工業用計器に少しでも触れたことがある人なら、ほぼ確実に、人々が「トランスデューサー」と「トランスミッター」を行き来しているのを聞いたことがあるでしょう。新しい技術者はこれらの用語を混同し、調達チームは一方を意味するのにもう一方を要求し、一部の製品カタログでさえこれらの用語を同じ意味で使用しています。この混乱が現場で実際の問題を引き起こしています - 私は、各デバイスが何をするのか、そしてそれらがどのように連携するのかを正確に理解するために立ち止まる人がいなかったため、プロジェクトの遅延や返品が起こっているのを見てきました。
実のところ、それらは同じものではありません。トランスデューサーとトランスミッターはペアとして機能し、すべての圧力トランスミッタは両方の部分を利用して物理的な圧力を読み取り、それをプラント全体の制御システムに送信します。
このガイドでは、この 2 つの主要な違いを説明し、一般的な圧力トランスミッターがどのように機能するかを段階的に説明し、最も一般的な 3 つの圧力測定タイプについて説明し、すべてのプロセス プラントで見られる標準的な出力信号について説明します。最終的には、この 2 つを区別し、トランスミッターのハウジング内で何が起こっているかを理解し、独自のアプリケーションのサイズ決定をより適切に行うことができるようになります。
トランスミッターとトランスデューサー: 実際の違いは何ですか?
それらをまっすぐに保つ最も簡単な方法は、トランスデューサーが圧力を感知し、トランスミッターが信号を送信することです。これらは 2 つの別個の機能であり、多くの場合 1 つのデバイス - 内に一緒にパッケージ化されているため、用語を混同する人が非常に多くいます。
トランスデューサーの役割
トランスデューサは、ある形式のエネルギーを別の形式のエネルギーに変換するデバイスです。圧力測定では、流体またはガスの圧力から物理的機械力を取得し、それを微弱な電気信号に変換します。
その生の電気出力は非常に小さく -、通常はミリボルト - であり、標準化されていません。センサーの設計によって異なりますが、ノイズを拾わずに精度を損なうことなく短距離以上移動するには弱すぎます。生のトランスデューサ信号だけでは、施設の反対側にある PLC または DCS に送信するのには役に立ちません。
トランスデューサには、ひずみゲージ、容量性、圧電性、電位差測定など、さまざまなセンシング技術が搭載されています。どちらを使用するかは、圧力範囲、媒体の種類、温度、アプリケーションの精度要件によって異なります。
送信機の役割
送信機は、トランスデューサからの弱い非標準電気信号を受け取り、調整して増幅し、長距離を確実に伝送できる標準化された業界出力信号に変換します。{0}
トランスミッターの仕事は、小さな可変信号を一貫した普遍的に認識された範囲 - に変換することです。通常、電流ループの場合は 4 ～ 20 mA、電圧出力の場合は 1 ～ 5 V です -。範囲の下限は測定圧力の 0% に等しく、上限は 100% に等しくなります。この標準化された信号は、精度を損なうことなくプラントの配線を数百メートル伝送でき、世界中のすべての制御システムがそれを解釈する方法を知っています。
なぜ用語が頻繁に混同されるのか
現在販売されているほぼすべての最新の圧力トランスミッタは、トランスデューサ感知要素とトランスミッタ回路の両方を単一のハウジング内にパッケージ化しています。ほとんどのフィールド機器は個別に購入するのではなく、完全なアセンブリを購入することになります。-
時間が経つにつれて、業界ではユニット全体をどちらかの名前で呼ぶようになりました。これを圧力トランスデューサと呼ぶベンダーもあれば、圧力トランスミッターと呼ぶベンダーもあり、ほとんどの市販のフィールド ユニットでは、両方の名前が同じ完全な製品を指します。--この区別は、内部コンポーネントを修復する場合、カスタム ビルド用の未加工センサーのサイズを調整する場合、またはコンポーネント-レベルの部品を比較する場合にのみ重要です。
圧力トランスミッタが実際にどのように動作するか (ステップバイステップ)
すべての産業用圧力トランスミッタの内部には、絶縁ダイヤフラム、感知トランスデューサ、トランスミッタ信号回路という 3 つのコア ステージがあります。プロセス圧力を加えると各段階で何が起こるかを次に示します。
ステージ 1: 測定ダイヤフラムが最初に接触します。
プロセス流体やガスが繊細な検出素子に直接触れることはありません。まず、トランスミッタのプロセス接続面に溶接またはクランプされた薄くて丈夫な測定ダイヤフラムを押し付けます。
このダイヤフラムは、ステンレス鋼、ハステロイ、またはプロセス媒体に適合するその他の耐食性材料で作られています。{0}}圧力がかかるとごくわずかに曲がり、その力が充填流体 (通常はシリコン オイルまたは別の不活性液体) を介して反対側の実際のセンサー要素に伝達されます。
この分離には、次の 2 つの重要な目的があります。
- 壊れやすいセンシング材料を腐食性、研磨性、または汚れたプロセス媒体から保護します。
- 工場でセンサーを校正して密封できるため、過酷な現場条件でも何年も正確な状態を維持できます。
