Датчик Пирани - Pirani gauge

Зонд Пирани, открытый

В Датчик Пирани надежный теплопроводность манометр, используемый для измерения давление в вакуумных системах.^[1] Он был изобретен 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 продуктом стали танталовые лампы, для нитей которых требовался высокий вакуум. Измерители, которые Пирани использовал на производстве, представляли собой около пятидесяти датчиков Маклеода, каждый из которых был заполнен 2 кг ртути в стеклянных пробирках.^[3]

Пирани знал об исследованиях теплопроводности газа Кундтом и Варбургом.^[4] (1875), опубликованный тридцатью годами ранее, и работа Мариан Смолуховский^[5] (1898). В 1906 году он описал свой «вакуумметр с прямой индикацией», в котором для измерения вакуума использовалась нагретая проволока, отслеживая передачу тепла от проволоки вакуумной средой.^[2]

Структура

Датчик Пирани состоит из металлического провода датчика (обычно золото покрытый вольфрам или же платина ) подвешен в трубке, которая подключена к системе, вакуум которой необходимо измерить. Проволока обычно сворачивается в спираль, чтобы калибр был более компактным. Соединение обычно выполняется с помощью стыка с матовым стеклом или фланцевый металлический разъем, уплотненный уплотнительное кольцо. Провод датчика подключается к электрической цепи, по которой после калибровки можно снимать показания давления.

Режим работы

Блок-схема датчика Пирани

Кривые для преобразования показаний воздуха в другие газы

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

Газопровод при высоком давлении ${displaystyle Epropto dT / dr}$ (r представляет собой расстояние от нагретой проволоки)
Транспорт газа при низком давлении ${displaystyle Epropto P (T_ {1} -T_ {0}) / surd T_ {0}}$
Тепловое излучение ${displaystyle Epropto (T_ {1} ^ {4} -T_ {0} ^ {4})}$
Прекратить потери через опорные конструкции

А нагретая металлическая проволока (сенсорный провод или просто сенсор), подвешенный в газе, будет отдавать тепло газу, поскольку его молекулы сталкиваются с проводом и отводят тепло. Если давление газа уменьшается, количество присутствующих молекул будет пропорционально падать, и проволока будет терять тепло медленнее. Измерение потерь тепла является косвенным показателем давления.

Есть три возможных схемы, которые можно сделать.^[2]

Поддерживайте постоянное напряжение моста 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 торцевые потери (4.) И потери теплового излучения (3.) постоянны.^[3]

Электрическое сопротивление провода зависит от его температуры, поэтому сопротивление указывает температуру провода. Во многих системах в проводе поддерживается постоянное сопротивление. р контролируя напряжение я через провод. Сопротивление можно установить с помощью мостовой схемы. Следовательно, напряжение, необходимое для достижения этого баланса, является мерой вакуума.

Манометр может использоваться для давлений от 0,5 Торр до 1 × 10⁻⁴ Торр. Ниже 5 × 10⁻⁴ Торр, датчик Пирани имеет только одну значащую цифру разрешения. Теплопроводность и теплоемкость газа влияют на показания счетчика, и поэтому может потребоваться калибровка устройства перед получением точных показаний. Для измерения более низкого давления теплопроводность газа становится все меньше и труднее точно измерить, и другие инструменты, такие как Датчик Пеннинга или же Датчик Баярда-Альперта вместо этого используются.

Импульсный датчик Пирани

Специальная форма калибровки Пирани - это импульсный вакуумметр Пирани где провод датчика не работает при постоянной температуре, а циклически нагревается до определенного температурного порога за счет увеличения линейного изменения напряжения. При достижении порога напряжение нагрева отключается, и датчик снова остывает. Требуемое время нагрева используется как мера давления.

Для достаточно низкого давления следующее соотношение для подводимой мощности нагрева и температуры датчика Т(т) применяется:^[6]

{displaystyle P_ {ext {el}} = C_ {1} lambda _ {ext {gas}} (T (t) -T_ {a}) + C_ {2} lambda _ {ext {fil}} (T (t ) -T_ {a}) + A_ {ext {fil}} эпсилон сигма (T (t) ^ {4} -T_ {a} ^ {4}) + c_ {ext {fil}} m_ {ext {fil} } {frac {mathrm {d} T} {mathrm {d} t}},}

куда ${displaystyle c_ {ext {fil}}}$ - нагревательная способность сенсорного провода, ${displaystyle m_ {ext {fil}}}$ - масса сенсорного провода и ${displaystyle C_ {1}}$ и ${displaystyle C_ {2}}$ являются константами.

Преимущества и недостатки импульсного датчика

Преимущества

Значительно лучшее разрешение в диапазоне выше 75 Торр.^[7]
Потребляемая мощность значительно снижена по сравнению с манометрами Пирани, работающими непрерывно.
Тепловое влияние датчика на реальное измерение значительно снижено благодаря низкому температурному порогу 80 ° C и линейному нагреву в импульсном режиме.
Импульсный режим можно эффективно реализовать с помощью современных микропроцессоров.

Недостатки

Повышенные усилия по калибровке
Более длительная фаза нагрева

Альтернатива

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

внешняя ссылка

http://homepages.thm.de/~hg8831/vakuumlabor/litera.htm
Джитчин, В. (2006), "100 Джахре Пирани-Вакуумметр", Vakuum in Forschung und Praxis (на немецком), 18 (6): 22–23, Дои:10.1002 / vipr.200690070
Jitschin, W .; Людвиг, С. (2004), "Gepulstes Pirani-Vakuummeter: Berechnung von Aufheizung und Abkühlung", Vakuum in Forschung und Praxis (на немецком), 16: 297–301, Дои:10.1002 / vipr.200400235

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

[:0-2] а ^б ^c фон Пирани, М. (1906). "Selbstzeigendes Vakuum-Meßinstrument". Deutsche Physikalische Gesellschaft, Верх. 24 (8): 686–694.

[:1-3] а ^б Боричевский (2017). Понимание современной вакуумной техники. п. 62. ISBN 9781974554461.

[4] Kundt, A .; Варбург, Э. (1875). "Ueber Reibung und Wärmeleitung verdünnter Gase". Annalen der Physik und Chemie. 232 (10): 177–211. Bibcode:1875АнП ... 232..177К. Дои:10.1002 / andp.18752321002.

[5] Смолуховский, Мариан (1898). "Temperatursprung in verdünnten Gasen". Энн Физ Хим. 64: 101.

[H._Plöchinger,_Patentschrift_DE_10115715_A_(30._März_2001)-6] DE 10115715, Плехингер, Хайнц, "Датчик и метод обнаружения измеряемых переменных и физических параметров", опубликовано 30 марта 2001 г., опубликовано 17 октября 2002 г. , также описание

[7] Jitschin, W .; Людвиг, С. (2004). "Gepulstes Heißdraht-Vakuummeter mit Pirani-Sensor". Vakuum in Forschung und Praxis (на немецком). 16: 23–29. Дои:10.1002 / vipr.200400015.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]