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ゲージ圧センサーと絶対圧センサーおよび差圧センサー: 産業オートメーションおよびプロセス制御のためのテクニカル ガイド
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ゲージ圧センサーと絶対圧センサーおよび差圧センサー: 産業オートメーションおよびプロセス制御のためのテクニカル ガイド

日付：2026-06-13

オートメーション エンジニア、計装専門家、および産業調達専門家にとって、正しい圧力センサーを選択することは、測定精度、プロセス制御の品質、機器の信頼性、および安全性コンプライアンスに影響を与える重要な決定です。産業市場では、ゲージ圧センサー、絶対圧センサー、および差圧センサーの 3 つの主要な圧力基準タイプが支配的です。ゲージ圧センサーは、周囲の空気をゼロ基準点として使用して、周囲の大気圧に対する相対的な圧力を測定します。絶対圧力センサーは、完全な真空 (絶対ゼロ) を基準とした圧力を測定します。差圧センサーは、システム内の 2 点間の圧力差を測定します。ほとんどのプロセスは大気圧以上または大気圧以下で動作し、オペレーターは環境に対する相対的な圧力を知る必要があるため、ゲージ圧センサーは産業用途で最も一般的なタイプです。この技術ガイドでは、測定原理、MEMS (微小電気機械システム) テクノロジー、圧力範囲、出力信号、精度、温度補償、材料設計、および油圧システム、空圧制御、液面監視、および真空アプリケーションのアプリケーション固有の性能に焦点を当てて、ゲージ圧センサーと絶対圧および差圧センサーを比較します。

1. ゲージ圧センサーの定義: 原理と基準圧力
ゲージ圧センサー (相対圧力センサーとも呼ばれます) は、周囲の大気圧に対する相対的な圧力を測定するデバイスです。センサーには、周囲の大気に開放された通気基準ポートが付いています。感知素子は、ダイヤフラムの一方の側に加えられるプロセス圧力と、もう一方の側に加えられる大気圧の差を測定します。プロセス圧力が大気圧と等しい場合、センサー出力はゼロ (0 psi、0 bar、または 0 kPa) です。プロセス圧力が大気圧より高い（正圧）場合、出力は正になります。プロセス圧力が大気圧より低い場合 (真空または負圧)、出力は負になります。検出素子は通常、ピエゾ抵抗シリコン マイクロマシン ダイアフラム (MEMS) または金属ダイアフラム上の薄膜ひずみゲージです。圧力によってダイアフラムが変形すると、ピエゾ抵抗器の抵抗が変化し、加えられた圧力に比例した電気出力が生成されます。出力信号は通常、標準工業レベル (4 ～ 20 mA ループ電流、0 ～ 5 VDC、0 ～ 10 VDC、またはデジタル出力 (I2C、SPI、CAN バス)) まで増幅されます。ゲージ圧センサーは、油圧システムの圧力監視、圧縮空気システム、配水ネットワーク、ポンプ制御、タンクレベル測定 (静水圧測定による)、空気圧制御など、何千もの用途で使用されています。詳細な技術仕様については、調達専門家は以下を参照してください。 ゲージ圧センサー 材料データシートとテストレポートの製品ページ。
2. ゲージ圧センサー、絶対圧センサー、差圧センサー: 基本的な違い
ゲージ圧センサー、絶対圧センサー、差圧センサーの基本的な違いは、測定に使用される基準圧力にあります。ゲージ圧センサーは大気圧を基準とします。センサーには、通気口のあるハウジングまたは空気に開いた基準ポートが付いています。大気圧では出力はゼロになります。オペレータは環境に対する圧力 (たとえば、大気圧より 100 psi 高い) を気にするため、ゲージ センサーはほとんどの工業プロセスに適しています。絶対圧力センサーは、密閉された真空基準チャンバー (完全真空、絶対圧力 0 psi) を基準として使用します。センサーは大気中に排気されません。出力がゼロになるのは完全真空中のみです。