状態量を測る

流体圧力を測る

絶対圧力:真空を基準とした圧力
ゲージ圧力:大気圧との差
一次圧力計:力のつり合いによって直接圧力を測るもの
二次圧力計:物質の物理的変化などを用いて間接的に測るもの

高圧を測る

分銅式圧力計

パスカルの原理の直接的な利用
呪力加速度の場所による違いや、ピストン―シリンダ間の油漏れなどの影響を考慮kしなければならない。
高圧になるとピストン―シリンダ系の弾性変形が無視できなくなる。
pが小さいときには軽い分銅を使い、ピストン断面積を大きくする。

弾性変形式圧力計

弾性材料で作られた薄板や容器が圧力を受けて変形することを利用する2次圧力計。

  • ブルドン管圧力計:中空曲管の内圧変化によって管端が変位するのを利用するもの。管端の動きはリンクと歯車の組み合わせによって指針の回転に変換される。確度は1~2%
ピエゾ電気圧力計

圧力によって結晶表面に電荷が生じる現象を利用。
現れた電荷は素子上から放電によって失われるため、静圧の測定には適さない。(安定しないってこと?)
応答が速くμsオーダーの圧力計測が可能
自動車エンジンなど動作中のシリンダの内圧を測るなどに適している。
逆に圧電材料に電圧を加えるとひずみが発生する電歪効果(でんわいこうか)もある。

ピエゾ抵抗式圧力計

外圧によって金属の結晶格子が変形するため、自由電子の移動度が変化する→抵抗変化が生じる(ピエゾ抵抗効果)
確度は±0.1~0.5%

常圧を測る

液柱式圧力計

液柱により生じる圧力と測定圧とを平行させることによって圧力を読む。
傾斜管を使うことで液柱の読み取り長さを拡大して感度を高める。
堅ろうさに欠ける上設置姿勢の制約もあり、産業用の日常生活用としては不向き。

弾性変形式圧力計

密閉容器の一部あるいは全体を覆い男性版で作り、容器内外の圧力差によって生じる弾性板の変形を変位量として取り出す。
圧力センサ→ダイアフラム型感圧部
加圧による変形量をピエゾ抵抗国化によりブリッジ回路で検出増幅する。ゲージ圧100kPa程度まで直線性を保持し、±0.3%の確度を持つ。

真空を測る

液柱式圧力計

クラウド型:操作に時間がかかるが±数%の精度で真空度が測れる絶対圧力計であり、高真空用の電気式圧力計に対する校正圧力計としても用いられている。

弾性変形式圧力計

金属ダイアフラム型は真空測定用としても用いることができる。

電気式圧力計

真空計内残留気体分子の物理的性質を利用。

  • 熱伝導式真空計

圧力が低くなる(=平均自由行程が長くなる)と、衝突回数が減少し手フィラメント温度が上昇し、その抵抗値が増加するため、抵抗値の変化から圧力を求めることができる。
平均自由行程:1つの分子が分子と衝突し、次に他の分子と衝突するまでに直進する距離の平均

定電流型:英電流からブリッジに電流を供給する形にして不平衡電流を読み取る
定温型:不平衡電流がゼロになる用フィラメント電流を調整してフィラメントを常に一定温度に保つ。正確さと圧力範囲の点で定電流型よりも優れている。

ラニ真空計:直接フィラメント電流を測る。
熱電対真空計:フィラメントの温度変化を直接熱電対で測る→簡単であるが、測定圧力範囲がピラニ型よりも狭く角度もやや低いため、モニタ用として用いられることが多い。熱伝導率が期待の種類により異なるため、空気や窒素ガスなどで校正したものは、他のガスには通用しない。