ステージ 2: トランスデューサーが力を電気信号に変換します。
充填液の背後には、実際の圧力センサーであるトランスデューサー - が設置されています。産業プロセスのアプリケーションでは、次の 3 つのテクノロジーが最も一般的です。
ひずみゲージセンサーが最も広く使用されています。ひずみに敏感な小さな抵抗器のパターンが剛性のダイヤフラムに接着されています。-圧力によってダイヤフラムが変形すると、抵抗器が伸縮して電気抵抗が変化します。この変化は非常に小さく、ホイートストン ブリッジ回路を通じて測定され、圧力に比例したミリボルト-レベルの出力を生成します。
静電容量センサー2 つの平行な金属プレートを使用し、1 つは固定され、もう 1 つは柔軟なダイヤフラムに取り付けられています。圧力がダイヤフラムを動かすと、プレート間のギャップが変化し、電気容量が変化します。この設計は、非常に低い圧力範囲で非常に安定しており、幅広い温度変動下でも良好に機能します。
圧電センサー結晶材料が機械的ストレス下に置かれると、小さな電圧が直接発生します。急速な圧力スパイクや動的な圧力変化の測定には優れていますが、定常状態のプロセス圧力測定ではあまり一般的ではありません。-
どの場合でも、最終結果は同じです。圧力の変化に応じて変化する非常に小さな電気信号です。この信号だけでは、植物全体に送信するには弱すぎて歪みやすくなります。
ステージ 3: 送信回路は標準出力を生成します
生のトランスデューサー信号がトランスミッターの電子回路基板に入力されます。このボードは 3 つの重要なことを行います。
1.信号調整: 電気ノイズを除去し、温度ドリフトを補償し、出力を線形化して、信号が全範囲にわたって均一に圧力と一致するようにします。
2.増幅: 小さなミリボルト信号を強力で使用可能なレベルまでブーストします。
3.標準化: 信号を広く認識されている出力範囲 - に変換します。- 2 線式産業設備の場合はほぼ常に 4 ～ 20 mA、短距離のキャビネットで使用する場合は 1 ～ 5 V です。
最終的な標準化された信号は、送信端子を通って制御システムに送られ、そこで PLC または DCS が電流値または電圧値を読み取り、それを実際の圧力測定値にマップし直します。
3 つの一般的な圧力測定タイプ
圧力トランスミッターはすべて同じ方法で圧力を測定するわけではありません。彼らが何を「ゼロ点」として参照するかによって、その解釈がどのように解釈されるべきかが変わります。主に 3 つのタイプがあり、間違ったタイプを選択することは非常によくあるサイズの間違いです。
ゲージ圧
ゲージ圧は、プロセス プラントで使用される最も一般的なタイプです。現在の大気圧を基準とした圧力を測定します。
ゲージ圧トランスミッタの読み取り値が 0 の場合、内部圧力が外部の周囲気圧と等しいことを意味します。通常、測定値には psi(g) や bar(g) などの (g) 接尾辞が付けられます。
ゲージ圧は、最も一般的なタンク圧力、ライン圧力、ポンプ吐出量の測定に使用されます。絶対圧または差圧を測定する特別な理由がない場合は、ほぼ確実にゲージ圧が必要です。
絶対圧力
絶対圧力は、完全な真空 - 0 psi(a)=の全真空を基準にして測定されます。測定値の一部として大気圧も含まれます。
海面では、通常の大気圧は約 14.7 psi(a) です。つまり、大気開放されたタンクでは、絶対圧トランスミッタでは 14.7 psi(a)、ゲージ圧トランスミッタでは 0 psi(g) と表示されます。
絶対圧力は、真空プロセス、密閉ガスシステム、蒸気圧測定、および局所的な大気圧の変化に関係なく測定値を必要とするあらゆるアプリケーションに使用されます。
差圧
差圧 (DP) トランスミッタは、2 つの別々の入力ポート間の圧力差を測定します。どちらの点の圧力もわかりません -。一方の側が他方の側よりどれだけ高いかだけがわかります。
非常に汎用性の高い測定タイプです。差圧トランスミッタは次の用途に使用されます。
- オリフィスプレート、ベンチュリ管、フローノズルにわたる流量測定
- ヘッド圧力とガスブランケット圧力を比較することによる、加圧タンク内のレベル測定
- 圧力降下測定によるフィルターやストレーナの詰まり検出
- ポンプ差圧監視
内部のセンサーは基本的に同じように機能しますが、感知ダイヤフラムの片側ではなく両側で圧力にさらされます。
標準出力信号: 4–20mA vs . 1–5V
ほぼすべての産業用圧力トランスミッターで 2 つの出力規格が使用されていることがわかります。それぞれに最適な使用例があります。
4 ～ 20 mA 電流ループ (最も一般的)
4 ～ 20 mA 信号は工業用プロセス制御の主力です. 4 mA は圧力範囲の 0% に相当し、20 mA は 100% に相当します。
電流信号の最大の利点は、長い配線を通しても信号が劣化せず、モーター、VFD、その他のプラント機器からの電気ノイズに対する耐性が高いことです。また、同じペアのワイヤが送信機への電力の供給と測定信号の伝送を行う 2 線式動作もサポートしています。-
