압력 측정

1. 개 요

압력은 단위면적당의 힘으로 정의되며 단일공정변수에서 가장 많이 측정되는 변수이다. 절대압력 Pa,

게이지 압력 Pa, 대기압을 P라 하면,

Pa = Pg + P

절대압은 게이지압과 대기압의 합이고 게이지압은 절대압과 대기압의 차와 같다. 절대압력 측정 시는

기 준압력이 진공(압력 Zero)이므로 대기압력의 변화와 무관하고 게이지 압력측정은 대기압을

기준하기 때문에 대기압의 변화에 영향을 받는다. 좀 더 자세히 언급하면 대기압을 기준하였을 때에

대기압보다 높은 압력이 정압(Positive Pressure) 즉, 게이지 압력이고 대기압보다 낮은 압력이

부압(Negative Pressure), 즉, 진공 (Vacuum)이라 정의하며 통상적인 게이지 압력 및 진공이란 용어

사용시는 위에서 정의한 영역을 뜻한다. 공업용 Process에서 압력측정은 그 측정 범위가 수

mmH₂O에서 수백 Kg/cm ²에 이르고 있고, 검출소자도 그 사용목적에 따라 여러 가지가 있다.

압력 검출소자로는 Bourdon관, Diaphram 및 Bellows 등을 이용한 탄성 압력계가 일반적으로 많이

사용 된다.

(1) 압력계의 표현법

압력의 표현법에는 우선 기준점 Zero의 선택에 따라 게이지 압력과 절대압력의 2가지로 표현된

다.

1) 게이지 압력(Gauge Pressure)

대기압을 기준점 Zero로 하여 측정한 압력으로써 Process 계장에서는 주로 이것을 사용한다.

표기방법은 단위 말구에 (g)를 첨자한다.

Ex : kg/cm²g

2) 절대 압력 (Absolute Pressure) 절대 진공을 기준점 Zero로 하여 측정한 압력으로써 측정

대상의

압력 조건을 엄격히 표현할 경우에 사용한다. 표기 방법은 단위의 말구에 꼭 (abs)를

첨자한다.

Ex : kg/cm²abs

(2) 압력의 단위

1) 1 기압 (1atm) 중력 가속도가 980cm/sec ²이라 할 때, 온도0 ℃로 높이 760mm, 저면적 1cm²의

수은주(밀도 13.6g/cm³)를 수직으로 세웠을 때 저면에 가해지는 압력의 크기를 말한다. 이

단위가 압력의 기준단위로 되어 있고 엄밀히 이 조건을 만족하고 있는 경우를 표준기압이라

말한다.

2) 1 kg/cm²

1cm²에 가해지는 압력의 크기가 1kg로 되는 경우를 말한다. 프로세스 공업에 관한 압력의

단위로써 때때로 kg/cm²와 atm을 혼동하지만 atm이 kg/cm²보다 약 3.3% 정도 압력이 높다.

3) 1mm H₂O 1cm²에 가해지는 압력의 크기가 수주의 높이로 1M(밀리미터)인 경우를 말한다. 아주

낮은 압력 의 표현으로써 1 수주 mm(1mmH ₂O)의 단위를 말한다.

2. 압력 검출기의 종류

초고진공에서부터 초고압에 이르기까지 압력 검출기가 이용되는 범위는 대단히 넓어 20자리 수에

이른 다. 이와 같은 범위를 한 종류의 압력 검출기로 Cover하는 일은 도저히 불가능한 일이어서

목적하는 압력 범위에서의 최적한 압력 검출기를 선정하여야 한다. 압력 검출기를 크게 나누면

(1) 탄성식(彈性式)

공업 Process용의 압력계로서 가장 많이 이용되고 있는 것으로, 구조가 간단하고 보수가 쉽다.

취부방식 에도 미압측정의 것을 제외하고는 그다지 제한을 받지 않는다. 탄성식은 탄성 물체를

수압소자로서 쓰이 고 압력변화에 변환해서 이 변위를 확대기구로 써서 지시하기도 하고 또 발신기에

접속해서 원격전송에 쓰이기도 한다. 특히, 발신기로서 조합되어 쓰일 경우, 최대 Range와 최소

Range의 비율이 10:1 정도로 Range를 연속가변 할 수 있는 구조로 된 것이 많아서 비상시 편리하다.

