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미디어 분리형 압력 센서를 사용하여 산업 공정의 신뢰성과 정밀도 향상

Digi-Key 북미 편집자 제공

HVAC/R(Heating, Ventilation, Air Conditioning, Refrigeration)과 같은 폐쇄 루프 산업 및 상업 공정 설계자는 전기 기계 압력 트랜스듀서를 사용하여 제어를 강화하고 공정 성능을 개선합니다. 문제는 이러한 시스템이 작동하는 폭넓은 온도 및 압력 범위에 더하여 시스템에 사용되는 액체와 가스가 압력 트랜스듀서의 소재를 부식시켜 누출로 이어져 센서의 무결성을 훼손하는 할 수 있다는 점입니다.

설계자는 응용 분야에 필요한 정확도와 신뢰성을 제공하면서 환경 문제를 해결할 수 있는 대체 기술이 필요합니다.

이 기사에서는 스트레인 게이지 기반 압력 트랜스듀서의 작동 방식을 설명한 후 Honeywell의 미디어 분리형 압력(MIP) 트랜스듀서를 소개합니다. 트랜스듀서는 스테인리스강으로 제조되며 일반 센서에서 약점이 밝혀진 O링 및 접착제 시일 대신 밀폐 용접 설계를 사용합니다. 그런 다음 측정 오류의 원인과 측정 오류를 최소화할 수 있는 방법을 살펴보고 상업용 냉장 시스템에서 트랜스듀서를 적용하여 공정의 효율성을 높일 수 있는 방법을 보여줍니다.

전기 기계 압력 트랜스듀서의 작동 방법

최신 압력 트랜스듀서는 전기 출력을 기반으로 하며 이전의 불안정한 기계 연결 및 다이얼을 제거했습니다. 최신 전기 기계 장치의 주요 이점은 신뢰성, 정밀도 및 원격 모니터링 기능입니다. 기본 측정 기술은 압전 소재 또는 스트레인 게이지를 기반으로 합니다. 압전 압력 트랜스듀서는 동압 측정에만 적합하지만, 스트레인 게이지 장치는 동압 측정과 정압 측정 모두에 사용할 수 있습니다. 이 기사에서는 스트레인 게이지 장치를 중심으로 살펴봅니다.

스트레인 게이지는 스트레인이 가해지면 저항이 바뀌는 전기 회로이며, 스트레인은 무부하 길이(“ε”)와 비교한 힘이 가해진 소재의 길이 변화 비율입니다. 스트레인 게이지는 일반적으로 스트레인에 대한 민감도의 측정치인 “게이지 계수(GF)”에 따라 분류됩니다. 즉, GF는 길이(또는 스트레인)의 부분적인 변경에 대한 전기 저항의 부분적인 변경 비율입니다.

사용 중인 압력 트랜스듀서는 가압 시스템에 직접 삽입됩니다. 여기서 시스템의 액체 또는 기체가 트랜스듀서의 포트에 유입되어 다이어프램을 변위시킵니다. 스트레인 게이지는 적합한 접착제를 사용하여 이 다이어프램의 상단 측면에 부착됩니다(그림 1).

다이어프램 실장 스트레인 게이지의 구성도그림 1: 압력 트랜스듀서에 사용하는 데 적합한 다이어프램 실장 스트레인 게이지 이 예에서 스트레인 게이지의 실제 지름은 6.35mm입니다. (이미지 출처: Micro Measurements)

매우 높은 압력에서도 스트레인 게이지의 길이 변화는 몇 “밀리스트레인(mε)”을 초과하지 않으므로 저항 변화는 매우 작습니다. 예를 들어 테스트 시료에 350mε의 스트레인이 가해진다고 가정합니다. 이 부하에서 GF가 2인 스트레인 게이지의 전기 저항 변화는 2(350 x 10-6) = 0.07%입니다. 350Ω 게이지의 경우 저항 변화는 0.245Ω에 불과합니다.

스트레인 게이지 측정 방법

잡음의 영향을 최소화하면서도 매우 작은 저항 변화를 정확히 측정하기 위해, 압력 트랜스듀서의 스트레인 게이지를 휘트스톤 브리지의 레그 중 하나에 통합합니다. 휘트스톤 브리지는 여기 전압 E가 전체적으로 적용되는 네 개의 저항 암으로 구성된 네트워크입니다(그림 2).

