압력 센서 소개

압력 센서는 기체 또는 액체 압력(힘)을 모니터링하거나 감지하여 해당 정보를 그 힘을 모니터링하거나 조정하는 데 사용할 수 있는 전기 신호로 변환하는 전자 부품입니다. 하지만 압력 센서에 대한 추가적인 논의를 시작하려면 몇 가지 기본적인 정의부터 시작하는 것이 좋습니다. 압력은 기체나 액체가 표면의 단위 면적에 가한 힘의 크기입니다. 압력(P), 힘(F), 면적(A) 사이의 관계는 P=F/A라는 방정식으로 나타냅니다. 기존에 사용했던 압력의 단위는 파스칼이며 제곱미터당 1N으로 정의합니다. 압력은 유체의 팽창을 방해하는 데 필요한 힘이라고도 설명할 수 있습니다.

압력 센서는 다양한 기술로 제공됩니다. 해당 내용은 이 문서의 뒷부분에서 설명하며 각 기술은 궁극적으로 특정 압력 센서의 작동 방식을 결정합니다. 현재 사용 가능한 많은 압력 센서를 매우 다양한 유체와 기체에 사용할 수 있지만 점성이 높거나 두꺼운 일부 유체(종이 펄프, 아스팔트, 원유 등)에는 맞춤형 압력 센서가 필요할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 거의 모든 시나리오에 적합한 압력 센서 유형도 존재합니다.

혼용되는 명칭에 대한 바른 이해

기본적인 수준에서 압력 센서, 압력 트랜스듀서, 압력 송신기는 기능이 유사하므로 종종 용어를 혼용해서 사용합니다. 그러나 이들은 출력 신호에서 확실한 차이점을 보입니다.

압력 센서는 압력의 힘을 감지하고 작용하는 힘의 크기에 해당하는 출력 신호를 생성합니다. 압력 트랜스듀서는 감지된 힘을 연속 전압 출력(V)으로 변환하고 압력 송신기는 감지된 힘을 전류 출력(mA)으로 변환합니다.

일반적으로 압력 센서를 언급할 때 압력 트랜스듀서, 압력 송신기, 압력 발신기, 압력 표시기, 피에조미터, 압력계와 같은 다양한 용어를 사용합니다. 나열된 명명 규칙에 관계없이 이러한 장치는 다양한 응용 분야에서 압력의 모니터링과 조절을 위해 구현되며 유체/기체 흐름, 고도, 수위 등의 다른 변수를 측정하는 데에도 사용할 수 있습니다.

압력 측정 유형

압력 측정 및 압력 센서의 영역에는 최적의 시스템과 측정 정확도를 보장하기 위해 숙지해야 하는 다양한 용어가 있습니다. 일반적으로 압력은 해수면에서의 대기압과 같은 기준에 상대적인 값으로 측정되므로 응용 분야에서 사용되는 특정 유형의 압력 센서는 이러한 요인에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

한 가지 중요한 용어는 게이지 압력으로, 현지 주변 압력 또는 대기 압력에 상대적인 압력 측정입니다. 표시된 압력은 현지 대기압보다 높거나 낮습니다.

또 다른 중요한 용어는 절대 압력입니다. 절대 압력은 제로 압력 또는 진공 기준에 상대적인 압력 측정입니다. 절대 압력 센서를 사용하여 얻은 측정값은 측정 위치에 관계없이 동일합니다.

차압은 시스템의 두 지점 간의 압력 차이와 관련이 있으며 파이프 내의 액체 또는 기체 흐름을 계산하는 데 자주 사용됩니다.

진공 압력은 외부 또는 현지 대기압과 비교하여 음의 압력 범위를 측정합니다.

마지막으로 복합 압력은 양압 및 음압 또는 진공의 측정을 포함하며 기본적으로 게이지 압력과 진공 압력을 함께 나타냅니다.

그림 1: 다양한 압력 측정 간의 관계를 보여줍니다. (이미지 출처: Same Sky)

일반적인 압력 측정 기술

압력을 감지하고 이해하고 측정했던 기원은 1500년대 후반 갈릴레오와 1600년대 중반 토리첼리의 선구적인 작업으로 거슬러 올라갑니다. 최초의 압력 게이지인 부르동관은 1849년에 발명되었으며 1930년에 이르러서야 최초의 전기 출력 압력 트랜스듀서가 도입되었습니다. 반도체 기술의 등장으로 이러한 근본적인 힘을 감지하기 위해 사용되는 기술이 매우 다양해졌습니다. 다음은 기본 압력 측정 기술 및 응용 분야에 대한 간략한 개요입니다.

