圧力とは、液体や気体などの流体が表面に対して単位面積あたりに及ぼす力のことを指します。私たちの身の回りにあるタイヤの空気圧から、高度な科学実験で用いられる超高真空まで、圧力の測定は産業や研究において不可欠な技術です。国際単位系（SI）ではパスカル（Pa）が標準単位として定義されています。
Key Facts
- 圧力の定義： 単位面積あたりに作用する力（N/m²）として定義される。
- 基準の違い： 大気圧をゼロとする「ゲージ圧」と、完全真空をゼロとする「絶対圧」がある。
- 代表的な機器： 機械的なブルドン管圧力計から、高精度な電子式シリコンセンサーまで多岐にわたる。
- 真空測定： 大気圧より低い圧力の測定には専用の真空計（ピラニ計や電離真空計など）が使用される。
圧力の基準と単位
圧力を測定する際、何を「ゼロ」として設定するかによって、得られる値の意味が変わります。一般的に、周囲の大気圧を基準とした測定値をゲージ圧と呼びます。一方で、完全に空気が存在しない状態（完全真空）を基準とするのが絶対圧です。また、2つの地点の圧力差を測るものは差圧と呼ばれます。
圧力の単位は多岐にわたり、用途に応じて使い分けられています。科学分野ではパスカル（Pa）が主流ですが、工業分野ではバー（bar）やpsi（ポンド毎平方インチ）、気象や真空分野では水銀柱ミリメートル（mmHg）やトル（Torr）などが用いられます。
| 単位 | パスカル (Pa) | バー (bar) | 標準大気圧 (atm) | psi | mmHg / Torr |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 Pa | 1 | 10⁻⁵ | ≈ 9.87 × 10⁻⁶ | ≈ 1.45 × 10⁻⁵ | ≈ 7.50 × 10⁻³ |
| 1 bar | 100,000 | 1 | ≈ 0.987 | ≈ 14.50 | ≈ 750.06 |
| 1 atm | 101,325 | 1.01325 | 1 | ≈ 14.70 | 760 |
| 1 psi | ≈ 6,895 | ≈ 0.069 | ≈ 0.068 | 1 | ≈ 51.71 |
ダイビングなどの水中環境では、海水深（mswやfsw）という独自の単位が使われます。これは水深に比例して圧力が増加する性質を利用したものです。
機械式圧力計の仕組み
ブルドン管圧力計
最も普及している機械式圧力計の一つがブルドン管です。これは、断面が楕円形の曲がった管に圧力をかけると、管が直線的に戻ろうとする性質を利用しています。このわずかな変形をギアで増幅させ、文字盤の針に伝えることで圧力を表示します。
ブルドン管は構造がシンプルで直線性が高く、工業的な用途に最適です。振動が激しい環境では、針の振れを抑えるためにケース内にオイルやグリセリンを満たすことがあります。
マノメーター（液柱圧力計）
歴史的に最も古い手法が、U字管などに液体を満たしてその液面の高さの差で圧力を測るマノメーターです。液柱の高さ（圧力ヘッド）は、液体の密度と重力加速度に基づいた圧力差に比例します。
その他の機械的検出方式
ダイアフラム（膜）やベローズ（蛇腹）を用いた方式もあります。これらは薄い膜や伸縮自在な管の変形量を測定します。例えば、アネロイド気圧計では、波状のダイアフラムを持つカプセルが気圧の変化に応じて伸縮します。
真空測定と特殊な計測法
大気圧よりも著しく低い圧力を測定する場合、一般的な圧力計では対応できず、専用の真空計が必要です。
低真空から高真空までの計測
- マクレオド計： ガスを圧縮して圧力を高めることで測定します。
- ピラニ計： ガスの熱伝導率の変化を利用して圧力を算出します。
- 電離真空計： 電子を衝突させてガス分子をイオン化し、その電流値を測定します。ホットカソード式とコールドカソード式があり、極めて低い圧力まで測定可能です。
回転ローター計
磁気浮上させた鋼球を回転させ、ガスの粘性によって球が減速する速度を測定する高度な手法です。主に研究室での校正や極低温液体の真空監視に使用されます。
電子式圧力センサーと現代の技術
現代の産業界では、電気信号として圧力を出力する電子式センサーが主流です。これにより、遠隔監視やデジタル制御が可能になりました。
ピエゾ抵抗式センサー
シリコンなどの半導体素材を用いたピエゾ抵抗式センサーは、圧力がかかった際の抵抗値の変化を検出します。非常に小型で感度が高く、スマートフォンや気象観測装置など幅広く利用されています。
その他の電子計測方式
