タンク計量システムの設計と構造

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1. 序論　センサー付きタンクを製造する際には、いくつかの重要な基本規則に注意する必要がある。例えば、タンクは通常、気候条件や生産に関連する影響に耐えなければならない。新たに屋外の貯蔵庫（倉庫、石炭倉庫）を建設する場合は、建物に関わるため、建築法規を遵守しなければならない。 建築法においては、計量機器の事後改造も重要な変更と見なすことができる。このような場合、推奨されるのは建築エンジニアに相談することであり、建築法規では安全性の観点から原則として「技術的な状態」が定義されている。 例えば、風荷重はドイツ規格DIN 1055の第4部「建築物の負荷」において想定されている。タンクの設計・製造者も、危険物を搭載しフォークリフトでの操作が予定されている場合には、特に会社内の規定も把握しておく必要があり、屋上にあるタンクについても昇降時の保護を常に考慮しなければならない。2. 重量分布：タンクが3つの支持点に支えられ、各支持点にセンサーを1つ設置することで、タンクの重量を正確に測定するためのセンサーの最適な配置が実現される。この状況は静的決定と呼ばれます。そのため、負荷はできるだけ均等に3つのセンサーに分散されるべきであり、縦型または吊り下げ式の円筒形タンクの場合、3つのセンサーがタンクの垂直軸から等距離にあり、かつ平面内で互いに120°の角度をなしているときが最も均一な条件となる。横型および横臥型のタンクの支持点の配置については、図1を参照してください。ある装置においてすべての支持部にセンサーが設置されていない場合は、支持荷重が不均一に分布する方が適しています。 センサー付きの支持体は、センサーなしの支持体よりも多くの荷重を支える必要があり、この措置によって計量機器の精度が向上する。機器の設計やセンサーの選定にあたっては、センサーにできるだけ同じ大きさの負荷がかかるように努めるべきである。図1　横型タンクの支持点の配置 A、B、C。タンクが4点以上で支持される場合、静的な自由度の余剰が生じる。 この適用状況においては、すべての負荷点でセンサーを考慮しなければならない。単一センサー上の負荷を均等に分配するには、取り付けによってのみ実現可能である。この目的を達成するために、まずセンサーの負荷を個別に測定し、明らかな差がある場合は、該当するセンサーの高さを調整する必要がある（金属片を詰めるなど）。原則として、負荷が小さすぎるセンサーは向かい合って設置すべきである。 3. 貯料タンクの重心は、満載時にできるだけタンクの支持点より低くなければならない。この要求は実際にはしばしば実現が難しい。重心が支持点より下にある場合、機構の安定性には有利である。重心の位置は充填量によって変化し、重心位置は必要なセンサーの数に大きな影響を与えます。対称充填下でのセンサーの配置では、重心位置が垂直線上を移動するため、1つのセンサーで計量機器を製造することが可能である。もし充填物の変化により重心が中心線に沿って側方に移動する場合、すべての支持点にセンサーを設置しなければならない。図2は、重心（側方）が変化した際に、すべての支持点にセンサーを設置する必要性を説明している。図2：傾斜した流出板を持つタンクで、その重心位置は充填量によって異なる。4. 貯蔵タンクの積み降ろしなど、インターフェースとしての貯蔵タンクには、例えばタンク内の内容物の投入・排出や、電子式・油圧式・空気圧式などの付属装置など、他のインターフェースが頻繁に必要となる。タンクの積み降ろしインターフェースが追加の力を生じさせ、計量機の測定精度に誤差をもたらす可能性があります。したがって、インターフェースは垂直方向に柔軟でなければならない。図3から図7は、いくつかの適切なインターフェースの形態を示しており、これらは構想段階およびプロジェクト段階で考慮すべき事項である。 接続が柔軟でない剛性管の場合、タンクをできるだけ長い水平管に接続するのが合理的である。水平管は垂直方向には柔軟であり、長さが長くなるほど柔らかくなる。それがセンサーに与える応力は比較的小さく、測定精度には影響しない。 （図3）いくつかの曲げやすい接続管を、長い水平管（図4）の代わりに使用し、変形しやすい弾性素材のホースで接続することで、余分な力を避けることができる。ここでは、弾性材料が容器内の充填物や洗剤に対して受容可能かどうかを検証する必要がある（例えば食品や医薬品技術など）。その他、付加力を低減する可能性としては、アーチ型のチューブを配置する方法がある（図5）。垂直方向にチューブを導入する場合や、重力の方向を測定する必要がある場合、またはホースを使用できない場合には、信頼性の高い配管接続はリブ付きチューブによる補償によって実現される（図6）。しかし、このような補償器を取り付ける際には、非常に小さな変形量を保つ必要がある。2つ目のチューブを使用し、それを1つ目のものとチューブで接続すると、より大きな変形量を許容できます。ヒント：食品産業など、特別な清掃が必要な場所では、リブ付きチューブは使用できません。図7に示されている開口接続のオープン型貨物用短管は、付加力を低減する上で最適であることが示されている。開放型の接続部により管とタンクの間の接触が避けられるが、圧力容器などの密閉系ではこの形式は使用できない。 ヒント：常に注意が必要で、連続するパイプの材質も計量に含まれる。タンクに直接接続されている投入管と排出管は、計量中は重量が一定でなければならない。つまり、パイプは空の状態か、常に満たされた状態のどちらかでなければならない。 図3：長い水平管による接続　図4：弾性管状接続　図5：弧状管　図6：波形管を用いた補償接続　図7：開放型の短い容器　5. 圧力負荷　密閉された装置内では、システムの圧力が計量結果に影響を与える。特に化学工業分野では反応プロセスに高い圧力が必要となるが、一方で集塵装置は粉体状の計量対象物に対して100から300ミリバールの負圧を発生させる。図5および図6のように、パイプが容器内で垂直に接続されている場合、測定部に直接作用する追加的な力が生じる。その影響は圧力と配管の断面積の積に相当し、測定中に圧力が安定している場合、この分を測定時に考慮したり算出したりすることができる。 水平な接続管は有利であるため、垂直な管よりも優先して取り付けられ、この場合、対応する追加的な力は取り付けアタッチメントによって吸収される。6.1 代表的なセンサー取り付け形態　この節では、図解を用いて代表的なタンク構造を示し、関連する具体的な問題点については、該当する章で詳述する。6.1 立式充填タンクでは、液体やバルク貨物などの均質な物体に対し、2つの固定ベースと1つのセンサーを配置することが可能である。条件は、容量構造が対称であり、かつ充填物の重心線が全体の充填過程を通じてほぼ一直線上にあることです。その他の場合、特により高い精度が求められる場合は、3つ以上のセンサーを装備する必要があります。6.1.1 センサーの剛性固定　支持体上にセンサーを単純に剛性に固定する構造は、一般的に推奨されない。この構造では、荷重状態の変化や振動、温度変化によって生じる変形がもたらす測定誤差をセンサーが防ぐことができないからである。6.1.2 2つの支持体と1つのセンサーを備えた立型タンク容器 この測定システムでは、振り子式センサーと2つの固定支持が使用され、これらは同時に立型タンク容器を固定する役割も果たす。この低コストな構造により、センサーの測定誤差がある程度回避される。 図8：センサーを備えた剛性取り付け構造の立型タンク　図9：2つの固定支持部と1つのセンサーを備えた立型タンク
6.1.3　3つまたは4つのセンサーで支持される立型タンク容器
正確な充填状態の測定には、ほとんどの場合3つのセンサーが測定素子として使用される。しかし、直角対称構造では4点配置も見られる。この配置は自由度が多すぎてコストも高くなるため、原理的には最適とは言えないが、一方で設計者にとっては容易に思いつくものである。ダブルロッド式の弾性支持体にはガイドロッドは不要ですが、ほとんどの場合、固定されたリミッターと組み合わせる必要があります。特に高い立型タンクの場合、上部には追加のガイドロッドを設置する必要があり、図例では円形のロッドがより小さな予圧力で予圧されている。この位置にある固定式のストッパーは、わずかな避けられないずれが生じるだけでタワータンクに触れ、その接触による摩擦によって余分な力が生じる。ここでは、一般的にスクロールバーやロープガイドの使用は推奨されません。図10：より高い位置にあるタンク　図11：ベースの上にあるタンク
