브리지 기반 및 기타 압력 센서로 압력 측정하기

이 문서는 기본적인 압력 개념과 다양한 압력 센서의 작동 방식을 이해하는 데 도움이 되는 정보를 제공합니다. 다양한 센서 중에서 선택할 수 있으며, 각 센서에는 고유한 작동 원리, 장점, 고려 사항 및 단점이 있습니다. 센서를 결정한 후에는 마이크 측정을 적절하게 컨디셔닝, 수집 및 시각화하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어를 생각해 볼 수 있으며, 필요한 추가 신호 컨디셔닝도 고려할 수 있습니다.

압력이란

 

압력은 액체가 자신의 주변에 가하는 단위 영역 당 힘으로 정의됩니다. 압력 P는 힘 F와 면적 A의 함수입니다.

 

P = F/A

 

압력의 SI 단위는 파스칼(N/m2)이지만 다른 일반적인 압력 단위로 제곱인치당 파운드(psi), 기압(atm), 바(bar), 수은주 인치(in. Hg), 수은주 밀리미터(mm Hg), 토르(torr)도 있습니다.

 

가스로 가득 찬 용기에는 끊임없이 벽과 부딪히는 수많은 원자와 분자가 들어 있습니다. 압력은 용기의 단위 면적당 벽에 작용하는 원자와 분자의 평균 힘입니다. 그리고, 압력을 용기의 벽을 따라 측정할 필요는 없으며, 어떤 평면에서나 단위 면적당 힘으로 측정할 수 있습니다. 예를 들어, 기압은 지구를 누르는 공기 무게의 함수입니다. 따라서 고도가 증가함에 따라 기압은 감소합니다. 마찬가지로, 스쿠버 다이버 또는 잠수함이 바다 깊숙이 잠수할수록 압력은 증가합니다.

 

압력 측정은 정적 또는 동적으로 설명될 수 있습니다. 움직임이 없는 경우의 압력은 정적 압력입니다. 정적 압력의 예로는 풍선 내부의 공기 압력 또는 대야 내부의 물의 압력이 있습니다. 종종 유체의 움직임은 주변에 가해지는 힘에 변화를 줍니다. 예를 들어, 노즐이 닫힌 상태에서 호스 내 물의 압력이 제곱인치당 40 파운드(단위 면적당 힘)라고 가정합니다. 노즐을 열면 물이 호스를 빠져나가면서 압력이 낮게 떨어집니다. 철저한 압력 측정은 측정이 이루어지는 환경을 기록해야 합니다. 흐름, 유체의 압축성, 외력을 포함한 많은 요인이 압력에 영향을 미칠 수 있습니다.

압력 측정

 

압력 측정은 수행되는 측정 유형에 따라 더 자세히 설명될 수 있습니다. 압력을 측정하는 세 가지 방법으로 절대, 게이지 및 차동이 있습니다. 절대 압력은 진공 상태의 압력을 기준으로 하는 반면, 게이지 및 차동 압력은 주변 대기압 또는 인접한 용기의 압력과 같은 다른 압력을 기준으로 합니다.

 

 

 

 

절대 압력

 

절대 압력 측정 방법은 진공 상태의 정적 압력인 0Pa를 기준으로 합니다. 측정되는 압력은 원하는 압력과 함께 대기압의 영향을 받습니다. 따라서 절대 압력 측정에는 대기압의 영향이 포함됩니다. 이러한 유형의 측정은 고도계 또는 진공 압력 등의 대기압 측정에 매우 적합합니다. 종종 약어 Paa(파스칼 절대값) 또는 psia(제곱인치당 파운드 절대값)가 절대 압력을 설명하는 데 사용됩니다.

 

 

 

게이지 압력

 

 

게이지 압력은 주변 대기압을 기준으로 측정됩니다. 이것은 기준 압력과 관심 압력이 모두 대기압의 영향을 받는다는 것을 의미합니다. 따라서 게이지 압력 측정은 대기압의 영향을 배제합니다. 이러한 측정 유형에는 타이어 공기압 및 혈압 측정이 포함됩니다. 절대 압력처럼, 약어 Pag(파스칼 게이지) 또는 psig(제곱 인치당 파운드 게이지)가 게이지 압력을 설명하는 데 사용됩니다.

 

 

 

차동 압력

 

 

차동 압력은 게이지 압력과 유사합니다. 그러나 기준은 주변 대기압이 아닌 시스템의 다른 압력 지점입니다. 이 방법을 사용하면 압축기 탱크와 연결된 공급 라인과 같은 두 용기 사이의 상대 압력을 유지할 수 있습니다. 또한 약어 Pad(파스칼 차동) 또는 psid(제곱인치당 파운드 차동)가 차동 압력을 설명하는 데 사용됩니다.

