密度計

密度計（デンシメータ）は、物体または材料の密度を測定する装置です。密度は通常、またはと略されます。一般的に、密度の単位はまたはです。密度の計算方法の最も基本的な原理は、次の式です。 ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle kg/m^{3}}$ ${\displaystyle lb/ft^{3}}$

${\displaystyle \rho ={\frac {m}{V}}}$

どこ：

${\displaystyle \rho }$ = サンプルの密度。

${\displaystyle m}$ = サンプルの質量。

${\displaystyle V}$ = サンプルの体積。

多くの密度計は、サンプルの湿潤部分と乾燥部分の両方を測定できます。湿潤部分は、サンプル中に存在するすべての液体の密度で構成されます。乾燥固形分は、サンプル中に存在する固体の密度のみで構成されます。

密度計はサンプルの比重を直接測定するものではありません。しかし、密度計から比重を推定することは可能です。比重とは、サンプルの密度を基準となる密度と比較した値として定義されます。基準となる密度は通常、水の密度です。比重は次の式で求められます。

${\displaystyle SG_{s}={\frac {\rho _{s}}{\rho _{r}}}}$

どこ：

${\displaystyle SG_{s}}$ = サンプルの比重。

${\displaystyle \rho _{s}}$ = 測定する必要があるサンプルの密度。

${\displaystyle \rho_{r}}$ = 参照物質（通常は水）の密度。

密度計には様々な種類があります。原子核式、コリオリ式、超音波式、マイクロ波式、重力式などがあります。それぞれのタイプは密度の測定方法が異なり、それぞれに長所と短所があります。

密度計は、様々な産業の様々な部分で幅広い用途に使用されています。密度計は、パイプラインを流れるスラリー、スラッジ、その他の液体の測定に使用されます。鉱業、浚渫、廃水処理、製紙、石油、ガスなどの産業では、それぞれのプロセスの様々な段階で密度計が使用されています。

密度計の種類

コリオリ

コリオリ密度計は質量流量計や慣性流量計とも呼ばれ、振動の原理を利用して、曲がった薄肉管の振動の位相シフトを測定します。曲がった薄肉管は中心軸を中心に回転します。曲がった部分に質量がない場合、管はねじれていません。しかし、曲がった部分の内部の密度が増加すると、曲がったパイプの流入部分が流出部分の後ろを引きずります。このねじれによって位相シフトが生じ、薄肉管の共振周波数が変化されます。したがって、共振周波数は密度によって直接影響を受けます。体積流量が一定の場合、媒体の密度が高いほど、コリオリ効果は大きくなります。流体は曲がったパイプの周波数と位相シフトを引き起こし、それはサンプルの 質量流量に比例します。

コリオリ流量計はシステムの質量流量を測定します。体積流量は測定しません。ただし、質量流量測定から体積流量を推定することは可能です。この測定は、フローチューブの直径が小さい場合に限られます。しかし、この測定技術により、高い精度と高い再現性が得られます。また、コリオリ流量計は応答速度も速いという特徴があります。

コリオリ流量計は温度と圧力の校正が必要です。これらの値のゼロ点を用いてシステムを校正します。コリオリ流量計は使用中に校正することはできません。スパン差は、温度と圧力の変化を確認するために使用されます。

核

原子核密度計はガンマ線を測定する原理で動作します。ガンマ線は線源から放出されます。この線源は通常、セシウム137（半減期：約30年）です。この放射線はシンチレータ装置によって検出されます。シンチレータ装置は、この放射線を光の閃光に変換します。この閃光の回数をカウントします。物質に吸収された放射線はシンチレータ装置には検出されません。したがって、媒体の密度は、シンチレータによって捕捉され、検出された放射線の量に反比例します。

核密度計の測定範囲はガンマ線ビームの照射範囲に限られます。サンプルサイズは、縦方向の長さが短い単一の細い柱です。

原子力機器を操作するには、認定され免許を取得した人員が必要です。^[1]

電子レンジ

マイクロ波密度計は、サンプル中の固体を測定する様々な方法を備えています。すべてのマイクロ波密度計はマイクロ波を測定しますが、マイクロ波の伝播速度変化、振幅減少、飛行時間、単一位相差、二重位相シフトなど、異なる方法を用いるものもあります。それぞれの技術には一定の精度があります。^[2]

