압력 센서는 가스나 액체의 기계적 압력 변경을 전기 신호로 변환합니다. 가장 일반적인 유형의 압력 센서는 압전 저항 원리, 정전식 감응 원리 또는 압전 원리를 기반으로 합니다.
압력 센서는 어떻게 작동합니까?
압력 센서는 압력 작용에 의한 멤브레인 변형을 통해 압력을 측정합니다. 이러한 변형은 다양한 센서 기술을 통해 전기 신호로 변환되고, 처리되며, 압력 종속형 프로세스의 모니터링 및 제어 장치를 위해 외부 장치로 전송됩니다. 압력 측정은 공정 기술에서 기계와 시스템의 모니터링 및 제어를 위해 가장 자주 사용되고 가장 중요한 기술입니다. Baumer는 압력 센서의 광범위한 사용 분야를 위해 다양한 포트폴리오를 제공합니다.
압력 센서는 여러 개의 주요 구성요소로 구성되어 있습니다. 압력 센서의 구조에는 압력 변경 시 변형되는 멤브레인, 입력 개구부가 있는 감압 기록 영역, 다양한 센서 요소(예: 압저항형, 정전식 감응형 또는 압전형), 증폭 및 신호 처리를 위한 신호 처리 유닛, 보호 하우징, 그리고 외부 장치와의 연결에 사용되는 전기 및 기계식 연결부. 이 구성요소들은 함께 작동하여 다양한 사용 분야를 위한 정확한 압력 측정이 가능하도록 합니다.
기본적으로 서로 다른 원리에 기반하는 다양한 종류의 압력 센서가 있습니다.
저항성 압력 센서는 재료에 기계적 작용이 가해질 때의 전기 저항 변경을 통해 압력을 측정합니다.
압전 압력 센서는 압력이 가해질 때 압전 재료의 전하를 이동시켜 전압을 발생시킵니다.
정전식 감응 압력 센서는 멤브레인 변형으로 인해 발생한 커패시터의 정전식 감응 변경을 감지합니다.
유도형 압력 센서는 자기 코어나 멤브레인이 움직일 때 코일의 인덕턴스를 변화시켜 압력을 측정합니다.
홀 요소가 포함된 압력 센서는 압력 변경을 측정하기 위해 홀 효과를 이용합니다.
MEMS 압력 센서는 압력 측정을 위해 실리콘 칩의 미소 기계적 구조를 이용합니다.
Baumer는 널리 사용되는 저항성 압력 센서 및 압전 압력 센서를 전문으로 하고 있습니다. 여기에서 Baumer 압력 센서를 확인할 수 있습니다.
압력 측정 기술
절대 압력
절대 압력은 완전한 진공에 대한 상태 압력이며, 이로 인해 항상 양의 값을 가집니다. 파스칼(Pa), bar 또는 Psi(abs)와 같은 단위로 측정됩니다. 측정은 진공을 기준으로 사용하는 센서에 의해 이루어집니다. 빈번하게 사용되는 센서는 압력 측정을 위해 멤브레인의 변형이나 전기 특성의 변경을 이용하는 MEMS 센서, 정전식 감응 센서 및 압전 저항항 센서입니다.
일반적인 적용 분야
절대 압력에 따른 물리적 절차 모니터링 및 제어(예: 멸균기 또는 오토클레이브의 증기 압력)
상대 압력은 현재 기압을 기준으로 측정되며 양의 값이나 음의 값을 가질 수 있습니다. 파스칼(Pa), bar 또는 Psi(게이지)와 같은 단위로 기재됩니다. 상대 압력 센서는 정기적으로 보정해야 하며 압전 센서 및 정전식 감응 센서와 같은 다양한 기술을 사용하여 압력차를 전기 신호로 변환합니다. 이 센서 중 많은 센서에는 레퍼런싱을 위한 환기구가 있습니다.
차압은 시스템 내 두 지점 간의 압력차를 측정하며 양의 값 또는 음의 값을 가질 수 있습니다. 파스칼(Pa), bar 또는 Psi와 같은 단위로 측정되며 정전식 감응 및 압전 압력 센서와 같은 다양한 센서 기술을 사용합니다. 차압 센서는 외부 환경 조건에 덜 종속적이며 정기적인 보정을 필요로 합니다. 차압 센서는 두 개의 별도 센서로 차압을 측정할 수도도 있습니다. 이는 차압 생성을 위해 컨트롤러에서 두 개의 신호를 처리함으로써 가능합니다.
반도체 재료에서는 특정한 저항 변화와 그로 인한 신호의 변화가 결정 구조에서 전자의 일정하지 않은 이동성으로 인해 발생합니다. 이동성은 기계적 부하에 의해 영향을 받습니다. 스테인리스 스틸 멤브레인(캡슐)을 통해 민감한 실리콘 칩과 공정 매체가 분리됩니다. 내부 압력 전달을 위한 전달 유체로는 각 용도에 따라 파라핀 또는 실리콘 오일이 사용됩니다.
