水銀圧力計

水銀圧力計は、作動流体として水銀を使用する圧力計の一種です。この計器の最も基本的な形は、水銀が充填された U 字型のガラス管です。より複雑なバージョンでは、非常に高い圧力を扱ったり、水銀を充填するより優れた手段が採用されています。

この機器は、半分水銀が入ったガラスのU字管でできています。一方の端は、圧力を測定する容器に接続されています。もう一方の端は開いたままでも密閉されていてもかまいません。開いたままにしておくと、測定される圧力は変動する空気圧に対する相対圧力になります。密閉されている場合、測定される圧力は絶対圧力です。この管は製造時に密閉されており、密閉端は真空になっています。^[1]水銀は密度が 高いため、圧力計に使用するのに便利な素材です。つまり、水に比べて柱がずっと短くて済みます。^{[2]たとえば、} 100 mmの水の 柱で表される圧力は、 7.4 mm水銀柱（mmHg）をわずかに下回ります。 ^[3]

圧力は、基準柱と試験対象物に接続された柱の高さの差を測定することで決定されます。この測定を補助するために、通常、目盛りが付けられており、実験室では精度を上げるためにカテトメータが使用されることがあります。^[4] 相対圧力を測定する場合、差は負になることがあります。これは、試験圧力が基準圧力より低いことを意味します。^[5] この機器が広く普及したため、mmHg は圧力の測定単位として一般的に使用されるようになりました。また、別の圧力単位であるトルとも関連があります。mmHg はSI 単位ではありませんが、特に医療分野では今でも時々使用されています。^[6] SI 単位では、1 mmHgは約133 Paです。^[7]

密閉されたゲージに水銀を充填する最初の段階で問題が発生することがあります。1つの方法は、ゲージのガラスを水銀容器に融合し、空気を排出して水銀を沸騰させるというものです。充填後、ゲージは再び切り離されます。さらに、水銀を介したガスの拡散が遅いため、ゲージ内の真空は最終的に悪化し、デバイスの精度が低下します。^[8]

1938年、アドルフ・ツィンメルリ（1886–1967）^[9]は、少なくとも大気圧より低い圧力については、充填の問題を克服した圧力計を発明した。^[10] ツィンメルリの圧力計は、比較的幅の広い3本の柱から構成される。図を参照すると、中央と右側の柱は標準的なU字管圧力計として機能している。さらに、中央の柱の上部は、毛細管で左側の3本目の柱の下部に接続されている。中央の柱は、接続毛細管と同様に、最初は完全に水銀で満たされている。他の2本の柱は部分的に満たされている。右側の主柱の上部と左側の貯蔵柱の上部は、一緒に接続され、測定する圧力の入口に接続されている。試験圧力が加えられると、水銀は左右の柱の両方で上昇し、中央の柱で下降する。毛細管の上部の水銀が破れ、そこに真空が形成される。圧力は通常の方法で右の柱と中央の柱の高さの差によって測定されます。^[11]

測定のたびに新しい真空が形成されるため、真空が汚染されるという問題はありません。キャピラリー内に形成された気泡は、ゲージを逆さまにして振ったり叩いたりすることで簡単に除去できます。^[12]

極めて高圧の場合、水銀を使用していても柱の高さは非常に高くなることがあります。20～30標準気圧（15,000～23,000 mmHg）の範囲の圧力を測定するゲージが作られています。^[13] 高さ23メートルの水銀柱は読み取りが難しく、柱のさまざまな部分の温度が異なるために不正確さが生じます。高圧に適したよりコンパクトな水銀圧力計は、超伝導の発見者であるハイケ・カメルリング・オンネスによって作られました。これは、逆U字管で接続された一連の水銀充填U字管で構成されていました。逆U字管には、機器を対象の圧力範囲にするために設計された圧力の圧縮空気が含まれています。この機器からの圧力は、各U字管の柱の高さの差を合計することによって求められます。^[14]

すべての水銀圧力計の原型は、1643年にエヴァンジェリスタ・トリチェリが発明した水銀気圧計です。 ^[15] 水銀圧力計の初期の工学的応用は、蒸気時代の蒸気ボイラーの圧力を測定することでした。蒸気機関で最初に使用されたのは、1763年から1775年の間にジェームズ・ワットがワット蒸気機関を開発したときでした。このエンジンは、人気のニューコメン大気圧エンジンの発展型でした。 ^[16] 後のカマーリング・オンネス計に非常によく似た蒸気機関用計が、1858年にトーマス・パースグローブによって特許を取得しました。カマーリング・オンネスの装置と同様に、複数のU字管が直列に接続されていました。接続管には非圧縮性流体が充填されていました。^[17]

この機器はかつて、教育、研究室、医療測定、産業用途で広く使用されていました。しかし、水銀の毒性とガラス器具の破損による水銀流出の危険性により、その使用は減少しました。また、他の種類のセンサーを電子システムに接続する方が簡単になりました。1991年までに、他の技術にほとんど置き換えられました。^[18]

水銀ゲージは、国家計測標準研究所で圧力の一次標準として一般的に使用されています。^[19] たとえば、米国の国立標準技術研究所(NIST) では、高さ 3 メートル、水銀225 kgのゲージを使用しています。精度を上げるために、水銀柱の高さの測定には超音波が使用されています。しかし、2019 年にバックアップ ゲージが何年も使用できなかった後、廃止されました。バックアップ ゲージは非常に大きく、通常の方法では取り外すことができませんでした。取り外すには天井に穴を開けました。この廃止は、環境上の理由から標準研究所での水銀の使用をやめるという国際的な動きの一環です。NIST は、メインの水銀ゲージをポータブルフォトニックデバイスに置き換えた後、最終的にメインの水銀ゲージも廃止する予定です。^[20]

• マクラウドゲージ、電子圧力計の校正に使用される水銀圧力計の一種

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• ツィンメルリ、アドルフ、「改良型水銀 U ゲージ」、Industrial & Engineering Chemistry: Analytical Edition、第 10 巻、第 5 号、283 ～ 284 ページ、1938 年 5 月 1 日。