位センサーの用途
• ifm KQ10：設置ガイド
• IO-Link Community：IODD
• IO-Link Community：システム説明書