진공 압력은 어떻게 측정됩니까?

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오늘날 진공 기술에서 측정된 압력은 2000mbar에서 10^-12mbar(15자리)의 범위에 포함됩니다. 여기에 포함된 거대한 역학은 표 3.1에 설명된 바와 같이 진공 압력 측정 및 길이 측정에 대한 유사성 분석을 통해 확인할 수 있습니다.

표 3.1 진공 압력 측정 및 길이 측정에 대한 유사성 분석

진공 게이지로 지정된 측정 장비는 이 광범위한 압력 범위의 측정에 사용됩니다. 물리적 이유로 전체 진공 범위에서 정량 측정을 수행할 수 있는 진공 게이지를 만들 수 없기 때문에 일련의 진공 게이지를 사용할 수 있고, 각 진공 게이지는 일반적으로 여러 자릿수 이상으로 확장되는 특성 측정 범위를 갖습니다(그림 9.16a). 개별 유형의 진공 게이지에 가능한 최대 측정 범위를 할당하려면, 경우에 따라 측정 불확실성이 최고 및 최저 범위 한도에서 최대 100%까지 빠르게 상승한다는 사실을 받아들여야 합니다. 따라서 카탈로그에 명시된 측정 범위와 "정밀" 측정을 위한 측정 범위 간에 차이가 있어야 합니다. 개별 진공 게이지의 측정 범위는 물리적 효과에 의해 상한 및 하한 범위에서 제한됩니다.

그림 9.16a 일반 진공 게이지의 측정 범위

저압력 측정의 기초

진공 게이지는 대기압(DIN 28 400, 3부, 1992년판) 이상에서 이하에 이르는 기체 압력을 측정하는 장치입니다. 대부분의 경우 압력 표시는 기체의 특성에 따라 달라집니다. 특정 기체 또는 증기의 부분 압력에 대한 정확한 측정은 질량 분광계 원리로 작동하는 부분 압력 측정 계기를 이용하여 실시됩니다(기체 분석 및 질량 분광계 관련 섹션 참조).

기체 유형에 대한 압력 표시의 의존성

다음 진공 게이지 간에 구분해야 합니다.

정의에 따라 압력을 영역에 가해지는 힘으로 측정하는 계기를 직접 또는 절대 진공 게이지라 합니다. 기체 분자 운동론에 따르면 입자가 벽에 충돌하여 가하는 힘은 부피당 기체 분자 수(분자 n의 밀도 수)와 온도에 대해서만 달라지며, 분자 질량에 대해서는 달라지지 않습니다. 측정 계기의 판독값은 기체 유형과 무관합니다. 이러한 장치에는 액체 진공 게이지와 기계식 진공 게이지가 있습니다.
간접 압력 측정을 사용하는 계기. 이 경우 압력은 기체에 대한 압력 의존형(또는 보다 정확하게, 밀도 의존형) 특성(열 전도성, 이온화 가능성, 전기 전도성)의 함수로 결정됩니다. 이러한 특성은 분자 질량과 압력에 따라 달라집니다. 측정 계기의 압력 판독값은 기체 유형에 따라 다릅니다.

이러한 압력 측정 계기의 척도는 항상 시험 기체인 공기 또는 질소를 기준으로 합니다. 일반적으로 공기 또는 질소에 기반한 다른 기체 또는 증기 교정 계수를 제공해야 합니다(표 3.2 참조). 전기 에너지(간접 압력 측정) 적용을 통해 수 밀도를 결정하는 간접 측정 진공 게이지를 이용한 정확한 압력 측정을 위해서는 기체 구성을 알아야 합니다. 실제로 기체 구성은 대략적인 근사치로만 알려져 있습니다. 하지만 대부분의 경우 압력을 측정할 기체 혼합물(예: 수소 또는 펌프 유체 증기 분자)에서 경분자나 중분자가 주를 이루는지 여부를 아는 것으로도 충분합니다.

표 3.2 교정 계수

예

기본적으로 펌프 유체 분자로 구성된 기체의 압력이 이온화 진공 게이지로 측정되는 경우 표 3.2에 표시된 압력 판독값(공기 또는 질소에 적용)이 약 10의 계수로 너무 높습니다.

대기에서 1mbar 사이의 저진공 압력 범위에서 측정

저진공 범위의 압력 측정은 직접 압력 측정을 사용하는 진공 게이지를 통해 비교적 정밀하게 수행할 수 있습니다. 반대로 10^-3 미만의 낮은 압력 측정은 거의 항상 측정 정확성을 처음부터 제한하는 여러 근본적인 오류의 영향을 받습니다. 따라서 간접 측정 계기에서 일반적으로 달성되는 정확도와 비교할 수 없습니다.

