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圧力計測の種類と特徴(1)

長野計器(株)
取締役 長坂 宏

1.圧力とは

圧力とは単位面積に印加される力で定義される物理量である。
連続体の中に任意にとった一つの平面を仮定して、この面に作用する垂直応力を圧力と言う。
圧力の表現方法はその用途によって異なり、「絶対圧力」「ゲージ圧力」「差圧圧力」がある。

絶対圧力
完全真空を零基準にとして表した圧力。
絶対圧力であることを示す場合に、ISOでは、単位記号の後に”abs” あるいは”a”を付すことを推奨している。 また、大気圧より低い圧力を絶対圧力で表す時には「真空度」という。この真空度は、低真空、中真空、高真空、超高真空の4つの区分に分けられている。1)

ゲージ圧力
大気圧を基準(零)として表した圧力。日本国内で一般産業用として多く使用されている圧力計はゲージ圧力で作られている。その場合には表示符号はつけない。なお、負のゲージ圧力(大気圧より低い圧力)をゲージ圧力で表す時は真空圧力という。

差圧圧力
二つの状態圧力の差で表される圧力で、任意の圧力を基準として表した圧力。

表1-1 圧力の表現方法

2.圧力の単位

圧力単位は、現在、国際基準「SI単位」に統一されているが、それぞれの国や用途によってSI単位以外の表記も使用されているのが現状である。
主な単位を表に示す。

表2-1 主な圧力の単位
圧力の単位 Pa bar Kgf/cm2 atm H2OHg Torr psi
備考 主な単位への換算
1Pa=1N/m2
1kPa=0.1N/cm2
1MPa=1N/mm2
上記単位は非SI単位。
計量法改正(1993年)後、基本的に使用することはできない。
しかし、非SI単位は上に記載されていないものも含めて、
例外的に国防や航空製品などには経済産業省の許可を得るに必要がある。
また、血圧は非SI単位のmmHgが使用されている。

3.圧力計測(方法)の種類

圧力の程度を計測する場合には印加される圧力によって生ずる力、変位(変形)、歪を利用する。
また、この力、変位や歪みを機械的機構によって処理し、表示など定量化する方法。
電気的な機構によって処理、定量化する方法がある。
主な圧力計(圧力センサ)の分類を表3-1に示す。
以降、この分類に従って圧力計測方法の特徴を入門編として解説する。

表3-1 圧力計測の種類2)
機械式圧力計 圧力センサ(変換器)
アネロイド型 重錘型 液柱型 歪ゲージ型 静電容量型 振動型 光ファイバー

4.機械式圧力計

アネロイド型圧力計の種類には起歪体として、ブルドン管、ダイアフラム、カプセルゲージ、ベローズなどを用いたものがあり、そのいずれも圧力の変化に応じて変形する部品を持つことを特徴とする。尚、アネロイド式とは液体を用いない方法を意味するが、近年、液体を用いたものも存在し、厳密な意味は薄らいでいる。
ここでは、ブルドン管を用いた圧力計を中心に述べる。
ブルドン管とは円管を断面方向に扁平させコイル状に成型したもので、その発明者である「フランス人のブルドン」に由来している。
ブルドン管の一端を閉塞させ、他端(圧力の導入口)から圧力を印加すると閉塞端(自由端又は管先)は数mm程度変位する(圧力計の大きさ、圧力レベルなどで変位量は異なる)。
変位は管先に接続したロッドを介して内機に伝わり、内機のリンク機構、セクター(扇型歯車)とピニオン(小歯車)によって、変位が直線運動から回転運動に拡大変換される。
ピニオン軸に固定された指針は印加圧力に比例して回転する。この指針の回転を目盛板で読取る。一般的にブルドン管の外側(ケース内部)は大気圧に解放されるため、ブルドン管はゲージ圧力検出素子である。一部に差圧計測に利用される。図4-1参照。 尚、ブルドン管に圧力を印加したとき、管先には「圧力に比例した変位」が生じ、巨視的にはフックの法則に従っているが、詳細に観察すると必ずしもその法則に従っていない。この現象は一般に材料がもつ特性として知られている。ブルドン管の特性は圧力計の特性を決定する主要因であり、極めて重要である。

図4-1 ブルドン管式圧力計 内部構造

4.1ブルドン管用材料

ブルドン管用材料は圧力の程度(レンジ)、使用用途によって選ばれる。
低圧用では材料の弾性係数(ヤング率)が比較的小さな金属(銅合金など)が用いられる。中圧・高圧用の材料としては主にステンレス鋼が用いられ、素材として利用する管の形成方法も用途によって、溶接で形成するシーム管、圧延によって形成するシームレス管などが利用される。ブルドン管(素子)は30kPa程度の低圧から1GPa程度の高圧まで、極めて広範囲な圧力測定に使用されている。

図4-2 ブルドン管の種類

4.2形状

ブルドン管は丸管(断面円形の真直管)を断面方向から偏平させてコイル状に成型したもので、その形状より、C形、スパイラル型、ヘリカル型などが存在する。図4-2 参照。
どの形状も原理的には同一であるが、C形は生産性に優れるため生産量が多い。スパイラルあるいはヘリカルは巻き数を増やすことにより大きな変位を取り出せる。また、発生応力を下げるなど、特殊な用途(精密計測、調節計)や高圧に使用することが多い。