6.1.4 3種類の異なる計量モジュールを使用したタンク
3つの計量モジュールのガイドロッドが構造物の外縁に接しているため、タンクは特別な措置を講じることなく水平状態を維持できる。同様に、立てたタンクの転倒を防ぐための持ち上がり防止機能も備わっている。これにより屋外での建設時に多くの構造的詳細が不要となり、この図例は小・中・大の負荷を扱う計量モジュールを示しています。 標準的な計量モジュールを使用することで構造を簡素化し、コストを大幅に削減できますが、支持面の平行性や高さの合わせ方などの詳細については考慮する必要があります。6.1.5 計量モジュール上のリム付き垂直タンクを適用する実務において、構造全体の安定性を確保するために、円形の垂直タンクの外殻は一般的に底部まで設けられる。この場合、センサーを正しく取り付けるための特別な取り付け方法が必要となる。図12は、センサーを用いてこの構造を測定する原理を示しており、この方式によって重量がセンサーに導入される。もちろん、重量計測モジュールにも昇降保護機能が備わっている（図12では分かりやすくするために描かれていない）。構造がわずかに持ち上がるだけで、全体の重量をセンサーに導入するのに十分だ。したがって、この構造ではシールするために円形のシールリングが必要であり、それは追加の力を生み出すほど柔軟ではない。図12：リム付き立型タンクの計量モジュール構成 6.1.6 4つのセンサーを備えた充填ステーションの長方形タンク 充填ステーションでは、コンベヤ機構や充填・排出装置からの振動が発生し、さらに計量タンクが可動式装置の一部である場合には加速度の影響で長方形タンクが非常に不安定になる。これに加えて、大量のバルク物質がタンク内に投入され、傾いた側面に落下することで生じる巨大な横方向力も考慮されていない。この場合、予緊力の安定したガイドロッドの固定を事前に検討することが特に重要である。時には計量が不要なときは、秤の容器は固定されたままで、計量時のみ自由になる。直角対称の構造は安定性に非常に有利であるため、多くのセンサーの設置にも採用されている。また、センサーには一般的に、振り子式センサーのような弾性支持体が備わっている。 6.2 掛け下げ式計量タンク　掛け下げ式計量タンクでは、よりシンプルな柔軟な円筒式の引き込み機構を用いて、自己中心化の問題や高さ調整の問題を解消または軽減することが多い。よく要求される落下防止に加えて、揺れや回転を防ぐガイドロッドが必要である。6.2.1 2つまたは3つのセンサーを備えた吊り下げ式計量タンクは、全体的に構造がシンプルなため、より多くの接線方向に配置されたガイドロッドが必要となる。応力が非常に小さい場合には、側面の下部にある管がその役割を担うことができる。図14：2つまたは3つのセンサーに吊るされたタンク 6.2.2 単一センサー中心吊りの構造 この構造には、揺れや回転を防ぐための保護装置が必要である。図15：センサーに取り付けられた計量タンク 6.3 横型タンクでは、ほとんどの場合、液体の重心位置の変化は充填高さと線形の関係にある。したがって、1つのサドルの下にセンサーを、他の2つのサドルの下に固定ベースを取り付けることで、比較的単純な積載状況の測定が可能になる。理想的な水平式タンクでは、重量が二重揺動ピボット式センサーと2つの固定支持部に均等に分散され、通常は他の固定は不要である。長い横型液体タンクの場合、センサーが側方からの力で倒れないように補助的な保護装置を設ける必要があり、例えば機械的な遮止装置を用いてタンクアーム上の2つの端点を制限する。ヒント：実際には、分布の対称性は液体出口側にわずかに傾いた構造によって破壊されがちであり、精密な計量作業においては3つの二重揺動式センサーを配置するのが最適です。その際、水平方向の固定には固定用のガード板を使用するのが望ましいです。図16：C16センサーを搭載した横型タンク（スケッチ）