Experimentiert man mit Vakuum so kommt es vor, dass man auch den Druck etwa bis hinab zu 1 Pa wissen möchte. Einen sogenannten Piranisensor kann man relativ einfach selbst basteln.
Ein Piranisensor besteht aus einem im zu bestimmenden Vakuum befindlichen Heizdraht. Ist der Druck noch reltiv groß, so führen die Luftmoleküle noch ausreichend Wärme des Heizdrahts ab und seine Temperatur bzw. Widerstand sind noch niedrig. Wird das Vakuum aber besser, so fehlen nun diese Luftmoleküle zur Wärmeabfuhr und seine Temperatur bzw. Widerstand steigen.
Um diese Widerstandsänderung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln eignet sich eine sog. Wheatstonebrücke.
Eine Wheatstonebrücke besteht aus insgesamt 4 Widerständen, die wie abgebildet miteinander verbunden sind. Wenn über das Amperemeter kein Strom fließt, so muss gelten: 1200/R = 4000/1000 = 4. Daher folgt für R = 300 Ohm.
Bei meinem Piranisensor nimmt nun der Heizdraht die Stelle eines der 4 Widerstände ein. Als Heizdraht eignet sich sehr gut eine Glühbirne, in deren Glas bewusst ein Loch etwa mit dem Dremel geschliffen wird. Ich verwende konkret folgendes Modell mit 24V/0.5W von conrad: https://www.conrad.de/de/p/barthelme-21022420-subminiatur-gluehlampe-24-v-0-50-w-t1-1-st-728913.html.
Diese „kaputte“ Glühbirne klebe ich luftdicht (!) so in ein Plastik-T-Stück ein, dass der Heizdraht nach innen zeigt.
Die Glühbirne schließe ich dann wie unten abgebildet an die Wheatstonebrücke an.
Mit dem 1 kOhm-Potentiometer am LM317 stelle ich die Versorgungsspannung der Wheatstonebrücke im Bereich von 1.25 V bis maximal 5 V ein. Damit regle ich die Verstärkung der Ausgabespannung/des Ausgabestroms. Die maximal 5 V sind noch zu gering dafür, dass die 24V-Glühbirne mit ihrem zerstörten Glas an Luft durchbrennt und dann kaputt ist.
Die beiden 10-Ohm und 100-Ohm Potentiometer stelle ich an Luft (1 bar) so ein, dass das in der Brücke befindliche Voltmeter/Amperemeter 0 V bzw. 0 mA anzeigt. Sinkt nun der Druck an der Glühbirne, so steigt ihr Widerstand und die Brücke ist nicht mehr abgeglichen. Es fließt dann ein Strom bzw. liegt eine Spannung an der Brücke an, der/die abhängig vom Druck ist.
Einen Schönheitsfehler hat dieser einfache Piranisensor: Man muss ihn mit einem anderen Sensor zuerst eichen. Dann kann man etwa immer an die Stelle des Zeigers den jeweiligen Druck auf eine Skala schreiben.
Vorschlag für ein Experiment: Mit dem Pirani-Sensor kann zum Beispiel eine Gasentladung in Abhängigkeit vom Druck untersucht werden.
Damit ich meine gekauften/selbstgebastelten Pirani-Sensoren testen kann, habe ich mir nun eine neue 2-stufige Drehschieberpumpe gegönnt. Sie ist zwar nicht gerade stark, aber durch die zwei Stufen dürfte hoffentlich das erzielbare Vakuum nicht so schlecht sein. Ich habe mich bewusst für die schwächere Version entschieden, da erstens meine Wohnung schon überquillt wegen meiner vielen Experimente und ich deshalb etwas kompaktes benötige und zweitens meine Rezipienten wirklich nur ein geringes Volumen aufweisen. Meist sind es nur kleine Zylindergläser, die evakuiert werden müssen…
Die kleine, kompakte Vakuumpumpe ist heute bei mir angekommen und scheint ohne Probleme zu funktionieren. Leider besitzt sie wie die meisten Pumpen einen 1/4″ SAE Anschluss am Ansaugstutzen. Für dieses Gewinde ist es gar nicht einfach einen entsprechenden Adapter zu finden.
Bei einem Händler in Polen bin ich bzgl. Adapter fündig geworden: https://vacuumchambers.eu/en_US/p/Fitting-14-SAE-Flare-to-barb-for-6mm-hose/20
In der momentanen Einstellung (ich kann ja bei meiner Wheatstonebrücke die Versorgungsspannung/Verstärkung und den offset einstellen) erhalte ich bei einem Druck von 15 Pa einen Strom von rund 5 mA. Ich werde mir daher wohl ein analoges 5mA-Amperemeter besorgen, da ich die Versorgungsspannung/Verstärkung zum Schutz der Glühwendel nicht verdoppeln möchte.
Das 5 mA-Amperemeter ist inzwischen eingetroffen und ich kann es mit dem kommerziellen Piranisensor eichen.
Die Skala überklebe ich einfach mit einem Stück Papier:
Mittlerweile habe ich den Selbstbau-Pirani-Sensor mit meinem kommerziellen Sensor kalibrieren können.
Obwohl es natürlich mit dem gekauften Sensor nicht mithalten kann ist es für den Hobbybereich durchaus eine sinnvolle und vor allem preiswerte Alternative, wenn man zumindest grob wissen möchte, welcher Druck vorliegt.
Anbei noch eine Excel-Simulation einer Wheatstonebrücke:
Download: Excel_Wheatstonebrücke
