ブリッジ​ベース​や​その他​の​圧力​センサ​で​圧力​を​測定​する

この​ドキュメント​では、​圧力​に関する​基本​概念​と​さまざま​な​圧力​センサ​の​動作​の​仕組み​の​理解​に​役立つ​情報​を​提供​し​てい​ます。​幅広い​センサ​から​選択​が​可能​で、​各​センサ​は​動作​原理​や​利点、​欠点、​注意事項​が​それぞれ​異​なり​ます。​センサ​を​決定​すると、​マイクロホン​測定​の​適切​な​調節、​収集、​視覚​化​に​必要​な​ソフトウェア​と​ハードウェア​の​検討​が​可能​に​なり、​必要​に​応​じ​て​追加​の​信号​調節​を​検討​する​こと​も​でき​ます。

圧力​とは

 

圧力​は​流体​が​その​周囲​に​及ぼす​単位​面積​あたり​の​力​として​定義​さ​れ​ます。​圧力​P​は、​力​F​と​面積​A​の​関数​です。

 

P = F/A

 

圧力​の​SI​単位​は​パスカル (Pa、​N/​m2) ですが、​重量​ポンド/​平方​インチ (PSI)、​気圧 (atm)、​バール (bar)、​水銀柱​インチ (inch Hg)、​水銀柱​ミリメートル (mm Hg)、​トル​など​も​一般​的​に​使用​さ​れ​ます。

 

ガス​で​一杯​に​満​た​さ​れ​た​コンテナ​では、​無数​の​原子​や​分子​が​絶え間​なく​コンテナ​内​の​壁​に​弾​き​あ​た​って​い​ます。​圧力​は、​原子​や​分子​が​コンテナ​の​壁​に​単位​面積​あたり​でかける​強​さ​の​平均​です。​また​圧力​は、​コンテナ​の​壁​に​沿​って​測定​する​必要​は​なく、​どの​平面​でも​単位​面積​あたり​の​力​として​測定​する​こと​が​可能​です。​たとえば、​空気圧​は​大気​の​重量​が​地上​を​押す​働き​です。​高度​が​上がる​ほど​圧力​は​弱​く​なり​ます。​そして、​ス​キューバ​ダイバー​や​潜水艦​が​海底​深​く​潜る​ほど​圧力​は​強​く​なり​ます。

 

圧力​測定​は、​静的​または​動的​に​表現​さ​れ​ます。​モーション​の​ない​圧力​を​静​圧​といいます。​静​圧​の​例​に​は、​風船​の​中​の​空気​の​圧力​や、​たら​い​の​中​の​水圧​など​が​あり​ます。​また、​液体​が​動く​こと​で​周囲​に​かかる​力​が​変化​し​ます。​たとえば、​ノズル​が​閉​まっ​た​状態​の​ホース​内​の​水圧​は、​1​平方​インチ​あたり​40​ポンド (単位​面積​あたり​の​力) です。​ノズル​を​開く​と、​水​が​ホース​から​出る​につれて​圧力​が​低​く​なり​ます。​圧力​計測​を​正しく​行う​に​は、​計測​が​どの​よう​な​状況​で​行​われる​か​を​考慮​する​必要​が​あり​ます。​液体​の​流れ​や​圧縮​性、​外力​など、​多く​の​要因​が​圧力​に​影響​し​ます。

圧力​を​測定​する

 

また、​圧力​計測​は​実行​する​計測​の​タイプ​によって​も​分類​でき​ます。​圧力​計測​に​は、​絶対​圧、​ゲージ​圧、​差​圧​の​3​つ​の​種類​が​あり​ます。​「絶対​圧」​は​真空​状態​で​の​圧力​を​示す​もの​ですが、​「ゲージ​圧」​および​「差​圧」​は​大​気圧​や​隣接​血管​の​血圧​など​他の​圧力​を​示し​ます。

 

 

 

 

絶対圧

 

絶対​測定​方法​は、​0 Pa、​真空​で​の​静​圧​に対し​相対​的​です。​計測​する​圧力​は、​対象​と​なる​圧力​の​他​に​気圧​の​影響​も​受け​ます。​そのため、​絶対​圧​計測​に​は、​気圧​の​影響​も​含​まれ​ます。​この​タイプ​の​計測​は、​高度​計​や​真空​圧​に​使用​さ​れる​よう​な​気圧​の​計測​に​適​し​てい​ます。​通常、​絶対​圧​は​PAA (パスカル​絶対​圧: Pascal's Absolute) または​PSIA (PSI​絶対​圧: Pounds per Square Inch Absolute) の​頭字​語​で​表​し​ます。

