El manómetro Pirani es un robusto medidor de conductividad térmica que se utiliza para medir presiones en sistemas de vacío. [1] Fue inventado en 1906 por Marcello Pirani . [2]
Marcello Stefano Pirani era un físico alemán que trabajaba para Siemens & Halske y que participaba en la industria de las lámparas de vacío. En 1905, su producto eran las lámparas de tantalio que requerían un ambiente de alto vacío para los filamentos. Los medidores que Pirani utilizaba en el entorno de producción eran unos cincuenta medidores McLeod , cada uno lleno con 2 kg de mercurio en tubos de vidrio. [3]
Pirani conocía las investigaciones sobre conductividad térmica de los gases de Kundt y Warburg [4] (1875) publicadas treinta años antes y el trabajo de Marian Smoluchowski [5] (1898). En 1906 describió su "vacuómetro de indicación directa" que utilizaba un cable calentado para medir el vacío monitoreando la transferencia de calor desde el cable por el entorno de vacío. [2]
El medidor Pirani consiste en un cable sensor de metal (generalmente tungsteno o platino chapado en oro ) suspendido en un tubo que está conectado al sistema cuyo vacío se va a medir. El cable suele estar enrollado para que el calibre sea más compacto. La conexión suele realizarse mediante una junta de vidrio esmerilado o un conector metálico con brida , sellado con una junta tórica . El cable del sensor está conectado a un circuito eléctrico del cual, después de la calibración, se puede tomar una lectura de presión.
Para comprender la tecnología, considere que en un sistema lleno de gas hay cuatro formas en que un cable calentado transfiere calor a su entorno.
Un cable metálico calentado (cable sensor, o simplemente sensor) suspendido en un gas perderá calor hacia el gas cuando sus moléculas colisionen con el cable y eliminen el calor. Si se reduce la presión del gas, el número de moléculas presentes disminuirá proporcionalmente y el alambre perderá calor más lentamente. La medición de la pérdida de calor es una indicación indirecta de la presión.
Hay tres posibles esquemas que se pueden realizar. [2]
Tenga en cuenta que mantener la temperatura constante implica que las pérdidas finales (4.) y las pérdidas por radiación térmica (3.) son constantes. [3]
La resistencia eléctrica de un cable varía con su temperatura, por lo que la resistencia indica la temperatura del cable. En muchos sistemas, el cable se mantiene con una resistencia constante R controlando la corriente I a través del cable. La resistencia se puede ajustar mediante un circuito puente. La corriente necesaria para lograr este equilibrio es, por tanto, una medida del vacío.
El manómetro se puede utilizar para presiones entre 0,5 Torr y 1×10 −4 Torr. Por debajo de 5×10 −4 Torr, un medidor Pirani tiene sólo un dígito significativo de resolución. La conductividad térmica y la capacidad calorífica del gas afectan la lectura del medidor y, por lo tanto, es posible que sea necesario calibrar el aparato antes de poder obtener lecturas precisas. Para mediciones de presión más baja, la conductividad térmica del gas se vuelve cada vez más pequeña y más difícil de medir con precisión, y en su lugar se utilizan otros instrumentos como un manómetro de Penning o un manómetro de Bayard-Alpert .
Una forma especial del manómetro Pirani es el vacuómetro Pirani pulsado, en el que el cable del sensor no funciona a una temperatura constante, sino que se calienta cíclicamente hasta un cierto umbral de temperatura mediante una rampa de voltaje creciente. Cuando se alcanza el umbral, se desconecta la tensión de calefacción y el sensor se enfría nuevamente. El tiempo de calentamiento necesario se utiliza como medida de presión.
Para una presión suficientemente baja, se aplica el siguiente modelo de respuesta térmica dinámica de primer orden que relaciona la potencia de calefacción suministrada y la temperatura del sensor T ( t ): [6]
donde y son el calor específico y la emisividad del cable del sensor (propiedades del material), y son el área de superficie y la masa del cable del sensor, y y son constantes determinadas para cada sensor en calibración.
Una alternativa al medidor Pirani es el medidor de termopar , que funciona según el mismo principio de detectar la conductividad térmica del gas mediante un cambio de temperatura. En el medidor de termopar, la temperatura es detectada por un termopar en lugar de por el cambio en la resistencia del cable calentado.
