Калибр Пирани

Манометр Пирани — это надежный манометр по теплопроводности , используемый для измерения давления в вакуумных системах. ^[1] Его изобрел в 1906 году Марчелло Пирани . ^[2]

Марчелло Стефано Пирани был немецким физиком, работавшим в компании Siemens & Halske, которая занималась производством вакуумных ламп. В 1905 году их продукцией стали танталовые лампы, для нитей которых требовался высокий вакуум. Манометры, которые Пирани использовал в производственных условиях, представляли собой около пятидесяти манометров Маклеода , каждый из которых был наполнен 2 кг ртути в стеклянных трубках. ^[3]

Пирани был знаком с исследованиями Кундта и Варбурга по теплопроводности газа. ^[4] (1875), опубликованная тридцатью годами ранее, и работа Мариана Смолуховского. ^[5] (1898). В 1906 году он описал свой «вакуумметр с прямой индикацией», в котором использовалась нагретая проволока для измерения вакуума путем мониторинга передачи тепла от проволоки вакуумной средой. ^[2]

Структура

Манометр Пирани состоит из металлического сенсорного провода (обычно позолоченного из вольфрама или платины ), подвешенного в трубке, соединенной с системой, вакуум которой необходимо измерить. Проволока обычно свернута в бухту, чтобы сделать датчик более компактным. Соединение обычно осуществляется либо притертым стеклянным соединением, либо фланцевым металлическим соединителем, уплотненным уплотнительным кольцом . Провод датчика подключен к электрической цепи, из которой после калибровки можно снять показания давления.

Режим работы

Чтобы понять технологию, учтите, что в газонаполненной системе существует четыре способа, которыми нагретый провод передает тепло окружающей среде.

Газопроводность при высоком давлении $E\propto dT/dr$ (r представляет расстояние от нагретой проволоки)
Транспорт газа при низком давлении $E\propto P(T_{1}-T_{0})/\surd T_{0}$
Тепловое излучение $E\propto (T_{1}^{4}-T_{0}^{4})$
Прекратить потери через опорные структуры

( Нагретый металлический провод сенсорный провод или просто датчик), подвешенный в газе, будет отдавать тепло газу, поскольку его молекулы сталкиваются с проводом и отводят тепло. Если давление газа уменьшить, количество присутствующих молекул упадет пропорционально, и проволока будет терять тепло медленнее. Измерение теплопотерь является косвенным показателем давления.

Можно реализовать три возможные схемы. ^[2]

Поддерживайте напряжение моста постоянным и измеряйте изменение сопротивления в зависимости от давления.
Поддерживайте постоянный ток и измеряйте изменение сопротивления в зависимости от давления.
Поддерживайте постоянную температуру провода датчика и измеряйте напряжение в зависимости от давления.

Обратите внимание, что поддержание постоянной температуры означает, что конечные потери (4.) и потери на тепловое излучение (3.) постоянны. ^[3]

Электрическое сопротивление провода зависит от его температуры, поэтому сопротивление указывает температуру провода. поддерживается Во многих системах постоянное сопротивление R за счет контроля тока I, проходящего через провод. Сопротивление можно установить с помощью мостовой схемы. Таким образом, ток, необходимый для достижения этого баланса, является мерой вакуума.

Манометр можно использовать для давлений от 0,5 Торр до 1×10. ⁻⁴ Торр. Ниже 5×10 ⁻⁴ Торра, датчик Пирани имеет только одну значащую цифру разрешения. Теплопроводность и теплоемкость газа влияют на показания счетчика, поэтому для получения точных показаний может потребоваться калибровка устройства. При измерении более низкого давления теплопроводность газа становится все меньше и ее становится все труднее точно измерить, и другие инструменты, такие как манометр Пеннинга или манометр Баярда – Альперта вместо этого используются .

Импульсный датчик Пирани

Особой формой манометра Пирани является импульсный вакуумметр Пирани , в котором провод датчика не работает при постоянной температуре, а циклически нагревается до определенного температурного порога за счет увеличения напряжения. При достижении порога напряжение нагрева отключается и датчик снова охлаждается. Требуемое время нагрева используется как мера давления.

Для достаточно низкого давления используется следующая модель динамического теплового отклика первого порядка, связанная с подаваемой тепловой мощностью. $P_{\text{el}}$ и температура датчика T ( t ) применяется: ^[6]

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}},

где $c_{\text{fil}}$ и $\epsilon$ – удельная теплоемкость и излучательная способность провода датчика (свойства материала), $A_{\text{fil}}$ и $m_{\text{fil}}$ – площадь поверхности и масса провода датчика, а $C_{1}$ и $C_{2}$ — константы, определяемые для каждого датчика при калибровке.