4 mA の「ライブ ゼロ」は意図的なものです。信号が 0 mA に低下すると、制御システムは圧力測定値がゼロではなく、断線またはトランスミッターの故障として即座に認識します。これは重要な安全性と診断機能です。
1～5Vの電圧出力
電圧出力は現場設置ではあまり一般的ではありませんが、制御盤、テストベンチ、短距離アプリケーションでは広く使用されています. 1 V=0% レンジ、5 V=100% レンジ。
電圧信号は短距離の場合にはシンプルで安価ですが、長距離では配線抵抗により精度が低下し、電気的干渉を非常に受けやすくなります。また、個別の電源配線も必要です。制御されたキャビネット環境以外では、ほとんどの場合、4 ～ 20 mA がより良い選択です。
簡単な選択のヒントとよくある誤解
さまざまなプロセスプラントでこれらの機器を使用して作業した後、他の機器よりも多く繰り返される間違いがいくつかあります。
1.絶対的な圧力をうっかり購入しないでください。標準ゲージ圧アプリケーション用の絶対値トランスミッタを注文した場合、すべての測定値は約 14.7 psi ずれます。注文する前に、必ず参照タイプを再確認してください。-
2.4 ～ 20 mA は時代遅れではありません。現在利用可能なすべてのデジタル フィールドバス プロトコルがあっても、プレーン 4 ～ 20 mA が依然として最も広くサポートされており、トラブルシューティングが容易で、基本的な圧力測定において最も信頼性の高い信号規格です。
3.精度はセンサー以外にも依存します。高精度のトランスデューサであっても、取り付けが間違っていたり、定格を超える極端な温度にさらされていたり、プロセス媒体のダイヤフラム材質が間違っていたりすると、依然として悪い測定値が得られます。
プロセスに合わせて圧力トランスミッタのサイズを決定していて、どの圧力タイプ、出力信号、またはダイヤフラムの材質がアプリケーションに適しているかわからない場合は、まず機器の専門家に確認する価値があります。フロントエンドで仕様を正しく設定することで、数週間にわたるリードタイムの遅延や後日の返品を回避できます。
よくある質問
圧力トランスデューサはトランスミッタと同じですか?
正確には違います。トランスデューサーは圧力を生の電気信号に変換します。送信機は生の信号を受け取り、それを標準化された長距離出力に変換します。-現在販売されているフィールド圧力トランスミッタのほとんどは 1 つのハウジングに両方の部品を備えているため、これらの用語は同じ意味で使用されることがよくあります。
0 ～ 20mA の代わりに 4 ～ 20mA が使用されるのはなぜですか?
4 mA ライブゼロには 2 つの目的があります。1 つは 2 線ループでトランスミッタに電力を供給すること、もう 1 つは制御システムが真のゼロ圧力測定値と断線または故障したトランスミッタとの違いを認識できるようにすることです。信号が 0 mA に低下すると、直ちに障害として認識されます。
3種類の圧力測定とは何ですか?
3 つの主なタイプは、ゲージ圧 (大気を基準とする)、絶対圧 (真空を基準とする)、および差圧 (2 点間の差を測定する) です。
トランスデューサーはトランスミッターなしで動作しますか?
未加工のトランスデューサは電気信号を生成しますが、信号は非常に弱く、標準外であり、長距離伝送には適していません。{0}一般的なプロセス制御で使用するには、信号を調整して標準化するためにトランスミッターが必要です。
最終的な考え
圧力トランスミッタは、プロセス プラントで最も一般的な機器の 1 つですが、ブラック ボックスのように扱うのは簡単です。トランスデューサとトランスミッタの違い、センシング要素がどのように機能するか、さまざまな圧力や信号タイプが何を意味するかを理解することは、トランスデューサを正しく指定し、より迅速にトラブルシューティングを行い、最も一般的なサイズ設定の間違いを回避するのに役立ちます。
結局のところ、最適な圧力トランスミッタとは、最も派手な仕様を備えたものではなく、- プロセス媒体、圧力範囲、温度、設置環境に正しく適合したものです。
アプリケーションに適した圧力トランスミッターの選択にサポートが必要な場合、または出力信号、ダイアフラムの材質、または圧力タイプについて質問がある場合は、当社の技術チームがプロセス パラメーターを確認し、適切なサイズの構成を推奨します。
参考文献
- 国際オートメーション協会 (ISA)。 （2022年）。圧力測定: 原理、設置および校正。リサーチ トライアングル パーク、ノースカロライナ州: ISA。
- ローズマウント株式会社 (2024)。圧力トランスミッターの基礎: テクノロジーとアプリケーション ガイド。エマソンオートメーションソリューション。
- WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG. （2023年）。圧力トランスデューサとトランスミッタ: 技術的な説明。 WIKA 産業用計装。
- 米国標準技術研究所 (NIST)。 （2021年）。圧力測定器の校正。 NIST ハンドブック 150。
- ABB 測定と分析。 （2024年）。産業用圧力トランスミッタ: 技術選択ガイド.
