Das Pirani-Manometer erklärt: Funktionsweise, Anwendungen und Vorteile

Was ist ein Pirani-Manometer?

Ein Pirani-Manometer ist ein zuverlässiges Wärmeleitfähigkeits-Manometer, das in Vakuumsystemen zur Messung niedriger Drücke eingesetzt wird. Es funktioniert, indem ein heißer Metalldraht in einem Rohr aufgehängt und einem Gasdruckmedium ausgesetzt wird. Für diese heißen Metalldrähte werden dünne Wolfram-, Nickel- oder Platindrähte verwendet.

Das Gerät überwacht die Änderung der Wärmeleitfähigkeit und nutzt diese Information zur Berechnung des Systemdrucks. Dieses Manometer eignet sich für die Messung von Drücken im Bereich von 0,1 bis 100 Pascal bei sehr niedrigen Drücken. Pirani-Manometer werden sowohl für Niederdruck- als auch für Hochvakuummessungen eingesetzt und basieren auf einem Diagramm, das aus den gewonnenen Daten erstellt wird.

Aufbau und Funktionsweise eines Pirani-Manometers

Ein Metalldraht (typischerweise Platin) wird in einem Rohr platziert, das über eine Verbindung mit dem zu messenden Vakuumsystem verbunden ist. Ein Schliffansatz oder ein Flanschanschluss, der mit einem O-Ring abgedichtet ist, wird häufig für die Verbindung verwendet. Der Draht ist an einen elektrischen Stromkreis angeschlossen, von dem nach Kalibrierung ein Druckwert abgelesen werden kann.

Wenn ein elektrischer Strom durch einen leitenden Draht (Platinfilament) fließt, erhitzt sich dieser. Da Gasmoleküle mit dem Draht kollidieren und Wärme entziehen, verliert der im Gas hängende Draht Wärme an das Gas. Mit abnehmendem Gasdruck (durch Vakuumpumpen) verringert sich die Anzahl der Moleküle proportional, die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums sinkt, und der Draht verliert Wärme langsamer. Die Messung des Wärmeverlusts ist ein indirekter Weg zur Druckbestimmung.

Da der elektrische Widerstand eines Drahts mit seiner Temperatur schwankt, gibt auch die Widerstandsmessung Aufschluss über die Drahttemperatur. Eine Wheatstone-Brücke wird verwendet, um die Widerstandsänderung des Filaments zu bestimmen. Nach Kalibrierung wird die Widerstandsänderung des Pirani-Manometer-Filaments zu einem Maß für den angewendeten Druck.

In verschiedenen Systemen wird der Draht durch Steuerung des durch ihn fließenden Stroms I bei einem konstanten Widerstand R gehalten. Eine Brückenschaltung kann verwendet werden, um den Widerstand einzustellen. Die Leistung I²R wird dem Draht zugeführt, und dieselbe Leistung wird an das Gas abgegeben. Folglich ist der Strom, der zum Erreichen dieses Gleichgewichts erforderlich ist, ein Maß für das Vakuum.

Das Manometer kann Drücke von 0,5 Torr bis 10³ Torr verarbeiten. Da die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Gases die Anzeige des Geräts verändern können, muss das Gerät vor korrekten Messwerten möglicherweise kalibriert werden. Für noch niedrigere Drücke werden andere Instrumente wie ein Penning-Manometer verwendet.

Vor- und Nachteile eines Pirani-Manometers

Vorteile:

• Sie sind robust und kostengünstig.
• Bei niedrigem Druck liefern sie zuverlässige Ergebnisse.
• Der Druck kann aus der Ferne abgelesen werden.
• Es ist 10-mal schneller als ein Thermoelement-Manometer (ein weiterer Typ des Wärmeleitfähigkeits-Manometers) und kann einen größeren Druckbereich überwachen.

Nachteile:

• Das Pirani-Manometer muss regelmäßig überprüft werden.
• Für verschiedene Gase muss das Pirani-Manometer kalibriert werden.
• Sein Betrieb erfordert elektrische Energie.

Fazit

Das Pirani-Manometer ist ein zuverlässiges Wärmeleitfähigkeits-Manometer für Vakuumsysteme zur Messung niedriger Drücke. Es nutzt einen erhitzten Metalldraht in einem Rohr, der einem Gasdruckmedium ausgesetzt ist. Dünne Wolfram-, Nickel- oder Platindrähte dienen als Heizelemente. In diesem Artikel wurden Definition, Anwendungen, Aufbau, Diagramm, Funktionsweise, Vor- und Nachteile des Pirani-Manometers ausführlich behandelt.