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マクラウド真空計

1874年にH. McLeodが発明した真空計で,高真空度の測定に適した真空計です.

以下のウェブサイトの内容を整理して説明します(図はそのまま引用しました):

マクラウド真空計は,測定対象の気体の体積を100~1000分の1に圧縮して測定するので,圧力を100~1000倍にしたことになり,感度が上がり高真空度の測定に対応できるのが特徴です.温度が変わらなければ気体の占める体積Vとその気体の圧力pの間には(ボイルの法則)$${pV=}$$一定の関係があるから圧縮で圧力が上がります.
マクラウド真空計は,手動で操作し目視で圧力を測定するのであまり便利ではありませんが,絶対圧力計としてほかの真空計の校正に使用されています.測定範囲は$${10^{3}}$$~$${10^{-2}}$$Pa程度です.

絶対真空計とは,JIS Z 8126によると,「物理量の測定だけから圧力が求められる真空計」と定義されています.気体の熱伝導を利用するもの,気体の粘性を利用するもの,気体の電離作用を利用するものなど,圧力に依存する気体の2次的な効果を測定するものは絶対真空計ではありません.

測定方法:

最初に,水銀を排出させて,枝分かれしている分枝通路をつなげ,測定すべき気体で全体が満たされるようにします.最初に引用した図を見ていても,U字間の底の水銀が排出されて空になるようには見えません.この部分の説明図には,以下のサイトからの図の方が良いのでこっちを借用します.


コトバンクから引用

この図では,すでに水銀が下がり,分岐Cと分岐D(E)がつながっていて,Eの先にある測定すべき気体が全体を満たしています.ただし,最初に示した図とこの図では,2つの分岐の位置が左右入れ替わっているのでご注意ください.

次に,気体を圧縮するには,水銀を下から圧縮部(体積$${V_{0}}$$)に押し上げ,気体を細管部に送り込み圧縮します.その状態で2つの分岐C,Dの水銀柱の差を読んで圧力を求めます.この時の図は,最初に引用した図(ただし,分岐の配置が左右逆)の方が良いと思います。
水銀を排出させたり押し上げたりするのは,補助ポンプが行います.その他の方法も,いろいろ考えられ,回転式マクラウド真空計などが販売されています.

原理
始めに満たされていた気体の圧力を$${p_{0}}$$とします.これが測定したい圧力です.始めの気体の体積を$${V_{0}}$$とし,圧縮後の体積を$${V}$$とすると,圧縮後の気体(分枝Cの先端部に押し込まれている)の圧力pは$${p=p_{0}(V_{0}/V)}$$になります.これは,$${p_{0}+\rho gh}$$ とつりあっていますから;$${p_{0}(V_{0}/V)=p_{0}+\rho gh}$$
$${p_{0}=\rho gh/((V_{0}/V)-1)}$$
$${\rho}$$は水銀の密度,$${g}$$は重力加速度,$${h}$$は水銀柱の高さの差です.

真空計の感度を高く(小さい$${p_{0}}$$まで測定できる)するためには$${V_{0}/V}$$を大きくすればよいが,$${V_{0}}$$ 内の水銀を支えるので$${V_{0}}$$を大きくするのは限度があります.一般に,$${V}$$を決める分岐Cの先端部の体積は小さいほど良いのですが,気体の圧縮による圧力増が水銀柱差で釣り合いを保てる範囲内になければ意味がありません.


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