적합한 압력 센서 선택하기

 

센서 구성에 사용되는 다양한 측정 조건, 범위 및 재료로 인해 다양한 압력 센서 설계가 가능합니다. 종종 유체와 나란이 놓여진 격막의 휘어짐 정도를 감지하여 압력을 변위와 같은 중간 형태로 변환할 수 있습니다. 그런 다음 센서는 이 변위를 전압 또는 전류와 같은 전기 출력으로 변환합니다. 이미 알고 있는 격막의 면적이 주어지면 압력을 계산할 수 있습니다. 압력 센서는 공학 단위로 변환하는 방법을 제공하는 스케일과 함께 제공됩니다.

 

가장 보편적인 세 가지 유형의 압력 트랜스듀서는 브리지(스트레인 게이지 기반), 가변 커패시턴스 및 압전기입니다.

 

 

 

브리지 기반 센서

 

브리지 기반 센서는 압력과 같은 물리적 현상을 휘트스톤 브리지의 하나 이상 다리의 저항 변화와 연관시켜 작동합니다. 이 센서는 다양한 정확도, 크기, 견고성 및 비용 제약 조건을 충족하는 솔루션을 제공하기 때문에 가장 일반적인 유형의 센서입니다. 브리지 기반 센서는 고압 및 저압이 필요한 곳 모두에서 절대 압력, 게이지 압력 또는 차동 압력을 측정할 수 있습니다. 이 센서는 스트레인 게이지를 사용하여 적용된 압력을 받는 격막의 변형을 감지합니다.

 

압력 변화로 인해 격막이 휘게 되면, 이에 상응하는 저항 변화가 스트레인 게이지에서 발생하며, 이를 컨디셔닝된 DAQ 시스템으로 측정할 수 있습니다. 호일 스트레인 게이지를 격막 또는 격막에 기계적으로 연결된 요소에 직접 부착할 수 있습니다. 때때로 실리콘 스트레인 게이지도 사용됩니다. 이 방법에서는 실리콘 기반 기판에 저항을 식각하고 변속유를 사용하여 격막에서 기판으로 압력이 전달됩니다.

 

이 센서는 간단한 구조와 내구성으로 인해 비용이 저렴하고 고채널 밀도 시스템에 이상적입니다. 일반적으로 호일 스트레인 게이지는 고압(최대 700M Pa) 분야에 사용됩니다. 또한 작동 온도가 실리콘 스트레인 게이지보다 높지만(각각 200°C, 100°C), 실리콘 스트레인 게이지는 더 큰 과부하 기능의 이점을 제공합니다. 실리콘 스트레인 게이지는 더 민감하기 때문에 저압(~2k Pa)에서도 선호되는 경우가 많습니다.

 

 

커패시턴스 압력 및 압전 센서

 

가변 커패시턴스 압력 트랜스듀서는 금속 격막과 고정 금속판 사이의 커패시턴스 변화를 측정합니다. 인가된 압력으로 인해 두 금속판 사이의 거리가 변하면 두 금속판 사이의 커패시턴스가 변합니다.

 

압전 센서는 저항 브리지 트랜스듀서 대신 수정의 전기적 특성에 의존합니다. 이 수정은 변형을 가하면 전하를 생성합니다. 전극은 수정의 전하를 센서에 내장된 증폭기로 전달합니다. 이 센서는 외부 구동 소스가 필요하지 않지만 충격과 진동에 취약합니다.  

 

커패시턴스 및 압전 압력 트랜스듀서는 일반적으로 안정적이고 선형이지만 고온에 민감하고 대부분의 압력 센서보다 설정이 더 복잡합니다. 압전 센서는 압력 변화에 빠르게 반응합니다. 이러한 이유로 폭발과 같은 상황에서 신속한 압력 측정을 수행하는 데 사용됩니다. 압전 센서는 우수한 동적 성능 때문에 가장 비용 효율성이 떨어지며 민감한 수정을 주의하여 보호해야 합니다.

 

 

컨디셔닝된 압력 센서

 

증폭기와 같은 집적 회로를 포함하는 센서를 증폭 센서라고 합니다. 이러한 유형의 센서는 브리지 기반, 커패시턴스 또는 압전 트랜스듀서를 사용하여 구성할 수 있습니다. 브리지 기반 증폭 센서의 경우, 유닛 자체가 DAQ 디바이스로 직접 압력을 측정하는 데 필요한 완성 저항과 증폭을 제공합니다. 구동 전압은 제공되어야 하지만 구동의 정확도는 덜 중요합니다.