 

 

 

ゲージ圧

 

 

ゲージ​圧​は、​大​気圧​を​基準​として​測定​さ​れ​ます。​つまり、​基準​と​なる​圧力​も​計測​対象​の​圧力​も、​どちら​も​気圧​の​影響​を​受ける​という​こと​です。​そのため、​ゲージ​圧​計測​では​気圧​の​影響​は​除外​し​ます。​その​よう​な​計測​の​例​として​は、​タイヤ​圧​や​血圧​の​計測​が​あり​ます。​絶対​圧​と​同様、​PAG (パスカル​ゲージ​圧: Pascal's Gauge) または​PSIG (PSI​ゲージ​圧: Pounds per Square Inch Gauge) の​頭字​語​で​表​し​ます。

 

 

 

差圧

 

 

差​圧​は、​ゲージ​圧​に​よく​似​てい​ます。​ただし​基準​と​なる​の​は​周囲​気圧​では​なく、​システム​内​の​他の​圧力​ポイント​です。​この​方法​を​使用​すると、​コン​プ​レ​ッ​サタン​ク​と​関連​の​給水​ライン​など、​2​つ​の​容器​内​の​相​対応​圧力​を​計測​し​て​圧力​を​維持​する​こと​が​でき​ます。​通常、​差​圧​は​Pad (パスカル​差​圧: Pascal's differential) または​PSID (PSI​差​圧: pounds per square inch differential) の​頭字​語​で​表​し​ます。

適切​な​圧力​センサ​を​選択​する

 

圧力​センサ​に​は​さまざま​な​種類​が​あり、​計測​条件​や​範囲、​センサ​の​構造​に​使用​さ​れ​て​いる​材質​など​が​異​なり​ます。​液体​に​沿​って​設置​さ​れ​た​振動​板​の​た​わ​み​の​量​を​検出​する​こと​で、​圧力​を​変位​など​何らかの​中間​形態​に​変換​できる​場合​も​あり​ます。​センサ​は、​この​変位​を​電圧​や​電流​の​よう​な​電気​的​出力​に​変換​し​ます。​振動​板​の​面積​が​わか​って​いる​場合​は、​圧力​を​計算​する​こと​が​でき​ます。​圧力​センサ​に​は、​工学​単位​に​変換​できる​スケール​が​内蔵​さ​れ​てい​ます。

 

この​よう​な​圧力​トランスデューサ​の​最も​一般​的​な​タイプ​は、​ブリッジ (歪み​ゲージ​を​使用)、​可変​キャパシタンス、​圧​電​素子​です。

 

 

 

ブリッジベースセンサ

 

ブリッジ​ベース​の​センサ​は、​圧力​など​の​物理​現象​を​ホ​イ​ー​トス​トーン​ブリッジ​の​1​つ​以上​の​脚​部​で​の​抵抗​の​変化​に​関連付ける​こと​で​動作​し​ます。​さまざま​な​確度、​サイズ、​堅固​性、​コスト​の​要求​に​応える​こと​が​できる​ため、​最も​一般​的​な​タイプ​の​センサ​です。​ブリッジベースセンサ​は、​高圧​アプリケーション​と​低圧​アプリケーション​の​両方​で​絶対​圧、​ゲージ​圧、​差​圧​を​計測​でき​ます。​圧力​を​受け​た​振動​板​の​変形​の​検出​に​は、​歪み​ゲージ​を​使用​し​ます。

 

圧力​の​変動​によって​振動​板​が​動く​と、​歪み​ゲージ​上の​対応​する​抵抗​に​変化​が​起​こ​り​ます。​この​変化​は、​信号​調節​済み​の​DAQ​システム​で​測定​でき​ます。​箔​歪み​ゲージ​は、​振動​板​に​直接​接着​する​か、​振動​板​に​機械​的​に​接続​さ​れ​て​いる​パーツ​に​接着​する​こと​が​でき​ます。​シリコン​の​歪み​ゲージ​が​使用​さ​れる​こと​も​あり​ます。​この​方法​では、​抵抗はシリコンでできた回路基板上にエッチング処理され、​トランス​ミッション​液​を​使用​し​て​振動​板​の​圧力​を​回路​基板​に​送信​し​ます。

 

