Rozchod Pirani - Pirani gauge

Piraniho sonda, otevřená

Pirani měřidlo je robustní tepelnou vodivost měřidlo používá pro měření tlaku ve vakuových systémech. Vynalezl jej v roce 1906 Marcello Pirani .

Marcello Stefano Pirani byl německý fyzik pracující pro společnost Siemens & Halske, která byla zapojena do průmyslu vakuových lamp. V roce 1905 byly jejich produktem tantalové žárovky, které pro vlákna vyžadovaly prostředí s vysokým vakuem. Měřidla, která Pirani používala ve výrobním prostředí, byla asi padesát měřidel McLeod, z nichž každá byla naplněna 2 kg rtuti ve skleněných trubičkách.

Pirani si byl vědom vyšetřování tepelné vodivosti plynu Kundta a Warburga (1875) publikovaných o třicet let dříve a díla Mariana Smoluchowského (1898). V roce 1906 popsal svůj „přímo indikující vakuoměr“, který používal vyhřívaný drát k měření vakua sledováním přenosu tepla z drátu vakuovým prostředím.

Struktura

Pirani měřidlo se skládá ze snímače kovového drátu (obvykle zlato pokovené wolframu nebo platiny ), suspendované v trubce, který je připojen k systému, jehož vakuum se má měřit. Drát je obvykle stočený, aby byl měřič kompaktnější. Spojení se obvykle provádí buď spojem z broušeného skla nebo kovovým přírubovým konektorem, utěsněným o-kroužkem . Vodič senzoru je připojen k elektrickému obvodu, ze kterého lze po kalibraci provést odečet tlaku.

Provozní režim

Blokové schéma měřidla Pirani

Křivky pro převod naměřených hodnot vzduchu na jiné plyny

Abychom porozuměli technologii, vezměte v úvahu, že v systému naplněném plynem existují čtyři způsoby, jak vyhřívaný drát přenáší teplo do svého okolí.

1. Vedení plynu při vysokém tlaku (r představuje vzdálenost od vyhřívaného drátu)${\ Displaystyle E \ propto dT/dr}$
2. Přeprava plynu při nízkém tlaku ${\ Displaystyle E \ propto P (T_ {1} -T_ {0})/\ surd T_ {0}}$
3. Tepelné záření ${\ displaystyle E \ propto (T_ {1}^{4} -T_ {0}^{4})}$
4. Ukončete ztráty prostřednictvím podpůrných struktur

Vyhřívaný kovový drát (čidlo drát, nebo jednoduše čidlo) suspendované v plynu ztratí tepla do plynu, jeho molekuly se srazí s drátem a odvodu tepla. Pokud je tlak plynu snížen, počet přítomných molekul úměrně klesne a drát bude ztrácet teplo pomaleji. Měření tepelných ztrát je nepřímou indikací tlaku.

Existují tři možná schémata, která lze provést.

1. Udržujte napětí můstku konstantní a změřte změnu odporu v závislosti na tlaku
2. Udržujte proud konstantní a změřte změnu odporu jako funkci tlaku
3. Udržujte teplotu drátu snímače konstantní a změřte napětí v závislosti na tlaku

Pamatujte, že udržování konstantní teploty znamená, že koncové ztráty (4.) a ztráty tepelným zářením (3.) jsou konstantní.

Elektrický odpor drátu se mění s jeho teplotou, takže odpor udává teplotu drátu. V mnoha systémech je vodič udržován na konstantním odporu R ovládáním proudu I přes vodič. Odpor lze nastavit pomocí můstkového obvodu. Proud potřebný k dosažení této rovnováhy je tedy mírou vakua.

Měřidlo lze použít pro tlaky mezi 0,5 Torr až 1 × 10 ⁻⁴  Torr. Pod 5 × 10 ⁻⁴ Torr má měřidlo Pirani pouze jednu významnou číslici rozlišení. Tepelná vodivost a tepelná kapacita plynu ovlivňují odečty z měřiče, a proto může být nutné zařízení kalibrovat, než bude možné získat přesné hodnoty. Pro měření nižšího tlaku je tepelná vodivost plynu stále menší a obtížněji se měří přesně a místo toho se používají jiné přístroje, jako je Penningův nebo Bayard -Alpertův měřidlo .

Pulzní měřidlo Pirani

Zvláštní formou Piraniho měřidla je pulzní vakuový měřič Pirani, kde senzorový vodič nepracuje při konstantní teplotě, ale je cyklicky zahříván na určitý teplotní práh rostoucí rampou napětí. Po dosažení prahové hodnoty se vypne topné napětí a čidlo se opět ochladí. Potřebná doba ohřevu se používá jako míra tlaku.

Pro dostatečně nízký tlak platí následující vztah pro dodávaný topný výkon a teplotu čidla T ( t ):

${\ Displaystyle P _ {\ text {el}} = C_ {1} \ lambda _ {\ text {gas}} (T (t) -T_ {a})+C_ {2} \ lambda _ {\ text {fil }} (T (t) -T_ {a})+A _ {\ text {fil}} \ epsilon \ sigma (T (t)^{4} -T_ {a}^{4})+c _ {\ text {fil}} m _ {\ text {fil}} {\ frac {\ mathrm {d} T} {\ mathrm {d} t}},}$

kde je topná kapacita drátu snímače, je hmotnost drátu snímače a jsou konstanty. ${\ displaystyle c _ {\ text {fil}}}$${\ displaystyle m _ {\ text {fil}}}$${\ displaystyle C_ {1}}$${\ displaystyle C_ {2}}$

Výhody a nevýhody pulzního měřidla

Výhody

• Podstatně lepší rozlišení v rozsahu nad 75 Torr.
• Ve srovnání s nepřetržitě provozovanými měřidly Pirani je spotřeba energie výrazně snížena.
• Teplotní vliv měřidla na skutečné měření je výrazně snížen díky nízkému teplotnímu prahu 80 ° C a ohřevu rampy v pulzním režimu.
• Pulzní režim lze efektivně implementovat pomocí moderních mikroprocesorů.

Nevýhody

• Zvýšené úsilí o kalibraci
• Fáze delšího zahřívání

Alternativní

Alternativou k Piraniho měřidlu je termočlánek , který funguje na stejném principu detekce tepelné vodivosti plynu změnou teploty. V měřidle termočlánku je teplota snímána termočlánkem, nikoli změnou odporu ohřívaného drátu.

Reference

externí odkazy

• http://homepages.thm.de/~hg8831/vakuumlabor/litera.htm
• Jitschin, W. (2006), „100 Jahre Pirani-Vakuummeter“, Vakuum in Forschung und Praxis (v němčině), 18 (6): 22–23, doi : 10,1002/vipr.200690070
• Jitschin, W .; Ludwig, S. (2004), „Gepulstes Pirani-Vakuummeter: Berechnung von Aufheizung und Abkühlung“, Vakuum in Forschung und Praxis (v němčině), 16 : 297–301, doi : 10,1002/vipr.200400235