수압 소자로서는 Diaphragm, Bourdon관, Bellows가 가장 대표적인 것이다.

1) 부르돈(Bourdon)형 계기

① 원리 및 구조

압력계에서 오래 전부터 가장 많이 사용하는 것 중의 하나이다. 금속탄성과 압력을 가하면

탄성체의 탄성변위에 의하여 변위가 생긴다. 따라서 그림 2.3-1과 같이 B점을 밀폐

자유단으로 하고 A점을 고정하여 압력을 가하면 B점의 자유단이 점선과 같이 변하면서 압력이

측정된다. Bourdon Tube는 형태로 분류되며 사용압력도 Tube의 형태 및 재질 에 따라 크게

달라진다.

일반적으로 다음과 같이 분류된다.

Spiral Bourdon : 0~1, 0~14kg/cm²g .

C Type Bourdon : 1~25, 1~70kg/cm²g .

Helical Bourdon : 15~140, 15~450kg/cm²g

제작 모양에 따라 C형, Spiral형, Helical형으로 나누며 측정 범위는 재질에 따라 다르다.

C형은 250 ·정도 구부러진 형태를 현장지시계용으로 많이 사용되고 정밀도는 1%정도이다.

Spiral형 및 Helical형은 C형보다 감도와 정밀도가 좋은 장점이 있으며, Helical형은

측정범위 10배 정도의 초과압력 보호기능과 압력변화가 심할 때에 좋은 특성을 가지고 있다.

그림 5-1 BOURDON형 종류

② 적용 및 특성

탄성식 압력계의 사용한다. .

구조가 간단하고 보수가 용이하다.

oil류 process에는 피한다.

그림 5-2 Bourdon형 종류

2) 다이아프램(Diaphragm)계기

① 원리 및 구조

탄성을 가진 디스크 형태의 다이아프램을 측정유체에 부착시켜 압력에 따라 변위를 일으키는

현 상을 이용한 것으로 원리적으로 벨-로우와 유사하고 측정유체를 완전히 밀폐하면서

측정하기 때문에 유체가 부식성이 강하거나 고온도, 고점도 등의 영향으로 측정계기가

손상되는 곳에 적용 한다. 다이아프램의 표면이 매끈한 것과 주름진 것이 있고 압력에 대한

탄성특성을 좋게 하고, 미압에 대하여 감도를 높이기 위해 주름진 형태가 사용되며, 주름진

다이아프램 2장을 붙여 캡슐(Capsule) 형태로 제작한 것을 주로 많이 이용하고 있다.

그림 5.3 DIAPHRAGM형 종류

캡슐 제작방법에 따라 주름진 부분이 대칭이면 Convex형, 주름진 부분이 같은 방향으로 붙여

서 제작하면 Nested형이라 하는데 Convex형보다 초가압력(Overpressure)에 잘 견디는 장점이

있다. 캡슐 직경이 클수록 감도는 좋지만 측정범위는 좁아지고 캡슐을 여러 개 결합하면

압력변화에

대해 큰 변화를 일으킨다.

② 적용 및 특성

Diaphragm형 계기는 압력에 대한 탄성특성이 좋고, 미압에 대해서도 감도가 매우 좋다. .

미압 : 0 ~ 250mmH₂O, 0 ~ 0.7kg/cm²g .

부압 : -650mmH₂O, 250mmHg .

2개의 다른 유체 압력을 분리해서 측정할 수가 있기 때문에 내식성 유체의 압력측정에

적합하다.

감도가 높아, 미압 측정에 적합하다. .

큰 변위에 대해 Hysteresis를 발생시킨다.

3) BELLOWS 형 계기

① 원리 및 구조

i) 원리 : Bellows를 수압소자로 해 이것에, 주어지는 피측정 압력과 Bellows의 유효면적과의

관

계에서 발생하는 힘 또는 이 힘과 Bellows 자신의 탄성 또는 Bellows와 이것에 부가하는

Spring의 종합 탄성 등의 관계에서 얻어지는 변위를 중개하여 압력 측정을 하는 방법이다.

Bellows外側으로부터 압력을 가하면 Bellows는 축소하여 압력에 비례하는 양(量)만 변위한다.

