０５．３
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　林　正幸

　　圧力計の製作と実験（改訂）

　前々から圧力計をつくりたいと思っていたが、やっと昨年暮れに蒸気圧の計測を目的に
して実現した。使った圧力センサーは何と１０年前の製品である松下電工のＡＤ１１３２
（−０.５〜０.５ｋｇｆ／ｃｍ2 つまり−０.５〜０.５ａｔｍ）で、私の思いがその間眠
っていたことを意味する。
　現在では圧力センサーはフジクラが生産している。そして船橋さんの協力で、１１個以
上まとめる形で入手できるようになった。そこで新たに、±１ａｔｍ（ＦＰＭ−１５ＰＧ
　Ｒタイプ）と±０.５ａｔｍ（ＦＰＭ−０７ＰＧ　Ｒタイプ）の両方のセンサーを使って
　　　０〜１ａｔｍ（ゲージ圧）
　　−１〜０
　　−１〜１
　　　０〜０.５
　　−０.５〜０
　　−０.５〜０.５
の６つのレンジで計測可能なように回路を改良し（もちろん一方のセンサーで３つのレン
ジでもよい）、かつ全体をアルミケースに収めたものを製作した。また電圧調節の補助回
路を付ければデータをＡＤ変換して利用できる出力端子も加えた。
追記：その後、±０.１４ａｔｍのセンサーＦＰＭ−０２ＰＧも入手した。幸い、同じ回路
で
　　　０〜０.１ａｔｍ（ゲージ圧）
　　−０.１〜０
　　−０.１〜０.１
のレンジで使用可能である。

製　作

［ａ］回　路
　回路図は次ページをみてほしい。圧力センサーはピエゾ素子（変形に応じて抵抗が変化
する）が他の３つの抵抗とブリッジに組まれている。簡単のため９Ｖを掛けることにし、
とくに定電流回路は組まない。オープンしているマイナス出力には４４０Ωと可変５００
Ωを入れて、ゼロ点を自由に決められるようにする。
　まずプラス出力との電圧差（これが圧力に比例する）を、オペアンプの減算回路でとる。
そしてほどよい電圧にするために、６倍と１１倍の増幅（低感度と高感度）をする。これ
は広いレンジと狭いレンジ（たとえば−１〜１と０〜１ａｔｍ）に対応している。オペア
ンプは２つ入った［０８２］を使う。
　この出力を５１０Ωと可変１ｋを通して１ｍＡの電流計につなぐ。可変抵抗はフルスケ
ーを調節するためである。なお出力端子は大きく表示できる電流計などにつなぐこともで

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きる。

［ｂ］圧力センサーと容器
　圧力センサーはピンを守るため、基板片にはんだ付けしてからリード線を引き出す。そ
して取り替え可能なように、５ピンＤＩＮコネクターに差し込んで回路につなぐ。
　容器は加圧用には炭酸飲料用の５００ｍｌペットボトルを、減圧用には３６０ｍｌガラ
スびんや２５０ｍｌ試薬びんなどを用いる。それぞれキャップやゴムせんに穴を開け、内
径３ｍｍの耐寒透明チューブを７ｃｍ（内体積０.５ｍｌ）に切って通し、外側（センサー
側）が２０ｍｍほど出るように木工用ボンドあるいはガラス用接着剤（スコット３Ｍ）で
接着する。
備考：高温のメタノール蒸気（［ｆ］の実験）には、ガラス用接着剤の方が耐えるようで
　　　ある。
そしてこのチューブに圧力センサーをつなぎ、メッキ線（０.５ｍｍ）で締める。これなら
目的の容器にセンサーを簡単につなぎ換えられる。なおボトルの口やゴムせんの周りには
実験ごとに、水道工事用のシールテープを巻き付ける。

　　


［ｃ］調　整
　はじめに電池が９Ｖないしそれに近い電圧を保持していることを確認する。
　圧力センサーをつないだチューブの他端に、５０ｍｌディスポーザブル注射器につなぐ。
注射器は小さい穴を開けて、ビニールテープを貼っておくと、空気の出し入れが容易にな
る（加圧するときは指で押さえる）。幸い注射器をつなぐのにメッキ線は不要である。

