압력전송기
압력게이지는 단지 압력의 현장지시용으로만 사용되므로 공정제어 및 계측에 제한적으로 적용될 수 있으므로 압력에 의한 원격제어나 압력치의 중앙제어실 등에서의 원격 지시를 위해서는 압력신호를 적절한 신호로 변환하여 전송하여야 할 필요가 있다. 이렇게 압력을 적절한 공기신호 또는 전기신호로 변환하여주는 장치를 압력전송기라고 하며 공기식과 전자식으로 구분된다.
공기식 압력전송기
전형적인 힘-평형 공기식 전송기(force-balance pneumatic transmitter)의 구조는 아래 그림과 같다.
이 전송기의 경우 측정 압력은 챔버에 용접된 금속다이아프람에 인가된다. 인가된 압력에 의하여 발생된
다이아프람의 팽창력은 다이아프람과 연결된 힘전달 막대(force bar)에 의하여 챔버 외부로 전달되고
이 힘은 공기식 벨로우즈에 의하여 평형력을 유지하게된다.
따라서 다이아프람의 팽창에 의하여 챔버 내부로부터 전달되어 나온 힘과 벨로루즈의 평형력과의 불평형
이 발생하면 공기식 노즐-배플(nozzle-baffle)에 의하여 이 불평형이 감지되고 단순한 공기식 서보기구가
노즐압력에 의해 동작되어 다시 평형을 유지하게되고 결과적으로 인가압력에 정확하게 비례하는 공기압력
이 유지된다. 이 공기신호는 공기식 전송기의 출력신호로 사용되는데 일반적으로 표준 공기신호는 3 - 15
psi이다.
대부분의 공기식 압력전송기는 실제로 전송기의 고압 입력측과 저압 입력측에 인가되는 차압( P)를 측정하게 된다.
압력측정은 언제나 기준압력에 대하여 측정하게 되는데 게이지압의 경우는 기준압력이 대기압이 되고 절대압의 경
우에는 기준압력이 완전진공이 된다. 어느 경우에든 측정된 압력은 기준 레벨에 대한 압력차를 나타내게 되므로 엄
밀하게 말해 모든 압력측정은 차압측정이라고 말할 수 있다.
전자식 압력 전송기
압력에 의하여 발생된 기계적인 변위를 전기적으로 측정하기 위해서는 매우 다양한 전기적 원리가 이용된다.
대부분 전자식 압력전송기로는 정전용량형, 차등변압기형, 힘평형형, 광전형, 압전형, 전위차계형, 저항형, 스
트레인게이지형, 열전형 등이 있다.
많은 경우에 있어서 전자식 또는 전기식 장치는 기계적 장치와 함께 사용된다. 예를 들면 압전형 전송기의 경우
압력에 비례하는 전기신호를 얻기 위해 압전결정을 금속 압력감지 다이아프람에 부착할 수도 있다.
압전형 압력센서
압전체라고 불리는 결정은 기계적인 왜형이 생기면 전기적 신호를 발생한다.
이 신호의 전압레벨은 왜형의 크기에 비례한다. 일반적으로 결정은 금속 다이아프람에 기계적으로 부착된다.
다이아프람의 한쪽은 압력감지를 위해 공정유체에 연결되고 기계적인 연결장치에 의해 다이아프람과 압전결
정이 연결된다.
압전결정으로부터의 출력은 마이크로 볼트 단위의 매우 작은 전압신호이므로 고 입력임피단스의 증폭기가 사
용되어야 한다. 증폭기는 신호손실을 방지하기 위해 감지기로부터 수 피트 이내의 거리에 설치하여야 한다.
압전결정은 400℉정도의 온도까지 사용될 수 있으나 온도변화에 영향을 받으므로 반드시 온도보상을 하여야한다.
정전용량형 압력센서
압력 다이아프람에 연결되는 전자식 압력센서의 다른 예로서 가변 정전용량형 압력셀이 있다.
캐패시터는 유전체라고 불리는 절연체로 격리된 2개의 금속판이나 도체로 구성된다. 정전용량형
압력센서에서는 다이아프람에 차압이 인가된다. 이 인가된 압력에 의해 다이아프람이 팽창되면
다른 캐패시터 극판과의 거리가 변화하게 되므로 결국 정전용량이 변화하게 된다.
정전용량은 극판 사이의 거리에 반비례하므로 압력셀에 인가된 압력과 정전용량의 변화를 직접적
으로 관련시킬 수 있다. 정전용량의 변화를 측정하기 위해 한 쌍의 리이드선을 이용하여 브리지회
로에 연결하고 정전용량의 변화를 압력단위로 교정된 전송기에서 전기신호로 변환한다.
