पिरानी गेज

File:Pirani 02.jpg

पिरानी जांच, खोली गई

पिरानी गेज एक मजबूत तापीय चालकता गेज है जिसका उपयोग वैक्यूम सिस्टम में दबाव माप के मापन के लिए किया जाता है। इसका आविष्कार 1906 में मार्सेलो पिरानी ने किया था।

मार्सेलो स्टेफानो पिरानी एक जर्मन भौतिक विज्ञानी थे जो सीमेंस और हल्सके के लिए काम कर रहे थे जो वैक्यूम लैंप उद्योग में शामिल थे। 1905 में उनका उत्पाद टैंटलम लैंप था जिसके लिए फिलामेंट्स के लिए एक उच्च वैक्यूम वातावरण की आवश्यकता थी। पिरानी उत्पादन वातावरण में जिन गेजों का उपयोग कर रहे थे, वे कुछ पचास मैकलियोड गेज थे, जिनमें से प्रत्येक में कांच की नलियों में 2 किलो पारा भरा हुआ था। पिरानी कुंड और वारबर्ग की गैस तापीय चालकता जांच से अवगत थे (1875) तीस साल पहले प्रकाशित और मैरियन स्मोलुचोव्स्की का काम (1898)। 1906 में उन्होंने अपने सीधे संकेत देने वाले वैक्यूम गेज का वर्णन किया जिसमें वैक्यूम वातावरण द्वारा तार से गर्मी हस्तांतरण की निगरानी करके वैक्यूम को मापने के लिए एक गर्म तार का उपयोग किया गया था।

संरचना

पिरानी गेज में एक धातु संवेदक तार (आमतौर पर सोना चढ़ाया हुआ टंगस्टन या प्लैटिनम) होता है जो एक ट्यूब में निलंबित होता है जो सिस्टम से जुड़ा होता है जिसका वैक्यूम मापा जाना है। गेज को अधिक कॉम्पैक्ट बनाने के लिए तार को आमतौर पर कुंडलित किया जाता है। कनेक्शन आमतौर पर या तो एक ग्राउंड ग्लास ज्वाइंट या एक निकला हुआ धातु कनेक्टर द्वारा बनाया जाता है, जिसे O-अंगूठी के साथ सील किया जाता है। संवेदक तार एक विद्युत परिपथ से जुड़ा होता है जिससे, अंशांकन के बाद, एक दाब पाठ्यांक लिया जा सकता है।

ऑपरेशन का तरीका

पिरानी गेज का ब्लॉक आरेख

वायु रीडिंग को अन्य गैसों में परिवर्तित करने के लिए वक्र

तकनीक को समझने के लिए, विचार करें कि गैस से भरे सिस्टम में ऐसे चार तरीके हैं जिनसे एक गर्म तार अपने परिवेश में गर्मी स्थानांतरित करता है।

1. उच्च दाब पर गैस चालन $E\propto dT/dr$ (आर गर्म तार से दूरी का प्रतिनिधित्व करता है)
2. कम दबाव पर गैस परिवहन $E\propto P(T_{1}-T_{0})/\surd T_{0}$
3. ऊष्मीय विकिरण $E\propto (T_{1}^{4}-T_{0}^{4})$
4. समर्थन संरचनाओं के माध्यम से नुकसान समाप्त करें

गैस में निलंबित एक गर्म धातु का तार (सेंसर तार, या बस सेंसर) गैस को गर्मी खो देगा क्योंकि इसके अणु तार से टकराते हैं और गर्मी को दूर करते हैं। यदि गैस का दबाव कम हो जाता है, तो मौजूद अणुओं की संख्या आनुपातिक रूप से गिर जाएगी और तार धीरे-धीरे गर्मी खो देगा। गर्मी के नुकसान को मापना दबाव का एक अप्रत्यक्ष संकेत है।

तीन संभावित योजनाएं हैं जिन्हें किया जा सकता है।

1. ब्रिज वोल्टेज को स्थिर रखें और दबाव के कार्य के रूप में प्रतिरोध में परिवर्तन को मापें
2. वर्तमान को स्थिर रखें और दबाव के कार्य के रूप में प्रतिरोध में परिवर्तन को मापें
3. सेंसर तार का तापमान स्थिर रखें और वोल्टेज को दबाव के कार्य के रूप में मापें

ध्यान दें कि तापमान को स्थिर रखने का अर्थ है कि अंतिम नुकसान (4.) और थर्मल विकिरण नुकसान (3.) स्थिर हैं।