シンプル​な​構造​と​耐久性​により、​これらの​センサ​は​低​コスト​で、​多​チャンネル​システム​に​最適​です。​一般に、​箔​歪み​ゲージ​は​高圧 (最大​700M Pa) アプリケーション​で​使用​さ​れ​ます。​また、​シリコン​の​歪み​ゲージ (100℃) に​比べ​動作​温度​は​高​く (200℃) なり​ます​が、​シリコン​の​歪み​ゲージ​に​は​オーバー​ロード​が​大きい​という​メリット​が​あり​ます。​感度​が​高い​ため、​低圧​アプリケーション (2k Pa​以下) でも​よく​利用​さ​れ​てい​ます

 

 

静​電​容量​式​圧力/​圧​電​型​センサ

 

可変​キャパシタンス​の​圧力​トランスデューサは、​金属​振動​板​と​固定​さ​れ​た​金属​板​間​の​キャパシタンス​の​変化​を​測定​し​ます。​2​つ​の​金属​板​間​の​キャパシタンス​は、​圧力​の​適用​によって​発生​する​それらの​金属​板​間​の​距離​の​変化​に​伴​って​変化​し​ます。

 

圧​電​型​センサは、​抵抗​ブリッジ​トランスデューサ​では​なく、​水晶​振動​子​の​電気​特性​のみ​を​利用​し​てい​ます。​この​よう​な​結晶​は​歪み​が​起こる​と​電荷​を​生成​し​ます。​電極​は、​水晶​から​の​電荷​を​センサ​に​内蔵​さ​れ​た​アンプ​に​送り​ます。​これらの​センサ​では、​外部​励​起源​は​不要​ですが、​衝撃​と​振動​の​影響​は​受け​や​すく​な​って​い​ます。

 

静​電​容量​式​および​圧​電​型​圧力​トランスデューサは、​一般に​安定性​が​あり​線形​的​ですが、​高温​の​影響​を​受け​や​すく​他の​圧力​センサ​に​比べ​て​設定​が​複雑​です。​圧​電​型​センサ​は、​圧力​の​変化​へ​の​応答​性​に​優​れ​てい​ます。​その​よう​な​理由​から、​爆発​など​の​事象​の​高速​圧力​計測​に​使用​さ​れ​ます。​優​れ​た​動的​性能​を​備え​て​いる​分、​コスト​効果​は​高​く​なく、​デリケート​な​水晶​コア​を​守る​ため​慎重​に​扱う​必要​が​あり​ます。

 

 

信号​調節​済み​圧力​センサ

 

アンプ​など​の​集積​回路​を​内蔵​した​センサ​は、​増幅​センサ​と​呼​ば​れ​ます。​その​よう​な​タイプ​の​センサ​は、​ブリッジ​ベース、​容量​性、​または​圧​電​型​トランスデューサ​を​使​って​構築​する​こと​が​でき​ます。​ブリッジ​ベース​の​増幅​センサ​の​場合、​DAQ​デバイス​で​直接​圧力​を​計測​する​の​に​必要​な​構成​抵抗​と​増幅​が​ユニット​自体​に​装備​さ​れ​てい​ます。​励起​機能​も​あり​ます​が、​励起​の​確度​は​あまり​重要​では​ありま​せん。

 

信号​調節​済み​センサ​は、​フィルタ​や​信号​増幅​用​コンポーネント、​励起​リード​線、​計測​用​の​通常​回路​を​搭載​し​て​いる​ため、​一般に​高​価格​です。​そのため、​専用​の​信号​調節​システム​が​必ずしも​備​わっ​てい​ない​チャンネル​数​の​少ない​システム​に​適​し​てい​ます。​調節​機能​が​内蔵​さ​れ​て​いる​ので、​何らかの​形​で​センサ​に​電力​が​供給​さ​れ​て​いる​限り​は、​センサ​を​DAQ​デバイス​に​直接​接続​する​こと​が​でき​ます。​未​調節​の​ブリッジ​ベース​圧力​センサ​を​使用​し​て​いる​場合​は、​ハードウェア​に​信号​調節​が​必要​です。​増幅​や​フィルタ​に​別​の​コンポーネント​が​必要​か​どうか​について​は、​センサ​の​マニュアル​を​参照​し​て​くだ​さい。

図1.一般的なブリッジベース圧力センサの断面[1]
Figure 1. Cross Section of a Typical Bridge-​Based Pressure Sensor [1]
図2.キャパシタンス圧力トランスデューサ[2]
Figure 2. Capacitance Pressure Transducer [2]
図3. 圧電型圧力トランスデューサ[2]
Figure 3. Piezoelectric Pressure Transducer [2]

