압력 센서

압력 송신기

디지털 공기압 센서

미니어처 디지털 기압 센서

압력 센서는 기체 또는 액체의 압력을 측정하는 장치입니다.압력은 유체의 팽창을 멈추는 데 필요한 힘의 표현으로, 일반적으로 단위 면적당 힘으로 표시됩니다.압력 센서는 일반적으로 변환기 역할을 하며, 가해지는 압력의 함수로 신호를 생성합니다.이 문서의 목적상 이러한 신호는 전기적 신호입니다.

압력 센서는 수천 개의 일상적인 애플리케이션에서 제어 및 모니터링에 사용됩니다.압력 센서는 유체/가스 흐름, 속도, 수위 및 고도와 같은 다른 변수를 간접적으로 측정하는 데도 사용할 수 있습니다.압력 센서는 압력 변환기, 압력 송신기, 압력 송신기, 압력 표시기, 피에조미터 및 압력계 등으로 불리기도 합니다.

압력 센서는 기술, 설계, 성능, 적용 적합성 및 비용 면에서 크게 다를 수 있습니다.보수적인 추정에 따르면 전 세계적으로 50개 이상의 기술과 압력 센서를 만드는 회사가 최소 300개 이상 있을 수 있습니다.

또한 매우 빠른 압력 변화를 포착하기 위해 동적 모드에서 측정하도록 설계된 압력 센서 범주도 있습니다.이러한 유형의 센서에는 엔진 실린더 또는 가스터빈의 연소 압력 측정이 사용됩니다.이러한 센서는 일반적으로 석영과 같은 압전 재료로 제조됩니다.

일부 압력 센서는 특정 압력에서 켜지거나 꺼지는 압력 스위치입니다.예를 들어, 워터 펌프는 시스템에서 물이 방출될 때 작동하도록 압력 스위치로 제어할 수 있으며, 탱크 내의 압력을 줄일 수 있습니다.

압력 측정 유형

실리콘 압저항 압력 센서

압력 센서는 측정하는 압력 범위, 작동 온도 범위 및 가장 중요하게 측정하는 압력 유형에 따라 분류할 수 있습니다.압력 센서는 용도에 따라 다양한 이름이 붙지만, 동일한 기술이 다른 이름으로 사용될 수 있습니다.

절대 압력 센서

이 센서는 완벽한 진공 상태에 상대적인 압력을 측정합니다.절대 압력 센서는 예를 들어 진공 펌프 모니터링, 액압 측정, 산업용 포장, 산업 공정 제어 및 항공 검사와 같은 고성능 산업용 애플리케이션에 사용됩니다.^[1]

게이지 압력 센서

이 센서는 대기압에 상대적인 압력을 측정합니다.타이어 공기압 게이지는 게이지 압력 측정의 한 예입니다. 게이지 공기압이 0을 나타내면 측정 중인 압력이 주변 압력과 동일합니다.최대 50bar를 측정하는 대부분의 센서는 이러한 방식으로 제조되며, 그렇지 않으면 대기압 변동(날씨)이 측정 결과에 오차로 반영되기 때문입니다.

진공 압력 센서

이 용어는 혼동을 일으킬 수 있습니다.대기압 이하의 압력을 측정하는 센서를 설명하는 데 사용할 수 있으며, 저압과 대기압의 차이를 나타낼 수도 있지만 진공에 대한 절대 압력을 측정하는 센서를 설명하는 데 사용할 수도 있습니다.

차압 센서

이 센서는 센서의 각 측면에 연결된 두 압력 사이의 차이를 측정합니다.차압 센서는 오일 필터 또는 공기 필터 간의 압력 강하, 오일 레벨(액체 위와 아래의 압력을 비교하여) 또는 유량(제한 간의 압력 변화를 측정하여)과 같은 많은 특성을 측정하는 데 사용됩니다.기술적으로 말하면, 대부분의 압력 센서는 실제로 차압 센서입니다. 예를 들어 게이지 압력 센서는 한쪽이 주변 대기에 개방된 차압 센서입니다.

밀폐된 압력 센서

이 센서는 주변 기압(위치 및 날씨에 따라 다름)이 아닌 일정한 압력에 상대적인 압력을 측정한다는 점을 제외하면 게이지 압력 센서와 유사합니다.

압력 감지 기술

실리콘 압력 센서 칩의 전면과 후면.앞쪽의 움푹 패인 부분에 주목하십시오. 민감한 부분은 매우 얇습니다.뒷면에는 회로가 표시되어 있으며 위아래에는 직사각형 접점 패드가 표시되어 있습니다.크기: 4x4mm.