4.3ベローズ

ベローズは蛇腹形状の弾性素子である。
ベローズは比較的低圧に使用され、5kPa~2MPa程度の範囲で使用される。また、適切な変位を取り出すために一般的には他のばねと併用して使用される。
ベローズは製作方法により、主として成形ベローズと溶接ベローズに分類される。
成形ベローズは板材を絞ってパイプ状とし、油圧成形により製作する。
材質は、燐青銅・ステンレス鋼が一般的である。
溶接ベローズは、あらかじめ同心状に打ち抜いた板材を溶接することにより製作する。
溶接ベローズは、コストが高いため成形ベローズほど一般的ではない。
成型ベローズの形状と成形ベローズと溶接ベローズの断面形状の違いを図4-3 に示す。

図4-3 成型ベローズの形状(左)、ベローズの断面(右)

4.4ダイアフラム

ダイアフラムとは周辺を固定した比較的柔軟な板材からなるエレメントである。
ダイアフラムは、その材料から非金属製と金属製のダイアフラムに分類される。
非金属ダイアフラムでは、主としてゴムが使われ、ほとんどの場合中央部に剛体とみなせるセンターディスクを設け、有効面積 を大きくする方法がとられている。図4-4-1。
金属ダイアフラムでは、フラットな薄板だけのダイアフラムもあるが、ほとんどの場合、特性を改善するため波形に成形される。図4-4-2。
また、センターディスクを設ける場合もある。
金属ダイアフラム単体では、取り出せる変位が小さいため、変位を必要とする場合は図4-4-3のようにダイアフラムを組み合わせた「チャンバ」と呼ばれるエレメントも使用される。
金属ダイアフラムはベローズに比較し、同一の有効面積では直径が大きくなるなど不利な点もあるが、波形と同形状のバックアッププレートを設けることにより、相当過大なオーバー圧力に耐えられるよう設計できる利点がある。 ダイアフラムは主として100Pa~400kPa位の比較的低圧で使用される。

図4-4-1 非金属ダイアフラム
図4-4-2 波型加工された金属製ダイアフラムの断面
図4-4-3 チャンバの断面

4.5重錘型圧力計

重錘型圧力計は、測定圧力をピストン・シリンダ機構によって力に変換し、この力を重錘に働く重力と釣り合わせて測ることにより圧力値を求める方式のものである。 重錘型圧力計は、ピストン・シリンダ部と重錘(群)とを基本構成要素とし、通常これに配管系・加圧ポンプなどの圧力発生部を付帯させて構成されている。図4-5-1。

<測定原理>
圧力の定義は「単位面積当たりの力」であるから、面積と力を規定できれば圧力を規定する事ができる。
重錘型圧力計では、「単位面積をピストン・シリンダの有効面積」、「力を重錘の質量に作用する重力加速度によって生じる力」により規定する。
測定原理を図4-5-2に示す。

<重錘型圧力計の使用上の注意点>
詳細は取扱説明書を参照しなければならないが、原理的な面で注意すべき点を次に挙げる。

  • ピストンの面積は、使用圧力その他の点を考慮して決定されているので機種毎に異なる。
    このため、重錘に刻印されている圧力値は指定された面積の時にその圧力を発生する。
    従って、使用する重錘は必ずその重錘型圧力計に適合したものかどうか事前に確認する。

  • 重錘型圧力計は、重力加速度を利用して圧力を発生するので、ピストンは必ず鉛直方向に位置しなければ正確な圧力は発生しない。
    装備されている水準器などにより、あらかじめ重錘型圧力計の取付方向を確認しなければならない。

  • 重錘型圧力計は、その原理上重力加速度が変化すると発生圧力が変化する。
    一般的に使用されている精度0.2%の重錘型圧力計は、国内で使用される限りこの誤差が精度以内であるため特に問題とはならないが、これより精度の高い重錘型圧力計で高精度な測定を必要とする場合は、この点を考慮しなければならない。

  • ピストン・シリンダ間の摩擦を除去するため、重錘は回転しなければ正確な圧力は発生しない。

図4-5-1 重錘型圧力計の構造
図4-5-2 測定原理

4.6液柱型圧力計

液柱型圧力計にはU字管式、単管式、傾斜管式などがある。
一般的には、ガラス管と密度が正確に知られている液体とが用いられ、液体に作用する重力加速度によって発生する力を利用して基準の圧力を知る方法である。
液体には通常、水銀あるいは水が使用される。
液柱型圧力計はその構造的な面から、低圧力用に用いられる。
高圧力ではガラス管の長さが長くなること、またガラスでは高圧力に耐えられないこと等の理由による。

図4-6-1 U字管式圧力計の原理


U字管式は、図4-6-1に示すようにガラス管をU字状に加工し内部に液体を注入したもので圧力はそれぞれのチューブに導入する。
ゲージ圧力を測定する場合は、P1を大気に開放する。
圧力は液面の高さの差hを測定し本式により知ることができる。

h =(P2-P1)/ρg
P2=ρgh+P1

P1 : 大気圧力(ゲージ圧)
P2 : 測定圧力
ρ: 液体の密度
g: 重力加速度
h: 液柱高さの差

<単管式>
図4-6-2に示すように、単管式はU字管式の一方のチューブの受圧面を大面積にしたもので、大面積側の液面変化が無視できるものとして液面高さhを測定する。
一般的にこの場合はP1を大気に開放し、P1側の液面高さのみを計測し圧力P2を測定する。
このため、U字管に比べ測定が簡便であるというメリットがある。

<傾斜管式>
傾斜管式は図4-6-3に示すように、単管式のチューブを傾斜させたもので、読み取り長さを拡大することにより、高精度な読み取りを可能にしたものである。
圧力は次式により計算できる。

