압력 측정 개요

개요

이 문서는 기본 압력 개념과 다양한 압력 센서의 작동 방식을 이해하는 데 도움이 되는 정보를 제공합니다. 다양한 센서 중에서 선택할 수 있으며, 각각의 센서는 고유한 작동 원리, 고려사항, 장점 및 단점을 가지고 있습니다.


센서 특성 이외에도 압력 측정을 적절히 컨디셔닝하고 측정치를 수집하는 데 필요한 하드웨어도 고려해야 합니다. 예를 들어, 컨디셔닝되지 않은 압력 센서는 일부 측정 하드웨어에서만 사용할 수 있는 전압 구동이 필요합니다. 스트레인 측정에 필요한 측정 하드웨어에 대해 자세히 알아보려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 다운로드하십시오.

내용

압력의 정의

압력은 유체가 자신의 주변에 가하는 단위 영역당 힘으로 정의됩니다. 압력(P)은 다음과 같이 힘(F)과 영역(A)의 함수입니다.

P = F/A

압력의 SI 단위는 파스칼(N/m2)이지만 보편적으로 사용되는 다른 압력 단위로는 제곱 인치당 파운드(psi), 기압(atm), 바(bar), 수은주 인치(in. Hg), 수은주 밀리미터(mm Hg), 토르(torr) 등이 있습니다.

압력 측정은 정적 또는 동적으로 설명됩니다. 어떤 운동도 일어나지 않는 경우의 압력을 정적  압력이라고 합니다. 정적 압력의 예로는 풍선 안의 압력 또는 그릇 안의 물을 생각할 수 있습니다. 흔히 유체가 운동하면 주변에 적용되는 힘이 변경됩니다. 예를 들어, 노즐이 닫힌 호스에 있는 물의 압력이 40 제곱인치당 파운드(단위 영역당 힘)라고 가정합니다. 노즐을 열면 물이 쏟아져 나오기 때문에 압력이 더 낮은 값으로 떨어집니다. 정밀 압력 측정에서는 압력이 생성된 환경을 고려해야 합니다. 흐름, 유체의 압축성, 외력 등의 다양한 요인들이 압력에 영향을 미칠 수 있습니다.

압력 측정 방식

압력 측정은 측정 유형별로 더욱 자세히 설명할 수 있습니다. 압력을 측정하기 위한 세 가지 방식은 절대압(Absolute Pressure), 게이지압(Gauge Pressure), 차압(Differential Pressure)입니다. 절대압 은 진공 상태를 기준으로 하는 반면 게이지압 및 차압은 주변 기압 또는 주변 용기의 압력을 기준으로 합니다.

 

절대압

게이지압

차압

그림 1. 다양한 측정 방식을 설명하는 압력 센서 다이어그램

절대압

절대압 측정 방식은 진공 상태의 정적 압력인 0 Pa를 기준으로 측정합니다. 측정되는 압력은 관심 있는 압력뿐만 아니라 대기압에 따라 동작합니다. 따라서, 절대압 측정에는 대기압의 영향이 포함됩니다. 절대압 측정은 고도계 또는 진공 압력 등 대기압 측정에 적합합니다. 절대압을 표기할 때에는 약자로 PAA (Pascal's Absolute) 또는 PSIA (Pounds per Square Inch Absolute)를 사용하는 경우가 많습니다.

게이지압

게이지압은 주변 기압에 대한 상대적인 값을 측정합니다. 다시 말해, 기준 압력과 관심 있는 압력은 주변 기압에 따라 동작합니다. 따라서 게이지 압력 측정에서는 대기압의 영향이 배제됩니다. 이러한 측정 유형에는 타이어 압력 및 혈압 측정 등이 있습니다. 절대압과 마찬가지로, 게이지압을 표기할 때에는 약자로 PAG (Pascal's Gauge) 또는 PSIG (Pounds per Square Inch Gauge)를 사용합니다.