아날로그 압력 센서에는 두 가지 기본 범주가 있습니다.

힘 수집기 유형 이러한 유형의 전자 압력 센서는 일반적으로 힘 수집기(격막, 피스톤, 부르동 튜브 또는 벨로우즈)를 사용하여 영역에 가해지는 힘(압력)으로 인한 변형률(또는 편향)을 측정합니다.

압저항 스트레인 게이지

접합 또는 성형된 스트레인 게이지의 압착 저항 효과를 사용하여 압력이 재료를 변형함에 따라 전기 저항이 증가하는 압력으로 인한 스트레인을 감지합니다.일반적인 기술 유형은 실리콘(모노크리스탈린), 폴리실리콘 박막, 본드 메탈 포일, 두꺼운 필름, 실리콘 온 사파이어 및 스패터 박막입니다.일반적으로 스트레인 게이지를 연결하여 휘트스톤 브리지 회로를 형성하여 센서의 출력을 극대화하고 오류에 대한 민감도를 낮춥니다.이것은 범용 압력 측정에 가장 일반적으로 사용되는 감지 기술입니다.

용량

다이어프램과 압력 공동을 사용하여 가변 캐패시터를 생성하여 압력이 다이어프램을 변형함에 따라 감소하는 캐패시턴스로 인한 왜곡을 감지합니다.일반적인 기술은 금속, 세라믹 및 실리콘 다이어프램을 사용합니다.

전자파

인덕턴스(유연성), LVDT, 홀 효과 또는 와전류 원리로 다이어프램의 변위를 측정합니다.

압전

석영과 같은 특정 재료의 압전 효과를 사용하여 압력으로 인한 감지 메커니즘의 변형률을 측정합니다.이 기술은 일반적으로 매우 동적인 압력 측정에 사용됩니다.기본 원리는 동적이기 때문에 압전 센서로는 정적 압력을 측정할 수 없습니다.

변형률 게이지

스트레인 게이지 기반 압력 센서도 금속 스트레인 게이지를 접착하거나 스패터링으로 박막 게이지를 적용하는 압력 감지 요소를 사용합니다.이 측정 요소는 다이어프램 또는 캔 형태의 금속박 게이지에도 사용할 수 있습니다.이 일체형 캔 타입 설계의 큰 장점은 강성이 향상되고 최대 15,000bar의 최고 압력을 측정할 수 있다는 것입니다.전기적 연결은 일반적으로 Wheatstone 브릿지를 통해 이루어지며, 이를 통해 신호를 잘 증폭하고 정확하고 지속적인 측정 ^[2]결과를 얻을 수 있습니다.

옵티컬

광섬유의 물리적 변화를 사용하여 가해지는 압력에 의한 왜곡을 검출하는 기술도 있습니다.이 타입의 일반적인 예에서는 파이버브래그 그라팅을 사용합니다.이 기술은 측정이 매우 원격하거나 고온에서 수행되거나 전자파 간섭에 본질적으로 영향을 받지 않는 기술의 혜택을 받을 수 있는 까다로운 애플리케이션에 사용됩니다.또 다른 유사한 기술은 적용된 압력(변형)^[3]에 따라 반사 파장을 변화시킬 수 있는 층으로 구성된 탄성막을 이용한다.

전위차계

저항 메커니즘을 따라 와이퍼의 움직임을 사용하여 가해진 압력으로 인한 변형률을 감지합니다.

포스 밸런싱

전기자에 장착해야 하는 미러인 힘 밸런싱형 석영 부르동 튜브 압력 센서가 없습니다.

힘 균형 용융 석영 부르동 튜브는 나선형 부르동 튜브를 사용하여 거울을 포함한 회전 전기자에 힘을 가합니다. 거울로부터의 빛의 반사는 각 변위를 감지하고 전기자의 전자석에 전류를 인가하여 튜브로부터의 힘의 균형을 맞추고 각 변위를 0으로 만듭니다.코일에 도포된 요람이 측정으로 사용됩니다.용융 석영은 매우 안정적이고 반복 가능한 기계적 및 열적 특성과 대부분의 비선형 효과를 제거하는 힘의 균형으로 인해 이들 센서는 약 1PPM의 풀 ^[4]스케일로 정확할 수 있습니다.손으로 만든 매우 미세한 용융 석영 구조물로 인해 이러한 센서는 일반적으로 과학 및 보정 용도로 제한됩니다.비포스 밸런싱 센서는 정확도가 낮으며 각도 변위를 힘 밸런싱 측정과 같은 정밀도로 판독할 수 없습니다. 단, 크기가 커서 더 이상 사용되지 않습니다.

