열전대(Thermocouple) 방식의 Vacuum Sensor - DV Series 의 특징과 주의할 점
우리는 다양한 상황에서 진공도를 측정해야 합니다.
실험실과 같은 안정적인 실내 환경에서 측정할 수도 있지만
척박한 외부 환경이나 또는 인위적으로 만들어진 더 가혹한 환경에서도
진공도를 측정해야 하는 경우가 생길 수 있습니다.
이번 시간에는 높은 내구성과 가성비로 널리 사용되고 있는 열전대 방식의 진공 센서인
DV Series 의 특징과 장, 단점에 대해 알아보도록 하겠습니다.
열전대 방식(Thermocouple)의 Vacuum Sensor - DV Series
DV Sereis 는 열전대 방식을 이용한 진공 센서입니다.
독일의 물리학자 제베크(Thomas Johann Seebeck)는 1821년,
두 종류의 금속 A 와 B 를 접합하고, 양 접점에 온도를 달리 해주면 온도차에 비례해
열기전력이 생긴다는 것을 발견했습니다.
열전대(Thermocouple) 이론
이것을 열전대라고 하는데, 열전대 센서는 한쪽 접촉점을 기준점으로 삼고
측정하고자 하는 부위에 다른 접촉점을 위치한 상태에서,
챔버 내의 기체 분자량, 즉 진공도에 따라 측정 부위의 달라지는 온도 변화량을 측정해
진공도로 변환하는 것입니다.
높은 내구성과 편리성, 경제성을 가진 DV Series Vacuum Sensor
앞서 언급한 것처럼 우리는 실험실과 같은 안정적인 환경에서만 진공도를 측정하는 것이 아닙니다.
때로는 실외나 그 이상의 척박한 환경에서 진공도를 측정해야 하는 상황도 있는데,
이같은 상황의 한가지 예로 초저온 탱크(Cryogenic Tank)의 진공도 측정을 들 수 있습니다.
액체 질소를 저장하는 초저온 탱크
출처 : Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Cryogenic_storage_dewar
초저온 탱크란 주로 질소(Nitrogen)나 헬륨(Helium) 등을 액체 상태로 저장할 때 사용되는 탱크로,
끓는점이 각각 -195.8 ℃ 인 질소와 -269 ℃ 인 헬륨을 액화시키기 위해
탱크의 저장 공간을 각 물질의 끓는점보다 낮은 초저온으로 유지해야 합니다.
그래서 초저온 탱크는 효과적인 초저온 유지를 위해 액체를 저장하는 내부 용기와
단열을 위한 외부 용기로 구성되며, 이 두 용기 사이를 진공 상태로 만듭니다.
두 용기 사이의 진공 공간이 내부 용기와 외부 용기간의 열전도를 어렵게해
내부 용기의 온도를 초저온으로 유지하는데 도움을 주기 때문입니다.
따라서 초저온 탱크는 단열을 위한 내부 진공 공간의 진공도 확인이 필요한데
문제는 위의 사진처럼 초저온 탱크들이 대부분 실내가 아닌 실외에 위치하고 있다는 것입니다.
실내가 아닌 외부 환경에 노출된 탱크의 진공도를 측정하는 것은 매우 어려운 일입니다.
전력 공급이 어렵기 때문에 지속적으로 전력 공급이 필요한 센서는 사용하기 어렵고,
전력 공급이 가능하다고 해도 기상 상황에 의한 온도, 습도의 변화를 견딜 수 있어야 하기 때문입니다.
즉 외부 환경에서 사용하기 위해서는 온도와 습도의 변화에 견딜 수 있음은 물론이고
일정 정도의 방수, 방진 등과 같은 기능이 필요한데
이런 조건에서 Teledyne Hastings 사의 DV Series 진공 센서는 매우 적합한 선택이 될 수 있습니다.
Teledyne Hastings 사의 DV Series 진공 센서
DV Series 는 미국 군사규격(U.S Military Standard)에 준하는 높은 내구성을 가지고 있는데,
그에 따라 오염도가 높거나 진동이 심한 환경, 또는 비바람이 치는 척박한 외부 환경 등에서
견딜 수 있는 뛰어난 내구 능력을 자랑합니다.
또한 일반적인 센서들과 달리 전원 공급이 필요 없고 센서 부분만 현장에 설치해 두고
진공도 측정이 필요할 때마다 휴대용 게이지를 연결해 진공도를 측정할 수 있습니다.
DV Series 는 가격 경쟁력도 뛰어난데, 여러개의 챔버에 일일이 센서를 설치해야 할 때,
개당 100만원이 넘는 진공 센서에 비해 좋은 대안이 될 수 있습니다.
Teledyne Hastings 사의 DV Series 는 각각의 측정 영역을 가진 3가지 종류의 제품으로
DV Series 는 20 Torr ~ 1x10^-4 torr 의 영역의 진공 측정이 가능합니다.
DV Series 를 사용할 때 주의할 점
열전대 방식의 진공 센서인 DV Series 를 사용할 때 주의 사항으로는 온도 변화에 있습니다.
일반적으로 DV Series 센서는 전원 공급을 배터리를 이용해 하는
HPM-456 게이지를 사용해 진공도를 측정합니다.
DV Series 용 측정 게이지인 HPM-456와 제품의 작동 가능 온도
출처 : HPM-456 메뉴얼
위의 사진은 HPM-456 제품 매뉴얼에 나와있는 제품의 작동 가능 온도 범위를 나타낸 것으로,
HPM-456 게이지의 작동 범위는 약 -18 ℃ 이상 ~ 55 ℃ 이하의 온도에서
사용 할 수 있는 것으로 확인할 수 있습니다.
제품과 함께 제공되는 알카라인 배터리는 일반적인 상온에서 사용할 때 무리없이 사용 가능하지만
-10 ℃ 이하의 매우 추운 온도나 50 ℃ 이상의 매우 뜨거운 온도에서는
리튬 배터리나 외부에서의 전원 공급을 권장합니다.
특히 리튬 배터리는 추운 온도에서의 동작이 알카라인 배터리에 비해 훨씬 우수하며,
배터리 수명이 길다는 장점을 가지고 있습니다.
또 한가지 주의할 점은 DV Series 와 HPM-456 게이지의 온도에 따라 측정값의 오차가 존재하는데,
이와 관련한 더 자세한 내용은 다음 글에 더 자세히 다뤄보도록 하겠습니다.
위와 같이 열전대를 기반으로 한 진공 센서는 높은 내구성과 가격 경쟁력을 바탕으로
수많은 응용 분야에서 사용되고 있습니다.
DV Series 및 HPM-456 제품에 대해 더 궁금한 사항은 아래의 링크를 이용하시기 바랍니다.
