캐패시턴스 압력계(Capacitance Manometer)의 장단점


우리가 진공도를 측정하고 싶을 때 가장 간편한 방법은 진공 게이지를 이용하는 것입니다.

챔버에 진공 게이지를 설치하기만 하면 되기 때문에 매우 편리하게 사용할 수 있는데,

이번 시간에는 진공 게이지의 종류 중 캐패시턴스 압력계(Capacitance Manometer)에 대해

알아보도록 하겠습니다.

캐패시턴스 압력계(Capacitance Manometer)

캐패시턴스 압력계는 압력과 진공 모두 측정할 수 있는 전기 기계식 게이지로

압력과 진공 측정에 많이 사용되고 있습니다.

이 게이지는 얇은 다이어프램의 압력 변화 움직임을 압력에 비례하는 전기 신호로 변환합니다.

여기서 다이어프램(Diaphragm)이란 금속 또는 비금속 탄성체인 막을 뜻하는데,

이 막은 챔버 내의 압력에 의해 휘어지게 되고 이 때 발생하는 전기 용량 차이를

전기 신호로 변환해 압력으로 환산합니다.

다이어프램(Diaphragm)을 이용한 캐패시턴스 압력계(Capacitance Manometer)의 단면도

출처 : MKS AppNote

http://apapes.physics.uoc.gr/equipment/documentation/MKS/MKS_PressureBasics-AppNote.pdf

캐패시턴스 압력계는 챔버 내의 기체 특성의 변화가 아니라 압력계 내의 물리적 변화에 의해

신호를 발생시키기 때문에 측정 챔버 내의 기체 조성과는 무관한 값을 측정할 수 있고

많은 진공 게이지들 중 비교적 높은 정확도를 가지고 있습니다.

또한 1,000 torr ~ 1 mtorr 이르는 광범위한 영역을 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.

하지만 캐패시턴스 압력계의 단점도 존재하는데, 바로 높은 가격입니다.

캐패시턴스 압력계는 다른 종류의 진공 게이지들에 비해 매우 높은 가격대를 형성하고 있는데다,

넓은 측정 영역을 위해 두개의 센서가 필요합니다.

또한 측정한 진공도를 육안으로 식별할 수 있는 Readout 장비가 필요하기 때문에

추가 비용이 더 들어갈 수 밖에 없습니다.

캐패시턴스 압력계의 대안

위에 언급한 것처럼 캐패시턴스 압력계는 정확도가 높은 장점이 있지만

매우 비싼 장비 가격과 Readout 장비와 같은 추가 장비를 구비해야 하는 점에 있어서

약점을 보이고 있습니다.

그렇다면 캐패시턴스 압력계의 대안으로 사용할 수 있는 제품으로는 어떤 게이지가 있을까요?

피에조 + 피라니 게이지(Piezo + Pirani Gauge)

피에조 센서와 피라니 센서를 함께 사용하는 Piezo + Pirani Combo 타입의 게이지가 있습니다.

각종 기체의 종류와 상관없이 독립적으로 압력을 측정하는 피에조 센서는

10 torr 이상의 고압 영역을 측정하며, 피라니 센서는 1 torr 미만의 저압 영역을 측정합니다.

1 ~ 10 torr 사이의 압력은 두 센서 사이의 가중 평균을 사용해 측정하며

자체적인 온도 센서를 통해 측정 정확도를 높입니다.

피에조 + 피라니 콤보 타입 게이지의 장점은 아래와 같습니다.

- 대기압에서의 안전성

- 1,000 Torr ~ 0.1 mTorr 사이의 일관되고 반복 가능한 측정값

- 압력 변화에 대한 응답 시간이 400 밀리초(Millisecond - msec) 로 빠릅니다.

- 견고한 스테인리스 스틸(Stainless Steel)본체로 인해 양압 150 psig 까지 안전하게 견딜 수 있습니다.

- 1.5 cc 의 작은 내부 용량으로 인해 압력 변화에 대한 응답 시간이 빠릅니다.

- Hot Wire 타입으로 컨벡션 게이지보다 다양한 환경에서 사용이 가능합니다.

- 30 torr 이상의 압력에 대한 정확도는 판독 값의 1.5% 이며,

30 torr 미만의 압력에 대한 정확도는 판독값의 10% 입니다.

위와 같이 피에조 + 피라니 콤보 게이지는 넓은 압력 범위를 높은 정확도로 측정하면서도

캐패시턴스 게이지에 비해 저렴한 가격으로 이용할 수 있습니다.

또한 인포라드에서 제공하는 Teledyne Hastings 사의 2020B 제품은

터치스크린(Touch Screen)을 이용해 별도의 컨트롤러 및 리드아웃(Lead Out) 없이

다양한 응용 환경에 적용할 수 있는 제품입니다.

제품에 대한 더 자세한 내용 및 다양한 종류의 진공 게이지들에 대한 진공값 측정 실험 결과를

확인하고 싶으시면 아래의 링크를 참고하시기 바랍니다.

참고

위키피디아 : https://en.wikipedia.org/wiki/Pressure_measurement

https://en.wikipedia.org/wiki/Diaphragm_(mechanical_device)

지식백과 : https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1079315&cid=40942&categoryId=32354

그외 : https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/capacitance-manometer

http://apapes.physics.uoc.gr/equipment/documentation/MKS/MKS_PressureBasics-AppNote.pdf

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