圧力センサの概要

圧力センサーに関する議論を始めるには、いくつかの定義から始めるのがよいでしょう。圧力は、ある表面の単位領域上に液体または気体によって加えられる力の量です。この相対方程式はP=F/Aであり、従来、圧力単位はパスカルです。1平方メートル当たり1ニュートン（N）として定義されます。圧力は、流体が膨張するのを止めるのに必要な力として定義することもできます。センサーとは、物理的な量（力、温度、長さ、圧力）を検出または測定し、通常は電気信号に変換する装置です。

圧力センサーとは？

圧力センサーは、ガスまたは液体の圧力（力）を検出または監視し、その情報を電気信号に変換する電子装置で、測定する力を監視または調整するために使用することができます。圧力センサーの仕組みは、使用する技術の種類によって異なります。この技術については、本記事で後述します。

今日入手可能な多くの圧力センサーは、流体とガスの両方の幅広い範囲で使用できます。ただし、粘度が高い液体や濃度の高い液体には、特別に設計されたセンサーが必要になる場合があります。例としては、紙パルプ、アスファルト、原油、特定の濃度が高いが流動的な食品などがあります。つまり、圧力を測定する必要のあるほぼすべての媒体に適した圧力センサーのタイプがあります。

用語の混乱について

基本的なレベルでは、圧力センサーは圧力トランスデューサーまたは圧力トランスミッターと同じタスクを実行するため、この用語はしばしば同義で使用されます。ただし、これらの違いは出力信号にあります。

圧力センサーは力を検出し、それを作用する圧力の強度に相対的な出力信号に変換します。圧力トランスデューサーは、検出された力を連続電圧出力（V）に変換します。圧力トランスミッターは、検出された力を電流出力（ミリアンペア（mA））に変換します。

日常的な使用において、圧力センサーは、例えば圧力トランスデューサー、圧力トランスミッター、圧力センダー、圧力インジケーター、ピエゾメーター、マノメーターなどと呼ばれます。名称を問わず、これらの装置は、多数の用途における圧力の監視および制御に使用され、流体/ガス流量、高度、水位などの他の変数の測定にも使用することができます。

圧力測定の種類

圧力測定と圧力センサーを扱う際には、理解しておくべき用語がいくつかあります。アプリケーションに使用されるタイプは、測定精度、特にシステム性能に対しては明らかに影響を与える可能性があります。これらは、海面気圧などの基準に対する圧力の測定方法に適用されます。

1つ目はゲージ圧です。これは、局所気圧または周囲気圧に対して測定された圧力です。表示された圧力は、局所大気圧よりも高いか低いかのいずれかです。

もう一つの用語は、絶対圧力です。これはゼロ圧力または真空の基準に対して測定される圧力です。絶対圧力センサーを使用した圧力測定は、どこで測定されたかに関係なく同じです。

差圧とは、システム内の2つのポイント間の圧力の差を指し、パイプ内の液体またはガスの流れを測定するために一般的に使用されます。

真空圧力は、周囲または局所の大気圧と比較して、陰圧範囲を測定します。

最後に、複合圧力は正圧と負圧、または真空の両方を測定するので、基本的にはゲージ圧力と真空圧力を組み合わせたものです。

圧力測定に使用される技術

圧力の検出、理解、測定は、基本的に1500年代後半のガリレオと1600年代半ばのトリチェッリの功績から始まりました。最初の圧力計であるブルドン管は、1849年に発明されました。最初の電気出力の圧力トランスデューサが発表されるまでには、1930年まで待たなければなりませんでした。それ以来、このベーシックな力を検出するために多数の異なる技術が使用されてきましたが、特に半導体の出現とともにこの技術はようやく開花しました。主な圧力測定技術とその使用方法について簡単に説明していきます。