기타 타입

이러한 유형의 전자 압력 센서는 기체 또는 액체의 압력을 추론하기 위해 밀도 등의 다른 특성을 사용합니다.

공명

감지 메커니즘의 공진 주파수 변화를 사용하여 가해진 압력으로 인한 스트레스 또는 가스 밀도 변화를 측정합니다.이 기술은 위의 범주와 같은 힘 수집기와 함께 사용할 수 있습니다.또는 공명소자 자체를 미디어에 노광함으로써 공명기술을 이용할 수 있으며, 공명주파수는 매체의 밀도에 의존하게 된다.센서는 진동선, 진동실린더, 석영, 실리콘 MEMS로 제작되었으며, 일반적으로 시간이 지남에 따라 매우 안정적인 판독값을 제공하는 것으로 평가되고 있습니다.

압력센서, 부르동관력수집기가 있는 공명석영결정 스트레인게이지가 ^[5]DART의 핵심센서입니다.DART는 외양 바닥으로부터의 쓰나미파를 검출합니다.수 km ^[6]깊이의 압력 측정 시 물의 압력 분해능이 약 1mm입니다.

온도

밀도 변화에 따른 가스의 열전도율 변화를 이용하여 압력을 측정합니다.이 유형의 일반적인 예는 피라니 게이지입니다.

이온화

밀도 변화에 따라 변화하는 하전 가스 입자(이온)의 흐름을 측정하여 압력을 측정합니다.일반적인 예로는 핫 캐소드 게이지와 콜드 캐소드 게이지가 있습니다.

적용들

산업용 무선 압력 센서

압력 센서에는 다음과 같은 여러 가지 용도가 있습니다.

압력 감지

여기서 단위 면적당 힘으로 표현되는 압력이 측정됩니다.이는 기상 계측, 항공기, 자동차 및 압력 기능이 구현된 기타 기계에서 유용합니다.

고도 감지

이것은 항공기, 로켓, 위성, 기상 기구, 그리고 많은 다른 응용 분야에서 유용합니다.이러한 모든 애플리케이션은 고도에 상대적인 압력 변화 간의 관계를 활용합니다.이 관계는 다음 ^[7]방정식에 의해 제어됩니다.

({displaystyle h=(1-(P/P_{\mathrm {ref} })^{0.display284}\times 145366.45\mathrm {ft}) }

이 방정식은 고도계, 최대 36,090피트(11,000m)에 대해 보정됩니다.이 범위를 벗어나면 압력 센서마다 다르게 계산될 수 있는 오류가 발생합니다.이러한 오차 계산은 상승에 따른 온도 변화로 인해 발생하는 오차를 고려합니다.

기압 센서의 고도 분해능은 1m 미만으로 GPS 시스템(약 20m 해상도)보다 훨씬 우수합니다.내비게이션 어플리케이션에서 고도계는 자동차 내비게이션용 적층 도로 레벨과 보행자 내비게이션용 건물의 바닥 레벨을 구분하는 데 사용됩니다.

흐름 감지

이는 압력 센서를 벤추리 효과와 함께 사용하여 유량을 측정하는 것입니다.개구부가 다른 벤추리 튜브의 두 세그먼트 간에 차압이 측정됩니다.두 세그먼트 간의 압력 차이는 벤추리 튜브를 통과하는 유량에 정비례합니다.압력 차이가 상대적으로 작기 때문에 거의 항상 저압 센서가 필요합니다.

레벨/깊이 감지

압력 센서를 사용하여 유체 레벨을 계산할 수도 있습니다.이 기술은 물에 잠긴 물체의 깊이(다이버나 잠수함 등) 또는 탱크 내의 내용물 수준(수탑 등)을 측정하기 위해 일반적으로 사용됩니다.대부분의 실용적인 목적을 위해 오일 레벨은 압력에 정비례합니다.함량이 대기압인 담수의 경우 1psi = 27.7 inH20 / 1Pa = 9.81 mmH20이다.이러한 측정을 위한 기본 방정식은 다음과 같습니다.

P=\rho gh

여기서 P = 압력, δ = 유체의 밀도, g = 표준 중력, h = 압력 센서 위의 유체 기둥 높이

누출 테스트

압력 센서를 사용하여 시스템 누출로 인한 압력 감소를 감지할 수 있습니다.이는 일반적으로 차압을 사용하여 알려진 누출과 비교하거나 압력 센서를 사용하여 시간 경과에 따른 압력 변화를 측정하는 방법으로 수행됩니다.