絶対センサーは、気圧測定、高度感知、および大気圧の変動が測定に影響を与える用途 (密閉容器の漏れ検査、真空炉の圧力制御など) に使用されます。差圧センサーは、2 つのプロセス圧力 (P1 - P2) の差を測定します。どちらのポートも大気への通気はありません。差動センサーは、流量測定 (オリフィス プレートを使用)、フィルター監視 (フィルター全体の圧力降下)、密閉タンク内の液面測定 (底部圧力と上部蒸気圧の差) に使用されます。選択はアプリケーションによって異なります。ベント付きタンクの場合、ゲージは正確です。大気圧が変化する密閉タンクの場合、差動装置が必要になる場合があります。高度測定には絶対値が必要です。以下の表は、主な違いをまとめたものです。
3. ゲージ圧センサーのMEMS技術：構造と動作
最新のゲージ圧力センサーは、微細な機械構造と電子回路を単一のシリコン チップ上に統合する MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) テクノロジーを使用しています。 MEMS 圧力センサーの中心となるのは、フォトリソグラフィーとエッチング プロセスを使用して製造された、通常は厚さ 5 ～ 50 マイクロメートルの微細加工されたシリコン ダイアフラムです。ピエゾ抵抗器 (応力がかかると抵抗が変化するドープされたシリコン領域) が、ダイアフラム内の高応力位置 (エッジと中央) に拡散されます。圧力が加わるとダイヤフラムがたわみ、ピエゾ抵抗器に歪みが生じます。抵抗変化は加えられた圧力に比例します。 4 つのピエゾ抵抗はホイートストン ブリッジ構成で接続されており、抵抗の変化を差動電圧信号に変換します。電圧信号は、ASIC (特定用途向け集積回路) または信号調整回路によって増幅、線形化、温度補償され、目的の出力形式 (4 ～ 20 mA、電圧、またはデジタル) に変換されます。 MEMS チップは基板 (セラミック、PCB、または金属) にマウントされ、ワイヤボンディングされ、媒体互換性のためにゲル コーティングまたはステンレス鋼の絶縁ダイヤフラムで保護されています。ゲージ基準は、センサー ハウジングの通気孔を通じて MEMS チップの背面 (または絶縁ダイアフラムの背面) を大気に通気することによって実現されます。 MEMS テクノロジーには、非常に小さいサイズ (1mm x 1mm ほどの小さなチップ)、高感度 (マイクロボルト/パスカル範囲)、低消費電力 (ミリワット)、優れた再現性、大量生産時の低コストなど、いくつかの利点があります。過酷な産業環境 (腐食性流体、高温) の場合、MEMS チップはステンレス鋼のダイアフラムによって媒体から隔離され、シリコン オイルが充填される場合があります (オイル充填ゲージ圧力センサー)。
4. 産業用アプリケーションの圧力範囲と出力信号
ゲージ圧センサーは、さまざまな産業用途に合わせて幅広い圧力範囲で利用できます。低圧範囲 (0-1 psi ～ 0-15 psi、0-0.07 bar ～ 0-1 bar) は、HVAC の空気圧監視、クリーンルームの差圧、および低圧空気圧システムに使用されます。中圧範囲 (0-50 psi ～ 0-500 psi、0-3.5 bar ～ 0-35 bar) は、一般的な工業用油圧、配水、ポンプ吐出圧、およびプロセス制御に使用されます。高圧範囲 (0 ～ 1000 psi ～ 0 ～ 10,000 psi、0 ～ 70 bar ～ 0 ～ 700 bar) は、重機の油圧、射出成形機、油圧プレス、高圧ウォーター ジェット切断に使用されます。真空または複合レンジ (-14.7 psi ～ 0 psi、-1 bar ～ 0 bar) は、吸引モニタリング、真空包装、および実験室用途で負圧 (真空) を測定します。連成範囲 (-14.7 ～ 30 psi、-1 ～ 2 bar) は、真空と正圧の両方を測定します。出力信号は産業上の互換性のために標準化されています。アナログ出力: 4 ～ 20 mA ループ電流 (産業用制御、長いケーブル配線、ノイズ耐性に最も一般的)、0 ～ 5 VDC、0 ～ 10 VDC (PLC およびデータ収集に一般)、および 1 ～ 5 VDC。デジタル出力: I2C および SPI (組み込みシステムおよび IoT デバイス用)、RS-485 Modbus (産業用ネットワーク用)、および CAN バス (自動車および重機用)。励起電圧は通常、5 VDC または 9 ～ 30 VDC (ループ電源の 4 ～ 20 mA センサーの場合) です。