圧力​センサ​の​信号​調節

 

圧力​センサ​の​中​で​圧倒的​に​よく​使用​さ​れ​て​いる​の​が、​ブリッジ​ベース​の​圧力​センサ​です。​効果​的​な​ブリッジ​ベース​圧力​計測​システム​を​構築​する​に​は、​信号​調節​について​複数​の​要素​を​考慮​する​必要​が​あり​ます。​次​の​項目​の​1​つ​以上​が​必要​に​なる​場合​が​あり​ます。

 

  • 励起​―​ホ​イ​ー​トス​トーン​ブリッジ​回路​に​電力​供給​する
  • リモートセンシング​―​リード​線​が​長い​ため​に​生じる​励起​電圧​の​誤差​を​補正​する
  • 増幅​―​計測​分解能​を​高め、​SN​比​を​向上​する
  • フィルタ​処理​―​外部​の​高​周波数​ノイズ​を​除去​する
  • オフセットヌル​―​歪み​が​ない​場合、​ブリッジ​の​バランス​を​整​えて、​0 V​を​出力​する
  • シャン​トキ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション​―​ブリッジ​の​出力​が​既知​の​予測​値​か​どうか​を​確認​する

 

これらの​誤差​の​補正​方法​や、​ブリッジ​ベース​の​圧力​計測​に関する​その他​の​ハードウェア​の​注意事項​について​は、「高​確度​の​センサ​計測​を​実現​する​ため​の​テクニカル​ガイドを​ダウンロード​し​て​くだ​さい。

圧力​センサ​を​NI​ハードウェア​に​接続​する

 

センサ​または​テスト​の​ニーズ​を​把握​したら、​次​の​重要​な​ステップ​として、​その​データ​を​収集​する​ため​の​ハードウェア​を​決定​し​ます。​収集​ハードウェア​の​品質​によって、​収集​する​データ​の​品質​が​決まり​ます。

 

圧力​センサ​の​タイプ​に​応​じ​て、​さまざま​な​NI​ハードウェア​に​圧力​センサ​を​接続​でき​ます。​たとえば、​電圧​出力​の​圧力​センサ​では、​CompactDAQ​または​CompactRIO システム​の​一部​で​あるC​シリーズ​電圧​入力​モジュールが​有効​です。​または、​ブリッジ​ベース​の​圧力​センサ​では、​NIの歪み/​ブリッジ​モジュール​と​デバイスに​接続​でき​ます。

シンプル​な​ハードウェア​の​セットアップ

圧力​センサ​に​適​した​推奨​NI​ハードウェア

CompactDAQ​歪み/​負荷​バンドル​を​使用​すると、​ブリッジ​ベース​圧力​センサ​を​各種​の​歪み/​ブリッジ​入力​モジュール​や​CompactDAQ​シャー​シ​に​簡単​に​接続​でき​ます。

その他​の​圧力​測定​向け​製品

 

以下​の​製品​は、​圧力​センサ​と​接続​し​て​圧力​信号​を​収集​し​ます。​これらの​製品​を​使用​し​て、​測定​値​の​励起、​調整、​集録​および​デジタル​化​が​可能​です。​これらの​デバイス​の​一部​は、​歪み、​負荷、​トル​ク​計測​に​も​使用​でき​ます。​NI​製品​と​組み合わせた歪み​ゲージ​を​使​っ​た​歪み​測定や、ブリッジ​ベース​セン​サ​を​使​っ​た​負荷/​トル​ク​測定について​ご覧​くだ​さい。

参考​資料

  • [1] Johnson, Curtis D, “Pressure Principles,” Process Control Instrumentation Technology, Prentice Hall PTB.
  • [2] Daytronic.com, “Strain Gauge Pressure Transducers”. Sensotec.com, “Honeywell Sensotec Frequently Asked Questions,” http://​www.sensotec.com/​pdf/​FAQ_092003.pdf (current November 2003).
  • Sensotec.com, “Honeywell Sensotec Frequently Asked Questions,” http://​www.sensotec.com/​pdf/​FAQ_092003.pdf (current November 2003).
  • Sensorsmag.com, “Pressure Measurement:Principles and Practice,” http://​www.sensorsmag.com/​articles/​0103/19/​main.shtml (current January 2003).