एक तार का विद्युत प्रतिरोध उसके तापमान के साथ बदलता रहता है, इसलिए प्रतिरोध तार के तापमान को इंगित करता है। कई प्रणालियों में, तार के माध्यम से वर्तमान I को नियंत्रित करके तार को एक स्थिर प्रतिरोध R पर बनाए रखा जाता है। प्रतिरोध को एक ब्रिज सर्किट का उपयोग करके सेट किया जा सकता है। इसलिए इस संतुलन को प्राप्त करने के लिए आवश्यक धारा निर्वात का माप है।

गेज का उपयोग 0.5 Torr से 1×10 के बीच के दबावों के लिए किया जा सकता है⁻⁴ तोर। नीचे 5 × 10^-4 Torr, एक पिरानी गेज में विभेदन का केवल एक महत्वपूर्ण अंक होता है। गैस की तापीय चालकता और ताप क्षमता मीटर से रीडआउट को प्रभावित करती है, और इसलिए सटीक रीडिंग प्राप्त करने से पहले उपकरण को कैलिब्रेट करने की आवश्यकता हो सकती है। कम दबाव माप के लिए, गैस की तापीय चालकता तेजी से छोटी हो जाती है और सटीक रूप से मापना अधिक कठिन हो जाता है, और इसके बजाय पेनिंग गेज या दबाव माप#आयनीकरण गेज | बायर्ड-अल्पर्ट गेज जैसे अन्य उपकरणों का उपयोग किया जाता है।

स्पंदित पिरानी गेज

पिरानी गेज का एक विशेष रूप स्पंदित पिरानी वैक्यूम गेज है जहां सेंसर तार एक स्थिर तापमान पर संचालित नहीं होता है, लेकिन बढ़ते वोल्टेज रैंप द्वारा चक्रीय रूप से एक निश्चित तापमान सीमा तक गरम किया जाता है। जब दहलीज पर पहुंच जाता है, हीटिंग वोल्टेज बंद हो जाता है और सेंसर फिर से ठंडा हो जाता है। आवश्यक ताप-अप समय का उपयोग दबाव के माप के रूप में किया जाता है।

पर्याप्त रूप से कम दबाव के लिए, आपूर्ति की गई ताप शक्ति से संबंधित निम्न प्रथम-क्रम गतिशील थर्मल प्रतिक्रिया मॉडल $P_{\text{el}}$ और सेंसर तापमान T(t) लागू होता है:

$P_{\text{el}}=C_{1}\lambda _{\text{gas}}(T(t)-T_{a})+C_{2}\lambda _{\text{fil}}(T(t)-T_{a})+A_{\text{fil}}\epsilon \sigma (T(t)^{4}-T_{a}^{4})+c_{\text{fil}}m_{\text{fil}}{\frac {\mathrm {d} T}{\mathrm {d} t}},$

कहाँ $c_{\text{fil}}$ और $\epsilon$ सेंसर तार (भौतिक गुण) की विशिष्ट गर्मी और उत्सर्जन हैं, $A_{\text{fil}}$ और $m_{\text{fil}}$ सतह क्षेत्र और संवेदक तार का द्रव्यमान है, और $C_{1}$ और $C_{2}$ अंशांकन में प्रत्येक सेंसर के लिए निर्धारित स्थिरांक हैं।

स्पंदित गेज के फायदे और नुकसान

लाभ

• 75 Torr से ऊपर की रेंज में उल्लेखनीय रूप से बेहतर रिजॉल्यूशन।
• लगातार संचालित पिरानी गेज की तुलना में बिजली की खपत में भारी कमी आई है।
• वास्तविक माप पर गेज का थर्मल प्रभाव 80 डिग्री सेल्सियस के निम्न तापमान थ्रेसहोल्ड और स्पंदित मोड में रैंप हीटिंग के कारण काफी कम हो गया है।
• स्पंदित मोड को आधुनिक माइक्रोप्रोसेसरों का उपयोग करके कुशलतापूर्वक लागू किया जा सकता है।

नुकसान

• अंशांकन प्रयास में वृद्धि
• लंबा हीट-अप चरण

वैकल्पिक

पिरानी गेज का एक विकल्प थर्मोकपल # थर्मोकपल वैक्यूम गेज के रूप में है, जो तापमान में बदलाव से गैस की तापीय चालकता का पता लगाने के समान सिद्धांत पर काम करता है। थर्मोकपल गेज में, गर्म तार के प्रतिरोध में परिवर्तन के बजाय थर्मोकपल द्वारा तापमान को महसूस किया जाता है।

बाहरी संबंध

• http://homepages.thm.de/~hg8831/vakuumlabor/litera.htm
• Jitschin, W. (2006), "100 Jahre Pirani-Vakuummeter", Vakuum in Forschung und Praxis (in Deutsch), 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 (in Deutsch), 16: 297–301, doi:10.1002/vipr.200400235