5. 精度、直線性、ヒステリシス、温度補償
精度はゲージ圧センサーにとって最も重要な仕様です。通常、フルスケールに対するパーセンテージ (%FS) として表されます。工業用グレードのゲージ圧力センサーは、±0.5% FS、±0.25% FS、または ±0.1% FS の精度を実現します。実験室または校正用途向けの高精度センサーは、±0.05% FS 以上を達成します。精度には、直線性 (圧力範囲全体にわたる直線からの出力の偏差)、ヒステリシス (圧力増加時と圧力減少時の出力の差)、再現性 (同一条件下で同じ圧力に対して同じ出力を生成する能力)、および温度影響 (温度によるゼロ シフトおよびスパン シフト) など、いくつかの誤差要因が含まれます。 ±0.5% FS センサーの場合、合計誤差帯域 (補償温度範囲にわたる直線性、ヒステリシス、再現性、および温度影響を含む) はフルスケール読み取り値の ±0.5% 以内です。たとえば、±0.5% FS 精度の 0 ～ 100 psi センサーの最大誤差はどの点でも ±0.5 psi です。温度補償は、さまざまな動作温度にわたって正確な測定を行うために不可欠です。センサーは複数の温度 (通常 -20°C、25°C、および 85°C) で校正され、補正係数はセンサーの ASIC またはマイクロコントローラーに保存されます。動作中、センサーは温度を測定し、圧力測定値に補正係数を適用します。補償される温度範囲は通常、産業用センサーの場合は -20°C ～ 85°C、車載および拡張範囲センサーの場合は -40°C ～ 125°C です。補償範囲外では、精度は指定された割合で低下します (例: ±0.03% FS/°C)。
6. 耐久性のあるセンサーの材料と設計の考慮事項
ゲージ圧センサーの構造に使用される材料によって、化学的適合性、温度耐性、長期安定性が決まります。圧力ポートの材質: ステンレス鋼 (304、316、または 316L) は工業用センサーで最も一般的で、水、油、空気、および穏やかな化学薬品に対して優れた耐食性を備えています。腐食性の高い媒体 (酸、苛性物質、塩水) の場合は、ハステロイ C-276、インコネル、またはチタンのポートが利用可能です。食品および医薬品用途には、衛生的なトリクランプ接続を備えた 316L ステンレス鋼が必要です。ダイヤフラム材質：汎用センサ用の316Lステンレスダイヤフラム（厚さ0.05～0.2mm）を採用し、感度と耐久性に優れています。低圧センサー (5 psi 未満) の場合、セラミックまたはシリコンのダイヤフラム (媒体に直接接触) がより高い感度を提供します。超高純度用途（半導体、製薬）の場合、ダイアフラムは金属接液部のないアルミナセラミックまたはシリコンでできています。センサーハウジングの材質: 洗浄、屋外、または水中用途には、IP65/IP67/IP68 定格のエンクロージャが必要です。ハウジングのオプションには、ステンレス鋼 (腐食環境用)、アルミニウム (一般産業用)、およびポリカーボネート (軽作業屋内用) が含まれます。シール材: 圧力ポートとハウジングのシールには、O リング (バイトン、EPDM、NBR) またはガスケットが使用されます。シール材料はプロセス流体と適合する必要があります。バイトン (FKM) は、ほとんどのオイル、燃料、化学物質に適しています。 EPDM は水、蒸気、ブレーキ液に適しています。 NBRは鉱物油や燃料に適しています。高温用途 (125°C / 260°F 以上) の場合、金属シールまたはガラスと金属のシールが必要になる場合があります。