차압

차압은 게이지 압력과 유사하지만, 주변 기압 대신 시스템의 다른 압력 지점을 기준으로 합니다. 차압 측정 방법을 사용하여 압축기 탱크 및 공급선과 같이 두 용기 사이의 상대적인 압력을 유지 및 관리할 수 있습니다. 또한, 차압을 표기할 때에는 약자로 PAD (Pascal's Differential) 또는 PSID(Pounds per Square Inch Differential)가 사용됩니다.

 

압력 센서의 작동 방식

센서 구성에 사용되는 다양한 측정 조건, 범위 및 재질에 따라 압력 센서 설계가 달라집니다. 보통은 유체와 함께 배치된 가로막에서 굴절량을 감지하여 압력을 몇 가지 중간 형태(예: 변위)로 변환할 수 있습니다. 그 후 센서는 변위를 전압 또는 전류와 같은 전기 출력으로 변환합니다. 가로막의 정해진 영역이 주어지면, 압력을 계산할 수 있습니다. 압력 센서에는 공학 단위로 값을 변환하는 기능을 갖춘 스케일과 함께 제공됩니다.

가장 일반적으로 사용되는 압력 트랜스듀서의 3가지 유형은 브리지 (스트레인 게이지 기반), 가변 용량형, 압전형입니다.

브리지 기반

모든 압력 센서 중에서 휘트스톤(Wheatstone) 브리지(스트레인 기반) 센서는 다양한 정확도, 크기, 견고함, 비용 옵션을 제공하기 때문에 가장 보편적으로 사용됩니다. 브리지 기반 센서는 고압 및 저압 어플리케이션에 사용되며 절대압, 게이지압 또는 차압을 측정할 수 있습니다. 브리지 기반 센서는 스트레인 게이지를 사용하여 적용된 압력에 따라 변화되는 가로막의 변형을 감지합니다.



그림 2. 일반적인 브리지 기반 압력 센서의 단면 [1]

 

압력의 변화가 생기면 가로막이 굴절되고 스트레인 게이지의 저항이 변합니다. 이 변화는 컨디셔닝된 데이터 수집 시스템으로 측정할 수 있습니다. 박판 스트레인 게이지는 가로막에 직접 장착되거나, 가로막에 기계적으로 연결된 요소에 장착됩니다. 또한 실리콘 스트레인 게이지도 종종 사용됩니다. 실리콘 스트레인 게이지 방식은 저항기를 실리콘 기판에 부착하고 전송 유체를 사용하여 가로막에서 기판으로 압력을 전달합니다.

용량형 압력 센서

가변 용량형 압력 트랜스듀서는 금속막과 고정 금속판 사이의 용량의 변화를 측정합니다. 적용된 압력 때문에 두 판 사이의 거리가 변하면 두 금속판 사이의 용량이 변합니다.


그림 3. 용량형 압력 트랜스듀서 [2]

 

압전 압력 센서

압전 센서는 저항 브리지 트랜스듀서가 아닌 수정 결정의 전기적 특성에 의존합니다. 여기에서 사용되는 결정은 인장력 또는 압축이 가해지면 전하를 생성합니다. 전극은 결정에서 센서에 내장된 증폭기로 전하를 전달합니다. 이 유형의 센서는 외부 구동 소스가 필요하지 않지만 충격과 진동에 영향을 받기 쉽습니다.


그림 4. 압전 압력 트랜스듀서 [2]


컨디셔닝된 압력 센서

증폭기와 같은 통합 회로가 포함된 센서를 증폭된 센서라고 합니다. 이 유형의 센서는 브리지 기반, 용량형 또는 압전 트랜스듀서를 사용하여 구축됩니다. 브리지 기반의 증폭된 센서의 경우, 데이터 수집 장비로 압력을 직접 측정하는 데 필요한 완성 저항기와 증폭을 제공합니다. 반드시 구동이 필요하지만, 구동의 정확도는 크게 중요하지 않습니다.