휘트스톤 브리지 회로 구성도 이미지그림 2: 이 휘트스톤 브리지 회로 구성도에서는 스트레인 게이지를 하나의 암에 통합했습니다. RG는 스트레인 게이지 저항이고, RL1 및 RL2는 스트레인 게이지 리드 전선 저항이고, 저항기 R2, R3 및 R4는 알려진 고정 값이며, eo는 출력 전압이고, E는 여기 전압입니다. (이미지 출처: Micro Measurements)

휘트스톤 브리지는 RG(리드 전선 RL1 및 RL2의 저항이 무시해도 될 정도라고 가정) 및 R4가 하나의 전압 분배기 회로를 구성하고 R2 및 R3가 두 번째 전압 분배기 회로를 구성하는 두 병렬 전압 분배기 회로와 전기적으로 동등합니다. 출력 eo는 두 전압 분배기의 가운데 노드 사이에서 측정되며 다음에 따라 계산될 수 있습니다.

방정식 1방정식 1

방정식 1에서 RG/R4 = R3/R2일 때 출력 전압 eo는 0이고 브리지가 밸런스 상태라고 합니다. 스트레인 게이지의 저항이 변경되면 브리지가 불균형 상태로 되고 스트레인에 비례하여 0이 아닌 eo를 생성합니다. 압력 트랜스듀서에서 다이어프램 실장 스트레인 게이지의 출력 전압은 전체 압력 범위에서 공급(여기) 전압 E에 “비율계량적(선형적 비례)”입니다.

온도 보정

스트레인 게이지를 사용하여 설계할 경우 온도 효과에 민감하다는 문제점이 있습니다. 온도가 변동되면 오프셋 및 범위 오류가 발생하고 히스테리시스가 증가합니다.

스트레인 게이지는 여기 전압 E로 인해 가열될 수 있지만, E를 낮게 유지하여 대부분 완화할 수 있습니다. 그러면 시스템의 민감도가 약해지는 단점이 있지만, 휘트스톤 브리지의 출력 전압 eo는 필요에 따라 증폭할 수 있습니다. 하지만 중첩된 잡음을 증폭하지 않도록 특히 주의해야 합니다. 한 가지 해결책은 전압 변화를 주파수 변화로 변환하고 좁은 대역폭 출력을 사용하여 잡음을 낮게 유지하고 대역 외 전자파 장해(EMI)를 줄이는 “캐리어 주파수” 증폭기를 사용하는 것입니다.

두 번째 열원은 압력 트랜스듀서의 다이어프램과 본체입니다. 고온에서 다이어프램이 팽창하고 스트레인 게이지가 액체 또는 기체 압력과 직접적으로 연관되지 않은 스트레인을 등록합니다.

이러한 효과를 완화하기 위해 최신 스트레인 게이지는 온도 보정 측정을 통합합니다. 스트레인 게이지는 일반적으로 구리 55%/니켈 합금 45%로 제조됩니다. 소재의 열 팽창 계수(CTE)가 매우 낮아서 온도 유도 스트레인이 제한됩니다. 또한 스트레인 게이지의 CTE를 스트레인 게이지가 부착되는 다이어프램 소재의 CTE와 신중하게 일치시키면 어느 정도의 “자체 온도 보정”으로 온도 유입 스트레인을 단 몇 μm/m/°C로 제한할 수 있습니다.

다른 온도 유입 오류 원인으로 스트레인 게이지 전압 신호를 전달하는 리드 전선이 있습니다. 위 그림 2에서 브리지 특성을 처음 설명할 때 이러한 전선의 저항(RL1 및 RL2)이 무시해도 될 정도라고 가정했지만, 리드 전선을 구리로 만든 경우 온도가 10°C만 상승해도 수백 µε에 해당하는 브리지 오프셋이 리드에서 직접 발생할 수 있습니다. 이 오프셋을 해결하는 일반적인 방법은 3선 브리지를 사용하는 것입니다(그림 3).

휘트스톤 브리지 회로 구성도 이미지그림 3: 이 휘트스톤 브리지 회로 구성도에서는 음수 출력 브리지 전기 노드를 R4의 위쪽에서 RL2의 끝에 있는 스트레인 게이지의 아래쪽으로 이동했습니다. 동일한 저항을 형성하는 리드 전선 RL1 및 RL2를 사용하면 브리지가 밸런스 상태로 됩니다. 리드 전선 RL3는 전압 감지 전용 전선이며 브리지 밸런스에 영향을 주지 않습니다. (이미지 출처: Micro Measurements)

그림 3에서는 음수 출력 브리지 전기 노드를 R4의 위쪽에서 RL2의 끝에 있는 스트레인 게이지의 아래쪽으로 이동했습니다. 리드 전선 RL1과 스트레인 게이지(RG)가 한 암을 구성하고, RL2와 저항기 R4가 인접한 암을 형성합니다. 리드 전선 RL1과 RL2의 저항이 같으면 두 브리지 암의 저항이 같고 브리지가 밸런스 상태입니다. 리드 전선 RL3는 전압 감지 전용 전선이며 브리지 암과 연결되지 않고 브리지 밸런스에 영향을 주지 않습니다.