저진공에서 진공 게이지에 표시된 압력에 대해 유의미한 설명을 만들려면 먼저 측정 시스템이 연결되는 위치와 방식을 고려해야 합니다. 층류가 주를 이루는 모든 압력 영역(1013 > p > 10^-1mbar)에서는 펌핑을 통해 발생한 압력 변화를 확인해야 합니다. (용기에서 보는 바와 같이) 펌프 바로 앞에 용기보다 낮은 압력이 생성됩니다. 전도도가 높은 부품은 이러한 압력 변화를 만들 수 있습니다. 마지막으로, 표시된 압력이 너무 높을 수 있도록 층류 압력 영역에서 라인이 너무 천천히 배기되기 때문에 진공 시스템과 측정 시스템 간 연결 라인의 전도도가 너무 작지 않아야 합니다.

1mbar에서 10^-3mbar 사이의 중진공 압력 범위에서 측정

중진공에서 측정하려면 낮은 전체 척도 정전 용량 센서(예: CTR100 0.1Torr) 또는 THERMOVAC 시리즈 게이지(예: TTR91RN)와 같은 열 전도성 게이지를 사용해야 합니다. 일반적으로 이 범위에서는 층류에서 분자 기체 유동으로 전환되기 시작합니다. 따라서 최상의 성능을 얻으려면 게이지의 위치를 고려해야 합니다. 이 범위의 측정값은 일반적으로 열 전도성 게이지를 사용할 때 +-15%이므로, 높은 정확도를 달성할 수 있지만 저진공에 자세히 설명되어 있는 직접 게이지를 사용할 때보다는 높지 않습니다.

10^-3mbar에서 <10^-12의 고진공 및 초고진공 압력 범위에서 측정

고진공 및 초고진공은 상황이 더욱 복잡합니다. 특정 설치 기능, 과도하게 높은 압력에 따라, 또는 탈기된 측정 튜브의 경우 진공 게이지 벽의 탈기 또는 측정 시스템의 충분하지 않은 탈기로 인해 과도하게 낮은 압력이 기록될 수 있습니다. 고진공 및 초고진공에서 진공 시스템과 측정 튜브 사이의 압력 균등화에는 시간이 오래 걸릴 수 있습니다. 측정 공정 자체가 압력 측정에 미치는 영향을 항상 특별히 고려해야 합니다. 예를 들어, 열음극에 사용하는 이온화 진공 게이지에서 기체 입자, 특히 탄화수소가 높은 기체 입자는 열로 분해됩니다. 이로 인해 기체 구성이 변경됩니다. 이러한 효과는 초고진공 범위에서의 압력 측정과 관련이 있습니다. 동일한 사항이 이온화 진공 게이지, 특히 냉음극 게이지(10^-2에서 10^-1l/s 자릿수)의 기체 정제에 적용됩니다. 측정 시스템의 오염, 전기장 및 자기장 간섭, 절연 오류 및 용인할 수 없는 수준의 높은 주변 온도에서 압력 측정값이 변조됩니다.

측정 불확실성이 50% 미만인 중진공 및 고진공 범위에서 압력을 측정하려면 실험을 수행하는 사람이 극도의 주의를 기울여야 합니다. 몇 퍼센트 단위로 정확해야 하는 압력 측정은 많은 노력을 필요로 하며, 일반적으로 특수 측정 계기를 구축해야 합니다. 이는 특히 초고진공 범위(p < 10^-7mbar)의 모든 압력 측정에 적용됩니다.

적합한 진공 게이지를 선택하는 방법

적합한 측정 계기를 선택할 때 고려되는 유일한 요소가 원하는 압력 범위는 아닙니다. 게이지가 작동하는 작동 조건도 중요한 역할을 합니다. 측정이 어려운 작동 조건 하에서 수행되는 경우(예: 오염 위험이 높은 경우, 튜브의 진동을 방지할 수 없는 경우, 공기 파열이 예상되는 경우 등), 측정 계기의 견고성을 높여야 합니다. 산업 시설에서는 부르동 게이지, 다이어프램 진공 게이지, 열 전도성 진공 게이지, 열음극 이온화 진공 게이지 및 페닝 진공 게이지가 사용됩니다. 이러한 측정 계기 중 일부는 불리한 작동 조건에 민감합니다. 위에서 언급한 오류의 원인을 가능한 제외시키고 작동 지침을 따르는 경우에만 성공적으로 사용할 수 있습니다.

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