さまざまな種類の圧力トランスデューサー

産業用または実験用のアプリケーションで使用できる圧力トランスデューサーは、どこにでもあるような数多くの設計になっています。 これには、工業用圧力トランスデューサー、液体圧力トランスデューサー、およびマイクロ圧力トランスデューサーなどがあります。
圧力変換器にはさまざまな形状やサイズがありますが、大半の変換器は、ダイアフラムと測定圧力室を収容する円柱状の中心部と、一端にある圧力ポート（通常はネジ付き、ボルト付き、バーブ付き、またはオープン）、他端にある信号伝送用の場所を備えています。

圧力測定のための機械的方法は、何世紀にもわたって知られてきました。 U字管圧力計は最初の圧力計の1つでした。 もともとはガラスでできていて、必要に応じて目盛りをつけていました。 しかし、マノメーターは大きく、扱いにくいため、自動制御ループに組み込むには不向きである。 そのため、マノメーターは通常、実験室に置かれるか、局所的な指示計として使用される。 使用する基準圧力によって、絶対圧、ゲージ圧、差圧を示すことができます。
差圧変換器は、ベンチュリ、オリフィス、または他のタイプの一次要素にかかる差圧測定用に設計された流量測定でよく使用されます。 検出された差圧は流速に関係し、したがって体積流量に関係する。 現代の圧力トランスミッタの多くの機能は、差圧トランスミッタに由来しています。 実際、差圧トランスデューサーはすべての圧力トランスデューサーのモデルであると考えることができるかもしれません。

「ゲージ」圧力は、大気条件との相対的な関係で定義されます。 英語の単位を使い続けている世界では、ゲージ圧は、単位記述子に「g」を追加することで示されます。 したがって、圧力単位「pounds per square inch gauge」はpsigと略記される。 SI単位を使用する場合は、”Paゲージ “のように、使用する単位に “ゲージ “を付けるのが正しい。 圧力の測定が絶対単位である場合、基準となるのは完全真空であり、”pounds per square inch absolute “の略称はpsiaとなる。

圧力計、センサー、トランスデューサー、トランスミッターという用語が同じ意味で使われることがよくあります。 圧力計という用語は、通常、検出されたプロセス圧力を指針の機械的な動きに変換する自己完結型のインジケータを指します。 圧力変換器は、圧力計のセンサエレメントに機械-電気または機械-空気変換器と電源を組み合わせたものである場合がある。 圧力トランスミッタは、圧力トランスデューサ、その電源、トランスデューサの信号を標準出力に変換するシグナルコンディショナ／トランスミッタという3つの基本コンポーネントからなる標準的な圧力測定パッケージである。
圧力トランスミッタは、アナログ空気圧（3～15 psig）、アナログ電子（4～20 mA dc）、またはデジタル電子信号を使用して目的の圧力測定値を送信することができます。 変換器がデジタル・データ収集システムと直接インターフェースされ、データ収集ハードウェアからある程度離れた場所にある場合、高出力電圧信号が好まれます。 これらの信号は、長距離を移動する場合、電磁波と無線周波数の干渉（EMI/RFI）の両方から保護する必要があります。
圧力トランスデューサーの性能に関する用語も定義する必要があります。 圧力トランスデューサーの精度とは、測定された圧力値の規格への適合性の度合いを指します。 これは通常、フルスケールまたは計器の実際の読み取り値に対するパーセンテージで表されます。 パーセントフルスケール装置の場合、測定値の絶対値が下がると誤差が大きくなる。 再現性とは、同じ変数について連続した数多くの圧力測定値間の一致の緊密さをいう。 直線性とは、圧力の増加に対してトランスデューサーの出力がどの程度直線的に増加するかを示す尺度である。