이 변위를 Torque Arm 등을 사용해서 발신기구에 전달되면 전기적 신호가 공기압 신호에

변환해서 압력제어계의 발신기로서 채용(採用)된다. 사용시에는 주위온도의 변화나 도압관

내의 Drain등에 주의해야 한다.

ii) 구조 : 박판금속을 그림 2.3-4와 같이 주름상자로 하여 內壓을 가하면 신축동작을 하게

되는

데 이에 대한 변위로 압력이 측정된다. 미압용과 저압용은

미압 : 0 ~ 0.3kg/cm²g

저압 : 0 ~ 1.8kg/cm²g

이와 같이 측정되나 재질에 따라 측정범위가 다르게 된다.

그림 5.4 BELLOWS

② 적용 및 특성

Bourdon관에 비해 출력이 크기 때문에 저압 측정에 적합하다. .

1kg/cm²이하의 저압측정, 지시, 기록, 조절, 전송이 가능하다. .

Bourdon관에 비해 정밀도가 높다. .

구동력이 충분해서 200kg/cm ²까지 측정이 가능하다. .

주위 온도 변화에 민감하다. .

재질, 외경, 두께 이외에 주름의 형태, 가공방법, 열처리 조건 등에 영향을 받는다.

(2) 액주식(MANOMETER)

액주식에 의한 압력 측정은 구조가 간단하고 취급이 용이하며 응답성 및 정밀도가 좋기 때문에

실험 실용, 교정용으로 널리 사용되고 있다. 그 형식으론, U 자관식, 경사관식, 단관식, 차압계식,

토리첼리관식이 있다.

1) 원리 및 구조

아래 그림은 U자관식의 원리를 설명하기 위한 한 예이다. 그림에서처럼 관경을 U자관의

형으로 구부려 그 속에 밀도가 "r"인 액체를 넣고 그것에 P ₁,P ₂인 압력을 가하면

양관에 액면 차 "h"가 생긴다. 따라서 아래 식으로 나타낼 수 있다.

이 액주 차를 읽음에 따라서 압력을 알 수 있다.

단, 주의할 점은 압력을 가할 때 양측의 액면 높이가 변화하기 때문에 필히 좌우의 액면을

읽어 두어야 한다.

2) 적용 및 특성

① 측정범위:5~2, 000mmH₂O

② 특징:

(i) 정도(精度)가 높아 탄성식 압력계의 교정용으로 사용된다.

(ⅱ) 미압, 진공, 차압을 정밀 측정할 수 있다.

(ⅲ) 금판을 상, 하로 이동시켜 영점(Zero)조정을 행할 수 있다.

③ 사용시 주의할 점 :

(ⅰ) 동이나 먼지가 많은 곳은 피하고, 수직으로 설치한다.

(ⅱ) 차압을 측정할 경우에는 한 쪽 유리관에 고압 측을 다른 한 쪽에는 저압 측을

연결하여야 한다.

(ⅲ) 사용액은 淸潔한 것을 사용한다.

(iv) 정밀한 측정을 요할 경우에는 온도변화에 따라 밀도의 변화 측정 장소에 따른

중력의 차이, 모세관 형상 등에 대해 보정이 필요하다.

(3) 사이펀(Syphon)의 사용 목적

압력계의 주위온도가 상온(常溫)이면 400℃ 과열 증기에서도 4 ~ 5M정도의 도관으로 온도의

영향을 막을 수 있다. 120℃이상 인 경우 계기 보호를 위해 사용한다.

(4) 중추식

1) 기준분동식

압력 Balance, 압력시험기, 중추형 기준압력계등으로 불린다. Pascal의 원리를 이용해서

측정 하는 압력계

※ Pascal의 원리

(5) 전기식

1) 스트레인 게이지(Strain Gauge)

① 원리 및 구조

2) 정전용량 (Capacitance)형

① 원리 및 구조

S:극판 면적 정전용량은 극판 면적 S와 극판과의 거리 d에 따라 달라지므로, 압력에 의해

극판이 좌.우 혹은 상.하로 움직이게 되면 정전용량이 변화되므로 압력을 알 수 있다.

위와 같은 원리를 이용하여 압력계를 제작하는 대표적인 회사는 Rosemount사이다. 정전용량과

유사한 원리로써 압력에 따라 자기 저항(Reluctance)이 변화하는 것을 이용한 가변

자기저항형 이 있으며 매우 적은 측정범위 0 -0.75mbar정도에 좋은 특성을 갖고 있다.

