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圧力センサ・ロードセルの測定について

OMEGAは、様々なプロセスに対して高品質なデータを提供する、圧力センサ(圧力変換器)およびロードセルの信頼性の高いメーカーです。圧力センサおよびロードセルが、お客様が望む情報を提供するには、所定プロセスの圧力や力が変換素子に到達しなければなりません。変換素子は、プロセスの圧力や力に応答して出力信号を生成し、それを、読出し装置やデータ収集装置で表示及び収集します。従って、変換素子は、圧力センサやロードセルの心臓部です。

圧力センサ・ロードセルの測定システム

測定システムは、4個のひずみゲージを備える変換素子で構成されています。ひずみゲージはホイートストンブリッジを構成し、4個すべての抵抗器(図2のR1~R4)は同一で、ひずみを受けると、それに比例して等しく変化します。力すなわちひずみ(入力)が大きいと、出力も大きくなります。ホイートストンブリッジ装置は、正と負の励振、そして正と負のセンサ出力の接続のために4つのワイヤが必要です。

一般的な圧力センサの場合、ダイアフラムのひずみが、ひずみゲージの出力を生成します。ひずみゲージの技術に応じて、出力は、1~3 mV/Vから、最大10~30 mV/Vまで可能です。フルスケール出力を算出するため、装置への電力供給に利用した電圧で、センサ出力を乗算します。例えば、3 mV/Vセンサの場合、励振電圧に10ボルトDCを使用すると、フルスケールで3 mV/V x 10V=30 mVとなります。
Figure 1
Figure 1.
 
Figure 2
Figure 2.
 
Figure 3
Figure 3.
Typical Reaction of Diaphragm When Pressure is Applied.

圧力センサ・ロードセルの測定例

このセンサ理論の好例として、PX4600があります。顧客の測定対象であるプロセスからの圧力は、アクセスポートを介してダイアフラムエレメントに送られます。圧力がダイアフラムをひずませ、ダイアフラムの反対側にあるホイートストンブリッジに応力を与え、mV/V出力が生成されます。このミリボルト信号は、対応する装置により読み取られるか、増幅器や信号調整装置に転送されてさらに信号処理されます。

PX409-USBHはケーブル端にUSBコネクタを備え、ラップトップコンピュータに直接入力できます。内蔵の電子部品が信号を、便利で使いやすい通信プロトコルへと変換します。プラグ・アンド・プレイ用には、当社ウェブサイトから無料ソフトウェアをダウンロードできます。ユニットをラップトップに接続すると、データを表示・収集しながら、センサに電力を供給できます。
PX4600
Figure 4.
Example of Wheatstone Bridge Sensing Element on a Board Mountable Transducer.
PX409-USBH
Figure 5.
 
 
dpg409
Figure 6.
DPG409
ワイヤレスモデルのDPG409デジタル圧力計はデジタル出力を利用しています。これにより、信号線がなくても、目の届く範囲の遠隔地から読取り値を取得できます。ワイヤレスレシーバはこの信号を受信して、データを表示するか記録します。

圧力センサ・ロードセルのカテゴリ

Figure 7
Figure 7.
非増幅
ほとんどのロードセルは、出力を増幅していません。非増幅出力が一般的なのは、小型過ぎて信号処理部品を内蔵できないか、過酷な環境での使用に耐えないためです。このような条件には、PX1004、PX1005、およびPX1009が最適です。これらの製品は、その使用目的とする超高温および超低温を考慮して 非増幅設計になっています。非増幅センサは、送信距離が短く、通常は6.1~9.1 m(20~30フィート)以下です。これは、信号強度が弱いからです。また、周囲環境からの電磁ノイズの影響も受けやすくなります。
Figure 8
Figure 8.
増幅
増幅センサは、内蔵の信号調整部品を使用して強力な信号を生成します。これにより、周囲環境からのノイズの影響を受けにくく、受診ユニットまで長距離送信できます。内蔵増幅器を備えるセンサは、内蔵の信号調整部品の温度制限により、使用温度範囲が狭くなります。

現在の出力センサは、高精度を維持しながら、最大304.8 m(1000フィート)まで増幅信号を送信できます。一般的に、電圧出力センサが精度を維持できるのは30.5 m(100フィート)までです。

デジタル
出力により分類される3番目のタイプは、デジタル出力センサです。このタイプの出力は、最小ノイズと最長送信距離を実現できます。数多くの通信タイプ、例えば、DPG409およびPX409-USBH、またはRS485対応の装置を用意しています。

精度の考察

Figure 9
Figure 9.
Typical 5-Point Calibration.
総誤差範囲
これは、振動、温度、湿度など、あらゆる誤差源を考慮した、所定出力における最大偏差範囲です。総誤差範囲は、定格出力に対するパーセントで表されます。
Figure 10
Figure 10.

静的精度
直線性、ヒステリシス、および再現性の影響を合わせた静的精度は、スパンに対する±%で表され、BSL(最良適合直線)の基準になります。静誤差範囲は、一定温度において、圧力センサまたはロードセルに期待される精度のすぐれた指標です。

BSL(最近似直線)
BSLは、装置の基本出力線からの最大偏差を2分割したものです。最近似直線を決定するには、ゼロおよびフルスケールからの出力を使用して線を生成します。その他のデータポイントは、この線からの距離に基づき測定します。最近似直線は、基本出力線と同じスロープを有しますが、誤差がBSLの両側に等しく分かれるようにオフセットされます。最近似直線を利用して、直線性の能力を説明します。
非線形
無負荷出力と定格出力間の直線に対する校正曲線の最大偏差です。これは、定格出力に対するパーセントとして表され、増圧負荷についてのみ測定されます。

ヒステリシス
ヒステリシスは、対向する側からアプローチした、同一圧力に対する出力値間の最大差です。ヒステリシスは、最初に低い圧力を与え、次に高い圧力を与えて得られた圧力の出力値を比較することで決定します。2つの読取り値が近い場合、ヒステリシスは低いと言えます。この誤差を補正するのは困難です。

再現性
同一の負荷と環境条件下で、繰り返される圧力負荷の出力値間の最大差により再現性を評価します。これらの値が近い場合、再現性がすぐれていると言えます。この誤差を補正することはできません。