7. アプリケーションガイド: 油圧システム、空気圧、液面、真空監視
ゲージ圧センサーは複数の業界で使用されており、仕様は用途によって異なります。油圧システム (工業用プレス、射出成形機、建設機械、フォークリフト) の場合は、4 ～ 20 mA 出力、IP67 定格の 0 ～ 5000 psi ～ 0 ～ 10,000 psi のゲージ圧センサーが標準です。センサーは圧力スパイク (定格圧力の 2 ～ 3 倍) に耐え、高い過圧能力を備えている必要があります。空圧システム (圧縮空気モニタリング、エアツール、空圧アクチュエーター) の場合、0 ～ 10 VDC 出力と高速応答時間 (1 ms 未満) を備えた 0 ～ 150 psi または 0 ～ 300 psi ゲージ センサーが使用されます。開放型タンク (給水塔、排水溜め、化学薬品タンク、廃水池) の液位測定では、水中ゲージ圧力センサーがタンク底部の静水圧を測定します。圧力は液体の高さに比例します: 1 psi ≈ 水柱 2.31 フィート (0.7 メートル)。正確なレベル測定を行うには、大気圧の変動がキャンセルされるようにセンサーをケーブルを通して通気する必要があります (通気ゲージ設計)。真空モニタリング (真空包装、吸引カップ、医療用吸引、研究室用真空チャンバー) の場合、大気に対する負圧を測定するために複合圧力センサー (-14.7 ～ 0 psi、-1 ～ 0 bar) が必要です。センサーは、低圧で高い分解能 (0.1% FS 以上) を備えている必要があります。ポンプ制御と井戸監視 (井戸、灌漑ポンプ、ブースター ポンプ) では、4 ～ 20 mA 出力と頑丈なステンレス鋼ハウジングを備えた 0 ～ 200 psi ゲージ センサーを使用して、ポンプの吐出圧力を監視し、空運転状態から保護します。以下の表は、アプリケーションと推奨仕様を対応させたものです。
8. 輸出用の品質仕様: 認証と性能基準
ゲージ圧センサーを輸出するメーカーにとって、文書化された品質およびコンプライアンス認証は不可欠です。最も要求される規格と認証には、EMC 指令 (2014/30/EU) および RoHS 指令 (2011/65/EU) に基づく CE マーキング (欧州適合性)、ISO 9001 (品質管理システム)、危険区域アプリケーション用、本質安全 (Ex ia) または耐圧防爆エンクロージャ (Ex d) に関する ATEX (欧州) または IECEx (国際) 認証が含まれます。具体的な性能テストには、精度テスト (直線性、ヒステリシス、再現性を検証するための、上下の圧力範囲にわたる 5 ～ 10 の校正ポイントでの測定)、温度補償テスト (ゼロ シフトとスパン シフトを検証するための -20°C、25°C、85°C または指定範囲での測定)、長期安定性テスト (出力を検証するための、85°C の定格圧力での 500 ～ 1000 時間のドリフト テスト) が含まれます。年間指定パーセンテージを超えて変化しない）、過圧テスト（損傷なしで 1.5 倍から 3 倍の定格圧力を加えます）、破裂圧力テスト（安全マージンを検証するための破壊テスト）、電気安全テスト（絶縁抵抗、絶縁耐力）、および EMC テスト（CISPR 11 に準拠した放射および伝導エミッション、IEC 61000-4-2 ～ -6 に準拠したイミュニティ）。医療機器に使用される圧力センサーには ISO 13485 認証が必要です。自動車用途の場合は、IATF 16949 認証が必要です。飲料水用途では、飲料水と接触する材料に NSF/ANSI 61 認証が必要な場合があります。また、多くの大規模産業バイヤーは、ISO 9001 を対象とした工場監査と、国際標準 (NIST、PTB、またはその他の国家計量機関) に対する校正トレーサビリティの文書化を要求しています。現在の認証と透明性のある品質記録を維持するメーカーは、国際的な調達において競争上の優位性を獲得します。
ゲージ圧センサーに関するよくある質問
Q1: ゲージ圧センサーと絶対圧センサーの違いは何ですか?