그림 5.6 정전용량형 구성도

3) 인덕턱스 형 (Inductive)

① 원리 및 구조

인덕턴스 방식은 차동 트랜스의 Core가 압력크기에 응하여 변위함으로서 코일의 1차측 L

。, L₂의 결합율이 변화하여 2차측 L 。,L₂에는 변위에 비례한 출력이 얻어지는 것이다.

인덕턱스 L은

L:n² Gu

n : 코일이 감김 횟수

G : Geometric Form Factor

u : Effective Permeability of the Medium

이므로 세가지 Parameter n,G,u를 변화시켜 변위를 측정 할 수 있다.

그림 5-6 Inductive Tranducer의 종류를 나타내었다. Inductive Transducer는 주위의

절연물질에 영향 받지 않는 장점이 있으나 외부 자기장에 의해 영향을 받는다. (a)의

Single Coil은 선형적 변위가 아니며 전력소비가 작고 Inductance 변화량이 크므로 주로

Rediometry에 응용된다. (b) 의 Mutual Inductance Transducer는 두 개의 코일이

분리되어 있으며 2차 코일에 유도된 전압은 코일의 Geometry, 1차, 2차 코일의 감긴 횟수,

인가전압의 크기에 따라 변한다. 또한 이 전압은 비선형으로 출력 주파수를 최대로 하기

위해서는 2차 코일에 공진현상이 일어나도록 주파수를 선정해야 한다. (C)의 LVDT(Linear

Variable Differential Transformer)는 압력, 변위, 힘 등의 측정에 널리 사용된다. 1차

코일 (a -b Terminal)과 직렬 연결된 두 개의 2차 코일 (c-e, d-e Terminal)로

구성되었고 넓은 범위에서 선형성을 유지하기 위해 2차 코일은 1차 코일과 반대로

연결하였다. 1차 코일 60Hz-20kHz의 주파수로 자극되면 2차 코일에 전압이 유기된다.

출력전압 Vcd = Vce - Vde 이다.

4) 전기저항

형

(Resistive)

① 원리 및 구조

저항 변화를 이용하는 센서에서 금속 저항재료를 이용하는 것과 반도체 저항재료를

이용하는 것이 있으며 온도에 의해 변하므로 온도보상을 필요로 한다. 금속저항

재료로는 저항 온도계수가 적고 스트레인 강도가 큰 합금을 이용하거나 온도범위가 70

·이하일 경우에는 애드번스(Advance), 콘스탄탄(Constantan)을 이용한다. 반도체

저항재료로는 게이지율이 높고 안전성이 좋은 실리콘이나 게르마늄의 피에조

저항효과(Piezoresisvity)를 이용하여 압력센서를 만든다. 압전저항효과는 응력을

인가하였을 때 물질의 저항이 변하는 현상을 이용한다. 압력, 힘, 가 속도 측정용으로

널리 사용되고 있다.

보통 합성된 결정체를 사용하여 감도를 높이고 있으며 압력변화가 없는 계통에서는

에러가 많 아 압력 변화가 심한 계통에 주로 사용한다. Gould사에서 개발한 것은

수정진동자를 이 용한 것으로, 얇은 판의 상하에 진동자를 각기 설치하고 고유의

진동주파수로 진동 할 때 압력이 가해지면 다이아프램이 변위를 일으키고 그 변위는

진동자가 붙어있는 판에 가해져 서 주파수의 차이가 발생되므로 이 차이를 측정하면

압력을 알 수 있다.

5) 압력 Sensor의 전망 압력측정분야에서 일반적으로 말할 수 있는 것은 최근의 기술혁신의

흐름이다. [경박단소]화는 압력 센서에도 꼭 들어맞는 바이다. 즉, 반도체, 박막소자화.

Digital 또는 주파수 출력에 따른 연산부와의 Matching 등이다. 실리콘 Diaphragm 상에

Gauge를 형성한 Type, 또한 최근엔 광 파이버에 의한 압력 센서연구가 한창이다.

압력신호를 전기가 아닌 빛으로 검출하여 전송할 수 있다면 압력측정 현장과 같은 그다지

전자 환경이 좋지 않은 곳에서는 큰 장점을 발휘하는 것이라 생각된다.