Introduction
Baratron capacitance manometer는 일반적으로 +15V 전원 공급 장치가 필요한 독립형 변환기이며 압력에 정비례하는 0-10V 압력 신호를 전달합니다. 실제 압력 (힘 / 단위 면적)을 측정하며 측정되는 가스 유형에 영향을 받지 않습니다.
Pirani, thermocouple, Ion gauges 같은 다른 게이지는 실제 압력을 측정하지 않으므로 판독 값(readings)이 가스 유형에 따라 달라집니다.
The Sensor Capsule
Sensor capsule에는 다이어프람(diaphragm)과 금속-세라믹 전극 구조가 포함되어 있습니다. Diaphragm의 기준면(뒷면)은 측정할 압력보다는 낮지만, 아주 높은 진공 상태로 비워집니다. 기준면에서의 고진공 상태는 내부의 화학 게터 펌프(chemical getter pump)를 통해 manometer의 수명 동안 유지됩니다. 센서는 견고함과 공정 환경과의 호환성을 위해 inconel 전체 용접 구조(all-wellded construction)로 제작됩니다.
압력은 metal diaphragm과 인접한 고정 이중 전극 사이의 capacitance 변화를 측정하여 결정합니다. The radially tensioned diaphragm은 매우 낮은 hysteresis, 우수한 재현성, 매우 높은 분해능(전체 scale의 1x10^-5), 빠른 응답, 그리고 초 저 진공 측정 기능을 제공합니다.
Manometer에 높은 overpressure가 가해지면 diaphragm이 전극 기판 아래로 내려가 센서의 영구적인 손상을 방지합니다. 대부분의 MKS Baratron capacitance manometer는 45 psia 또는 full scale 범위의 2배 중 큰 값을 overpressure 등급으로 받습니다. 허용 정격보다 큰 압력은 내부의 기계적인 고장을 일으키거나 영점에 변화를 줄 수 있습니다.
Electronics
Electronics는 센서에 붙어있습니다. 신호 컨디셔닝 회로는 매우 안정적이며 높은 수준의 출력을 생성합니다. Electronics는 bridge 회로를 구동하는 정밀한 sine-wave oscillator로 구성됩니다. 센서 전극 커페시턴스의 불균형은 buffer에 의해 증폭되는 차이를 결괏값으로 출력합니다. 출력의 offset, gain & linearity는 영점과, span & 선형성 전위차계(linearity potentiometers)에 의해 조정됩니다.
영점, span and linearity를 위해 조정 포트(adjustment pots)가 제공됩니다. span과 선형성 포트는 덮여져 있으며, 변환기를 참조하여 표준과 비교할 수 있는 calibration을 진행할 경우 숙련된 작업자가 진행하도록 합니다.
Zeroing
Baratron capacitance manometer는 정밀 전기 기계 장치입니다. 엄격하게 허용되는 장치들과 마찬가지로 온도 및 기타 환경요인이 성능에 영향을 끼칩니다. Capacitance manometer의 경우 zero 압력에서의 전기 출력(즉 영점)은 배송과정 혹은 다루는 과정에서 변경될 수 있습니다. 이러한 이유로 모든 capacitance manometers는 설치 시 영점 조정이 필요하며 영점은 정기적으로 모니터링해야 합니다.
영점을 맞추기(zeroing) 전에 Baratron capacitance manometer가 충분히 예열되었는지 확인해야 합니다.
Adequate Warm Up Time?
| Non-Temperature Regulated, all Ranges: | 15 minutes |
| Temperature Regulated, 1 Torr & Above: | 4 hours |
| Temperature Regulated, Below 1 Torr: | 8 hours |
* 상기된 시간은 최악의 경우이며, 모델에 따라 달라질 수 있습니다.
Zeroing은 inlet(Px) 측에 충분히 낮은 압력을 적용한 다음 전자 장치를 zero volt 출력에 맞게 조절하면 됩니다. 이 조건은 inlet pressure가 기기의 resolution보다 낮을 때 달성됩니다. 영점 조정을 위한 최대 압력은 각 manometer의 범위에 따라 다릅니다. 물론 최대 값 이하의 압력은 허용됩니다. 중력이 diaphragm의 위치에 영향을 미치기 때문에 Baratron capacitance manometer가 사용되는 방향과 동일한 방향으로 영점을 조절해야 합니다. Span과 linearity는 위치에 크게 영향을 받지 않습니다.
Zero, Span & Linear Adjustments
Capacitance manometer의 전자 장치가 적절하게 조정되면 압력 input과 전압 output이 바로 일치하게 됩니다.
- 영점이 잘못 조정되면, 장비 전체 범위에서 오프셋이 발생합니다.
