圧力センサ / 圧力計

圧力センサ／圧力計とは、液体や気体の圧力を測定するため用いられるセンサや計器のことです。それぞれの仕組みや測定原理などについて説明します。

圧力センサとは

圧力センサは、圧力計と異なり、感圧素子を使ったセンシングで圧力を計測し、アナログまたはデジタル信号でのアウトプットが可能です。ステンレスダイヤフラムやシリコンダイヤフラムなど膜状のゲージを介し、感圧素子で気体や液体の圧力を測定します。それを電気信号に変換し出力することができます。圧力センサは機械式の圧力計とは異なり、流体との接触が最小限です。ダイヤフラムのみで流体の圧力を測定するため、詰まりなどによるトラブルを抑え、省メンテナンスで安定した運用が可能です。

圧力計とは

圧力計は圧力を計り表示する計器の一種です。設定場所、流体の種類によって、汎用圧力計・一般圧力計・小型圧力計・密閉形圧力計・グリセリン入圧力計など、多くの種類があります。代表的なものとして、ブルドン管圧力計やベローズ式圧力計などの種類があり、いずれも機械的に圧力を測定して表示します。
これらの圧力計は、機械的な構造を持ち、内部で流体と接触するため、詰まりが生じると正確な測定値が得られなくなります。そのため、定期的なメンテナンスや部品交換が必要です。流体の特性に合ったさまざまな圧力計がありますが、詰まりやすい流体を扱う場合は注意が必要です。また、複数の圧力計を設置している場合は、圧力計の状態の違いによってバラつきが生じることがあります。

圧力センサ / 圧力計のメリット1：内部の流体の圧力状態をいつでも確認できる

圧力センサ／圧力計を配管やタンクなどに取り付けることで、内部の気体や液体の圧力を測定し確認することができます。正圧のみならず、負圧も測定することができるため、さまざまな装置や設備の各部における流体の圧力を稼働状態で確認することができます。

圧力センサ / 圧力計のメリット2：差圧を測定することができる

通常の圧力計／圧力センサは大気圧（絶対値）と比較した圧力を示しますが、2箇所での流体の圧力の差によって差圧を測定することができます。圧力計／圧力センサを2箇所に取り付けて、その差を算出する方法のほかに、差圧の測定に特化した各種の差圧計もあります。

圧力センサのメリット3：ネットワーク接続やデータ活用が可能

圧力センサは、機械式の計器である圧力計と異なり、測定値をデータで出力することができます。データはアンプや通信モジュールを介して接続したPLCやPCにデータを伝送することができ、ネットワークを活かした運用が可能となるため、利便性や用途が大幅に広がります。

圧力センサ / 圧力計の業界別導入事例

油や高粘度な流体・粉体や異物を含んだ流体・低温／高温流体の圧力＋温度測定

工作機械におけるワーククランプ圧やクーラント吐出圧、ワーク着座確認、切粉を含んだ廃液の詰まり監視などに、耐油性・耐腐食性に優れたセラミック（アルミナ）ダイヤフラムを採用した耐環境デジタル圧力センサ GP-Mシリーズを導入することで－0.1～＋40MPaまでのワイドレンジを安定して測定することができます。また、センサ内部に凹みの少ないダイヤフラムを採用しているため、グリス・コーティング剤・接着剤・フラックス・シール剤などの詰まりやすい流体でも、液溜まりや気泡溜まりを起こしにくく、分解清掃も簡単です。流体温度は−20～+100℃に対応。ストレーナの目詰まり・スチームトラップの背圧確認・殺菌洗浄の水圧など、冷却から保温、殺菌などさまざまな温度帯に対応。周囲温度に影響されず、流体の温度も同時に測定することができます。

ミストを含んだ空気圧・高い水圧・蒸気圧・機械装置の油圧測定

フルステンレス一体構造の圧感部と小型センサヘッドを採用した、耐環境型デジタル圧力センサ AP-V80シリーズの活用例を紹介します。コンプレッサーの元圧確認・装置異常の管理ではダストやミストが混ざっているエアーも、頑丈なセンサヘッドで安定検出します。洗浄液で濡れたガラス基板の吸着確認（真空確認）では、吸着時にミストが混入しても問題ありません。高圧洗浄時の水圧や水蒸気、100℃を超える高温水の圧力監視にも安心して導入可能です。また、プレス時の圧力を監視し、シリンダにかかる圧力制御に活用したり、ダイカストマシンの油圧シリンダ部で射出圧力や型絞め圧力を検出することができます。

充てん圧とリーク圧の検知・装置の着座確認

装置の圧力測定で高い設置性を発揮する、超小型デジタル圧力センサ AP-C30シリーズの活用例を紹介します。たとえば、2つの出力のうち1つを一定圧までボトルに流体を充てんする際の確認に使用します。バルブを閉めると同時にゼロシフト入力をONすると、その間はリークによる変位圧のみを検出できます。一日を通しての最大リーク圧と最大充てん圧を記録できるため、ワークのばらつき範囲の把握が可能です。着座確認では、装置の立ち上げ時にゼロシフトをONすることで、その日の元圧の状態に基づいた着座確認が可能になります。分解能を10倍にするエリアフォーカス機能を使えば、ワークの有無だけでなく傾きなどで生じる微妙な圧力差を確実に検知可能です。

Q.

正圧用の圧力センサに負圧をかけたり、負圧用の圧力センサに正圧をかけたりすることはできますか？

A.