P2-P1=ρ・g・L・sinα
P2=ρ・g・L・sinα+P1

図4-6-2 単管式圧力計
図4-6-3傾斜管式液柱型圧力計

次回に続く-

参考文献

1) JIS Z 8126 : 1999 真空技術 用語

2) 圧力計技術の発展の系統化調査 2010 国立科学格物館技術の系統化調査報告 第15集



【著者紹介】
長坂 宏(ながさか ひろし)
長野計器(株)取締役

■略歴
1982年 株式会社長野計器製作所(現 長野計器株式会社)入社
     圧力センサ研究・開発業務に従事
2020年 同社 営業企画本部 取締役  現職

圧力センサ(圧力計)の応用用途(1)

長野計器(株)
取締役 長坂 宏

1.まえがき

圧力は物の反応系やシステムの状態を知る基本的な物理量として利用されてきた。
いわゆる戦後における日本の経済発展時、産業界における圧力計測とその情報利用は機械式圧力計(計測)から電気式の圧力計測へと発展してきた段階で圧力計測用途は爆発的に拡大した。
身近なところでは自動車、家電製品、防犯装置、警報機、スマートフォンなどが挙げられる。
また、ここ数年においてはIOT(モノのインターネット)化が加速しつつある。
例えば、工場内の機器や工場同士をネットワークにつなぐと、「監視や管理の対象となる機器のデータを収集し、状態を把握することで、システム全体を最適な制御下に置くことができる。」「収集したデータを蓄積し分析することで、新たな付加価値を得ることができる。」などのメリットが得られる。
これらのシステムはセンサの利用なしには成立できず、益々センサの有用性が増している。

本紙では、発展が著しい圧力計測用途を中心に入門編として紹介する。
また、その用途での使用される圧力センサ(圧力計)の特徴を解説する。

2.圧力センサ(圧力計)の用途分類1)

センサ使用の用途として、近年注目されている分野を考慮した分類とした。本紙特有の分類であることを承知願いたい。

2.1 FA、産業機械
2.2 空調、冷凍機、クリーンルーム
2.3 車両(自動車含む)、建設機械
2.4 産業プロセス(食品・薬品・化粧品)、水素利用関連
2.5 半導体製造用設備

2.1 FA、産業機械

この業界は工作機械、動力伝導装置、タンク、プラスチック成型機械など、非常に幅広い機械、装置、設備が存在し、この用途に使用される圧力計、センサも多種多用である。圧力計測体は空気、油類がその殆どを占めている。 この用途に使用されている主な圧力計測器を示す。

図2-1-1 普通型圧力計

汎用的に使用される普通型圧力計(図2-1-1)が使用される。
その形状は直径10数mmから200mmが多く使用されている。
また、最大圧力値が表示できる置き針式、圧力計内に電気的接点を内蔵した接点付き圧力計、圧力表示のない圧力スイッチなども利用されている。
この他に、振動環境において耐久性を向上させたグリセリン入り圧力計を利用する場合がある。

圧力センサも一般的なものが利用される場合が多い。しかし、仕様(圧力ポート、電気的出力ポートの形状、出力信号の形態、外装ロバスト製など)が多種多様となっているため、一つの製品(型式)でも様々な仕様を選択できるように構成したセンサが販売されている。代表図としてKM31圧力トランスミッター/長野計器(株)製を示す。

図2-1-2 一般産業で汎用的に用いられる圧力センサ

尚、出力信号に加えて圧力値が表示できる 表示付き圧力センサも多く利用されている。
このセンサには設定が可変できるスイッチ機能が付加されているものもある。

図2-1-3 表示付き圧力センサ

また、システムをIOT化するために必要な統一出力規格「EtherNet/IP、EtherCAT、IO-Link」に対応したものやワイヤレス出力、無電源で利用できるセンサも販売されている。
図2-1-4はER31バッテリーレス圧力センサ/長野計器(株)製である。
センサ上部にスマートフォンなどを近接させると給電とセンサ出力を読み取ることができる。

図2-1-4 バッテリーレス圧力センサ

生産工場などでは圧力を計測するばかりではなく、所望の圧力によって機器を検査、校正する必要がある。その用途では圧力発生器、校正器が使用される。
この装置は圧力発生と圧力計測を組み込んだ形態となっている。
校正機器として使用するので圧力計測の精度は高く、0.1%F.S.以上の精度が必要となる。
図2-1-5は高圧用途圧力校正器、図2-1-6は汎用圧力校正器である。

図2-1-5 高圧用途圧力校正器
図2-1-6 汎用圧力校正器

2.2空調、冷凍機、クリーンルーム

圧力レンジとして微圧を計測し、監視、制御することが多い分野で、空調設備や空気の流量計測の用途がある。
現在、猛威を振るっている新型コロナウイルス感染症(COVID-19)対策のために必要な陰圧ルームの管理にも利用される。
図2-2-1は、機械式微差圧計(DG85)である。主に空調用エアフィルタの目詰まり警報を発したり、制御等に使用するほか、クリーンルーム/バイオクリーンルーム等のフィルタ、及びルーム内の圧力の監視・制御等非常に低い圧力(0~50Pa)測定に使用される。微差圧計として利用される他、流量計・微圧計として使用することもできる差圧計である。

圧力検出素子であるダイアフラムはヒステリシスの小さいシリコーンゴムを使用している。
また、図2-2-2はスイッチとして利用されるもので、作動圧力の設定は設定ツマミをまわし、設定圧力の目盛りに合わせるだけで圧力設定作業が容易である。

図2-2-1 機械式微差圧計
図2-2-2 機械式微差圧スイッチ(CL14))

また、機械式圧力計に加えて、圧力センサも多く利用されている。
図2-2-3はデジタル表示付圧力センサである。
小形(24×48mmサイズ)ボディで、多彩な機能で気体の微差圧を高感度に検知できる。
その特徴は13種類の豊富な差圧レンジ、微圧(50Pa)ながら、許容最大圧力50kPa(全レンジ)と非常に高耐圧であることが特長となっている。
形状はコンパクトでも見やすい表示「文字高さ17mmの大型LCD表示(3 1/2桁)」と優れた操作性となっている。