- Span이 조정 범위를 벗어나면 전체 범위가 예상보다 크거나 작아집니다.
- Linearity가 조정 범위를 벗어나면 endpoint(zero and full scale)은 정확할 수 있지만 중간의 reading 값에 오류가 있을 수 있다.
Span과 Linearity는 공장에서 조정되며 장기간에 걸쳐 안정화됩니다. 적절한 교정 장비와 숙련된 작업자가 없는 경우 이러한 조정을 진행해서는 안됩니다. Zeroing은 설치 시 수행해야 하며 정기적으로 확인해야 합니다. 주파수는 주로 주변 온도의 변화나 기기의 물리적 방향과 같은 환경조건에 따라 달라집니다.
Scaling
일반적인 capacitance manometer의 signal conditioning electronics는 출력 전압과 압력 사이의 선형 관계로 0에서 10V까지 다양한 출력을 제공합니다. 아래에서 볼 수 있듯이 capacitance manometer는 Full scale presssure, 즉 10V에 해당하는 압력으로 설명됩니다.
| 1000 Torr Full Scale | 1 Torr Full Scale | ||
| 10 V | 1000 T | 10 V | 1 T |
| 1 V | 100 T | 1 V | 0.1 T |
| 0.1 V | 10 T | 0.1 V | 0.01 T |
Full scale pressure 보다 훨씬 낮은 압력에서 출력 전압은 매우 낮은 값으로 떨어집니다. 그 결과 일반적으로 100,000 분의 1에 해당하는 resolution limit가 있습니다. 따라서 1000 Torr full scale manometer의 resolution은 0.1mV 출력에 해당하는 0.01 Torr입니다.
Baratron capacitance manometer의 full scale 등급과 resolution 사이에서 manometer가 유용한(정확하고 반복 가능한) 출력을 제공하는 두 가지 압력 범위를 정의합니다.
- 측정에 사용되는 Reading range는 일반으로 35~40년입니다.(모델에 따라 다름)
- Manometer가 Control system에 최소 50mV인 압력 제어 시스템에서 사용되는 경우 control range는 일반적으로 25년입니다. 이 좁은 범위는 시스템 노이즈로부터 내성을 보장하는데 도움이 됩니다.
Accuracy Terminology
MKS capacitance manometer 기술은 정확도를 Full scale이 아닌 Reading의 백분율로 표현합니다. 예를 들어 Type 622A 기기는 판독 값의 0.25%의 지정된 정확도를 갖습니다. 100 Torr full scale manometer의 경우에는 오류가 100 Torr에서 최대 0.25 Torr, 10 Torr에서 0.025 Torr 등이 될 수 있음을 의미합니다. 즉, 오류의 절댓값은 측정 범위를 통해 감소됩니다. 따라서 판독 정확도의 백분율은 전체 스케일의 100%에서와 마찬가지로 전체 스케일의 10%에서 측정의 정확성을 보장합니다.
전체 스케일 정확도가 0.25%인 경쟁 100 Torr 기기의 경우 오류는 모든 판독 입력값에서 최대 0.25 TOrr입니다. 이 경우 측정 범위의 하단에서 오류가 판독 값의 백분율로 불확실성을 증가시켰습니다. 읽기와 전체 스케일의 백분율로 표시된 오류는 아래 그래프에 표시됩니다. 녹색 선은 판독 값의 백분율로 부정확도를 나타내고 Full scale 기기의 추가 부정확도는 분홍색으로 표시됩니다. 판독 값의 백분율로 정의된 정확도는 full scale 장치의 백분율보다 낮은 압력 범위에서 더 정확한 출력 신호를 제공합니다.
Temperature Regulated & High Temperature Baratrons
주변 온도의 변화는 기기 범위의 최저값에서 가장 눈에 띄는 0으로 변경될 수 있습니다. 이 효과는 온도 조절 Baratron 정전 용량 압력계를 사용하여 최소화할 수 있습니다. 변환기 내에 잘 조절된 오븐 (일반적으로 45 ° C)을 통합하면 안정성을 크게 향상할 수 있습니다.
더 높은 온도의 Baratron 정전 용량 압력계 (100, 125, 150 및 200 ° C)는 압력계에 응축 가능한 부산물의 축적을 최소화하는 것이 바람직한 경우에 사용할 수 있습니다. 이러한 부산물은 일부 Etch 및 CVD 공정에서 생성됩니다. 다이어프램에 축적되는 응축 물의 영향은 지속적으로 0으로 이동합니다. 결국 충분한 재료가 축적되어 더 이상 기기를 제로화할 수 없게 됩니다.
출처 : www.mksinst.com/n/baratron-capacitance-manometers
MKS Baratron® Capacitance Manometers "Baratron® Basics"