センサヘッドが対応する圧力範囲を超える圧力がかかると、性能の低下や故障の原因となる可能性があります。たとえば、液体の圧力測定に使用する場合、ウォーターハンマーなどによる瞬間的な圧力変化も取り扱う圧力の範囲として考慮する必要があります。安定した圧力測定を行うためには、使用環境と圧力センサのスペックを照らし合わせ、目的に合ったものを選定しなければなりません。さまざまな流体の種類や性質とその圧力範囲、設置環境などに対応できるよう、キーエンスでは各シリーズにセンサヘッドを豊富にラインナップしています。圧力センサの選定でご不明な点は、お気軽にお問い合わせください。

Q.

流体の温度も同時に測定できる圧力センサは、周囲温度の影響で測定誤差が発生しませんか？

A.

流体の圧力と同時に流体の温度も測定することができる、耐環境デジタル圧力センサ GP-Mシリーズは、−20〜+80℃の周囲温度において、周囲温度の影響を受けず、流体の温度だけを測定することができます。GP-Mシリーズは、コンパクトなボディに計測用温度センサと補正用温度センサを搭載しています。この2つの温度センサを使った「周囲温度キャンセル（ATS：Ambient Temperature Suppression）機能」により、厳しい周囲温度であってもそれをキャンセルして流体の温度だけを誤差なく安定して測定することができます。

Q.

IO-Link対応の圧力センサは、個別に通信モジュールが必要ですか？

A.

いいえ、複数・異種のセンサをまとめて接続することができます。たとえば、IO-Link対応の圧力センサ GP-Mシリーズであれば、ネットワーク通信モジュール NQシリーズに他のIO-Link対応の流量センサやファイバセンサ、レーザセンサ、光電センサなどをまとめて接続することができ、シンプルな配線でシステム構築が可能です。万一のセンサの不具合も可視化できるため、故障したヘッドを差し換えるだけで素早く復旧できます。また、通信モジュールでもセンサのデータのバックアップを取るため安心です。さらに、専用のモニタリングソフトを無料でダウンロードでき、PC上でセンサを自動認識し、遠隔監視やセンサ設定などをすぐに始めることができます。

圧力センサの種類と測定原理

測定原理は、感圧素子の種類によって異なります。代表的な種類として、ダイヤフラムを用いる半導体ピエゾ抵抗拡散圧力センサや静電容量型圧力センサがあります。それぞれの測定原理について解説します。

半導体ピエゾ抵抗拡散圧力センサ

半導体ピエゾ抵抗拡散圧力センサは、ダイヤフラム（感圧部）の表面に半導体ひずみゲージを持ち、圧力によってダイヤフラムが変形します（ひずみます）。そのときに発生する電気抵抗の変化を電気信号に変換し、圧力の測定値を算出・出力します。

A.圧力　B.保護膜　C.半導体ひずみゲージ

静電容量型圧力センサ

静電容量型と呼ばれる圧力センサは、ガラスの固定電極とシリコンの可動極（ダイヤフラム）を対向させたコンデンサを持ちます。流体の圧力によってダイヤフラムが変形して発生する静電容量の変化を電気信号に変換し、圧力の測定値を算出・出力します。

A.圧力　B.ダイヤフラム　C.固定電極　D.電極膜

圧力計の種類と測定原理

機械式の計器である圧力計の代表的な種類として、ブルドン管圧力計やベローズ式圧力計が挙げられます。いずれも内部に流体を取り込み、圧力を機械的に増幅して指針を動かし、値を示します。それぞれの原理について説明します。

ブルドン管圧力計

ブルドン管圧力計は、計器の筐体内部にあるブルドン管という部位で流体による圧力を受け、その変化を機械的に拡大します。その変化量で直接ゲージ圧を測定して指針で値を示します。

A.圧力　B.ブルドン管　C.リンク　D.ギヤ　E.指針

ベローズ式圧力計

ベローズ式圧力計は、外周に蛇腹状の深いひだをもった薄肉円筒（ベローズ）の内部にスプリングを内蔵しています。ベローズの外側に流体による圧力が加わると、それに反比例してベローズが縮み、指針を動かして値を示します。

A.圧力　B.ベローズ　C.スプリング　D.指針を動かすレバー

• レベル・温度・圧力・流量・記録計 アプリケーション集

  圧力センサをはじめ、流量センサやレベルセンサ、温度センサ、ペーパレスレコーダ（タッチ型記録計）を活用し、各業界での調合・成形・加工・洗浄・熱処理・滅菌・表面処理などのプロセスを効率化するアプリケーションを一挙に紹介します。

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• プロセスオートメーションに役立つ商品とアプリケーションのご紹介

  水処理など各種プロセスオートメーションの現場における、圧力センサや流量センサ、液体レベルセンサ、タッチ型パネルレコーダ（記録計）の活用事例や、各センサや機器の特長とともに業界別の構成事例を紹介します。

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• プロセスオートメーションのための商品とアプリケーションのご紹介 液面レベル編 Vol.2

  プロセスオートメーションの現場における液面レベル管理の事例を紹介する1冊。原水調整槽や飲料タンク、薬品中和槽などの液面レベルやタンク内圧力の監視・記録などのアプリケーションを解説。最適なレベルセンサや圧力センサ、タッチ型パネルレコーダとともに紹介します。

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• 自動車業界 装置別アプリケーション集

  自動車製造工場の、どの現場の装置に、どのようなセンサが役に立つかを事例で紹介します。工程を上流から順を追っての紹介ですので、形状測定はもちろん、安全機器や流量管理、圧力管理など、それぞれの工程で役立つセンサを見つけ出すことができます。

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• NQシリーズ ネットワーク通信モジュール カタログ

  つなぐだけでセンサデータをまるごと取得できるネットワーク通信モジュール。各種オープンフィールドネットワークに対応し、配線工数やダウンタイムの削減などあらゆる時短を提案します。無償のソフトによってデータ収集、遠隔監視も簡単に実現。

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