図2-2-3表示付圧力センサ(GC32)

図2-2-4は電池式デジタル表示付き微差圧センサである。
空調・ビル設備等の現場監視に適した電池式のデジタル微差圧計で、配線の必要がないため、測定箇所への設置が容易である。
外部電源のオプション対応も可能で、コンパレータ出力によるフィルタ目詰まり検出等、様々な用途にも使用できる。この用途で所望される機能は①~③である。

① 計測状況が把握し易いアナログバーグラフ表示
② 外部電源・コンパレータ出力(オプション)
③ フィルタ、ホールド、ゼロ調機能

図2-2-4電池式デジタル表示付き微差圧センサ(GC63)

紹介した 微圧、差圧 圧力計・圧力センサは空調、室内圧力、フィルターの健全度監視に利用され、特にウイルスなどによる実内雰囲気汚染を防ぐための管理として有効である。
図2-2-5はその利用用途を整理したものである。

図2-2-5 近年注目されている微差圧計測用途

計測のワイヤレス化は近年において、電気配線を用いない利点から拡大しつつある。そのメリットはワイヤレス化と電池駆動にすることで電気配線が不要となる他、離れた場所での監視が可能となるばかりか、複数台の計測システムが簡便に確立できる点にある。
図2-1-12はワイヤレス型圧力センサと、これをLAN(Local Area Network)に接続するゲートウエイを示す。また、ワイヤレス型圧力センサの特徴を列挙した。

  • 無線通信方式は低消費で長距離通信が可能なLPWA (Low Power, Wide Area)
  • ワイヤレス化、電池駆動により配線不要
  • 最大1km離れた場所での監視が可能
  • 最大200台を一括監視・管理可能
  • 差圧の他に温度、湿度の測定ができる
図2-2-6 ワイヤレス型圧力センサ(ER63)(左)、とゲートウエイ(右)

2.3車両(自動車含む)、建設機械

この用途は殆どが電気式圧力計測(圧力センサ)が用いられ、且つ、量産(一度に大量のセンサが必要となる)特徴がある。
また、その品質要求は厳しく、自動車用ではIATF16949(自動車産業の国際的な品質マネジメントシステム規格)の取得、維持を求められる場合が多い。
自動車用ではエンジン、ステアリング、サスペンション、ブレーキなど主要な部分に圧力センサが使用されている。センサの圧力範囲は広く、低圧では、吸気圧力を計測するMAP(Manifold Absolute Pressure)センサでは100kPa程度から、高圧においては、ディーゼルコモンレール部に取り付ける燃料噴射圧力計測用の200MPaにまで達している。主な用途と圧力レンジを図2-3-1に示した。
センサ出力は自動車内の保護付電子回路(ECU)に入力されて処理されるので、考慮が必要な電気的ノイズ耐性は特定周波数とそのレベルが限定できる場合が多い。
また、計測要素として同時に温度が所望される場合があり、圧力・温度の複合センサも利用される。

図2-3-1自動車用圧力センサの主な用途

図2-3-2は圧力ポートをアルミニウムとして軽量化しているエアコン冷媒圧力計測用センサである。
図2-3-3はブレーキ用圧力センサ。「センサ6台を集合化した構成で、各車輪の制動力を細かく制御できる仕組みとなっている。」

図2-3-2 エアコン用圧力センサ
図2-3-3 ブレーキ用圧力センサ

建設機械用においては、作業機の駆動に使用している油圧回路部の圧力計測(油圧ポンプ部、過負荷検出、シリンダー荷重、積載荷重)に利用されている。
この用途は屋外環境(温度、湿度(水)、電磁ノイズ、雷サージ)を考慮したセンサ構成が要求されるので、センサは堅牢な構造、且つ高い電気的ノイズ耐性を可能とするセンサ構成(測定体導入箇所は高信頼性の溶接構造、耐振構造、サージ圧力の抑制)となっている。

図2-3-4は建設機械用に特化した圧力センサである。
その内部には金属ダイアフラムと薄膜歪ゲージを用いたセンサ素子が内蔵されている。センサ素子は信頼性の高い電子ビーム溶接によって金属製圧力導入部に接合されている。図2-3-5。

図2-3-4 建設機械用圧力センサ
図2-3-5 センサの内部構成

建設機械用圧力センサの主な用途と圧力レンジを図2-3-6に示した。

図2-3-6 建設機械用圧力センサの主な用途

次回に続く-

参考文献

1) 産業別計測製品 SELECTION GUIDE 長野計器株式会社カタログ



【著者紹介】
長坂 宏(ながさか ひろし)
長野計器(株)取締役

■略歴
1982年 株式会社長野計器製作所(現 長野計器株式会社)入社
     圧力センサ研究・開発業務に従事
2020年 同社 営業企画本部 取締役  現職

圧力の校正(1)

長野計器(株)
営業企画本部 営業企画部
部長 佐藤 浩二

1.はじめに

試験や検査時に行われる測定の信頼性を確保するためには、適切な測定方法の採用と計測器の信頼性を確保することが必要である。このうち、計測器の信頼性を確保するためには、動作状態の確認をはじめとする計測器の管理とトレーサブルな標準による定期校正が必要である。
圧力計測機器メーカである当社は、永年にわたり、校正に必要な社内の圧力標準の整備はもちろんのこと、JCSS校正事業者として圧力標準の供給を行っている。