RL1과 RL2의 온도 변화가 동일한 경우 브리지는 밸런스 상태를 유지합니다. 또한 리드 전선 중 하나만 스트레인 게이지와 연결되므로 리드 전선 유도 온도 민감도가 2선식 구성에 비해 1/2로 감소합니다.

온도가 압력 트랜스듀서의 출력에 미치는 효과 이외에 오류의 다른 원인이 있습니다. 작동 온도 범위에서 이상적인 전체 범위(FSS)와 동일한 기울기로 이상적인 오프셋을 통과하여 온도에 상관없이 직선이므로 이러한 오류의 원인을 “이상적인 전달 함수”라고도 합니다. 오프셋은 기준 압력이 가해질 때 얻는 출력 신호이고 FSS는 작동 온도 범위의 상한과 하한에서 측정되는 출력 신호 간의 차이입니다(그림 4).

압력 트랜스듀서의 이상적인 전달 함수 구성도그림 4: 압력 트랜스듀서의 이상적인 전달 함수는 작동 온도 범위에서 이상적인 FSS와 동일한 기울기로 이상적인 오프셋을 통과하여 온도에 상관없이 직선입니다. (이미지 출처: Honeywell)

압력 트랜스듀서는 출고 시 품질이 낮을수록 상대적으로 높은 오프셋 및 FSS 오류가 발생할 수 있습니다. 오프셋 오류는 이상적인 오프셋과 비교한 최대 압력 편차이며, FSS 오류는 이상적인 전달 함수에 의해 결정되는 이상적인(또는 목표) FSS를 기준으로 기준 온도에서 측정된 FSS의 최대 편차입니다.

또한 압력 트랜스듀서의 자체 정확도로 인한 오류로 압력 비선형성, 압력 히스테리시스 및 비반복성이 발생할 수 있습니다. 열 유도 오류, 트랜스듀서 부정확성, 오프셋 및 FSS 오류가 더해져 압력 트랜스듀서의 총 오류 구간(TEB)이 결정됩니다. TEB는 전체 보정된 온도 및 압력 범위에 대한 이상적인 전달 함수의 최대 출력 편차입니다(그림 5).

압력 트랜스듀서에 대한 오류 원인 구성도그림 5: 압력 트랜스듀서에 대한 오류 원인이 최대 TEB를 추가합니다. (이미지 출처: Honeywell)

고강도 압력 트랜스듀서

산업 응용 분야에서 사용되는 압력 트랜스듀서는 부식성 액체 및 기체와 폭넓은 온도 변동에 노출됩니다. 예를 들어 HVAC/R 응용 분야에 사용되는 트랜스듀서는 냉매(예: 부탄, 프로판, 암모니아, CO2, 글리콜과 물) 또는 다양한 합성 수소불화탄소 냉매(예: R134A, R407C, R410A, R448A, R32, R1234ze, R1234yf)에 노출됩니다. 또한 산업용 HVAC/R 시스템의 온도는 산업 온도 범위 -40°C ~ +85°C 또는 그 이상의 온도를 포괄합니다.

대부분의 로우레인지 및 미드레인지 압력 트랜스듀서는 황동과 같은 합금으로 제조되며 O링과 접착제를 사용하여 센서의 전자 장치를 다이어프램과 접촉하는 액체 및 기체로부터 밀봉합니다. 부식성 물질과 함께 사용될 경우 시일이 약점을 노출하여 유출이 시작될 수 있습니다. 그런 유출을 한 번에 감지하지 못해서 스퓨리어스 측정값과 열악한 시스템 제어로 이어질 수 있습니다. 결국 유출로 인해 전자 장치가 부식성 액체 또는 기체에 노출되어 고장을 일으킬 수 있습니다.

이러한 잠재적 장애 모드를 방지하기 위해 설계자는 Honeywell의 MIP 계열 압력 트랜스듀서를 사용할 수 있습니다. 이러한 고강도 미디어 분리형 압력 트랜스듀서는 내부 O링과 접착제 시일을 제거했습니다. 트랜스듀서가 스테인리스강으로 제조되고 O링 시일 대신 밀폐 용접 설계가 적용됩니다. 이 설계를 적용하면 -40°C ~ 125°C 온도 범위와 100kPa ~ 6mPa 압력에서 MIP 센서가 공격성 액체, 물, 기체를 비롯한 광범위한 미디어와 호환됩니다(그림 6).

Honeywell의 MIP 계열 압력 트랜스듀서 이미지그림 6: Honeywell의 MIP 계열 압력 트랜스듀서는 스테인리스강으로 제조되며 시일이 필요 없는 밀폐 용접 설계를 사용합니다. 이 설계를 적용하면 센서가 공격성 액체, 물, 기체를 비롯한 광범위한 미디어와 호환됩니다. (이미지 출처: Honeywell)

MIP 계열은 5V 공급 전압으로 작동하며 0.5V ~ 4.5V DC 범위에서 비율계량 출력을 제공합니다. 압력 트랜스듀서의 전체 온도 범위에서 TEB는 1MPa 이하 압력에서 ±1.0%이고 1MPa 초과 압력에서 0.75%입니다. 트랜스듀서의 정확도는 ±0.15% FSS(최적 직선(BFSL))이고(그림 7), 응답 시간은 1ms이고, 버스트 등급은 20MPa 이상입니다.