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　たとえば−１〜１ａｔｍの調節は次のようである。増幅率を６倍（感度が低い方）にす
る。テープをはがしてゼロ点を０ｍＡにし、空気を３９.５ｍｌ入れ、テープを貼り
１９.５ｍｌに圧縮して、つまりゲージ圧を１ａｔｍにして、そのときの電流が０.５ｍＡ
になるようにフルスケールを加減する（断熱圧縮による温度上昇があるので、すこし待っ
て確認する）。そしてゼロ点を０.５ｍＡにずらす。
　念のためもう一度ゲージ圧を１ａｔｍにして、１ｍＡを指すことを確認する。次に注射
器の空気を０ｍｌにし（０.５ｍｌ残っている）、３０ｍｌあたりまで引っ張って、つまり
ゲージ圧を−１ａｔｍにして０ｍＡを指すことを確認する。
　ちなみにこの調整は、ボイルの法則が実験できることを示している。
追記：０〜０.１ａｔｍなどの調節は、注射器では誤差が大きい。そこで１２０ｃｍほどの
チューブをセンサーに付け、これを水の入った１００ｃｍのアクリルパイプ（ゴムせんを
する）に差し込んで、その水位を利用して調節する。

［ｄ］準備と工作
　　省略

実　験

　以下に順次試してみた実験を紹介する。なお圧力センサーは腐食性のガスには使えない。

［ａ］室温における蒸気圧
　空気が入った容器で蒸気圧を計測し、ついでに分圧の法則も確認したい。こんな思いが
圧力計を製作する出発点であった。
参考：この実験は最初の圧力計で行った。
　１５ｃｍに短く切った試験管にエーテル数ｍｌを入れ、ティッシュで軽くふたをする。
これをペットボトルに滑り込ませ、すぐに圧力センサーが付いたキャップをしっかりと締
める。この段階ではゲージ圧は０ａｔｍのままである。
　それからエーテルをボトル内に流し出し、手であたためて蒸発させる。そして室温にな
るまでしばらく放置してからゲージ圧を読み取ると０.４２ａｔｍであり、室温は１２℃で
あった。ちなみにこの温度における文献値は０.４１６ａｔｍである。
　この方法による蒸気圧の計測は、厳密には室温に限定される。しかしあまり気にしない
か、中の空気にシャルルの法則を適用すれば他の温度でも計測は可能になる。
参考：エーテルの蒸気圧（グラフの内挿値）
　　　　　　０℃　　　　　０.２４４ａｔｍ
　　　　　　５　　　　　　０.３０７
　　　　　１０　　　　　　０.３８２
　　　　　１５　　　　　　０.４７２
　　　　　２０　　　　　　０.５７９
　　　　　２５　　　　　　０.７０３
　　　　　３０　　　　　　０.８４８
　　　　　３４.６ 　　　　１

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［ｂ］二酸化炭素の吸収
参考：この実験も最初の圧力計で行った。
　３６０ｍｌガラスびんにほどよく二酸化炭素を詰め、ピペットで３ｍｏｌ/ｌ水酸化ナト
リウム水溶液１０ｍｌを加えて、すぐに圧力センサーが付いたゴムせんをしっかりとする。
圧力が下がり始め、振ると速く下がる。最終的にゲージ圧が０.４９ａｔｍ下がった。
　したがってびん内の二酸化炭素の純度は
　　　　（０.４９／１）×１００ ＝ ４９［％］
となる。