 

컨디셔닝된 센서는 일반적으로 필터링 및 신호 증폭을 위한 구성요소, 구동 도선, 측정을 위한 일반적 회로를 포함하기 때문에 더 비쌉니다. 이는 전용 신호 컨디셔닝 시스템이 필요하지 않은 채널 수 적은 시스템에 유용합니다. 컨디셔닝이 내장되어 있기 때문에, 어떤 식으로든 센서에 전원을 공급하기만 하면 센서를 DAQ 디바이스에 직접 연결할 수 있습니다. 컨디셔닝되지 않은 압력 브리지 기반 센서로 작업하는 경우 하드웨어에 신호 컨디셔닝이 필요합니다. 증폭 또는 필터링을 위해 추가 구성요소가 필요한지 여부를 확인하려면 센서의 문서를 확인하십시오.

그림 1. 일반적인 브리지 기반 압력 센서의 단면 [1]
Figure 1. Cross Section of a Typical Bridge-Based Pressure Sensor [1]
그림 2. 커패시턴스 압력 트랜스듀서 [2]
Figure 2. Capacitance Pressure Transducer [2]
그림 3. 압전 압력 트랜스듀서 [2]
Figure 3. Piezoelectric Pressure Transducer [2]

압력 센서의 신호 컨디셔닝

 

브리지 기반 압력 센서는 단연코 가장 흔한 압력 센서입니다. 효과적인 브리지 기반 압력 측정 시스템을 만들려면 몇 가지 신호 컨디셔닝 요소를 고려해야 합니다. 다음 중 하나 이상이 필요할 수 있습니다.

 

  • 휘트스톤 브리지 회로에 대한 전원 공급
  • 긴 도선으로 인한 구동 전압 오차를 보상하는 원격 감지
  • 측정 분해능을 높이고 신호 대 잡음비를 개선하기 위한 증폭
  • 외부 고주파 노이즈 제거를 위한 필터링
  • 스트레인이 적용되지 않을 때 0V를 출력하도록 브리지 균형을 맞추기 위한 오프셋 널링
  • 브리지의 출력을 알려진 예상 값으로 확인하기 위한 분기 교정

 

이러한 에러를 보정하는 방법과 브리지 기반 압력 측정에 대한 기타 하드웨어 고려 사항을 검토하려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어 안내서를 다운로드하십시오.

압력 센서를 NI 하드웨어에 연결하기

 

센서 또는 테스트 요구 사항을 파악한 후에는 해당 데이터를 수집할 하드웨어를 결정하는 것이 중요한 다음 단계입니다. 수집 하드웨어 품질은 수집되는 데이터의 품질을 결정합니다.

 

압력 센서는 압력 센서 유형에 따라 다양한 NI 하드웨어에 연결할 수 있습니다. 예를 들어, 전압 출력 압력 센서의 경우 CompactDAQ 또는 CompactRIO 시스템으로 구성할 수 있는 C 시리즈 전압 입력 모듈을 사용할 수 있습니다. 또는 브리지 기반 압력 센서의 경우, NI의 스트레인/브리지 모듈 및 디바이스에 연결할 수 있습니다.

간단한 하드웨어 설정

압력 센서를 권장 NI 하드웨어와 연결하십시오

CompactDAQ 스트레인 및 로드 번들을 사용하면 브리지 기반 압력 센서를 스트레인/브리지 입력 모듈과 CompactDAQ 섀시의 번들로 간편하게 연결할 수 있습니다.

압력 측정용 기타 제품

 

다음 제품은 압력 센서와 연결하여 압력 신호를 수집합니다. 이 제품을 사용하면 측정을 촉발, 조정, 수집, 디지털화할 수 있습니다. 이러한 디바이스 중 일부는 변형률, 로드 및 토크 측정에도 사용할 수 있습니다. 스트레인 게이지로 스트레인을 측정하는 방법NI 제품과 함께 사용할 수 있는 로드 및 토크 브리지 기반 센서에 대해 자세히 알아보십시오.

참조 문헌

  • [1] Johnson, Curtis D, “Pressure Principles,” Process Control Instrumentation Technology, Prentice Hall PTB.
  • [2] Daytronic.com, “Strain Gauge Pressure Transducers”. Sensotec.com, “Honeywell Sensotec Frequently Asked Questions,” http://www.sensotec.com/pdf/FAQ_092003.pdf (2003년 11월 현재).
  • Sensotec.com, “Honeywell Sensotec Frequently Asked Questions,” http://www.sensotec.com/pdf/FAQ_092003.pdf (2003년 11월 현재).
  • Sensorsmag.com, “Pressure Measurement: Principles and Practice,” http://www.sensorsmag.com/articles/0103/19/main.shtml (2003년 1월 현재).