पिरानी गेज

खोली गई पिरानी अन्वेषिका

पिरानी गेज एक प्रबल ऊष्मीय चालकता गेज है जिसका उपयोग निर्वात प्रणाली में दाब 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 निर्वात लैंप उद्योग में सम्मिलित थे। 1905 में उनका उत्पाद टैंटलम लैंप था जिसमे संवाहक तार के लिए एक उच्च निर्वात 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 तीस साल पहले प्रकाशित कुंडट और वारबर्ग (1875) की गैस ऊष्मीय चालकता जांच और मैरियन स्मोलुचोव्स्की (1898) के काम से अवगत थे। 1906 में उन्होंने अपने प्रत्यक्ष रूप से संकेत देने वाले निर्वात गेज का वर्णन किया जिसमें निर्वात वातावरण द्वारा तार से ऊष्मा हस्तांतरण का प्रबोधन करके निर्वात को मापने के लिए एक गर्म तार का उपयोग किया गया था।

संरचना

पिरानी गेज में धातु संवेदक तार (सामान्य रूप से सोना लेपित टंगस्टन या प्लैटिनम) होता है जो एक नलिका में निलंबित होता है जो प्रणाली से जुड़ा होता है जिसका निर्वात मापा जाना है। गेज को अधिक सुसंबद्ध बनाने के लिए तार को सामान्य रूप से कुंडलित किया जाता है। संयोजन सामान्य रूप से या तो एक घर्षित कांच से जुड़ा या स्फारी धातु संयोजक द्वारा बनाया जाता है, जिसे O- वलय के साथ सीलित किया जाता है। संवेदक तार एक विद्युत परिपथ से जुड़ा होता है जिससे, अंशशोधन के बाद, एक दाब रीडिंग लिया जा सकता है।

संचालन का तरीका

पिरानी गेज का समावेशी रेखाचित्र

वायु रीडिंग को अन्य गैसों में परिवर्तित करने के लिए वक्र

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

1. उच्च दाब पर गैस चालन $E\propto dT/dr$ (r गर्म तार से दूरी का प्रतिनिधित्व करता है)
2. कम दाब पर गैस अभिगमन $E\propto P(T_{1}-T_{0})/\surd T_{0}$
3. ऊष्मीय विकिरण $E\propto (T_{1}^{4}-T_{0}^{4})$
4. समर्थन संरचनाओं के माध्यम से हानि को रोके

गैस में निलंबित गर्म धातु का तार (संवेदित्र तार, या सामान्य संवेदित्र) गैस को ऊष्मा नष्ट कर देगा क्योंकि इसके अणु तार से संघट्टन करते हैं और ऊष्मा को दूर करते हैं। यदि गैस का दाब कम हो जाता है, तो सम्मिलित अणुओं की संख्या आनुपातिक रूप से कम हो जाएगी और तार धीरे-धीरे ऊष्मा नष्ट कर देगा। ऊष्मा के हानि को मापना दाब का एक अप्रत्यक्ष संकेत है।

तीन संभावित योजनाएं हैं जिन्हें किया जा सकता है।

1. ब्रिज विद्युत-दाब को स्थिर रखें और दाब के कार्य के रूप में प्रतिरोध में परिवर्तन को मापें
2. धारा को स्थिर रखें और दाब के कार्य के रूप में प्रतिरोध में परिवर्तन को मापें
3. संवेदित्र तार का तापमान स्थिर रखें और विद्युत-दाब को दाब के कार्य के रूप में मापें

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

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 धारा I को नियंत्रित करके तार को एक स्थिर प्रतिरोध R पर बनाए रखा जाता है। प्रतिरोध को एक ब्रिज परिपथ का उपयोग करके स्थापित किया जा सकता है। इसलिए इस संतुलन को प्राप्त करने के लिए आवश्यक धारा निर्वात का माप है।

गेज का उपयोग 0.5 टोर्र से 1×10-4 टोर्र के बीच दबाव के लिए किया जा सकता है। नीचे 5×10-4 टोर्र पिरानी गेज में विभेदन का केवल एक महत्वपूर्ण अंक होता है। गैस की ऊष्मीय चालकता और ताप क्षमता मीटर से रीडआउट ( पठन दर्श) को प्रभावित करती है, और इसलिए परिशुद्ध रीडिंग प्राप्त करने से पहले उपकरण को अंशशोधन करने की आवश्यकता हो सकती है। कम दाब माप के लिए, गैस की ऊष्मीय चालकता तीव्रता से छोटी हो जाती है और परिशुद्ध रूप से मापना अधिक कठिन हो जाता है, और इसके अतिरिक्त पेनिंग गेज या बायर्ड-अल्पर्ट गेज जैसे अन्य उपकरणों का उपयोग किया जाता है।

स्पंदित पिरानी गेज

पिरानी गेज का एक विशेष रूप स्पंदित पिरानी निर्वात गेज है जहां संवेदित्र तार एक स्थिर तापमान पर संचालित नहीं होता है, लेकिन बढ़ते प्रवण वोल्टता द्वारा चक्रीय रूप से एक निश्चित तापमान सीमा तक गरम किया जाता है। जब प्रभाव सीमा पर पहुंच जाता है, ऊष्मीय विद्युत-दाब बंद हो जाता है और संवेदित्र पुनः ठंडा हो जाता है। आवश्यक उष्मन समय का उपयोग दाब के माप के रूप में किया जाता है।

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

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

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

स्पंदित गेज के लाभ और हानि

लाभ

• 75 टोर्र से ऊपर की सीमा में उल्लेखनीय रूप से अधिकतम वियोजन।
• निरंतर संचालित पिरानी गेज की तुलना में बिजली के उपभोग में अत्यधिक कमी आई है।
• वास्तविक माप पर गेज का ऊष्मीय प्रभाव 80 डिग्री सेल्सियस के निम्न तापमान प्रभाव सीमा और स्पंदित मोड में प्रवण ताप के कारण अपेक्षाकृत अधिक कम हो गया है।
• स्पंदित मोड को आधुनिक सूक्ष्म संसाधित्र का उपयोग करके कुशलतापूर्वक प्रयुक्त किया जा सकता है।

हानि

• अंशशोधन प्रयास में वृद्धि
• लंबा उष्मन चरण

वैकल्पिक

पिरानी गेज का एक विकल्प तापवैद्युत युग्म गेज है, जो तापमान में परिवर्तन से गैस की ऊष्मीय चालकता का पता लगाने के समान सिद्धांत पर कार्य करता है। तापवैद्युत युग्म गेज में, गर्म तार के प्रतिरोध में परिवर्तन के अतिरिक्त तापवैद्युत युग्म द्वारा तापमान को अनुभव 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