圧力センサーは、気体または液体の圧力を検出または監視し、この情報を測定された力を監視または調整するために使用できる電気信号に変換する電子機器です。圧力センサーの機能は、採用されている技術によって異なります。この記事では、圧力センサーに関する関連技術情報と、CUI Devicesが導入した圧力センサーの機能について説明します。
圧力測定の定義と関連用語
圧力センサーを理解するには、まずいくつかの重要な定義を理解する必要があります。圧力は、気体または液体が単位面積に及ぼす力の大きさであり、P = F / Aという式で表されます。圧力の従来の単位はパスカル (Pa) で、1平方メートルあたり1ニュートン (N) として定義されます。圧力は、流体の膨張を防ぐために必要な力として定義することもできます。センサーは、物理量（力、温度、長さ、圧力）を検出または測定し、通常はそれを電気信号に変換するデバイスです。
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や圧力トランスミッターと同じ機能を実行するため、これらの用語は互換性があることが多いです。ただし、違いは出力信号の種類にあります。圧力センサーは力を検出し、加えられた圧力の強さに関連した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、圧力トランスミッターは検出された力をミリアンペア (mA) 単位で測定される電流出力に変換します。
圧力センサーは監視および制御アプリケーションで広く使用されています。日常的に使用される圧力センサーは、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、さまざまな用語で呼ばれます。使用される名前に関係なく、これらのデバイスはさまざまなアプリケーションで圧力を監視および制御するために使用されます。圧力センサーは、直接的な圧力測定の他に、流体/ガスの流量、速度、水位、高度などの他の変数の間接的な測定にも使用できます。
圧力測定と圧力センサーを扱う場合、いくつかの用語を理解する必要があります。使用するアプリケーションの種類などの要因が、測定精度やシステム パフォーマンスに影響を与える可能性があります。したがって、海面での局所的な大気圧など、圧力測定中の環境上の考慮事項も考慮する必要があります。
- 最初の一般的な用語はゲージ圧力であり、これは局所的な大気圧または周囲圧力に対する圧力測定を指します。表示される圧力は、現地の大気圧よりも高くなるか低くなります。
- 別の用語は絶対圧力で、これはゼロ圧力または真空の基準に対する圧力測定です。測定場所に関係なく、絶対圧力センサーを使用した圧力測定は一貫している必要があります。
- 差圧とは、システム内の2点間の圧力差を指し、パイプ内の液体またはガスの流れを測定するためによく使用されます。
- 真空圧測定は、周囲圧力または局所大気圧と比較した負圧範囲です。
- 最後に、複合圧力測定は正圧と負圧または真空を組み合わせたもので、基本的にはゲージ圧と真空圧の組み合わせになります。
圧力を測定するために使用される技術
この基本的な力を検出するために使用されるさまざまな技術の数は、特に半導体の登場により増加し続けています。主要な圧力測定技術とその使用方法を簡単に説明します。
- ポテンショメトリックは、ブルドン管に接続された抵抗装置を使用する一種のスライドアームです。圧力が変動するとアームが動き、抵抗装置によって力の大きさに基づいて相対信号が生成されます。
- ひずみゲージは、圧力を電気抵抗の変化に変換する技術です。この抵抗は、加えられた力に応じて変化するため、測定することができます。
- 静電容量式は、コンデンサプレート間のダイヤ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する技術です。
- 誘導型は、磁気コアに接続されたダイヤフラムの小さなたわみを検出する技術です。これによりコアが直線的に動き、誘導電流が変化して電気信号に変換されます。
- 圧電素子は、石英またはセラミック材料によって生成される圧縮量と、それに加えられる外部圧力を検出します。この技術は、伸張された材料の電気抵抗の変動を利用して圧力を測定します。
- 共振は、振動板に収められた振動ワイヤの共振周波数を検出し、それを電気信号に変換します。
- 光学的には、圧力の上昇によって次第に遮断される光源が採用されています。この光の変化は、対応する信号を生成するセンサーによって検出されます。光ファイバーセンサーも同様の方法で使用できます。
圧力センサーを理解するには、設計で使用できるさまざまな種類のアプリケーションを調べることも必要です。さまざまな環境やアプリケーションの要件に対応できる基本的なタイプを紹介します。
- 真空は大気圧以下の圧力を測定するために使用されます。これは通常、圧電技術を利用するか、定義された空間内のガスの体積を測定することによって行われます。
- Sealedは、基準圧力として海面での大気圧を使用します。