  • 電離式真空計

気体分子数から真空度を測る方法。温度一定の下では圧力と分詞密度がほぼ比例することから、分子をイオン化してイオン電流を測ろうというもの。
熱陰極型:気体を電離するため熱電子を用いる。確度や安定性の面で冷陰極型よりも優れているため多く用いられている。
冷陰極型:放電を利用する
フィラメントからでた電子はグリッドに加えられた電圧により加速され、管内の期待をイオン化する。生じた陽イオン負電荷にあるイオンコレクタで集められた、また、発生電子はフィラメントからの電子とともにグリッドに入る。
バイアード・アルパート型:従来の方法では、電子がグリッドに入射するとき発生する軟X線によってコレクタが照射され、そこから高電子を発生するため、その高電流が信号イオン電流に加わる。そこでフィラメントとイオンコレクタの位置を逆転させてイオンコレクタを小さくすることで、より高真空にも対応できるようになった。

リークテストの方法

ヘリウムリークでテクター:Heをトレーサーガスとして使い、Heのみを検出する質量分析管を備えた、真空ポンプ一式を含む真空装置。

温度を測る

高温を測る

接触式測温
  • 熱電対

2種の金属線の両端を接続して作った閉回路の接合店に温度差を与えたとき電流が流れる(ゼーベック効果)に基づく。
2つの接合店の1つを基準温度に保っておけば、他の接合店の温度と発生電流の間には関数関係があり、温度が電流の形で読み取られる。
閉回路を開いて、そこに発生する電位差(熱起電力)を読み取る。

接触式測温

ある波長λにおける分光放射輝度は温度Tのみによって定まる→分光放射輝度を測ることによってTが求められる!
分光放射輝度:単位波長当たり、単位面積から単位立体角内に放射されるパワー
目をセンサとした高温度計、光電センサを使った2色温度計が現場で活躍している。

  • 色による測温:可視光の波長範囲のみの熱放射を対象とするため700℃~2000℃までしか測れない。白熱標準ランプに流す電流を調整して、対象物の輝きと一致する点ではフィラメント像が消失する。零位法をもちいているため、精度が高いが、零点を見つけるための調整に時間がかかり、時間応答性が悪くなる。
  • 2色温度計:センサ部として目の代わりにシリコンフォトダイオードなど可視域光センサを用いる。2つの狭帯域フィルタを交互に切り替え、それぞれの波長における分光放射輝度の比を計算して温度と関連付けている。

中温を測る

接触式測温
  • 金属線抵抗温度計

金属の持つ温度係数の活用。帝国体を流れる電流はジュール熱を発生し誤差要因となるから、自己加熱の影響を無視できる程度に電流を制限しなければならない。
実用温度計の確度は0.1~0.5%で熱電対よりも高い

接触式測温

赤外線差を用いてできるだけ広い波長域の放射全体を受ける方式を用いる。信号の交流化を行うことで増幅を容易にし、SN比を向上し,偽放射信号であるDC成分を除去する。平均して、±1%程度の確度を持つ。
kotobank.jp

常温を測る

接触式測温
  • 温度ー電気変換型センサ

サーミスタ:抵抗の温度係数が負となる形の素子。-50~350℃の範囲で多く使われ、0.5~2%の確度を持つ。経年変化と互換性の点で精密測温には向かないが、感度が高く安価であり、家庭用から産業用まで幅広く用いられている。

  • 温度ー機械変換感温素子

ブルドン管:パイプの中に液体や気体を充満させると、温度による圧力変化によって先端が変形することによって、温度を測ることができる。
バイメタル:熱膨張係数の異なる2種の金属板を圧延法で張り合わせ温度変化を機械変位として取り出す。±1%程度の確度を持つ

接触式測温

温度が低くなるにしたがって波長域は長波長側に移動していくが、それとともに放射エネルギーも急激に低下していく(ステファン・ボルツマンのT4乗則)ため非常に難しい。

低温を測る

熱電対→-200℃ぐらいまで用いられる
抵抗温度計→-260℃ぐらいまで用いられる
NTCサーミスタ→-50どぐらいまでは使用できる