• 정전 용량 방식: 커패시터의 판 사이에서 다이어프램을 구부리는 압력으로 인해 발생하는 전기 정전 용량의 변화를 감지합니다.
• 유도 방식: 코어에서 선형 운동을 유발하는 자기 코어에 연결된 다이어프램의 미세한 변형을 감지합니다. 이 운동은 유도 전류를 변화시키고 전기 신호로 변환됩니다.
• 광학 방식: 압력 증가에 의해 점진적으로 차단되는 광원과 빛의 변화에 비례하는 신호를 생성하는 센서를 활용합니다. 광섬유 센서를 사용하여 압력으로 인한 빛의 경로 및 위상 변화를 측정할 수도 있습니다.
• 압전 방식: 석영 또는 세라믹 소재는 외부 압력에 의해 가해지는 압축량에 비례하는 가변 전하를 생성합니다. 압전 저항 기술은 소재가 늘어났을 때 전기 저항의 변화를 사용하여 압력을 측정합니다.
• 전위차 방식: 저항 장치(전위차계)와 부르동관에 연결된 슬라이딩 암을 사용합니다. 압력이 변하면 암이 움직이고 힘의 크기에 따라 전위차계에 의해 상대 신호가 생성됩니다.
• 공진 방식: 진동선으로 다이어프램에 가해지는 힘은 전기 신호로 변환되는 진동선의 공진 주파수를 변경합니다.
• 스트레인 게이지: 적용된 힘(압력)을 적용된 힘에 따라 변동하는 전기 저항의 변화로 변환합니다. 변환 후 해당 저항을 측정할 수 있습니다.

압력 센서 유형

압력 센서를 이해하려면 설계에 사용할 수 있는 다양한 유형을 살펴보는 것도 중요합니다. 다음은 기본 유형이며 알파벳 순입니다.

• 다이어프램 센서: 압력을 받으면 변형을 일으키는 얇고 유연한 원형 금속판이 통합되어 있습니다.
• 밀폐형 센서: 해수면의 대기압을 기준 압력으로 사용합니다.
• 무접점 센서: 움직이는 부품이 없는 이 센서는 전계 효과 트랜지스터와 같은 반도체 스위칭 요소를 사용하여 압력을 감지합니다.
• 스트레인 게이지 센서: 외력으로 인한 길이 변화에 따른 저항을 측정하여 전기 신호로 변환합니다.
• 박막 센서: 이름에서 알 수 있듯이 이 센서는 압력에 의한 길이와 두께 변화에 따라 저항을 변화시키는 저항성 요소가 포함된 박막을 사용합니다.
• 진공 센서: 대기압보다 낮은 압력을 측정하도록 설계되었습니다. 일반적으로 압전 기술을 활용하거나 특정 공간에서의 기체 부피를 측정합니다.
• 통기 센서: 주변 기압에 상대적인 압력을 측정합니다.

그림 2: 압전 다이어프램을 활용한 압력 센서의 예입니다. (이미지 출처: Same Sky)

최종 설계 고려 사항

앞서 본 압력 센서 기술, 유형을 염두에 두고 특정 설계에 대한 압력 센서를 지정할 때 고려해야 할 몇 가지 최종 선택 기준은 다음과 같습니다. 첫 번째 주요 파라미터는 작동 압력 범위로서, 제조업체가 지정한 대로 장치가 작동하는 안전 압력 범위를 파악합니다. 작동 온도 범위, 센서가 고장 전에 견딜 수 있는 최대 압력, 출력 유형(아날로그/디지털)도 중요한 고려 사항입니다. 출력 레벨, 정확도, 드리프트, 분해능, 공급 전압, 온도, 습도, 압력, 유체에 대한 노출, 방사선 또한 센서와 모든 수신 장치 간의 물리적 거리와 같은 환경적인 요인도 고려해야 합니다. 이러한 모든 파라미터를 고려하여 필요한 작동 조건 및 성능 요구 사항을 충족하면서도 특정 응용 분야에 적합한 압력 센서를 선택할 수 있습니다.

결론

전기 엔지니어로서 압력을 측정하고 해당 데이터를 공정 제어 및 모니터링을 위해 활용하는 것은 제조 및 의료 등 여러 산업에서 중요하다는 것을 이해해야 합니다. 제품 및 서비스의 품질과 안전을 보장하려면 정확하고 신뢰할 수 있는 압력 감지가 필수입니다. 기술이 발전함에 따라 압력 센서는 다양한 유형과 기술, 크기, 출력, 정확도로 제공되고 있습니다. 특정 응용 분야에 적합한 압력 센서를 선택하려면 센서 유형, 압력 범위, 온도 범위, 최대 압력, 출력 유형, 정확도, 분해능, 공급 전압, 환경 요인과 같은 작동 파라미터를 신중하게 고려해야 합니다.

다행히도 Same Sky는 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 압전 기반 압력 센서 라인을 제공합니다. 이 센서는 다양한 압력 유형과 작동 범위로 사용할 수 있으므로 유연하고 정확한 측정이 가능합니다.