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、高度な科学研究で用いられる超高真空まで、圧力の測定は産業や科学のあらゆる分野で不可欠な技術です。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： 機械式ではブルドン管圧力計、電子式ではピエゾ抵抗センサなどが広く普及している。
- 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」とするかによって数値の意味が変わります。最も一般的なのは、周囲の大気圧を基準点とするゲージ圧です。一方で、完全な真空状態を基準とする絶対圧は、極めて低い圧力を扱う際に必須となります。また、2つの地点の圧力差を測る差圧という概念も重要です。
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。SI単位のパスカルのほか、工業的に便利なバー（bar）、気象学で使われる標準大気圧（atm）、米国で一般的なpsiなどが存在します。
| 単位 | パスカル (Pa) | バー (bar) | 標準大気圧 (atm) | psi (lb/in²) | 水銀柱 (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）という単位が用いられ、水深に応じた圧力変化を直感的に把握できるようになっています。
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たものです。このわずかな変形をギアで増幅させ、指針として表示します。
ブルドン管は構造がシンプルで精度が高いため、工業用として広く採用されています。振動が激しい環境では、内部にグリセリンなどの液体を満たして指針の振れを抑える工夫がなされます。
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、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、流体の密度と重力加速度に基づいた計算で圧力に変換されます。
その他の機械式デバイス
他にも、金属製の薄い膜がたわむ性質を利用したダイヤフラム（膜）式や、蛇腹状の構造を持つベローズ式、気圧計に用いられるアネロイド（真空カプセル）式などがあります。
電子式圧力センサと高度な計測
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が主流です。特にピエゾ抵抗式シリコンセンサは、圧力によるシリコンの歪みが電気抵抗の変化として現れる性質を利用しており、小型で高精度な測定が可能です。
これらのセンサは、圧力トランスミッタとして組み込まれ、遠隔地へデジタルデータを送信することが可能です。
真空度の測定手法
大気圧を大幅に下回る真空状態の測定には、特殊な原理を持つ真空計が使用されます。
- マクラウド計： ガスを圧縮して圧力を高め、測定しやすくする手法です。
- ピラニ計： ガスの熱伝導率が圧力によって変化することを利用します。
- 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。熱陰極式と冷陰極式があります。
- 回転ローター計： 回転する球がガスの粘性によって減速する速度を測定し、極めて高い精度で圧力を算出します。
圧力測定の応用例
圧力測定は、単なる数値化だけでなく、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。
- 液面・水深測定： 流体の深さに比例して圧力が上昇するため、タンクの液量や潜水艇の深度測定に利用されます。
- 流量測定： 流路に設けられた絞り部分の差圧を測ることで、流体の流速を算出します。
- 地盤調査： ピエゾメーターを用いて地下水の圧力を測定し、土壌の特性を分析します。
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、そこからの増分を測定します。一方、絶対圧は完全な真空状態を「0」として測定します。したがって、「絶対圧 ＝ ゲージ圧 ＋ 大気圧」という関係になります。
ブルドン管圧力計が使われ続けている理由は何ですか？
電源が不要であること、構造がシンプルで耐久性が高いこと、そして十分な精度（一般的にフルスケールの±1%程度）を持っているため、現場での簡易的な確認に非常に適しているからです。
真空計にはなぜ多くの種類があるのですか？
真空度によって、ガスの挙動（熱伝導や分子の衝突頻度）が異なるためです。低真空では熱伝導率を利用し、高真空では分子の電離現象を利用するなど、測定範囲に合わせて最適な物理現象を選択する必要があります。
圧力センサの校正にはどのような方法がありますか？
デッドウェイトテスターなどの標準器を用い、既知の重りによって正確な圧力を発生させ、センサの出力値と比較して補正を行う方法が一般的です。
References
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