圧力センサ
圧力センサは、気体や液体が物体表面に及ぼす圧力を電気信号に変換する計測要素である。圧力は単位面積あたりの力で定義され、SI単位はPaである。産業プラント、空圧・油圧機器、自動車、半導体・医療分野まで用途は広く、プロセス制御や安全監視の基盤を成す。
原理と定義
圧力センサは、圧力による機械的変形や物理量の変化（抵抗、容量、電荷、共振周波数、光路長など）を検出し、ブリッジ回路や発振回路で電圧・電流・デジタル信号に変換する。圧力pは力Fと受圧面積Aでp=F/A、静圧・動圧・全圧などの区別がある。
種類と特徴
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ひずみゲージ式：金属ダイアフラムの微小ひずみを抵抗変化として検出する。安定性と汎用性に優れ、広いレンジに対応する。
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ピエゾ抵抗式：Siダイアフラムの抵抗変化を用い、MEMS量産に適す。小型・低コストで温度補償回路と組み合わせやすい。
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ピエゾ電気式：結晶が圧力で電荷を発生。動的圧力に強く高周波応答に優れるが静圧の長時間保持は不得手である。
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静電容量式：ダイアフラムのたわみで容量が変化。高分解能・低消費電力で医療や気象用途に多い。
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共振式：張力変化が共振周波数を変える。長期安定性に優れ計量標準や高精度用途で用いられる。
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光学式（FBG等）：光ファイバの波長シフトを検出。電磁ノイズに強く、耐環境性を求める場所で有用である。
測定方式（絶対・ゲージ・差圧）
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絶対圧：真空を基準とする。気象・高度・密閉容器の評価に適する。
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ゲージ圧：大気圧を基準とする。配管・タンク圧の一般計測で多用される。
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差圧：二点間の圧力差。ろ過器の目詰まり監視、オリフィス流量計の検出などに使う。
用語の注意
ゲージ圧の0は大気圧に依存し、絶対圧の0は理論真空である。仕様比較や校正の際は基準の違いを明示することが重要である。
仕様と性能指標
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レンジ・定格圧力：最大許容圧、過圧・破壊圧の規定を含む。
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精度：非直線性、ヒステリシス、繰返し性、ゼロ点の総合。%FSや%Readingで表す。
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分解能・ノイズ：最小検出インクリメントと出力ノイズ。
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温度特性：ゼロ点・スパンの温度ドリフト、補償温度範囲。
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応答性：立上り時間、帯域幅。動的圧用途では重要である。
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材質・接液部：SUS、ハステロイ、PTFE等。媒体や腐食性に合わせる。
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保護等級・耐環境：IP、耐振動、耐衝撃。
誤差要因と補償
圧力センサの誤差には、温度依存、非直線性、ヒステリシス、クリープ、加速度感度、配管脈動、共振、取付け応力がある。対策として、ブリッジの温度補償、デジタル線形化、ゼロ・スパン調整、ダンパやキャピラリによる脈動低減、機械的な応力抜きが有効である。
校正とトレーサビリティ
基準器（デッドウェイトテスタや標準圧力校正器）で上昇・下降系列を取ってヒステリシスを評価し、ゼロ点とスパンを調整する。校正周期は使用環境と要求不確かさにより決め、記録・トレーサビリティを維持する。
設置・配管設計
圧力センサの設置では、受圧面に気泡や液柱が滞留しない姿勢、振動源からの隔離、熱源からの距離、シール材の適合を確認する。脈動や水撃がある系ではスネバやオリフィス、パルサを併用し、シールダイアフラムで目詰まり・腐食を防ぐ。フランジやボルトの締結力は均一とし、過大締付けによるダイアフラム応力を避ける。
差圧配管の注意
気体は等長・等高で結露防止、液体はベントやドレンを設ける。温度差による密度変化は差圧誤差となるため、左右ラインの断熱・支持を揃える。
信号処理と通信
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アナログ：mV出力、0-5V/1-5V、4-20mA。長距離・耐ノイズでは4-20mAが定番である。
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デジタル：I2C、SPI、UART、CAN、IO-Link等。温度・自己診断情報の同時取得が可能である。
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線形化・フィルタ：多項式補償、テーブル補間、ローパスでノイズと脈動を整える。
応用例
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プロセス：蒸気・ガス配管の圧力監視、差圧による流量計測、フィルタ劣化検知。
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油圧・空圧：ポンプの保護、サーボ制御のフィードバック、安全弁の作動点確認。
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自動車：吸気マニホールドのMAP、燃料レール、ブレーキ・タイヤの圧管理。
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医療・ヘルスケア：カテーテル内圧、人工呼吸器の気道圧、血圧計。
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半導体・真空：チャンバの絶対圧制御、リーク検出。
選定手順
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基準の確認：絶対・ゲージ・差圧とレンジを系の最大圧・安全率から決める。
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媒体・温度・環境：接液材質、シール、保護等級、防爆の要件を整理する。
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静特性・動特性：必要精度、分解能、応答帯域を明確化する。
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信号・電源・通信：既存システムとの整合（4-20mAやデジタルバス）を合わせる。
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設置・保全：取付けスペース、配管、校正・交換性、在庫共通化を考慮する。
耐久性と保護
過圧・水撃・腐食・磨耗粉による損耗は寿命を縮める。過圧保護、ダンパ、フィルタ、シールダイアフラム、適切な洗浄・ブロー手順を組み合わせ、予防保全と状態監視を行う。
実装上の勘所
圧力センサのゼロ点は取付け姿勢や締付け応力で変動し得るため、据付後のゼロ調整を推奨する。差圧測定では配管内の固形分・気泡・液溜まりを避け、導圧管の長さ・内径・材質を左右で揃える。動的圧の測定では共振回避のため導圧系の固有周波数を把握し、必要に応じてダンピングを付与する。
データ品質と安全
冗長化（二重化）やレンジの異なるセンサ併用は外れ値やドリフトの検出に有効である。自己診断・異常検知を活用し、上限・下限、急変監視、レート制限を設定する。出力が制御系に直結する場合はフェールセーフ設計とインターロックで設備の安全を担保する。
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