피라니 게이지(Pirani Vacuum Gauge)란 뭘까요?
진공도를 측정할 때 사용되는 센서 중, 피라니(Pirani) 센서를 들어본 적 있나요?
피라니 진공 게이지(Pirani Vacuum Gauge)는 열전도 게이지의 일종으로, '열 전달 게이지' 로 불리기도 합니다.
이번 시간에는 다양한 진공 기술 응용 분야에서 높은 신뢰도로 압력을 측정할 수 있는 피라니 게이지에 대해 알아보겠습니다.
피라니 진공 게이지의 작동 원리
먼저 피라니 게이지의 작동 원리부터 알아보겠습니다.
피라니 게이지에는 와이어 또는 아래 그림과 같은 박막 막과 같은 가열이 가능한 구성 요소가 포함되어 있으며, 일반적으로 브릿지 회로(Bridge Circuit)를 이용해 높은 온도로 가열됩니다.
기체 분자 밀도의 변화가 발생하면 와이어에서 기체로의 열 전달이 영향을 받는데, 이 열 손실은 기체 유형과 압력에 따라 달라지고, 와이어의 온도를 유지하는데 필요한 에너지의 양 또한 그에 따라 달라집니다.
결과적으로, 에너지의 양은 진공 압력에 의존하며, 압력 값으로 변환될 수 있습니다.
정확한 압력 측정은 센서 온도를 매우 정밀하게 제어하는 브릿지 회로의 능력에 따라 좌우됩니다.
피라니 센서의 브릿지 회로는 일반적으로 브릿지의 두 다리가 전자 피드백 루프를 통해 동일한 전압으로 제어되게 제작됩니다.
그 다음 측정 기술은 가열식 센서를 주변 온도 이상으로 유지하는데 필요한 전력을 정량화하는 것입니다.
정확한 압력 측정은 브릿지 회로가 센서의 온도를 얼마나 정확하게 제어할 수 있는지에 달려있는데, 브릿지 회로가 주변의 온도보다 일정 온도 이상 높게 유지하는데 필요한 전력량을 정량화하는 것이 필요합니다.
가열 센서 와이어를 사용하는 게이지의 경우, 열 손실이 일어나는 세 가지 주요 원인이 있습니다.
와이어와 그 지지대의 열 전도로 인한 손실
열 복사로 인한 손실
기체를 통한 열 전도 손실
열 복사로 인한 열 손실은 가열식 센서의 온도에 따라 크게 달라집니다.
따라서 피라니 게이지를 작동할 때는 열 복사가 센서의 신호에 영향을 미치지 않도록 센서를 충분히 낮은 온도로 유지하는 것이 중요합니다.
잘 설계된 피라니 진공 게이지는 센서 요소를 통한 열 전도를 최소화 할 수 있으며, 복사 및 열 전도로 인한 신호의 손실 계수는 온도에 따라 달라질 수 있습니다.
피라니 진공 게이지의 장점
피라니 진공 게이지는 여러 가지 장점을 가지고 있습니다.
피라니 게이지는 일반적으로 사용하기 매우 쉽고, 움직이는 부품이 없기 때문에 수 년간 문제없이 신뢰할 수 있는 압력 측정을 제공합니다.
피라니 게이지는 캐패시턴스 압력계보다 훨씬 적은 비용으로 구입할 수 있기 때문에 경재적입니다.
측정값의 출력은 로컬 디스플레이, 아날로그 출력 및 디지털 통신이 포함됩니다.
피라니 진공 게이지는 진공 시스템의 압력 변화에 매우 빠르게 반응합니다.
피라니 게이지는 내부 치수가 작을 수록 더 빠른 응답 속도를 제공할 수 있습니다.
하지만 참고해야 할 사항도 있는데, 대류 강화 피라니 진공 게이지(Convection-Enhanced Pirani Vacuum Gauge)는 대기압까지 압력을 측정하지만, 공기 또는 질소 이외의 기체에서 높은 압력으로 정확도가 떨어질 수 있다는 것입니다.
인포라드가 제공하는 HVG-2020B와 같은 조합 게이지는 피에조 센서(Piezo Sensor) 기반의 센서와 기존의 열 기반의 피라니 센서를 결합해 10^-4 Torr(0.1mTorr)에서 10^+3 Torr까지 정확한 압력 측정을 제공합니다.
또한 두 가지 기술을 하나의 게이지에 결합함으로써, 10 Torr 이상의 압력에서 기체 구성별 피라니 센서와 관련된 오류를 제거할 수 있습니다.
피라니 진공 게이지를 사용할 수 있는 분야
대부분의 피라니 진공 게이지는 1 mTorr 미만에서 대기압까지의 압력을 측정하며, 다양한 분야에서 사용할 수 있습니다.
대기 중에서 고진공 영역(터부 분자 펌프 또는 기타 고진공 펌프가 작동하는 곳)의 시작부분까지 펌프를 모니터링할 때
동결 건조기 및 진공 건조기는 냉각 시스템(에어컨, 아이스머신, 냉동고)의 제조 및 유지보수 뿐만 아니라 피라니 진공게이지에 적합한 진공영역에서 자주 사용됩니다.
다양한 분석 장비는 mTorr 영역과 그 이하의 진공 영역을 필수로 하며, 피라니 게이지는 이런 환경에서 가장 높은 가성비를 보입니다.
피라니 진공 게이지를 사용할 때 참고해야 할 사항
피라니 게이지에는 움직이는 부품이 없으며, 일반적으로 유지보수가 필요하지 않습니다.
이러한 유형의 게이지는 특히 오일 기반의 펌프 시스템에서 오염되기 쉽다는 점에 유의해야 합니다.
오염된 시스템의 경우 튜브 내부의 오일 축적을 줄이기 위해 게이지 튜브를 포트가 아래쪽을 향하도록 설치해야 합니다.
대류 구동 피라니 진공 게이지는 항상 원통형 축이 바닥과 평행하도록 설치해야 합니다.
이 유형의 게이지를 올바르게 설치하지 않으면 측정값이 대략적인 진공레벨 이상으로 잘못될 수 있습니다.
진공 시스템에 과도한 오일 증기 또는 기타 오염 물질이 있는 경우, 분자 체 필터를 사용해 게이지의 수명을 연장할 수 있습니다.
인포라드는 높은 정확도와 빠른 응답 속도로 신뢰도가 높은 피라니 센서와 피에조 센서가 결합된 진공 게이지를 제공하고 있으며, 다양한 압력대의 진공 센서와 그리고 기체 유량을 측정하는 Mass Flow Meter / Mass Flow Controller도 제공하고 있습니다.
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