2.校正と計量標準供給制度

2.1 校正

『JIS Z 8103:2019 計測用語』において、校正は、「指定の条件下において、第一段階で、測定標準によって提供される不確かさを伴う量の値とそれに対応する指示値との不確かさを伴う関係を確立し、第二段階で、この情報を用いて指示値から測定結果を得るための関係を確立する操作」と規定されている1)。つまり、校正では、校正対象が指示した値と標準との差が示され、その差から正確な値を知ることができる。
また、校正は、単なるデータであり精度を保証するものではなく、合否を判定するものでもない。この点で、校正は「検査」とは異なる。

2.2 計量標準供給制度(トレーサビリティ制度)
新計量法が平成5年11月1日に施行され、この計量法改正の骨子の一つとして計量標準供給制度が新たに創設された。
この制度は、計量器の校正などに用いられる計量標準を、国家標準から各産業界に確実に供給する体制をいう。また、産業界における計測の標準が、国家標準にトレーサブルであることが対外的に証明できるもので、我が国で初めて制定された制度である。

(1) 計量標準供給制度とは
計量法第八章「計量器の校正等」によって計量標準供給制度が定められている。これによると一定の校正能力を持った校正実施機関を経済産業大臣が指定・認定し、それらの機関は、自ら行った計量器の校正結果を標章(ロゴマーク)付きの校正証明書として発行できることが定められている。

(2) 計量標準供給制度の体系
図1は、圧力の計量標準供給制度の体系を示している。
特定標準器は光波干渉式標準圧力計(液柱形圧力計)である。また、幅広い圧力範囲をカバーするため、副標準器としてピストン式一次圧力標準器群(重錘形圧力天びん)が整備されている。この特定標準器は、国家計量標準機関である国立研究開発法人産業技術総合研究所が維持管理している。
特定標準器から特定二次標準器を校正し、jcss校正証明書を発行することにより登録事業者に圧力標準が供給される。この特定二次標準器を使用して常用参照標準器をJCSS校正し、一般ユーザの圧力計をJCSS校正する。

図1. 計量標準供給制度の体系

(3) JCSS登録事業者
計量器の圧力校正に必要な施設・設備および一定の校正能力を有していると共にこれを維持管理していく体制が整っている校正実施機関および計量器製造業者等の自主的な申請に基づき、独立行政法人製品評価技術基盤機構認定センターが審査して校正事業者として登録する。
計量標準供給制度のポイントとなる登録事業者は、国と産業界との間に位置し国の認定を受けて特定標準器(国家標準)により校正された特定二次標準器または特定二次標準器により校正された常用参照標準器を用いて実用標準器の校正等を行い、この計量器の校正結果に基づいて公的な「JCSS」ロゴマーク付き校正証明書を発行することができる。つまり、一般ユーザにたいして校正サービス事業を行うことができる。

(4) 校正対象圧力計
登録事業者が校正し、JCSS校正証明書を発行できる計量器は、従来の重錘形圧力天びん、液柱形圧力計の他デジタル圧力計、機械式圧力計、圧力変換器にも拡大された。

図2.JCSS校正対象圧力計

3.不確かさ

以前は、測定値の確かさを表す表現として「誤差」が使用されていた。
誤差とは、測定された値と「真の値」との差を言うが、誤差を知るためには「真の値」が分からなければならないという矛盾を抱えており不都合が生じていた。このため、真の値を想定せず表現できる定義として不確かさという概念が取り入れられるようになった。
不確かさとは、「測定値に付随する、合理的に測定量に結びつけられ得る値の広がりを特徴づけるパラメータ」と定義付けされており、このパラメータは標準偏差(またはその倍数)であってもよく、あるいは信頼の水準を明示した区間の半分の値であってもよい。合理的に測定量に結びつけられ得る値とは、測定量によって変化する測定の結果すなわち測定値(必要な補正を行った後の値)に相当する。
即ち、不確かさとは、測定結果の疑わしさを数値で表したものであり、測定値のばらつきの大きさを数値で表したものである。
標準偏差で表した不確かさを「標準不確かさ」、また測定結果がいくつかの他の量の値から求められる場合、その測定の結果の不確かさを「合成標準不確かさ」、更に実用面の要求から「測定の結果について、合理的に測定対象量に結びつけられ得る値の分布の大部分を含むと期待する区間を定める不確かさ」として「拡張不確かさ」が定義されている1)

4.当社のJCSS校正の範囲と能力

当社は、圧力計測機器の専業メーカとして、圧力の計量標準供給体制を整え、1998年12月24日付けで「圧力」区分の登録事業者として認可された。これにより、圧力の国家標準にトレーサブルな圧力計測機器を提供すると共に、重錘形圧力天びん、機械式圧力計、デジタル圧力計においてJCSS校正証明書の発行に対応している。

4.1 当社のJCSS校正の範囲

当社が対応しているJCSS校正範囲は表1のとおりであり、幅広い圧力範囲をカバーしている。

表1. 長野計器のJCSS校正範囲
圧力の種類 校正範囲
絶対圧力 10kpa以上  350kPa以下
ゲージ圧力(負の気体圧力) 80kPa以上  -10kPa以下
ゲージ圧力(正の気体圧力) 10kPa以上   7MPa以下
ゲージ圧力(正の液体圧力) 1MPa以上  500MPa以下
気体差圧 5Pa以上   200kPa以下

4.2 当社のJCSS校正の能力

図3~図5は、重錘形圧力天びん、デジタル圧力計、機械式圧力計における当社のJCSS校正能力を示しており、横軸は圧力値、縦軸は不確かさである。
ここで、重錘形圧力天びんを例に、その内容を説明する。
重錘形圧力天びんの校正可能な最大圧力は500MPaであり、不確かさは65kPaである。また、緑色の丸印は気体絶対圧で最小圧力10kPaに対して不確かさは2.4Pa、青色の丸印は気体ゲージ圧で最小圧力10kPaに対して不確かさは0.55Paである。
何れも、不確かさが小さく、信頼性の高い校正能力を有している。