一部のマイクロ波計は、サンプルに直接挿入するセラミックプローブを使用しています。これにより、計器が対象サンプルに直接接触できます。ただし、パイプラインを通過できるスラリーやスラッジの種類が制限されます。粒子を含む研磨性スラリーは、センサープローブを損傷する可能性があります。

マイクロ波メータは、誘電率が一定である液体に限られます。スラリー中の固形分の割合は、サンプル全体の誘電率に影響を与えます。通常、固形分の割合が20%を超えると、大きな誤差が生じます。同様の不一致は、パイプ径が大きい場合にも発生します。

マイクロ波計は溶解固形物の検出に非常に優れています。均質溶液はマイクロ波計で容易に検出できます。そのため、溶液が均一で研磨性のない用途に適しています。

超音波

超音波密度計は、密度を計算するために様々な原理に基づいて動作します。その一つが、通過時間原理（飛行時間原理とも呼ばれます）です。この技術では、通常、超音波送信機と超音波受信機が一体となったセンサーがパイプ内に設置されます。超音波密度計は、送信機と受信機間の既知の距離と測定された通過時間を用いて音速を計算します。これにより、測定機器は音速に依存する密度を計算できるようになります。^[3]

超音波計で利用されるもう一つの方法は、包絡線エネルギー平均法です。この方法は、信号の振幅だけでなく、信号の形状も考慮します。これらの情報パケットは包絡線と呼ばれます。

ドップラー超音波計は、スラリー中の固形物濃度が100ppmを超え、懸濁粒子の直径が100ミクロンを超える場合の懸濁液の流量を測定します。ただし、ドップラー法は固形物濃度が10%未満の場合にのみ有効です。^[4]

振動U字管

振動U字管は、液体および気体の密度を決定するために使用される技術である。これは、サンプルによってもたらされる質量の変化によって引き起こされる振動子の周波数シフトを測定することに基づいている。この測定原理は、質量-バネ-ダンパーモデルに基づいている。サンプルが中空のU字管に充填されると、その質量が振動子の固有周波数に影響を与えます。電子励起（電磁気または圧電など）により、U字管は共振周波数で減衰のない振動に励起される。振動周波数を光学的に読み取ることで、サンプルによって引き起こされる周波数変化を正確に決定することができる。U字管の明確に定義された容積を使用することで、サンプルの密度を高精度で決定することができる^[5]。

補償

温度

温度は流体の密度に影響を与えます。ほとんどの場合、温度の上昇は媒体の密度の低下を意味します。これは、温度と密度が反比例していることを示しています。温度は流量計自体にも影響を与えます。質量流量計は、温度によって共振周波数が異なります。

プレッシャー

圧力はマスフローチューブの剛性を変化させます。また、圧力は重量式流量計の剛性にも影響を与えます。

振動

工場の騒音による振動は除去できます。振動はマイクロ波式、超音波式、重量式、コリオリ式などの流量計で顕著に現れます。これらのタイプの流量計は振動によって誤差を蓄積します。

ダメージ

コリオリ流量計には、孔食、ひび割れ、コーティング、浸食、腐食による補正機能があります。これらの損傷は、管の共振方法に影響を与えます。これらの変化は基準値に影響を与えます。これらの補正は動的に行うことはできません。これらの損傷は通常、オフセットを引き起こしますが、これを既存の校正係数に追加することで、一貫した測定値が得られます。

参考文献

1. 「密度計の比較：完全分析」Red Meters . 2019年4月11日. 2021年3月29日閲覧。
2. 「マイクロ波伝播が汚泥密度の測定に役立つ」2001年10月19日。
3. “Sonic Velocity”. www.sensotech.com . 2020年9月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年10月14日閲覧。
4. 「密度計の比較：完全分析」Red Meters . 2019年4月11日. 2021年3月29日閲覧。
5. “U-tube technology in digital laboratory density meters | Anton Paar Wiki”. Anton Paar (オーストリアドイツ語). 2023年12月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年12月9日閲覧。