計測機器

計測機器の種類と用途

科学、工学、品質保証の現場において、計測は物理量を数値化し、対象となる物体や現象を比較検討するための基礎となる活動です。計測機器は、この活動に不可欠なツールであり、その種類は多岐にわたります。本記事では、様々な物理量を測定する計測機器について、その種類と用途を詳細に解説します。

時間の計測

かつては日時計が用いられていましたが、現在では時計や腕時計が広く普及しています。高精度な計測が必要な場面では、原子時計が使用され、近年では光格子時計がさらに高い精度を実現しています。スポーツなどの場面では、ストップウォッチも頻繁に使用されています。

エネルギーの計測

エネルギーの計測には、様々な機器が用いられます。

電力量計: 電気エネルギーをキロワット時で直接計測します。
ガスメーター: 消費されたガスの量を計測します。ガスの単位体積あたりの燃焼エネルギーを乗じることで、エネルギー単位に変換できます。

仕事率は、単位時間あたりに変換されたエネルギー量であり、電力量計なども参照できます。作用はエネルギーを時間で積分した量で、角運動量と同じ次元を持ちます。光電管は、光の量子化された作用（光電効果）を計測するための電圧量を測定できます。

幾何学的計測

長さ、面積、体積などの幾何学的量は、様々な機器を用いて計測できます。

長さ: 物差し、巻き尺など
面積: プラニメータなど
体積: 計量カップ、メスシリンダー、ピペット（液体）、浮力重量計（固体）、ユージオメーター（気体）、コリオリ式質量流量計（液体）など。固体の密度が分かっていれば、質量から体積を計算できます。
角度: 分度器、測角羅盤、ヤコブの杖、ゴニオメーター、グラフォメーター、クリノメーター、六分儀、象限儀、八分儀、トランシットなど
三次元空間における向き: レベル、水準器など
方角: ジャイロスコープなど

力学量の計測

古典力学や連続体力学における基本的な物理量を計測する機器は多数存在します。温度に関するものは除きます。

質量: 秤、電子天秤、慣性秤、質量分析法（質量電荷比を計測）など
体積流量: ガスメーター、コリオリ式質量流量計、メーターポンプ、水道メーターなど
速度: 速度計、対気速度計、LIDAR、スピードガン（ドップラーレーダー）、タコメーター（回転速度）、タキメーター、昇降計など
加速度: 加速度計など
力: 力ゲージ、ばねばかり、ひずみゲージ、トーションバー、トライボメーターなど
圧力: 風速計、マノメーター、気圧計、ピトー管など
角速度・回転数: ストロボスコープ、タコメーターなど
トルク: シャシダイナモ、トルクレンチ、プロニーブレーキなど
力学的エネルギー: 弾道振り子（間接的な計測）など

電気・電子の計測

電気・電子工学においては、電荷の静止と運動による電場と電磁場の計測が重要です。

電荷: 電位計など
電流: 電流計、架線電流計、検流計など
電圧: 電圧計、オシロスコープなど
電気抵抗・電気伝導率: 絶縁抵抗計、ホイートストンブリッジなど
静電容量: 静電容量計など
インダクタンス: LCRメータなど
電力: 電力計など
電力量: 電力量計など
電界: フィールドミルなど
磁場: 方位磁針、磁気センサ、ホール素子、プロトン磁力計、SQUIDなど

回路計は電流計、電圧計、絶縁抵抗計などを備え、LCRメータは絶縁抵抗計、静電容量計、インダクタンス計測装置を併せ持ちます。

熱力学量の計測

熱力学では、温度とエントロピーが重要な役割を果たします。

物質量: 気体捕集管など（間接的に導出）
温度: 分光法、ガリレオ温度計、ガス温度計、液晶温度計、液体温度計、日射計、パイロメーター、測温抵抗体、固体温度計、サーミスタ、熱電対、サーモパイル、温度計、三重点セルなど
エントロピー: カロリメータ（ボンベ熱量計、定圧熱量計、等温滴定カロリメトリー、示差走査熱量測定、反応熱量計）、光量計、熱流センサ、相転移熱量計など。エントロピーはエネルギーと温度の計測から間接的に得られます。
熱膨張率: 膨張計、ひずみゲージなど
融点: 示差走査熱量測定、コフラーベンチ、ティーレ管など
沸点: エブリオスコープなど

連続体力学

物質の巨視的特性を計測する機器が含まれます。

密度: エアロメーター、デシメーター、気体捕集管、浮秤、ピクノメーターなど
硬度: デュロメーターなど
表面形状: ホログラフィック干渉、レーザーによるスペックル・パターンなど
弾性: インパルス励起技術を用いたRFDAなど
塑性: カンプラストメーター、プラストメーターなど
強度・展延性: 万能試験機など
粒度: グラインドメーターなど
粘度: レオメーター、粘度計など
光学活性: 旋光計など
表面張力: テンシオメーターなど

物性物理学

誘電率: コンデンサなど
磁化率: グーイの磁気天秤など

化学ポテンシャル

物質の状態変化、化学反応、相変化におけるエネルギーバランスを計測する機器です。カロリメータ、酸化還元反応を計測する二次電池セルなどがあります。

微細構造

結晶構造: X線管など
顕微鏡: 光学顕微鏡、電子顕微鏡（走査型、透過型）、走査型音響顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡）、X線顕微鏡など

光線・放射線の計測

音、光、粒子放射線など、様々な放射線の計測機器があります。

音: マイクロフォン、ハイドロフォン、衝撃波管、騒音計など
光: アンテナ、ボロメータ、カメラ、EMFメーター、干渉計、マイクロ波パワーメーター、光学パワーメーター、写真乾板、光電子増倍管、光電管、電波望遠鏡、分光器、テラヘルツ時間領域分光、偏光板、ニコルス放射計など
粒子放射線: クルックス管、ブラウン管、泡箱、霧箱、線量計、ガイガー＝ミュラー計数管、電離箱、マイクロチャンネルプレート、写真乾板、輝尽性ルミネッセンス、比例計数管、シンチレーション検出器、ルーカスセル、半導体検出器など

物質の識別

物質含有量: 二酸化炭素センサー、クロマトグラフィー（ガスクロマトグラフィー）、比色計、ガス検知器、質量分析計、ガスクロマトグラフィー–質量分析法、比濁計、酸素センサー、屈折計、煙感知器、超遠心機など
pH: PHメーター、カロメル電極など
湿度: 湿度計、ライシメーターなど

人間の感覚と人体

人間の感覚器官や人体に関する計測機器です。

視力: 様々な種類の光度計（照度計、輝度計、TTL露出計、積分球、濃度計）、三刺激値比色計など
聴力: ホン、ヘッドフォン、スピーカー、音圧計、騒音計など
嗅覚: 嗅覚計など
体温: 体温計、放射温度計など
循環器系: 心電計、血糖値計、血圧計など
呼吸器系: スパイロメーター、カプノグラフィなど
神経系: 脳波計など
筋力: エルゴメーターなど
代謝系: 体脂肪計など
* 医用画像: コンピュータ断層撮影、核磁気共鳴画像法、超音波検査、放射線医学、その他のトモグラフィーなど

その他

アクトグラフ、フォースプラットフォーム、計量器、勾配計、パーキングメーター、郵便メーター、Sメーター、センサ、SWR計など、様々な計測機器が存在します。

本記事は、計測機器の種類と用途について網羅的に解説しましたが、全ての機器を網羅しているわけではありません。それぞれの機器の詳細については、関連文献を参照ください。

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