가변 인덕턴스 센서
압력감지 다이아프람에 사용되는 전자식 센서의 3번째 예로서 아래 그림과 같은 가변 인덕턴스형
압력센서가 있다. 인덕턴스란 회로내의 전류가 변화할 때 도체에 유도되는 전압발생 능력을 나타
내는 전자기회로의 기본 특성이다.
자속을 자르는 도체의 길이가 길수록 더 큰 전압이 유도되므로 길이가 긴 전선이 짧은 전선보다 더
큰 인덕턴스를 갖는다. 코일의 경우 자속이 집중되므로 코일이 등가적 길이의 직선 전선보다 더 큰
인덕턴스를 갖는다. 인덕턴스는 또한 코일이 감긴 철심재료에 의해서도 영향을 받는다.
다시 말해 코일이나 인덕터의 인덕턴스는 코일의 권선수와 코일 주위 재료의 자기적 특성에 의존한다.
아래 그림과 같은 가변 인덕턴스 장치는 철심을 통해 자기적으로 결합된 2개의 코일을 사용한다. 인가
된 압력에 의해 다이아프람이 이동하면 철심의 특성이 변화하여 인덕턴스가 변화한다. 이 가변 인덕터
를 발진자회로의 일부로 이용하는 등 인가되는 압력변화에 따르는 인덕턴스의 변화를 다양한 전자회로
를 이용하여 측정한다.
스트레인 게이지 압력센서
재질의 변형을 스트레인(strain)이라고 부르고 변형을 발생시키는 기계적 힘을 응력(stress) 라고 부른다.
스트레인은 단위가 없는 양이지만 일반적으로 스트레인은 in./in. 또는 m/m등 2개의 길이 단위의 비로 나타낸다.
스트레인 게이지는 저항이 잡아당겨 질 때의 변형에 의해 저항 값이 변화하는 장치이다.
위 그림은 전형적인 비접합식 스트레인 게이지(unbonded strain guage)이다.
비접합식 스트레인게이지는 한쪽 끝은 고정 프레임에 다른 한쪽은 가동 아마츄어에 장착된 여러개의
매우 가는 소선으로 구성된다. 일반적으로 가동 아마츄어가 압력감지 벨로즈나 다이아프람에 연결된다.
소선 방향으로의 매우 작은 이동을 증폭시키기 위해 여러개의 소선을 사용하여 아주 작은 압력변화도
감지할 수가 있다.
금속선의 저항은 다음 식으로 나타낸다.
R0 = 전선의 원래 저항(Ω)
ρ = 전선의 비저항(Ω /m)
l0 = 전선의 원래 길이(m)
A = 전선의 원래 단면적(m2)
전선이 지금 힘 F에 의해 늘어났다고 가정하고 늘어난 길이를 l이라고 하면 늘어난 소선의 길이는
l + Δl이 된다. 또한 이 응력 조건하에서 소선의 길이는 늘어났으나 소선의 체적은 변함이 없다. 따
라서 원래의 소선의 체적을 V = l0A0라고 하고 늘어난 소선의 단면적은 감소하게 된다.
이 경우 감소되는 단면적을 A라고 하면
지금 늘어난 소선은 길이와 단면적이 모두 변하였으므로 소선의 저항값도 변화하게 된다.
위 식을 이용하여 새로운 저항 근사치를 구하면
이 식으로부터 저항값의 변화치를 구할 수 있다.
이 식은 스트레인 Δ l/l가 발생하였을 때 저항값의 변화로 변환할 수 있음을 나타내는
스트레인 게이지의 기본식이다.
이제 관련내용 링크이다. 이상한 사이트로 이동하는 포탈이 아니므로, 경계하지 않아도 된다.
그런데...일반적으로 상기의 대학교재같은 내용보다는 이런 내용을 응용하는 기업들의 홈페이지에
보다 실용적인 자료가 있는 경우가 아주 많다. 위와같은 머리아픈 공식은 없지만, 누구나 이해할수
있는 수준의 충실한 내용들이 기업들 홈페이지의 자료실에 있는경우도 많으므로, 이런 블로그나
대학의 수업교재의 재미없는 사이트보다는 실제 기업들의 홈페이지를 방문해서 자료를 찾아보는것도
괜찬은 방법이다.
마노미터 (Manometer : 액주형 압력계)원리와 종류
