De Pirani-manometer uitgelegd: werking, toepassingen en voordelen

Wat is een Pirani-manometer?

Een Pirani-manometer is een betrouwbare thermische geleidbaarheidsmanometer die wordt gebruikt in vacuüm-systemen om lage drukken te meten. Het meetinstrument werd in 1906 uitgevonden door Marcello Pirani. Door een weerstandsthermometer als het verwarmde element te gebruiken, maakt de Pirani-manometer het gebruik van een thermocouple voor temperatuurdetectie overbodig (zoals bij de thermocouple-manometer).

Constructie en werking

De Pirani-manometer bestaat uit een metaaldraad (meestal platina) die in een buis is geplaatst die verbonden is met het vacuümsysteem. De verbinding wordt vaak gemaakt via een geplazen glasverbinding of een geflanste metalen connector die met een O-ring is afgedicht. De draad is aangesloten op een elektrisch circuit waarmee na kalibratie de druk kan worden afgelezen.

Wanneer een elektrische stroom door de geleidende draad (platina-filament) loopt, verwarmt deze op. Gasmoleculen botsen tegen de draad en onttrekken warmte. Hoe lager de gasdruk (door vacuümpompen), hoe minder moleculen aanwezig zijn, hoe lager de warmteleiding van het omringende medium, en hoe langzamer de draad warmte verliest. Het meten van deze warmteverlies is een indirecte manier om de druk te bepalen.

Omdat de elektrische weerstand van een draad varieert met de temperatuur, geeft een weerstandsmeting ook de temperatuur van de draad aan. Een Wheatstone-brug wordt gebruikt om de verandering in weerstand van het filament te meten. Na kalibratie wordt deze weerstandsverandering een maat voor de toegepaste druk.

In veel systemen wordt de draad op een constante weerstand R gehouden door de stroom I die erdoor loopt te regelen. De stroom die nodig is om dit evenwicht te bereiken, is een maat voor het vacuüm. De meetbereik ligt typisch tussen 0,5 Torr en 10³ Torr (ongeveer 0,1 tot 100 Pascal). Omdat de warmteleiding en warmtecapaciteit van het gas de aflezing beïnvloeden, moet het instrument voor nauwkeurige metingen worden gekalibreerd. Voor nog lagere drukken worden andere instrumenten zoals een Penning-manometer gebruikt.

Voordelen

• Ze zijn robuust en betaalbaar.
• Bij lage druk leveren ze betrouwbare resultaten.
• Druk kan op afstand worden afgelezen.
• De thermocouple-manometer, een ander type warmteleidingsmanometer, wordt niet aanbevolen.
• De Pirani-manometer is 10 keer sneller en kan een groter drukbereik meten.

Nadelen

• De Pirani-manometer moet regelmatig worden gecontroleerd.
• Voor verschillende gassen moet de manometer apart worden gekalibreerd.
• De werking vereist elektriciteit.

Conclusie

De Pirani-manometer is een onmisbaar instrument voor vacuümtechniek, dankzij zijn eenvoudige constructie, brede meetbereik en snelle reactie. Correcte kalibratie voor het specifieke gas is essentieel voor nauwkeurige metingen.