圧力トランスミッターの簡単な自己紹介
標準信号を出力する圧力センサーである圧力トランスミッターは、圧力変数を受け取り、それを比例した標準出力信号に変換する機器です。ロードセルセンサーが感知した気体、液体などの物理的な圧力パラメータを標準電気信号（4-20mADCなど）に変換し、指示警報器、記録計、レギュレーターなどの二次計測機器として、計測・表示およびプロセス制御に利用することができます。
圧力トランスミッターの分類
通常、私たちが話している圧力トランスミッターは、原理に応じて分類されます。
高周波測定には、静電容量式圧力トランスミッター、抵抗式圧力トランスミッター、誘導式圧力トランスミッター、半導体式圧力トランスミッター、圧電式圧力トランスミッターなどがあります。その中でも、抵抗式圧力トランスミッターが最も多く使用されています。静電容量式圧力トランスミッターの中でも、ハイエンド製品の代表格として、Rosemount社の3051Sトランスミッターが挙げられます。
圧力トランスミッターは、圧力に敏感な部品に応じて、金属、セラミック、拡散シリコン、単結晶シリコン、サファイア、スパッタリングフィルムなどに分類できます。
- 金属製圧力トランスミッターは精度が低いですが、温度の影響が少なく、温度範囲が広く精度要求が低い場所に適しています。
- セラミック圧力センサーは精度に優れていますが、温度の影響を受けやすいという欠点があります。また、セラミックは耐衝撃性と耐腐食性にも優れているため、応答分野でも活用できます。
- 拡散シリコンの圧力伝達精度は非常に高いものの、温度ドリフトも大きいため、一般的に使用前に温度補償が必要です。また、温度補償後でも125℃を超える圧力は測定できません。しかし、室温では拡散シリコンの感度係数はセラミックの5倍であるため、高精度測定の分野で広く使用されています。
- 単結晶シリコン圧力トランスミッタは、産業現場で最も高精度なセンサーです。拡散シリコンの改良版であり、当然価格も高くなります。現在、単結晶シリコン圧力トランスミッタの分野では、日本の横河電機が代表的存在です。
- サファイア圧力トランスミッターは温度変化に敏感ではなく、高温条件下でも良好な動作特性を持ちます。サファイアは耐放射線性が極めて強く、pnドリフトがなく、最悪の動作条件下でも正常に動作し、信頼性が高く、高性能、優れた精度、最小限の温度誤差、および高い全体的なコストパフォーマンスを備えています。
- スパッタリング薄膜圧力トランスミッターは接着剤を一切含まないため、粘着性のあるひずみゲージセンサーよりも優れた長期安定性と信頼性を備えています。温度の影響を受けにくく、100℃の温度変化でもゼロドリフトはわずか0.5%です。拡散シリコン圧力センサーをはるかに上回る温度性能を備えており、一般的な腐食性媒体に直接接触することも可能です。
さまざまなタイプの圧力トランスミッタの原理
- 静電容量式圧力トランスミッターの原理。
圧力が測定ダイヤフラムの表面に直接作用すると、ダイヤフラムは微小な変形を生じます。測定ダイヤフラム上の高精度回路は、この微小変形を圧力に比例し、かつ励起電圧に比例する非常に直線性の高い電圧信号に変換します。その後、専用チップを用いてこの電圧信号を業界標準の4～20mA電流信号または1～5V電圧信号に変換します。
- 拡散シリコン圧力トランスミッターの原理
測定媒体の圧力がセンサーのダイヤフラム（通常は316Lダイヤフラム）に直接作用し、ダイヤフラムが媒体の圧力に比例した微小変位を生じてセンサーの抵抗値を変化させ、この変化をホイートストン回路で検出し、この圧力に対応する標準測定信号に変換して出力します。
- 単結晶シリコン圧力トランスミッターの原理
ピエゾ抵抗型圧力センサーは、単結晶シリコンのピエゾ抵抗効果を利用して構成されます。弾性素子として単結晶シリコンウェハが用いられます。圧力が変化すると単結晶シリコンに歪みが生じ、その上に直接拡散する歪み抵抗が測定圧力に比例した変化を生じ、ブリッジ回路によって対応する電圧出力信号が得られます。
- セラミック圧力トランスミッターの原理
圧力はセラミックダイヤフラムの前面に直接作用し、ダイヤフラムにわずかな変形を引き起こします。厚膜抵抗器はセラミックダイヤフラムの裏面に印刷されており、バリスタのピエゾ抵抗効果によりホイートストンブリッジ（閉ブリッジ）に接続されます。ブリッジは圧力に比例し、励起電圧に比例する非常に直線性の高い電圧信号を生成します。一般的に空気圧縮機の圧力測定に使用され、より多くのセラミックが使用されています。