図3. 重錘形圧力天びん JCSS校正能力
図4. デジタル圧力計 JCSS校正能力
図5. 機械式圧力計 JCSS校正能力

4.3 当社の圧力トレーサビリティ体系

具体的な校正対象計器としては、図6に示すように、重錘型圧力計、精密デジタル式圧力計、精密圧力計などがある。また、当社の圧力標準は、前述のとおり、これらに対し十分な校正能力を有している。さらに、当社で製造販売している各種圧力計、微差圧計、圧力スイッチ、圧力伝送器、圧力センサなどは、このトレーサビリティ体系に組み込まれた標準器類によって校正されている。

図6. トレーサビリティ体系

4.4 国際MRA対応認定事業者

メートル条約締結以降100年以上に亘り、計量単位の統一・計量標準の設定が世界的な規模で行われてきた。また、1990年代からの経済の急速なグローバル化に伴い、「計量標準の国際相互承認」(グローバルMRA)という仕組みが提案された。そして、加盟国は、他国の校正・試験データを自国でもそのまま受け入れる「ワンストップテスティング」が実現した。(図7参照)

図7. ワンストップテスティング

当社は、2006年3月に、この国際MRA対応認定事業者として認定され、当社から発行されるJCSS校正証明書は国際的に通用する証明書となっている。
日本の認定機関である独立行政法人製品評価技術基盤機構認定センター(略称 IAJapan)は、国際試験所認定協力機構およびアジア太平洋試験所認定協力機構で相互承認を行っているため、米国(NVLAP、A2LA)、英国(UKAS)、ドイツ(DAkkS)、オーストリア(NATA)などが認定した各国の校正証明書と同等として扱われる。

図8. 国際相互承認

次回に続く-

参考文献

1) JIS Z 8103:2019 計測用語



【著者紹介】
佐藤 浩二(さとう こうじ)
長野計器株式会社 営業企画本部 営業企画部 部長

■略歴
1994年 株式会社長野計器製作所(現 長野計器株式会社)入社
     圧力計の設計業務に従事
2020年 同社 営業企画本部 営業企画部 部長 現職

ISID、旭化成と農業データ流通基盤の実証実験を開始

(株)電通国際情報サービス(以下ISID)と旭化成(株)は、ISIDのブロックチェーン技術を活用した農業データ流通基盤 「SMAGt(スマッグ)」と旭化成が展開するクラウド型生鮮品物流システム 「Fresh Logi™(フレッシュロジ)システム」とを連携させ、2020年11月21日から都内大手小売りスーパーで実証実験を開始した。

SMAGtは農産品の生産履歴から出荷、流通、販売までをブロックチェーン技術を用いて記録する農業データ流通基盤で、現在まで複数の自治体・企業の協力を得ながら社会実装の検証を進めており、本効果検証もその一環である。 ISIDは、旭化成が展開するFresh Logi™システムでセンシングする輸送環境データをSMAGtに自動連携する仕組みを開発した。商品に張り付けられたQRコード(※)を読み取るだけで、SMAGtが管理する産地・農産品のトレーサビリティや、流通・物流における経路情報に加え、Fresh Logi™が管理する輸送品質情報までの取得が可能となる。これにより、農産品のブランド価値発信、トレーサビリティによる食の安心・安全、さらには流通経路における輸送品質の可視化により、農産品の販路開拓や小売事業者の産地開拓、さらには輸出拡大への貢献が期待できるという。

◆効果検証の概要
実施日:
 11月21日(土)~22日(日)、11月28日(土)~29日(日)、12月5日(土)~6日(日)の計6回
実施場所:
 東京都内大手小売りスーパー
対象:
 スーパーを利用する一般消費者
検証の流れ:
・農薬や化学肥料を可能な限り使用せず、町ぐるみで土づくりに取り組んでいる宮崎県綾町のこだわり農産品を、集荷業者による予冷後に、Fresh Logi™ボックスを利用して都内のスーパーまで配送。
・店頭では、POPやディスプレイでの商品訴求に加え、商品に張り付けられたQRコードを消費者がスマートフォン等から読み取り、生産者のプロフィールや個々の生産履歴等の情報とFresh Logi™ボックスにて測定された輸送環境データ及びそのデータに基づく輸送品質評価を確認し、購入を検討。

検証のポイント
 提供する一連の情報が、消費者理解の向上や新しい購買行動につながるか等の効果を検証し、本取り組みの事業化を目指す。

ISIDは今後も、導入が加速しているスマート農業IoT機器・クラウドサービスや、物流・流通における外部サービスとの連携を積極的に進めていくとしている。

(※) QRコードはデンソーウェーブの登録商標。

ニュースリリースサイト(ISID):https://www.isid.co.jp/news/release/2020/1127.html

ひたちBRT自動運転バス、3D-LiDARを活用した「交差点監視システム」の検証

茨城交通(株)、(株)みちのりホールディングス、パイオニアスマートセンシングイノベーションズ(株)(以下PSSI)は、ひたち BRT 中型自動運転バス実証検討協議会が実施する「中型自動運転バスによる実証実験」に参加し、一般道交差点を対象とした走行支援の実証を行う。

本実証では、PSSI が開発した 3D-LiDAR「2020 モデル」を一般道交差点の路側に設置し、交差点内外を走行する車両等を検知して、その存在とリスクの度合いを自動運転バスおよび乗客に知らせる「交差点監視システム」の検証を行うとしている。