機械式から電子式へ

最初の圧力計は、センサーとして柔軟なエレメントを使用していました。 圧力が変化すると、柔軟な要素が動き、この動きはダイヤルの前でポインタを回転させるために使用されました。 このような機械式圧力センサでは、ブルドン管、ダイアフラム、ベローズなどがプロセス圧力を検出し、それに対応した動きを引き起こしました。
ブルドン管はC型と呼ばれる楕円形の断面を持ち、その一端がプロセス圧力に接続されている(図3-1A)。 もう一方の端は密閉され、ポインタまたはトランスミッタ機構に接続されている。 ブルドン管の感度を上げるために、ブルドン管は螺旋状またはらせん状に延長することができます（図3-1B、図3-1C）。 これにより、有効角長が長くなり、先端部の動きが大きくなり、変換器の分解能が向上する。

フレキシブルな圧力センサー要素には、ベローズとダイヤフラムも含まれます（図3-2）。 ダイアフラムは、スペースが少なくて済み、生成される運動（または力）が電子トランスデューサーの動作に十分であるため、人気があります。 また、腐食性のある用途の圧力測定には、さまざまな材質のものが利用されています。
1920年代以降、自動制御システムが進化し、1950年代には圧力トランスミッタと集中制御室が一般的になっていました。 そのため、ブルドン管（ベローズまたはダイヤフラム）の自由端は、もはやローカルポインタに接続する必要はなく、プロセス圧を伝送（電気または空気圧）信号に変換する役割を果たしました。 当初、機械的なリンクは空気圧トランスミッタに接続され、通常3～15psigの出力信号を生成し、数百フィート、またはブースターリピータでさらに遠くまで伝送された。 その後、ソリッドステートエレクトロニクスが成熟し、伝送距離が伸びるにつれて、圧力トランスミッタは電子化されました。 初期の設計では直流電圧出力（10-50mV、1-5V、0-100mV）を生成していたが、後に4-20mAの直流電流出力信号として標準化された。
機械的なモーションバランス装置には固有の限界があるため、最初はフォースバランス、後にソリッドステート圧力トランスデューサーが導入されました。 最初のアンボンドワイヤーストレインゲージは1930年代後半に導入されました。 この装置では、ワイヤーフィラメントがひずみのある構造物に取り付けられ、ひずんだワイヤー内の抵抗が測定されます。 この設計は本質的に不安定で、校正を維持することができなかった。 また、ワイヤーフィラメントとダイアフラムの結合の劣化や、ワイヤーの熱弾性歪みによるヒステリシスも問題であった。

ひずみや圧力を測定するセンサーの改良を模索した結果、まずボンディング薄膜、そして最終的には拡散型半導体ひずみゲージを導入することになりました。 半導体圧力センサーは、高感度、安価、高精度、再現性に優れています。 (ひずみゲージの動作については第2章を参照)
空気圧式圧力伝送器は、石油化学工業を中心に現在も多く稼動しています。 しかし、制御システムの集中化、コンピュータ化が進むにつれて、これらの機器はアナログ電子式、さらに最近ではデジタル電子式トランスミッタに置き換わってきています。
トランスデューサの種類
図3は、多くの設計の中から圧力検出器を選択する作業に直面する可能性がある科学者やエンジニアに全体的な方向性を示しています。 この表は、さまざまなタイプのセンサーが検出できる真空と圧力の測定範囲と、使用する内部基準（真空または大気圧）の種類（ある場合）を示しています。
これらのタイプの電子圧力変換器は、産業および研究所のデータ収集と制御のアプリケーションに最も有用であるため、このセクションでは、それぞれの動作原理と長所と短所をさらに詳しく説明しています。

圧力トランスデューサのテクノロジー

ここでは、利用できるさまざまなタイプの圧力トランスデューサについて、それぞれの動作原理や長所と短所を含めて簡単に説明します。歪みゲージ

STRONG GAGEタイプの圧力トランスデューサは、特に狭い範囲の圧力や差圧測定用に広く使用されています。 これらのデバイスは、低圧ポートが大気に開放されている場合はゲージ圧を、2 つのプロセス圧に接続されている場合は差圧を検出できます。 低圧側が密閉された真空基準である場合は、絶対圧トランスミッタとして動作します。
歪みゲージ式変換器は、3インチの低圧から200,000 psig (1400 MPa)までの圧力範囲に使用できます。 精度はスパンの0.1%からフルスケールの0.25%までです。 追加のエラー ソースは、6 か月にわたるフルスケールの 0.25% のドリフトと、1000¡F ごとのフルスケール 0.25% の温度効果です。