静電容量の変化を利用する容量式や、圧電効果を利用するピエゾ電気式、さらには光学的手法を用いたセンサーなどが開発されています。また、測定値を電気信号に変換して送信する圧力トランスミッタは、プラントなどの大規模設備で不可欠なデバイスです。
圧力測定の応用例
圧力測定は、単に「圧力を知る」だけでなく、他の物理量の算出にも応用されています。
- 高度測定： 高度が高くなるほど気圧が下がる関係を利用し、航空機や気象観測で使用されます。
- 液位・水深測定： 液体の深さに比例して圧力が増加するため、タンクの残量確認や潜水艇の深度計に利用されます。
- 流量測定： ピトー管などを用いて、流体の速度（動圧）を測定します。
- 漏洩試験： 密閉系での圧力変化を監視し、リークの有無を判定します。
Frequently Asked Questions
ゲージ圧と絶対圧の決定的な違いは何ですか？
ゲージ圧は大気圧を「0」として測定した値であり、絶対圧は完全な真空状態を「0」として測定した値です。例えば、大気圧が1気圧のとき、ゲージ圧が0の地点の絶対圧は1気圧となります。
ブルドン管圧力計が工業的に広く使われている理由は何ですか？
構造が非常にシンプルでありながら、測定精度が高く、直線的な応答を示すためです。また、メンテナンスが容易でコストパフォーマンスに優れている点も大きな要因です。
真空計にはなぜ多くの種類があるのですか？
真空度（圧力の低さ）によって、ガスの挙動や物理的特性が異なるためです。低真空では熱伝導率が有効ですが、超高真空では分子の衝突回数が極端に少なくなるため、イオン化などの手法が必要になります。
圧力センサーで高度を測定できるのはなぜですか？
地球の大気は高度が上がるにつれて密度が低くなり、それに伴い気圧が一定の法則に従って減少するためです。この気圧の変化を逆算することで、現在の高度を推定することが可能です。
圧力計の校正にはどのような方法が使われますか？
デッドウェイトテスター（分銅式圧力計）などが用いられます。これは既知の重量（分動）をピストンにかけ、正確な圧力を発生させて、測定器の指示値と比較・調整する手法です。
References
- Taskos, Nikolaos (2020-09-16). "Pressure Sensing 101 – Absolute, Gauge, Differential & Sealed pressure". ES Systems. Retrieved 2020-09-16.
- Bequette, B. Wayne (2003). Process control: modeling, design, and simulation. . p. 735. .
- NIST
- Staff (2016). "2 - Diving physics". Guidance for Diving Supervisors (IMCA D 022 August 2016, Rev. 1 ed.). London, UK: International Marine Contractors' Association. p. 3.
- Page 2-12.
- "Understanding Vacuum Measurement Units". 9 February 2013.
- Daood, Syed S.; Ijaz, Aamir; Butt, Muhammad A. (2007-11-20). "Study on a Concentric Tube Bulb Manometer and its Performance Compared to U-shaped Manometer". Sensors (Basel, Switzerland). 7 (11): 2835–2845. :2007Senso...7.2835D. :10.3390/s7112835. 1424-8220. 3965241. 28903264.
- Nagata, Tomio; Terabe, Hiroaki; Kuwahara, Sirou; Sakurai, Shizuki; Tabata, Osamu; Sugiyama, Susumu; Esashi, Masayoshi (1992-08-01). "Digital compensated capacitive pressure sensor using CMOS technology for low-pressure measurements". Sensors and Actuators A: Physical. 34 (2): 173–177. :1992SeAcA..34..173N. :10.1016/0924-4247(92)80189-A. 0924-4247.
📸 フォトギャラリー