■実証実験における検証の概要
PSSI は、路線長が約9km のひたち BRT 路線内の、大沼小学校東停留所の南に位置する複雑な形状の交差点の路側に自社で開発した3D-LiDAR「2020モデル」を設置。交差点内外を走行する車両等を検知して、車両等の存在およびそのリスクの度合いを自動運転バスや乗客に共有する「交差点監視システム」を検証。 3D-LiDAR で取得した点群データを解析して得られた交差点内外の車両等の位置や進行方向、速度等の情報を自動運転バスへ事前に共有するとともに、検知した車両等のリスクの度合いまで判定し、色分けしたグラフィック表示でバスの乗客や遠隔監視者へ知らせることにより、安心・安全な自動運転バスの運行をサポートするという。

■PSSIが開発した3D-LiDAR「2020モデル」(画像)
今秋発売の3D-LiDAR「2020モデル」は、MEMSミラーによるラスタースキャン方式を採用しており、小型でありながら高密度かつ高精細な点群データを取得することが可能。車載、交通監視用途のほか、セキュリティ、船舶、農業・建設機械、ロボットなど幅広いシーンでの活用を想定しているとのこと。

■路側3D-LiDARによる交差点監視システム
①3D-LiDAR で交差点内外の車両等を監視。 MEMSミラー方式により高密度かつ高精細な点群データが得られる。
②取得データを解析し、検知した車両等に関する情報(位置、進行方向、速度等)を自動運転バスに伝える。
③さらに自動運転バスの乗客や遠隔監視者向けに、検知した車両等のリスク(交差点への進入度合い)を判定し、色分けしたグラフィックで知らせる。

ニュースリリースサイト(PSSI):https://jpn.pioneer/ja/corp/news/press/2020/pdf/1126-1.pdf

製造現場を支える無線システムの 安定化技術の実験に成功

国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT)とトヨタ自動車(株)は製造現場を支える無線システムの安定化技術の実験に成功し、“止まらないライン”を実現した。
〔画像:無線環境のリアルタイム可視化技術の実験イメージ(右)と可視化画面(左)〕

“止まらないライン”は、無線の可視化によって登録外の端末の持込みを検出し、計画外の無線の混雑を抑制することと、それでも発生してしまう突発的な干渉を異種システム協調制御によって回避することで実現できるとして、今回、これらの技術を2か所の稼働中のトヨタ自動車の工場において、それぞれ実証したという。

・トヨタ自動車高岡工場における実証: NICTが開発した無線環境のリアルタイム可視化技術の検証を、実際に稼働中の組立ラインで実施し、製造ラインの無線システムに影響を及ぼす前に登録外端末を検出できることを確認した。
・トヨタ自動車元町工場における実証: NICTが開発した異なる無線通信システム間の協調制御によって安定した無線通信を可能にするSRF無線プラットフォームの検証を実施した。

その結果、無線の混雑度に応じて適切な通信経路を確立するなど、本プラットフォームの有効性を確認することができたとのこと。

今後、トヨタ自動車では、製造現場での無線システムの適切な管理のため、本可視化技術を他の工場にも順次導入していく予定。NICTは、トヨタ自動車の他の工場でも本可視化技術の実証実験を継続するとともに、SRFプラットフォームの研究開発を推進し、工場において無線システムの安定化技術の実用化を目指すとしている。

※SRF無線プラットフォームの研究開発の一部は、NICTが総務省から受託した「電波資源拡大のための研究開発(JPJ000254)」における委託研究「狭空間における周波数稠密利用のための周波数有効利用技術の研究開発」により実施。

プレスリリースサイト(NICT):https://www.nict.go.jp/press/2020/11/25-1.html

「真野鶴 ブリーズ」味覚センサでブリとの相性調査を県醸造試験場の協力で実施

尾畑酒造(株)は、ブリに合う日本酒「真野鶴ブリーズ」を11月25日より発売。味覚センサでブリの旨みを高める日本酒を選んだ。

昨今、料理と日本酒のマリアージュが注目されている。日本酒と言えば一般的に魚料理に合うと考えられるが、魚と一口に言ってもさっぱりした白身から脂ののった赤身まで千差万別。ワイン同様、酒質のバラエティが増えてきている日本酒も、素材と上手にマリアージュさせることで、より料理の味わいを引き立てるという。
醸造元の尾畑酒造では、地元で名産のブリに合う日本酒とは?と考え、まず社内のお酒の中から官能調査をしてブリとの相性が良いと思われる5種類を選別。さらにそれを新潟県醸造試験場の協力により、味覚センサでブリとの相性を調査した。
結果、自社ラインナップの中でもっとも旨みを高めるものを採用し、より最適なアルコール度数に調整し商品化した。酒名は「ブリ」と「どうぞ(プリーズ)」をかけて、「ブリーズ」。常温でも冷やでもお燗でもブリ料理との相性を楽しめるとしている。

ニュースリリースサイト:https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000004.000064379.html

耐環境性が特長。非接触リニアトランスデューサ TF1シリーズ

(株)ビー・アンド・プラスが正規代理店となっているドイツのnovotechnik社から、リニアトランスデューサが新発売された。

耐環境性が最大の特長となり、電磁誘導式で磁歪式の弱点である磁性体の影響を受けない。 本体は29mmの薄型構造、堅牢なプロファイル形状。ステータスLEDが搭載され状態がわかる。 タッチレス測定で、摩耗や機械的な劣化をする部分がないから、センサ自体が長寿命。