• 電位差測定：抵抗デバイス（ポテンショメータ）と、ブルドン管に接続されたスライディングアームを使用します。圧力が変化するとアームが動き、力のレベルに基づいて電位差計によって相対信号が生成されます。
• ひずみゲージ：印加された力（圧力）を、印加された力によって変化する電気抵抗の変化に変換します。その後、この抵抗を測定することができます。
• 容量性：コンデンサーのプレート間でダイアフラムを圧力で曲げることによって生じる電気容量の変化を検出します。
• 誘導性：磁気コアに接続されたダイアフラムのわずかなたわみを検出し、コア内で直線的な動きを引き起こします。この動きは誘導電流を変化させ、電気信号に変換されます。
• 圧電：石英またはセラミック材料は、外部圧力によって、それに加えられる圧縮量に比例する可変電荷を生成します。ピエゾ抵抗技術は、材料の延伸時の電気抵抗の変化を利用して圧力を測定します。
• 共振：振動ワイヤーをダイアフラムのハウジングに加えると、ワイヤーの共鳴周波数が変化します。これを電気信号に変換されます。
• 光学式：圧力の増加によって徐々に遮断される光源と、光の変化に比例する信号を生成するセンサを採用しています。光ファイバーセンサーは、圧力によって引き起こされる光の経路や位相の変化を測定するためにも使用することができます。

圧力センサーの種類

圧力センサーを理解するには、設計で使用可能なさまざまなタイプのレビューも必要です。以下は基本的なものです（順序不同）。

• 真空：大気レベルを下回る圧力を測定するために使用されます。これらは通常、ピエゾ技術または特定の空間内のガス体積の測定を使用します。
• 密閉型：海面気圧を基準圧力とした気圧を使います。
• ベント：周囲気圧に対する圧力を測定します。
• ダイアフラム：圧力下で変形する薄くて柔軟性のある円形の金属プレートを使用します。

• ひずみゲージ：外力による長さの変化による抵抗を測定し、電気信号に変換します。
• ソリッドステート：可動部品がありませんが、その代わり電界効果トランジスタなどの半導体スイッチ素子を使用して圧力を感知します。
• 薄膜：圧力によって引き起こされる長さおよび厚さの変化（変形）によって抵抗を変化させる抵抗素子を含む薄膜を採用します。

圧力センサーの設計上の考慮事項

特定の圧力センサーまたは設計用のさまざまなセンサーの使用を検討する際に、お客様の用途に最適な圧力センサー製品を特定するのに役立つシステムの複数の動作パラメーターを決定する必要があります。これらの考慮事項には、以下のようなものがあります。

• センサータイプ：密閉、真空、ひずみゲージ、圧電など
• 動作圧力範囲：メーカーの指定に従って装置が動作する安全圧力範囲。
• 動作温度範囲：メーカーの指定に従って装置が動作する安全温度範囲。
• 最大圧力：故障前にセンサーが許容する圧力の上限。
• 出力タイプ：設計で機能する圧力センサー（アナログ/デジタル）から出力される電気信号のタイプ。
• 出力レベル：出力信号の範囲、通常はmVまたはVdc。
• 精度とドリフト：センサーはどの程度正確である必要があるか。また、時間の経過とともに校正済み仕様とどの程度異なるか。
• 分解能：センサーで検出できる最小の圧力変化。
• 供給電圧：圧力センサーを操作するために必要な電圧。
• 環境：圧力センサーが暴露される可能性のある外部動作要因（温度、湿度、圧力、液体への暴露、放射線など）。ここにある考慮事項は、センサーと任意の受信装置との間の物理的距離を含むこともできます。

認証基準

圧力センサーの精度を指定する、普遍的に認められた単一の規格はありません。一部の地域仕様には、IEC 60770および DIN 16086が含まれ、どちらもセンサー精度に適用されます。

ASTM F2070は、一般用途向けの圧力トランスデューサーの要件をカバーしています。圧力基準の使用を対象とする技術基準は、一般に医療機器や自動車などの特定の用途における適切な使用に適用されます。例としては、エンジン用 SAE J1347、または産業用アプリケーションの圧力センサー用 IEEE 1451.1～1451.7などがあります。

概要

圧力を測定し、その測定を使用してプロセスを監視および制御することは、多くの製造業界やサービス企業において重要なニーズです。プロセス制御から医療に至るまで、正確で信頼性の高い流体圧力とガス圧力の検知は、製品またはサービスの品質や安全性を決定する上で極めて重要になります。最新の圧力センサには、さまざまなタイプ、技術、フットプリント、出力、精度があります。アプリケーションのニーズに合った最適な圧力センサーを指定するには、ある程度の努力を要しますが、それによって質の高い結果が得られるでしょう。これらのニーズが決定されれば、CUI Devicesが、複数の圧力タイプと動作圧力範囲を特徴とする圧電技術に基づく圧力センサの製品ラインを提供させていただきます。