Medidor de Pirani

El medidor de Pirani es un robusto medidor de conductividad térmica utilizado para la medición de las presiones en los sistemas de vacío. Fue inventado en 1906 por Marcello Pirani.

Marcello Stefano Pirani era un físico alemán que trabajaba para Siemens & Halske que estaba involucrado en la industria de las lámparas de vacío. En 1905 su producto eran lámparas de tántalo que requerían un ambiente de alto vacío para los filamentos. Los medidores que Pirani estaba usando en el ambiente de producción eran unos cincuenta medidores McLeod, cada uno lleno con 2 kg de mercurio en tubos de vidrio.

Pirani estaba al tanto de las investigaciones sobre la conductividad térmica de los gases de Kundt y Warburg (1875) publicadas treinta años antes y del trabajo de Marian Smoluchowski (1898). En 1906 describió su “medidor de vacío con indicación directa” que utilizaba un alambre calentado para medir el vacío mediante la supervisión de la transferencia de calor del alambre por el ambiente de vacío.

Infografía medidor de Pirani

Inicios de Pirani

Siempre hay quienes argumentan que era mejor en los viejos tiempos. Las cosas eran más sencillas entonces, y los instrumentos tenían una calidad directa, lo que los hacía más fáciles de entender, más sencillos de mantener y más fiables. Hoy en día, se dice que el surgimiento de la “caja negra” ha divorciado a los estudiantes de los fenómenos que están observando, interponiendo una barrera entre ellos y la ciencia que deberían estar aprendiendo.

Entre las primeras cajas negras se encontraba un simple dispositivo inventado por Marcello von Pirani para medir las bajas presiones, el medidor de Pirani. El padre de Marcello, Eugenio, era un compositor de cierta reputación que había emigrado de Italia a Alemania después de ganar inesperadamente un concurso para convertirse en profesor de piano en un conservatorio de Berlín.

Marcello Pirani
Marcello Pirani

Marcello estudió física en la Universidad Técnica de Berlín-Charlottenburg. Después de estudiar el doctorado, se unió a la compañía de lámparas Siemens & Halske. Fue una época emocionante para estar en la iluminación. Aunque los mantos de gas ceria-thoria de Auer von Welsbach aún existían, las lámparas de arco de carbono se utilizaban para el alumbrado público. Pero los filamentos incandescentes de carbono de Joseph Swan y Thomas Edison también estaban en disputa. Este progreso había sido ayudado por la revolucionaria teoría cuántica de Max Planck, que brilló como un faro a través de la confusión previa sobre la naturaleza de la luz.

Pero los filamentos de carbono eran extremadamente frágiles, y la vida útil de las bombillas era muy corta. Los fabricantes estaban recurriendo a los filamentos metálicos. Mientras que el osmio era bueno, el tántalo era mejor, aunque su reactividad requería un vacío sustancialmente mejor que el disponible. En ese momento, la única forma de medir las bajas presiones era usar un medidor McLeod.

Aunque eran muy precisos, los medidores McLeod requerían grandes volúmenes de mercurio (y el inevitable derrame) e igualmente importante, no eran continuos – cada vez que se necesitaba una medición, el pistón de mercurio tenía que ser bajado para muestrear el vacío, y luego levantado de nuevo para medirlo. Con unos 50 de estos monstruos en uso en la fábrica de Siemens, lo que realmente se necesitaba era un dispositivo de lectura continua.

La solución para medir el vacío

Pirani recurrió a un trabajo de 30 años de los físicos August Kundt y Emil Warburg sobre la conductividad térmica de los gases. Observaron que la velocidad de enfriamiento de un termómetro era extremadamente sensible a la calidad del vacío. En 1888, August Schleiermacher había medido la conductividad térmica de varios gases usando un alambre de platino calentado.

Combinando estas ideas, en junio de 1906, Pirani decidió convertir una de sus bombillas en un dispositivo de medición. Al bajar la presión, la temperatura del alambre de tántalo subió, y con ella, la resistencia eléctrica. Pronto tuvo un prototipo funcional que su empleador patentó rápidamente, aunque no está claro que la patente se concediera realmente. Pirani observaría más tarde lacónicamente que el método de conductividad térmica no era nada nuevo, pero su éxito le ganó una considerable admiración.

En 1914, encontró tiempo para escribir un tratado clave sobre los nomogramas, los diagramas geométricos utilizados por los ingenieros y científicos para responder a complejos problemas numéricos sin tener que resolver las matemáticas analíticamente. El libro se reimprimió varias veces y tuvo tres ediciones.

Estructura de un medidor de Pirani

El medidor de Pirani consiste en un alambre sensor de metal (generalmente de tungsteno o platino enchapado en oro) suspendido en un tubo que está conectado al sistema cuyo vacío se va a medir. La conexión se realiza normalmente mediante una junta de vidrio a tierra o un conector metálico con bridas, sellado con una junta tórica. El cable del sensor está conectado a un circuito eléctrico del que, tras la calibración, se puede tomar una lectura de la presión.

Corte esquemático de un medidor de Pirani
Corte esquemático de un medidor de Pirani

La iluminación, el éxito y el exilio

Cuando en 1919 los tres principales fabricantes alemanes de bombillas unieron sus conocimientos para crear la empresa Osram, Pirani fue nombrado jefe de I+D. Pasó la mayor parte de su carrera en la iluminación, nunca lejos del meollo de la investigación, pero siempre interesado en los problemas fundamentales.

La influencia de Pirani en la compañía estaba en todas partes. Los informes técnicos de Osram que produjo se conocerían como los “Anales de Pirani”. A principios de los años 30, para sorpresa general, su grupo reveló la lámpara de vapor de sodio, con una eficiencia eléctrica del 70%. Su familiar brillo anaranjado sigue siendo un punto de referencia hasta el día de hoy.

Pero siendo un cuáquero devoto con una madre de ascendencia judía, el ascenso del partido nazi en Alemania hizo la vida cada vez más difícil. En 1936 emigró al Reino Unido, donde trabajó primero para la General Electric Company en el norte de Londres, y luego como consultor de la Junta del Carbón y otros. Regresó a Alemania y a Osram en 1953 y siguió consultando casi hasta su muerte.

Para más información Pirani’s gauge