압력센서 원리| What is a Pressure Sensor

압력센서의 원리 - 압력 트랜스미터와 로드셀의 작동원리

미국 오메가 엔지니어링은 광범위한 공정에서 정확한 측정값을 제공하는 압력트랜스미터와 로드셀과 같은 압력센서를 제공합니다. 사용자가 원하는 공정에서 가해지는 압력 정도의 데이터를 알아내려면, 우선 공정에서의 압력 또는 힘이 압력센서의 센서 소자에 다다라야 합니다. 압력센서의 소자는 공정의 압력이나 힘에 반응하여, 데이터 수집 장치에서 판도할 수 있는 신호를 생성합니다. 센서 소자는 압력트랜스미터나 로드셀과 같은 압력센서의 핵심입니다.

압력 측정 시스템은 네 개의 스트레인 게이지가 결합 된 압력 센서 소자를 기반으로 합니다. 스트레인 게이지는 그림 2에서 R1~R4라고 표시 된 것과 같이4개의 저항이 같고, 부하가 가해지면 비례적으로 동일한 규모로 변하는 휘트스톤 브릿지로 구성 됩니다. 가해지는 부하가 강해질수록, 출력도 강해집니다. 휘트스톤 브릿지는 양극 여기(Positive Excitation)과 음극 여기(Negative Excitation), 양극 센서 출력과 음극 센서 출력의4선식 연결 방식이 요구됩니다.

일반적인 압력센서는 다이어프램의 굴절이 스트레인 게이지의 출력을 생성하는 원리입니다. 스트레인 게이지에 따라 출력은 1~3mV/V(볼트 당 밀리볼트)에서 10~30mV/V로 다양합니다. 풀 스케일 출력을 계산하려면 장치 전원에 센서 출력을 곱해야 합니다. 예를 들어 3mV/V 센서의 경우, 여기 전압(Excitation Voltage)으로 10Vdc를 사용한다면, 3mV/V x 10V = 30mV 풀스케일로 볼 수 있습니다.

OMEGA의 압력센서로 압력센서 원리의 예를 들어보겠습니다. PX4600 압력센서의 경우, 사용자가 공정에서 측정하려는 압력은 압력 포트를 통해 다이어프램 소자로 전달 될 것입니다. 압력은 다이어프램을 변형시키고, 다이어프램 반대 쪽의 휘트스톤 브릿지에 부하를 가해 mV/V 출력을 생성합니다. 이 밀리볼트 신호는 신호 처리 과정에서, 밀리볼트 신호를 수용하는 장비 또는 증폭기나 신호처리기에 의해 판독 됩니다.

PX409-USBH는 압력센서를 USB 형태로 컴퓨터와 연결할 수 있는 압력트랜스미터 입니다. 스트레인 게이지 기반의 정밀한 압력트랜스미터를 통신 프로토콜 이용과 신호 처리가 용이하도록 개발 된 제품입니다. 플러그&플레이를 위해 오메가 홈페이지에서 소프트웨어를 무상으로 제공합니다. PX409-USBH는 노트북이나 컴퓨터에 연결 되어 데이터를 디스플레이하면서 동시에 센서 전원 공급을 할 수 있습니다.

압력센서는 압력에 따라 어떤 변화를 측정하는지에 따라 측정원리로 구분할 수 있습니다. 하지만 실제 사용 시에는 측정한 압력 데이터의 출력 형태가 더 중요합니다. 그러므로 여기서는 출력에 따라 비증폭(Unamplified), 증폭(Amplified), 디지털(Digital) 세 가지 출력 형태에 따라 압력센서를 소개하겠습니다.

비 증폭 출력 압력센서 Unamplified
대부분의 로드셀은 비증폭 출력을 보이는 압력센서입니다.
비증폭 출력은 신호처리기를 내장시키기에 장비가 너무 작은 경우나, 전자 장치가 정상 작동하지 못할만큼 거친 산업가혹환경에서 이용 됩니다. 거친 산업가혹환경에서, 특히 극고온이나 극저온 같은 환경에서 기능할 수 있도록 설계 된 그림 7의 PX1004, PX1005, PX1009와 같은 압력트랜스미터도 이러한 이유로 비 증폭 출력 타입으로 제공 됩니다.
증폭되지 않은 출력을 갖는 압력센서는 신호 전송 거리가 짧으며, 보통 그 거리는 6~9m 이상을 넘지 못합니다. 신호 강도가 약하고, 전기적 노이즈에 약하지만 위의 세 모델과 같은 특수 제품은 고온 또는 저온 등의 환경에서도 뛰어난 측정 정확성과 장기 안정성을 제공하며 특수 적용 분야에 주로 적용됩니다.