변환기 출력의 비율 보정

휘트스톤 브릿지로 구성된 압저항 변환기는 측정된 압력뿐만 아니라 변환기 공급 전압에 대해서도 종종 비례적 거동을 보입니다.

V_{\mathrm {out}}={P\times K\times Vs_{\mathrm {out}} \over Vs_{\mathrm {out} }

여기서:

$V_{\mathrm {out} }$ \ $displaystyle V_{\mathrm {out}}$ 은 $V_{\mathrm {out} }$ 변환기의 출력 전압입니다.

$(\displaystyle$ P $)$ 는 $P$ 실제 측정된 압력입니다.

$(\displaystyle$ K $)$ 는 $K$ 공칭 변환기 스케일 팩터(이상적인 변환기 공급 전압)로 압력당 전압 단위입니다.

$Vs_{\mathrm {actual} }$ 는 $Vs_{{\mathrm {actual}}}$ 실제 변환기 공급 전압입니다 $({$ $display Vs$ _ { \ $mathrm$ { $actual$ } $}$ 。

$Vs_{\mathrm {ideal} }$ s $Vs_{\mathrm {ideal} }$ $Vs_{\mathrm {ideal} }$ \ $displaystyle$ Vs _ { \ $mathrm$ { $ideal }}$ 은 $Vs_{\mathrm {ideal} }$ 이상적인 변환기 공급 전압입니다.

이 동작을 나타내는 변환기의 측정을 수정하려면 실제 변환기 공급 전압과 출력 전압을 측정하고 출력 신호에 이 동작의 역변환을 적용해야 합니다.

\displaystyle P={V_{\mathrm {out}}\times Vs_{\mathrm {out}}\times K\times Vs_{\mathrm {out} }}

참고: 이 분석에서는 휘트스톤 브릿지로 구성된 변환기에 자주 존재하는 공통 모드 신호는 고려되지 않습니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ Taskos, Nikolaos (2020-09-16). "Pressure Sensing 101 – Absolute, Gauge, Differential & Sealed pressure". ES Systems. Retrieved 2020-09-16.
^ "What is a Pressure Sensor?". HBM. Retrieved 2018-05-09.
^ Elastic Hologram' (탄성 홀로그램) 페이지 113-139, IGC 2010 Pro., ISBN 978-0-9566139-1-2 여기 http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/225960
^ [https://www.researchgate.net/publication/230966593_Characterization_of_quartz_Bourdon-type_high-pressure_transducers^{[bare URL]}]
^ Milburn, Hugh. "The NOAA DART II Description and Disclosure" (PDF). noaa.gov. NOAA, U.S. Government. Retrieved 4 April 2020.
^ Eble, M. C.; Gonzalez, F. I. "Deep-Ocean Bottom Pressure Measurements in the Northeast Pacific" (PDF). noaa.gov. NOAA, U.S. Government. Retrieved 4 April 2020.
^ http://www.wrh.noaa.gov/slc/projects/wxcalc/formulas/pressureAltitude.pdf 2017-07-03 Wayback Machine 국립해양대기협회 아카이브

[1] Taskos, Nikolaos (2020-09-16). "Pressure Sensing 101 – Absolute, Gauge, Differential & Sealed pressure". ES Systems. Retrieved 2020-09-16.

[2] "What is a Pressure Sensor?". HBM. Retrieved 2018-05-09.

[3] Elastic Hologram' (탄성 홀로그램) 페이지 113-139, IGC 2010 Pro., ISBN 978-0-9566139-1-2 여기 http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/225960

[4] [https://www.researchgate.net/publication/230966593_Characterization_of_quartz_Bourdon-type_high-pressure_transducers^{[bare URL]}]

[5] Milburn, Hugh. "The NOAA DART II Description and Disclosure" (PDF). noaa.gov. NOAA, U.S. Government. Retrieved 4 April 2020.

[6] Eble, M. C.; Gonzalez, F. I. "Deep-Ocean Bottom Pressure Measurements in the Northeast Pacific" (PDF). noaa.gov. NOAA, U.S. Government. Retrieved 4 April 2020.

[7] ttp://www.wrh.noaa.gov/slc/projects/wxcalc/formulas/pressureAltitude.pdf 2017-07-03 Wayback Machine 국립해양대기협회 아카이브

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