Преимущества и недостатки импульсного манометра

Преимущества

Значительно лучшее разрешение в диапазоне выше 75 Торр. ^[7]
Потребление энергии значительно снижено по сравнению с манометрами Пирани непрерывного действия.
Тепловое влияние датчика на реальные измерения значительно снижается благодаря низкому температурному порогу 80 °C и линейному нагреву в импульсном режиме.
Импульсный режим можно эффективно реализовать с помощью современных микропроцессоров.

Недостатки

Увеличение усилий по калибровке
Длительная фаза нагрева

Альтернатива

Альтернативой датчику Пирани является датчик термопары , который работает по тому же принципу определения теплопроводности газа по изменению температуры. В датчике с термопарой температура измеряется термопарой, а не изменением сопротивления нагретой проволоки.

Ссылки

^ Эллетт, А. (1931). «Манометр Пирани для измерения малых изменений давления». Физический обзор . 37 (9): 1102–1111. дои : 10.1103/PhysRev.37.1102 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Пирани М. (1906). «Самонаводящий вакуумметр». Немецкое физическое общество, Ассоциация . 24 (8): 686–694.
^ Jump up to: ^а ^б Боричевский (2017). Понимание современной вакуумной технологии . п. 62. ИСБН 9781974554461 .
^ Кундт, А.; Варбург, Э. (1875). «О трении и теплопроводности разреженных газов» . Анналы физики и химии . 232 (10): 177–211. Бибкод : 1875АнП...232..177К . дои : 10.1002/andp.18752321002 .
^ Смолуховский, Мариан (1898). «Скачок температуры в разреженных газах». Энн Физ Хим . 64 :101.
^ DE 10115715 , Плёхингер, Хайнц, «Датчик и метод обнаружения переменных измерения и физических параметров», опубликовано 17 октября 2002 г. , также описание
^ Джитчин, В.; Людвиг, С. (2004). «Импульсный вакуумметр с термопроволокой и датчиком Пирани». Вакуум в исследованиях и практике (на немецком языке). 16 :23–29. дои : 10.1002/випр.200400015 .

Внешние ссылки

http://homepages.thm.de/~hg8831/vakuumlabor/litera.htm
Джитчин, В. (2006), «100 лет вакуумметра Пирани», Вакуум в исследованиях и практике (на немецком языке), 18 (6): 22–23, doi : 10.1002/vipr.200690070
Джитчин, В.; Людвиг, С. (2004), «Импульсный вакуумметр Пирани: расчет нагрева и охлаждения», Вакуум в исследованиях и практике (на немецком языке), 16 : 297–301, doi : 10.1002/vipr.200400235

[urlPhys._Rev._37_(1931):_A._Ellett_and_R._M._Zabel_-_The_Pirani_Gauge_for...-1] Эллетт, А. (1931). «Манометр Пирани для измерения малых изменений давления». Физический обзор . 37 (9): 1102–1111. дои : 10.1103/PhysRev.37.1102 .

[:0-2] Jump up to: ^а ^б ^с Пирани М. (1906). «Самонаводящий вакуумметр». Немецкое физическое общество, Ассоциация . 24 (8): 686–694.

[:1-3] Jump up to: ^а ^б Боричевский (2017). Понимание современной вакуумной технологии . п. 62. ИСБН 9781974554461 .

[4] Кундт, А.; Варбург, Э. (1875). «О трении и теплопроводности разреженных газов» . Анналы физики и химии . 232 (10): 177–211. Бибкод : 1875АнП...232..177К . дои : 10.1002/andp.18752321002 .

[5] Смолуховский, Мариан (1898). «Скачок температуры в разреженных газах». Энн Физ Хим . 64 :101.

[H._Plöchinger,_Patentschrift_DE_10115715_A_(30._März_2001)-6] DE 10115715 , Плёхингер, Хайнц, «Датчик и метод обнаружения переменных измерения и физических параметров», опубликовано 17 октября 2002 г. , также описание

[7] Джитчин, В.; Людвиг, С. (2004). «Импульсный вакуумметр с термопроволокой и датчиком Пирани». Вакуум в исследованиях и практике (на немецком языке). 16 :23–29. дои : 10.1002/випр.200400015 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]