アプリケーション事例には、板金曲げ機ベンディングマシンのロールの高さ測長があるほか、ダイキャストマシン、巻線機、射出成型機などがある。

Novotechnik社製品サイト(b-plus):http://novotechnik.jp/

稼働中の産業機器の故障予知システム「FIRST AE®」の販売を開始

菱洋エレクトロは、国産AE※モニタリングシステムを開発・販売するAE技術ブランド「FIRST AE®」を有する信和産業(株)と取引基本契約を締結し、利用者の生産設備の予知保全に貢献するとした。

絶えず生産設備を稼働されている製造業者にとって、製品の品質確保や不良品発生の防止のために、設備の異常を早期に発見することが常に課題となっている。できるだけ早い段階で異常状態を発見することは、突発的な生産ラインの停止を未然に防ぎ、生産性を向上するうえで非常に重要である。しかし、目に見えない異常を最適なタイミングで計ることは非常に難しく、稼働中の装置や生産設備の故障予知をより早く正確に把握したい要望は後を絶たないという。

従来の温度センサや振動センサは信号の検知から異常発生に至るまでの時間が短く、普段から不測の事態に備えて高価な交換部品を数多くストックしておく必要があるため、大きなコスト負担が発生する。

信和産業が着目したAE技術は、超音波探傷検査、X線等の非破壊検査と並び世界中で利用され、現在までに多くの実績がある技術であり、いち早く装置の異常(き裂・摩耗・放電)を捉えることが可能である。

FIRST AE®製品は、さまざまな製造現場で利用できるよう小型化、IoT化を実現し、計測対象の材質や設備・インフラ環境に合わせた適切なセンサの種類と、取り付け治具のカスタムにも対応していまる。また、他社のAEセンサと異なり日本国内で設計・製造されており、AEセンサで検出し送られてきた電気信号を集約するAE計測と、計測データを専用ソフトウェアで処理・評価することで対象物の状態を把握することが可能なモニタリングシステムも提供しているという。

※AE(アコースティック・エミッション)
アコースティック・エミッションとは材料が変形したり、き裂が発生したりする際に材料が内部に蓄えていた弾性エネルギーが高い周波数をもつ音響信号(弾性波)として放出される現象。
この弾性波を検出し、評価するAE技術によって材料内の欠陥(クラック)の発生や進行などを非破壊で把握することができる。生産設備の予知保全、製品の品質確保、生産設備の条件出しや信頼性試験の用途で国内外の多くの顧客に導入されているとのこと。

【AEセンサの特徴】
① き裂や摩耗が発生したときに1次的現象である弾性波を捉えることができる。
② AEセンサの取り付け方向に制限はなく、弾性波の伝達範囲内であれば設置が自由。
③ 他のセンサでは検知が難しい低速回転下の傷の有無、潤滑不良状態を計測できる。

【早期異常発見のメリット】
① 1次的現象(弾性波)を捉えて未然に対策を取れるため、突発的な生産ライン停止を防げる。
② メンテナンス・スケジュールの計画立案(休日・連休)・予測運用に貢献。
③ 故障が発生するまでに保守部品を手配できるため、交換部品の予備や在庫を最低限に抑えられる。

菱洋エレクトロではゲートウェイやAI技術、クラウドサービスなどの充実した製品ラインナップを有する強みを活かし、これらをFIRST AE®製品と連携することによってエッジからクラウドまでワンストップの故障予知システムを独自のソリューションパッケージとしてご提案することが可能。設備保全にかかるコスト削減や製品の品質管理など製造業の利用者の環境に応じた課題を解決するとしている。

ニュースリリースサイト(ryoyo):https://www.ryoyo.co.jp/info/products/13536/

プラスチック容器やガラス瓶、アルミ缶の厚さ測定に最適な磁気式厚さ計「QB-7」

ダコタ・ジャパン(株)は新製品の磁気式厚さ計『QB-7シリーズ』の販売を11月20日に開始すると発表した。

◆磁気式厚さ計『QB-7』の概要
『QB-7』は、ペットボトル等のプラスチック容器やガラス瓶、アルミ缶等の非鉄(非磁性体)容器の厚さ測定に最適な磁気式厚さ計。
センサと金属製ターゲットボールの間に測定物を挟み、厚さを測定する。複雑な形状の厚さ測定も簡単に、素早く実施できる。
標準モデルのQB-7Bでは0~8mmまで、上位モデルのQB-7Eでは0~22mmまでの厚さ測定に対応。
プローブにはチタン製チップを採用し、耐久性を大幅に高めた。さらに、7枚の校正用試験片が標準で付属、最大8点の校正機能により、今までにない高精度測定を実現する。最大・最小、平均表示やグラフ表示等の様々な表示モードを搭載、また大きく見やすいディスプレイやフットスイッチ(オプション)により、長時間の検査でもストレスなく使用できる。 データ管理ソフトウェアが標準で付属、保存したデータをPCで確認することができるとしている。

◆特徴
・独自のセンサーテクノロジーにより、驚異的な高精度・高分解能を実現
・圧倒的な測定範囲(QB-7B:0~8mm、QB-7E:0~22mm)
・チタン製チップの採用により耐久性を向上
・最大・最小・平均表示や差厚表示、%表示、グラフ等の多彩な表示機能
・最大8点の校正機能により、すばらしい高精度を実現
・4種類のターゲットボールと7種類のキャリブレーションキャップが標準で同梱
・32,000件のデータロガー
・フットスイッチおよびRS-232C出力に対応(オプション)

◆用途
・ペットボトル(プラスチック)容器、ガラス瓶の厚さ測定
・ゴム管の厚さ測定
・アルミ缶等の非鉄金属(非磁性体)の厚さ測定

ニュースリリースサイト(dakota):https://www.dakotajapan.com/info/info-qb7.html