- ひずみゲージ圧力トランスミッターの原理
最も一般的に使用されているひずみゲージ式圧力トランスミッタは、金属抵抗ひずみゲージと半導体ひずみゲージです。金属抵抗ひずみゲージは、試験片のひずみ変化を電気信号に変換する一種の高感度デバイスです。線ひずみゲージと金属箔ひずみゲージの2種類があります。通常、ひずみゲージは特殊な接着剤を介して機械的ひずみマトリックスにしっかりと接着されています。マトリックスが応力変化を受けると、抵抗ひずみゲージも変形し、ひずみゲージの抵抗値が変化し、抵抗器に印加される電圧が変化します。ひずみゲージ式圧力トランスミッタは、市場では比較的まれです。
- サファイア圧力トランスミッター
サファイア圧力トランスミッターは、歪み抵抗の動作原理を採用し、高精度のシリコンサファイア感度部品を採用し、専用の増幅回路を介して圧力信号を標準電気信号に変換します。
- スパッタリングフィルム圧力トランスミッター
スパッタリング圧力感応素子はマイクロエレクトロニクス技術によって製造され、弾性ステンレス鋼ダイヤフラムの表面に強固で安定したホイートストンブリッジを形成します。測定対象媒体の圧力が弾性ステンレス鋼ダイヤフラムに作用すると、反対側のホイートストンブリッジが圧力に比例した電気出力信号を生成します。スパッタリング膜は耐衝撃性に優れているため、油圧装置など、圧力の影響を受けやすい用途によく使用されます。
圧力トランスミッタの選択に関する注意事項
- トランスミッタ圧力範囲値の選択:
まず、システム内の測定圧力の最大値を決定します。一般的には、最大値の約1.5倍の圧力レンジを持つトランスミッタを選択するか、圧力トランスミッタの通常の圧力レンジに合わせる必要があります。通常レンジの1/3～2/3にすることも一般的な方法です。
- どのような圧力媒体ですか:
粘性液体や泥は圧力ポートを塞ぎます。溶剤や腐食性物質は、これらの媒体と直接接触するトランスミッター内の材料を破壊します。
一般的な圧力トランスミッタの媒体と接触する材質は316ステンレス鋼です。媒体が316ステンレス鋼に対して腐食性がなければ、基本的にすべての圧力トランスミッタは媒体の圧力測定に適しています。
媒体が316ステンレス鋼に対して腐食性がある場合は、化学シールを使用し、間接測定を行う必要があります。圧力を導くためにシリコンオイルを充填した毛細管を使用すると、圧力トランスミッターの腐食を防ぎ、寿命を延ばすことができます。
- 送信機に必要な精度:
精度は、非直線性、ヒステリシス、非再現性、温度、ゼロオフセットスケール、温度によって決まります。精度が高いほど、価格も高くなります。一般的に、拡散シリコン圧力トランスミッタの精度は0.5または0.25、静電容量式または単結晶シリコン圧力トランスミッタの精度は0.1または0.075です。
- トランスミッターのプロセス接続:
一般的に、圧力トランスミッタは配管またはタンクに設置されます。もちろん、ごく一部は流量計と併用されます。圧力トランスミッタの設置形式は、通常、ねじ込み、フランジ、クランプの3種類があります。したがって、圧力トランスミッタを選択する前に、プロセス接続も考慮する必要があります。ねじ込みの場合は、ねじの仕様を決定する必要があります。フランジの場合は、呼び径のフランジ仕様を考慮する必要があります。
圧力トランスミッタ業界紹介
世界では約40カ国がセンサーの研究・生産に携わっており、中でも米国、日本、ドイツはセンサー生産量が最も多い地域です。この3カ国で世界のセンサー市場の50%以上を占めています。
現在、我が国の圧力トランスミッタ市場は成熟しており、市場集中度は高いものの、市場を支配しているのはエマソン、横河電機、シーメンスなどに代表される海外メーカーです。ブランド製品は市場シェアの約70%を占め、大規模・中規模のエンジニアリングプロジェクトにおいて絶対的な優位性を持っています。
これは、わが国が早期に「技術市場」戦略を採用したことによるものです。この戦略はわが国の国有企業に大きな打撃を与え、一時は破綻状態に陥りましたが、同時に、中国の民営企業に代表される一部のメーカーが静かに台頭し、力をつけています。中国の圧力トランスミッター市場の将来は、新たな未知数に満ちています。
投稿日時: 2021年12月15日