 

광학 압력 센서

광학 센서를 사용하여 압력을 측정하면 노이즈 면역 및 절연과 같은 여러 장점을 활용할 수 있습니다. 광학 센서를 사용한 측정 방식에 대한 더욱 자세한 정보는 FBG 광학 감지의 기본 사항 문서를 참조하십시오.

 

적합한 압력 센서 유형을 선택하는 방법

브리지 기반 센서 또는 압전 센서는 간단한 구조와 내구성 때문에 가장 보편적으로 사용되는 센서 유형입니다. 다시 말해, 비용이 낮으며 채널이 많은 시스템에 사용하기 적합합니다. 일반적으로 박판 스트레인 게이지는 고압(최대 700M Pa) 어플리케이션에 사용합니다. 또한 실리콘 스트레인 게이지보다 작동 온도가 높지만(200 °C vs. 100 °C), 주로 실리콘 스트레인 게이지는 더욱 많은 오버로드 용량이라는 장점을 제공합니다. 실리콘 스트레인 게이지는 더욱 민감하기 때문에 저압 어플리케이션(~2k Pa)에서 우선적으로 사용됩니다.

용량형 트랜스듀서 및 압전 트랜스듀서는 일반적으로 안정적이고 선형성을 가지고 있지만, 높은 온도에 민감하고 대부분의 압력 센서에 비해 설정이 복잡합니다. 압전 센서는 압력의 변화에 신속하게 반응합니다. 이와 같은 이유로 폭발과 같은 사건이 발생하여 압력을 신속하게 측정해야 할 때 사용됩니다. 압전 센서는 뛰어난 동적 성능으로 인해 비용 효율성이 떨어지며 민감한 수정 코어를 보호하기 위해 반드시 주의가 요구됩니다.

컨디셔닝된 센서는 일반적으로 필터링과 신호 증폭을 위한 요소 뿐만 아니라 측정을 위한 구동 도선과 회로가 포함되기 때문에 훨씬 가격이 높습니다. 따라서 전용 신호 컨디셔닝 시스템이 보장되지 않는 채널이 적은 시스템에 적합합니다. 컨디셔닝이 내장되어 있으므로 어떤 형태로든 전원이 공급되는 한 센서를 데이터 수집 장비에 직접 연결할 수 있습니다. 컨디셔닝되지 않은 압력 브리지 기반 센서를 사용하는 경우 하드웨어에 신호 컨디셔닝이 필요합니다. 증폭 또는 필터링을 위한 추가적인 요소가 필요한지 여부는 센서의 설명서를 확인하십시오.

 

압력 센서의 신호 컨디셔닝

브리지 기반 압력 센서는 지금까지 살펴본 센서 중 가장 일반적으로 사용되는 압력 센서입니다. 효과적인 브리지 기반 압력 측정 시스템을 구축하려면 여러 가지 신호 컨디셔닝 요소를 고려해야 합니다. 다음 중 하나 이상이 필요할 수 있습니다.

  • 휘트스톤 브리지 회로의 구동
  • 긴 도선의 구동 전압 오류를 보정하기 위한 원격 감지 기능
  • 측정 분해능을 증가시키고 신호 대 노이즈 비율을 개선하기 위한 증폭
  • 외부 고주파수 노이즈를 제거하기 위한 필터링
  • 스트레인이 적용되지 않는 경우 브리지를 출력 0 V와 균형을 맞추기 위해 오프셋 널링
  • 브리지의 출력을 알려진 예상 값으로 검증하기 위한 분기 교정

 

이러한 오류들의 보정 방법에 대해 알아보고 브리지 기반 압력 측정에 대한 기타 하드웨어 고려 사항을 검토하려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 다운로드하십시오.



참조 문헌

  1. http://sensing.honeywell.com/white-paper-effectivelyusingpressureloadandtorquesensorswithtodaysdataacqusitionsystems-008883-2-en.pdf
  2. http://www.sensorsmag.com/sensors/pressure/pressure-measurement-principles-and-practice-969