A: ゲージ圧センサーは、周囲の大気圧を基準とした圧力を測定します (大気圧をゼロ基準として使用します)。通気性のあるハウジングを備えています。絶対圧力センサーは、完全な真空 (密閉された基準チャンバー、絶対圧 0 psi) を基準とした圧力を測定します。ゲージセンサーは、ほとんどの工業プロセスで使用されます。絶対センサーは、気圧、高度計、密閉容器の漏れ検査に使用されます。
Q2: ゲージ圧センサは開放タンクの液面測定に使用できますか?
A: はい。通気ケーブルを備えた水中ゲージ圧力センサーは、開放タンクの底部の静水圧を測定します。圧力は液体の高さに比例します (水深 2.31 フィートあたり 1 psi)。通気ケーブルにより大気圧の変動が確実に相殺されるため、出力には液体の高さのみが反映されます。
Q3: 工業用ゲージ圧力センサーの標準的な精度はどれくらいですか?
A: 工業用ゲージ圧力センサーは通常、フルスケールの ±0.5% (%FS) またはより高精度の場合は ±0.25% FS の精度を達成します。汎用アプリケーションの場合、±1.0% FS が許容されます。重要なプロセスや実験室での使用には、±0.1% FS または ±0.05% FS センサーが利用可能です。精度には、補償された温度範囲にわたる直線性、ヒステリシス、再現性、および温度の影響が含まれます。
Q4: 圧力センサーの 4 ～ 20 mA 出力と 0 ～ 10 VDC 出力の違いは何ですか?
A: 4 ～ 20 mA (ループ電流) は 2 線式の電流ループ出力です。長いケーブル配線 (1000 フィート) による電圧降下の影響を受けず、騒音の多い産業環境でも使用できます。ゼロ出力は 4 mA (0 mA ではありません) で、断線を検出できます。 0 ～ 10 VDC は 3 線式電圧出力です。これは短いケーブル配線 (50 フィート未満) に適しており、電圧入力を備えた PLC およびデータ収集システムで一般的です。
Q5: 危険区域 (爆発性環境) で使用するためにヨーロッパに輸出されるゲージ圧センサーにはどのような認証が必要ですか?
A: 爆発性雰囲気 (ガスまたは粉塵) で使用する場合、センサーは ATEX (ヨーロッパ) または IECEx (国際) 認証を取得する必要があります。認証タイプはゾーンによって異なります。ガスの場合はゾーン 0/1/2、粉塵の場合はゾーン 20/21/22 です。本質安全性 (Ex ia) は、低電力センサーに一般的です。耐圧防爆エンクロージャ (Ex d) は、高出力センサーに使用されます。センサーには認証コードがマークされており、メーカーの管理図面に従って設置されている必要があります。 EMC および RoHS 準拠には CE マーキングも必要です。
参考文献と詳細情報
  • 国際電気標準会議。 （2023年）。 IEC 61000-6-2:2016 – 電磁両立性 (EMC) - パート 6-2: 一般規格 - 産業環境のイミュニティ規格。ジュネーブ: IEC。
  • 国際標準化機構。 （2022年）。 ISO 9001:2015 – 品質マネジメントシステム – 要件。ジュネーブ: ISO。
  • 国際電気標準会議。 （2022年）。 IEC 60079-11:2023 – 爆発性雰囲気 – パート 11: 本質安全防爆「i」による機器保護。ジュネーブ: IEC。
  • アメリカ機械学会。 （2022年）。 ASME B40.100-2018: 圧力計およびゲージ付属品。ニューヨーク州ニューヨーク州: ASME。
  • SGSグループ。 （2024年）。圧力センサーのテストと認証: 産業調達のための技術ガイド。ジュネーブ: SGS Publications.

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