静電容量圧力トランスデューサー

静電容量圧力トランスデューサーは、もともと低真空の研究での使用のために開発されました。 キャパシタンスの変化は、ダイアフラム エレメントの動きから生じます。 圧力の種類によって、静電容量式トランスデューサは、絶対圧、ゲージ圧、差圧のいずれかになります。
静電容量式圧力変換器は、ミクロン単位の高真空から10,000 psig（70MPa）までの幅広いレンジで使用できることもあり、広く普及しています。 また、0.01インチという低い差圧も容易に測定することができます。 また、ひずみゲージ式変換器と比較すると、ドリフトが少ない。 より優れた設計では、読み値の0.1％以内、あるいはフルスケールの0.01％以内の精度を持つものがあります。 典型的な温度影響は1000℃ごとにフルスケールの0.25%である。
キャパシタンス型センサーは、特に低差圧および低絶縁圧のアプリケーションで、二次標準としてよく使用されます。 また、ダイアフラムが物理的に移動しなければならない距離はわずか数ミクロンであるため、非常に応答性が高いです。 最新の静電容量式圧力変換器は耐腐食性に優れ、旧来の設計で「読み取りジッター」の原因となっていた浮遊容量や振動の影響も受けにくくなっています。
ダイアフラムの材質はステンレス鋼が最も一般的ですが、腐食性の強い用途では、インコネルやハステロイなどの高ニッケル鋼合金がより良い性能を発揮します。 また、腐食性の強い高温用にはタンタルが使用される。

電位差圧力変換器

電位差圧力センサーは、機械式圧力計から電子出力を得るための簡単な方法を提供します。 このデバイスは、ワイパー アームがブルドン管またはベローズ管に機械的にリンクされている精密ポテンショメーターで構成されています。 ポテンショメーターのワイパーアームの動きは、ホイートストンブリッジ回路を使用して、機械的に検出されたセンサーのたわみを抵抗測定値に変換する。
ワイパーアームをブルドン管、ベローズ、ダイヤフラムにつなぐ連結部の機械的性質が、この種の測定に不可避の誤差をもたらすのです。 また、金属部品の熱膨張係数が異なるため、温度の影響によりさらに誤差が生じます。 また、部品や接点の機械的摩耗による誤差も発生します。
電位差トランスデューサは非常に小型で、4.5 インチ ダイアル圧力計のハウジング内など、非常に狭い場所に設置することが可能です。 また、追加の増幅なしに読み取ることができる強力な出力を提供します。 このため、低電力のアプリケーションに使用することができる。 また、価格も安価である。 電位差変換器は、5～10,000 psig（35 KPa～70 MPa）の圧力を検出することができます。

共振式ワイヤー 圧力トランスデューサー

共振式ワイヤー圧力トランスデューサーは、1970 年代末に導入されました。 この設計では、ワイヤの一端が静止部材で、もう一端が検知用ダイヤフラムで把持されます。 発振回路により、ワイヤーは共振周波数で振動する。 プロセス圧が変化すると、ワイヤーの張力が変化し、ワイヤーの共振周波数が変化する。 その変化をデジタルカウンター回路で検出する。 この周波数変化を精度よく検出できるため、絶対圧やゲージ圧の検出だけでなく、低差圧の用途にも使用できる。
共振型ワイヤ圧力変換器の最も大きな利点は、本質的にデジタル信号を生成するので、マイクロプロセッサの安定した水晶クロックに直接送ることができることです。 しかし、温度変化に弱い、出力信号が非線形である、衝撃や振動に弱いなどの欠点があります。 これらの制限は、マイクロプロセッサーを使用して非線形性や周囲温度、プロセス温度の変化を補正することで、通常、最小限に抑えることができる。
共振式ワイヤ・トランスデューサは、10 mm Hgまでの絶対圧、750インチまでの差圧、および6,000 psig (42 MPa)までのゲージ圧を検出することができます。 Typical accuracy is 0.1% of calibrated span, with six-month drift of 0.1% and a temperature effect of 0.2% per 1000¡ F. .