Honeywell의 MIP 계열 압력 트랜스듀서 그래프그림 7: MIP 계열 압력 트랜스듀서는 5V 공급 전압으로 작동하며 0.5V ~ 4.5V DC 범위의 비율계량 출력을 제공합니다. 압력 트랜스듀서의 전체 온도 범위에서 TEB는 1MPa 이하 압력에서 ±1.0%이고 1MPa 초과 압력에서 0.75%입니다. (이미지 출처: Honeywell)

또한 이 계열은 정전 시 ±40V DC 과전압 보호 및 센서 출력 진단 기능을 제공합니다(표 1).

Honeywell의 MIP 계열 압력 트랜스듀서 작동 특성 표표 1: MIP 계열 압력 트랜스듀서 작동 특성 (이미지 출처: Honeywell)

HVAC 응용 분야의 압력 트랜스듀서

압력 트랜스듀서는 정밀한 제어를 통해 에너지 사용을 줄이면서 효율을 극대화함으로써 HVAC 시스템과 같은 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 산업용 냉장 장치에 사용되는 HVAC/R 주기를 고려해 보십시오(그림 8).

HVAC/R 주기를 보여주는 구성도 이미지그림 8: HVAC/R 주기를 보여주는 구성도 압축기 및 증발기 아웃렛의 고강도 압력 트랜스듀서는 냉매 압력을 모니터링하여 최적의 냉매 위상 변경을 보장하고 주기의 효율성을 결정하는 데 사용될 수 있습니다. (이미지 출처: Honeywell)

압축기 단계에서 증발기의 저압 수증기는 압축되어(열 발생) 콘덴서로 펌핑됩니다. 콘덴서에서 고온 수증기는 잠열을 대기 중으로 배출하고 뜨거운 액체로 응축합니다. 그러면 건조기가 냉매에서 물을 제거합니다. 그러면 계량 장치에서 콘덴서의 뜨거운 액체를 유량 제한을 통과시켜 압력을 줄여서 냉매의 열을 제거합니다. 그러면 증발기 내에서 차가운 액체가 콘덴서의 회수 공기 흐름에서 열을 흡수하여 수증기로 변경합니다. 이 수증기는 압축기에 도달할 때까지 주기를 반복하여 열을 계속 흡수합니다. 증발기의 차가운 공기는 냉동 컨테이너의 온도를 낮추는 데 사용됩니다.

냉매가 액체에서 수증기로 변했다가 다시 액체로 변하면서 많은 잠재 에너지를 배출하거나 발생하기 때문에 냉장 주기가 작동합니다. 효과적이고 효율적으로 작동하려면 시스템의 다양한 부분에서 압력을 신중하게 모니터링하고 제어해야 합니다. 냉매가 액체에서 수증기/수증기에서 액체로 위상 변경을 진행하는 경우에 특히 그렇습니다. 예를 들어 낮은 압력에서는 냉매가 액체에서 기체로 변경되며 더 낮은 온도에서 잠재 에너지(열)를 흡수합니다. 높은 압력에서는 냉매 기체가 더 높은 온도에서 액체로 변경되어 잠재 에너지(열)를 발생합니다.

압축기 및 증발기 아웃렛에서 압력을 모니터링하여 주기의 고압 부분과 저압 부분에서 흐름과 압력 그리고 냉매 위상 변경 온도를 정밀하게 제어하여 시스템의 효율을 극대화하도록 압축기와 계량 장치를 설정할 수 있습니다.

결론

스트레인 게이지 압력 트랜스듀서는 산업 공정에서 압력을 측정하는 데 적합한 솔루션을 제공하지만, 극한 환경에 노출될 수 있는 시스템의 설계자는 O링과 접착제를 사용하는 모델의 한계를 잘 알고 있어야 합니다.

그런 극한 상황이 발생할 수 있는 응용 분야에 사용하도록 설계된 Honeywell의 MIP 계열 압력 트랜스듀서는 스테인리스강 제조와 밀폐 용접 설계를 사용합니다. 이 구조에서는 MIP 센서가 광범위한 산업용 액체 및 기체와 호환되며 상승한 온도 및 압력에서도 긴 수명을 보장합니다. 또한 Honeywell 압력 트랜스듀서는 높은 정밀도, 빠른 응답, 우수한 장기 안정성 및 탁월한 EMI 내성을 제공합니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

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