- Ventedは、周囲の気圧に対する相対的な圧力を測定するために使用されます。
- ダイヤフラムは、圧力によって変形する薄くて柔軟な円形の金属板を使用します。
- ひずみゲージは、外力による長さの変化から生じる抵抗の変化を検出し、それを電気信号に変換します。
- ソリッドステートには可動部品は使用されません。圧力を感知するためにFETなどの半導体スイッチング素子を交互に組み込んでいます。
- 薄膜技術は、圧力によって生じる長さと厚さの変化（変形）に応じて抵抗値を変える抵抗成分を含む薄いフィルムを利用します。
設計における圧力センサーの選択に関する考慮事項
設計に特定の圧力センサーを使用することを決定する際には、システムのいくつかの重要なパラメータを考慮する必要があります。これは、アプリケーションに最適な圧力センサーを特定するのに役立ちます。考慮すべき事項には次のようなものがあります。
- まず、密閉型、真空型、ひずみ型、ゲージ型、圧電型などのセンサーの種類を考慮する必要があります。
- そして、動作圧力の範囲を考慮する必要があります。デバイスは、製造元が指定した安全な圧力範囲内で圧力を検出する必要があります。
- さらに、動作温度の範囲を考慮する必要があります。デバイスは、製造元が指定した安全な温度範囲内で動作する必要があります。
- さらに、デバイスが処理できる最大圧力も考慮する必要があります。これは、センサーが故障するまでに耐えられる圧力の上限を指します。
- 次に、デバイスの出力タイプを考慮する必要があります。これは、設計で機能する圧力センサーからの電気信号出力のタイプ (アナログ/デジタル) を指します。
- 考慮すべきもう1つの点は、デバイスの出力レベルです。これは出力信号の範囲を指し、通常はmVまたはVdcです。
- デバイスの精度とドリフト特性は重要です。センサーにはどの程度の精度が必要で、時間の経過とともに校正された仕様からどの程度変化するのでしょうか?これらはすべて考慮すべき重要なパラメータです。
- デバイスの解像度とは、センサーが検出できる圧力変化の最小の度合いを指します。
- さらに、デバイスの電源電圧を理解する必要があります。これは圧力センサーを動作させるために必要な電圧を指します。
- 最後に、デバイスが使用される環境を考慮する必要があります。圧力センサーがさらされる可能性のある温度、湿度、圧力、液体への暴露、放射線などの外部動作要因。センサーと受信デバイス間の物理的な距離を考慮する必要がある場合もあります。
圧力センサーの認証規格に関しては、現在、圧力センサーの精度を規定する単一の普遍的に受け入れられた規格は存在しません。一部の地域仕様にはIEC 60770とDIN 16086が含まれており、どちらもセンサーの精度に適用されます。ASTM F2070は、汎用圧力センサーの要件をカバーしています。圧力規格に関連する技術規格は通常、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 アプリケーション用のSAE J1347や、産業用圧力センサー アプリケーション用のIEEE 1451.1 ～ 1451.7などがあります。
高品質で多様な圧力センサー
圧力を測定し、その測定値を使用してプロセスを監視および制御することは、多くの製造業やサービス企業にとって重要な要件です。プロセス制御からヘルスケアアプリケーションまで、提供される製品やサービスの品質と安全性を判断するには、流体とガスの圧力を正確かつ確実に検知することが不可欠です。現代の圧力センサーには、さまざまなタイプ、テクノロジー、フットプリント、出力、精度のものがあります。アプリケーションのニーズに最適な圧力センサーを見つけるには多少の労力が必要ですが、高品質の結果が得られます。これらの要件が決定されると、CUI Devicesは、さまざまな圧力タイプと動作圧力範囲を備えた、圧電技術に基づくさまざまな圧力センサーを提供します。
これらのモデルは絶対圧、ゲージ圧、密閉ゲージ圧のタイプを備え、0 kPaから100 MPaまでの圧力範囲を提供します。これらの圧力センサーは温度補正機能も備えており、ステンレス鋼で作られており、Oリング シールが付いています。これらのモデルは、アナログまたはデジタルのI2C出力オプションが用意されており、励起定格は3.3 V、5 V、10 V、または1.5 mAで、3線式、4線式、5線式、または6ピンの終端を備えています。
結論
圧力センサーは、特に産業オートメーション環境において幅広い用途に使用されています。圧力センサーは、製造プロセスに必要な圧力データを検出し、プロセスの安全性を確保し、製品の品質を向上させることができます。CUI Devicesが提供する高品質の圧力センサーは、多様な仕様と製品機能を備えており、産業オートメーション環境のさまざまな要件を満たすことができます。CUI Devicesまたは Arrow Electronics のWebサイトにアクセスして、ニーズに最適な圧力センサーを見つけることができます。