증폭 출력 압력센서 Amplified
증폭 출력 압력센서는 신호 처리 장치가 내장되어 있어 강한 신호를 생성합니다. 강한 신호로 주변 환경의 전자파와 같은 전기적 노이즈에 강하며 신호 전달 거리도 더 늘어납니다. 증폭 출력 압력센서에는 내장 증폭 장치가 내장되어 있어 보다 비 증폭 출력 타입보다 더 좁은 작동 온도 범위를 갖습니다. 센서 내부의 신호처리장치의 온도 제한 때문입니다.

전류 출력 센서는 증폭 된 신호를 높은 정밀도로 약 300m 거리까지 전송할 수 있습니다. 일반적으로 전압 출력 센서는 약 30m 이내의 거리까지 정확성이 유지 됩니다.

디지털 출력 압력센서 Digital
압력센서의 출력 타입 중 디지털 출력으로 분류되는 종류가 있습니다. 이러한 출력은 전기적 노이즈의 영향을 가장 적게 받고, 가장 먼 거리까지 신호를 전송할 수 있습니다. 디지털 출력에는 압력센서 장비와 신호 수집 장비 간 통신 방법이 다양합니다. 앞서 소개 된 디지털 압력계 DPG409, USB 압력트랜스미터 PX409-USBH와 같은 압력센서나 RS485 통신장비가 이에 해당 됩니다.

오류 대역 Total Error Band
오류 대역(에러 밴드)은 진동, 온도, 습도와 같은 요인에서 발생하는 모든 오류를 고려한 출력 편차 최대치 대역을 말합니다.

정적 정밀도 Static Accuracy
선형성(리니어리티), 이력현상(히스테리시스)과 반복성을 포함한 정확성을 정적 정밀도라고 하며 이는 BSL(Best Straight Line) 내에서의 구간(스팬, Span) ± %로 표현 됩니다. 일정한 온도에서 압력트랜스미터와 로드셀과 같은 압력센서의 정적 오류 대역(Static Error Band)으로 정밀도를 측정할 수 있습니다.

BSL (Best Straight Line)
BSL은 터미널 베이스 라인(Terminal Base Line)의 최대 오류 편차, 즉 상한선(Upper bound)과 하한선(Lower bound)의 중간치, 이상적인 직선을 말합니다. BSL을 결정하려면, 제로 출력과 풀스케일 출력 데이터가 모두 필요합니다. 다른 데이터 포인트는 BSL과의 거리로 측정 됩니다. BSL은 Terminal Base Line과 같은 경사를 이루지만, BSL의 양쪽에서 오류는 동등하게 나눠지므로 오프셋입니다. BSL은 압력센서 성능에서 선형성(Linearity)을 설명하기 위해 사용됩니다.

비 선형성 (Non-Linearity)
부하가 없는 상태와 정격 출력 간의 직선과 캘리브레이션 곡선의 편차의 최대치를 말합니다. 증가하는 압력에서 측정 된 정격 출력의 퍼센티지로 표현 됩니다.

이력현상 (히스테리시스)
이력현상은 적용 된 압력이 다른 방향, 즉 증가할 때와 감소할 때의 양상에서의 차이로 히스테리시스 값은 이 편차의 최대 값입니다. 동일 한 범위의 압력 값의 출력을 비교하여, 처음 저압 지점에서 압력이 증가할 때와, 고압 지점에서 압력이 감소할 때의 차이로 결정합니다. 이 두 값의 차이가 적을수록 히스테리시스가 낮다고 표현합니다. 이력현상에서 비롯 된 오류는 교정이 어렵습니다.

반복성 Repeatability
반복 안정성은 동일한 부하와 환경 조건에서 반복 된 압력의 판독 간의 차이의 최대 치로 표현 됩니다. 동일 조건 하의 압력 판독 차이가 없을수록 반복성이 우수한 것입니다. 반복성 관련 오류는 교정이 되지 않는 특성입니다.