ピラニゲージ

ピラニゲージは、真空システム内の圧力を測定するために使用される堅牢な熱伝導率ゲージです。 ^{[1] 1906年に}マルチェロ・ピラニによって発明されました。^[2]

マルチェロ・ステファノ・ピラニは、真空ランプ産業に携わっていたシーメンス・ハルスケ社に勤務していたドイツ人物理学者でした。1905年、同社の製品はタンタルランプで、フィラメントには高真空環境が必要でした。ピラニが製造現場で使用していたゲージは、約50台のマクラウド・ゲージで、それぞれガラス管に2kgの水銀が充填されていました。^[3]

^{ピラニは、30年前に発表されたクントとウォーバーグ[4]} （1875）による気体熱伝導率の研究と、マリアン・スモルホフスキー^[5] （1898）の研究について知っていた。1906年に彼は、加熱されたワイヤを使用して真空環境によるワイヤからの熱伝達を監視することで真空を測定する「直接指示真空計」について説明した。^[2]

ピラニ ゲージは、真空を測定するシステムに接続されたチューブ内に吊り下げられた金属センサー ワイヤ (通常は金メッキのタングステンまたはプラチナ) で構成されています。ゲージをコンパクトにするために、ワイヤは通常コイル状に巻かれています。接続は通常、すりガラス ジョイントまたはフランジ付き金属コネクタによって行われ、O リングで密封されます。センサー ワイヤは電気回路に接続され、校正後に圧力の読み取り値を取得できます。

この技術を理解するには、ガス充填システムでは加熱されたワイヤが周囲に熱を伝達する方法が 4 つあることを考えてみましょう。

1. 高圧でのガス伝導（rは加熱されたワイヤからの距離を表す）${\displaystyle E\propto dT/dr}$
2. 低圧でのガス輸送${\displaystyle E\propto P(T_{1}-T_{0})/\surd T_{0}}$
3. 熱放射${\displaystyle E\propto (T_{1}^{4}-T_{0}^{4})}$
4. サポート構造を通じて損失を終わらせる

ガス中に吊り下げられた加熱された金属ワイヤ(センサーワイヤ、または単にセンサー) は、その分子がワイヤに衝突して熱を奪うため、ガスに熱を奪われます。ガス圧が低下すると、存在する分子の数も比例して減少し、ワイヤの熱の消失速度が遅くなります。熱損失を測定することは、圧力の間接的な指標となります。

実行可能なスキームは3つあります。^[2]

1. ブリッジ電圧を一定に保ち、圧力の関数として抵抗の変化を測定する。
2. 電流を一定に保ち、圧力の関数として抵抗の変化を測定する
3. センサー線の温度を一定に保ち、圧力の関数として電圧を測定する

温度を一定に保つことは、端部損失（4.）と熱放射損失（3.）が一定であることを意味することに留意してください。^[3]

電線の電気抵抗は温度によって変化するため、抵抗は電線の温度を示します。多くのシステムでは、電線を流れる電流Iを制御することで、電線を一定の抵抗Rに維​​持します。抵抗はブリッジ回路を使用して設定できます。したがって、このバランスを達成するために必要な電流は、真空の尺度となります。

このゲージは、0.5 Torrから 1×10 ⁻⁴ Torr までの圧力に使用できます 。5×10 ⁻⁴ Torr 未満では、ピラニ ゲージの分解能は 1 桁しかありません。ガスの熱伝導率と熱容量はゲージの読み取り値に影響するため、正確な読み取り値を得るには装置の校正が必要になる場合があります。低圧測定では、ガスの熱伝導率がますます小さくなり、正確な測定が難しくなるため、代わりにペニング ゲージ やベヤード アルパート ゲージなどの他の機器が使用されます。

ピラニ真空計の特殊な形式はパルス式ピラニ真空計です。この真空計では、センサー ワイヤは一定温度で動作せず、電圧ランプの増加によって一定の温度しきい値まで周期的に加熱されます。しきい値に達すると、加熱電圧がオフになり、センサーは再び冷却されます。必要な加熱時間は圧力の尺度として使用されます。

十分に低い圧力の場合、供給される加熱電力とセンサー温度T ( t )を関連付ける次の一次動的熱応答モデルが適用される: ^[6]${\displaystyle P_{\text{el}}}$

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

ここで、およびはセンサーワイヤの比熱と放射率（材料特性）、 およびはセンサーワイヤの表面積と質量、およびは校正時に各センサーに対して決定される定数です。 ${\displaystyle c_{\text{fil}}}$${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle A_{\text{fil}}}$${\displaystyle m_{\text{fil}}}$${\displaystyle C_{1}}$${\displaystyle C_{2}}$

利点

• 75 Torr以上の範囲では解像度が大幅に向上します。^[7]
• 連続運転のピラニゲージに比べて消費電力が大幅に削減されます。
• 80 °C の低い温度しきい値とパルス モードでのランプ加熱により、実際の測定に対するゲージの熱の影響が大幅に低減されます。
• パルス モードは、最新のマイクロプロセッサを使用して効率的に実装できます。

デメリット

• 校正作業の増加
• より長い加熱段階

ピラニゲージの代替として、温度変化によってガスの熱伝導率を検出するという同じ原理で動作する熱電対ゲージがあります。熱電対ゲージでは、加熱されたワイヤの抵抗の変化ではなく、 熱電対によって温度が感知されます。

• http://homepages.thm.de/~hg8831/vakuumlabor/litera.htm
• Jitschin, W. (2006)、「100 Jahre Pirani-Vakuummeter」、Vakuum in Forschung und Praxis (ドイツ語)、18 (6): 22–23、doi :10.1002/vipr.200690070
• ジッチン、W. Ludwig, S. (2004)、「Gepulstes Pirani-Vakuummeter: Berechnung von Aufheizung und Abkühlung」、Vakuum in Forschung und Praxis (ドイツ語)、16 : 297–301、doi :10.1002/vipr.200400235