［ｃ］二酸化炭素の発生量
　圧力計のレンジは０〜１ａｔｍにする。ペットボトル（内体積は５３４ｍｌ）に、ピペ
ットで３ｍｏｌ/ｌ硫酸１０ｍｌを入れ、炭酸ナトリウム０.０１ｍｏｌ＝１.０６ｇを薬包
紙でおひねり（ひねったところで切り取る）にして投入し、しっかりキャップを締める。
そして二酸化炭素を発生させてゲージ圧を読み取ると０.４３ａｔｍであり、気温は７℃で
あった。これから二酸化炭素の物質量を計算すると
　　　　ｎ ＝ ０.４３×０.５２３／（０.０８２×２８０）＝ ０.００９８［ｍｏｌ］
となり、理論値０.０１ｍｏｌによく一致する。
　続い倍量の炭酸ナトリウムで取り組んだが、気体漏れで失敗した。そこでペットボトル
の口に水道工事用のシールテープを巻き付けた（２重になるくらい）。そして３ｍｏｌ/ｌ
硫酸２０ｍｌを入れ、炭酸ナトリウム０.０２ｍｏｌ＝２.１６ｇのおひねりを投入したと
ころ、ゲージ圧が０.８８ａｔｍになり、気温は１０℃であった。発生した二酸化炭素は
　　　　ｎ ＝ ０.８８×０.５１３／（０.０８２×２８３）＝ ０.０１９７［ｍｏｌ］
である。
参考：この実験は視点を変えれば、分圧の法則を確認することにも活用できる。

［ｄ］圧力から絶対零度を求める
　圧力のレンジは０〜０.５ａｔｍにする。室温の１５.４℃でシールテープを巻き付けた
（以下同じ）ペットボトルのキャップを締めて、２［ｌ］ペットボトルでつくった容器に
入れた熱湯に浸ける。圧力計が安定したところで読み取ると、ゲージ圧は０.２５ａｔｍで
あり、湯温は８９.８℃であった。
　絶対零度をｔ［℃］とすると次の関係が成り立つ。
　　　　１／（１５.４−ｔ）＝ １.２５／（８９.８−ｔ）
これから計算して
　　　　ｔ ＝ −２８２［℃］
が得られる。
備考：数点の計測をして、グラフから求めることもできる。

［ｅ］反応速度の変化
　圧力計のレンジは０〜１ａｔｍにする。ペットボトルに亜鉛板２枚（０.７４ｇ）を投入

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し、短い試験管に３ｍｏｌ/ｌ硫酸２０ｍｌを入れて滑り込ませる。キャップを締めてから
硫酸をボトル内に流し出し、１分ごとにゲージ圧を読み取ると、次のようになった。
　　０（スタート）　０.００ 　　　　０.０１ 　　　　０.０２ 　　　　０.０４
　　０.０６ 　　　　０.０９ 　　　　０.１２ 　　　　０.１６ 　　　　０.２１
　　０.２７ 　　　　０.３５ 　　　　０.４４ 　　　　０.５４ 　　　　０.６５
　　０.７３ 　　　　０.７５ 　　　　０.７５
　反応は不均一系で温度制御はしていない。このデータから反応速度の変化が読み取れる。

［ｆ］蒸気圧の温度変化
　圧力計のレンジは−１〜０ａｔｍにする。これで絶対圧力が０〜１ａｔｍになる。
２５０ｍｌ試薬びんに少量のメタノールを入れ、沸とう直前の湯にしばらく浸けてびん内
に蒸気を充満させ、取り出してシールテープを巻き付けたゴムせんをする。
　あらためて熱湯に浸けて、ゆっくり温度を下げて所定の温度で絶対圧力を読み取る。
　　　　６０℃　　　　　０.８２ａｔｍ
　　　　５０　　　　　　０.５２
　　　　４０　　　　　　０.３２
　　　　３０　　　　　　０.２０
参考：メタノールの蒸気圧（グラフの内挿値）
　　　　　　０℃　　　　　０.０４０ａｔｍ
　　　　　１０　　　　　　０.０７３
　　　　　２０　　　　　　０.１２８
　　　　　３０　　　　　　０.２１６
　　　　　４０　　　　　　０.３５１
　　　　　５０　　　　　　０.５５１
　　　　　６０　　　　　　０.８３７
　　　　　６４.５ 　　　　１

［ｇ］ラウールの法則
　　　　工事中



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