반도체 재료에서는 특정한 저항 변화와 그로 인한 신호의 변화가 결정 구조에서 전자의 일정하지 않은 이동성으로 인해 발생합니다. 이동성은 기계적 부하에 의해 영향을 받습니다. 스테인리스 스틸 멤브레인(캡슐)을 통해 민감한 실리콘 칩과 공정 매체가 분리됩니다. 내부 압력 전달을 위한 전달 유체로는 각 용도에 따라 파라핀 또는 실리콘 오일이 사용됩니다.
압력 저항 실리콘 기술이 적용된 트랜스미터는 높은 측정 정확성과 장기 안정성을 특징으로 합니다. 완전하게 용접된 하우징으로 인해 내구성이 우수하며 폭발 위험 영역에서도 사용할 수 있습니다(ATEX).
압력 센서는 특히 높이가 0,5m부터인 정수압 레벨 측정과 같이 작은 측정 범위에도 적합합니다.
본체는 세라믹 모노릴스로 구성되며 그 멤브레인의 뒷면에는 저항이 인쇄되어 있습니다. 주변 기압 이 면에서 기준 압력으로 작용합니다. 이로 인해 원칙상 상태 압력 측정만 가능합니다. 세라믹 측정 셀은 우수한 장기 안정성 및 내부식성을 특징으로 합니다. 세라믹은 공정 컨넥션에 용접할 수 없기 때문에 매체 분리용 실링 필요합니다. 세라믹 후막 기술에서는 4개의 저항이 휘트스톤 브리지에 연결됩니다. 저항에는 가압 상태에서 멤브레인 중심에서는 가장 큰 팽창을, 가장자리 영역에서는 가장 큰 압축이 발생합니다. 세라믹 셀의 경우 이 멤브레인은 동시에 매체에 대한 분리 멤브레인입니다. 내부 전달 유체가 필요하지 않습니다.
측정 층은 엷은 세라믹 멤브레인 디스크와 세라믹 본체 사이에 있습니다. 멤브레인이 구부러지는 데 필요한 공간은 의도적으로 생성된 거리에 의해 형성됩니다. 이를 통해 형성된 체적은 주변 압력으로 환기되거나 소제될 수 있습니다. 이를 통해 상대 또는 절대 압력의 측정이 가능합니다. 세라믹 측정 셀은 우수한 장기 안정성 및 내부식성을 특징으로 합니다. 세라믹은 공정 컨넥션에 용접할 수 없기 때문에 매체 분리용 실링 필요합니다. 세라믹 후막 기술에서는 4개의 저항이 휘트스톤 브리지에 연결됩니다. 저항에는 가압 상태에서 멤브레인 중심에서는 가장 큰 팽창을, 가장자리 영역에서는 가장 큰 압축이 발생합니다. 박막 셀의 경우 이 멤브레인은 동시에 매체에 대한 분리 멤브레인입니다. 내부 전달 유체가 필요하지 않습니다.
본체는 스테인리스 스틸로 구성됩니다. 저항 구조는 포토리소그래피에 의해 형성됩니다. 박막 측정 셀은 최고 압력 및 버스트 압력에 대한 탁월한 저항을 특징으로 합니다. 쇼크나 진동이 클 경우에도 극도로 높은 압력을 신뢰할 수 있게 측정할 수 있습니다. 금속 박막 기술에서는 4개의 저항이 휘트스톤 브리지에 연결됩니다. 저항에는 가압 상태에서 멤브레인 중심에서는 가장 큰 팽창을, 가장자리 영역에서는 가장 큰 압축이 발생합니다. 박막 셀에서 측정 막은 동시에 매체로 분리되는 막입니다. 내부 전달 유체가 필요하지 않습니다. 멤브레인 뒷편에서 진공을 형성하는 데에는 구조적으로 많은 비용과 노력이 필요하기 때문에 보통 박막 기술은 상대 압력 측정을 위해서만 제공됩니다.
온도 종속성 및 온도 공차
압력 센서의 정확도는 환경 및 매체 온도의 영향을 매우 많이 받습니다. 각 센서의 온도 공차는 다양한 온도에서의 센서 정확도를 규정합니다.
표준 측정 오류 및/또는 최대 측정 편차는 일반적으로 20 °C인 기준 온도를 기준으로 기재됩니다. 그러나 센서는 일반적으로 20 °C 또는 일정한 온도에서 작동되지 않습니다. 이는 표준 측정 오차 및 최대 측정 편차에 영향을 미치며, 이로 인해 값들이 악화될 수 있습니다.
따라서 기준 온도(예: 20 °C)에서 벗어난 작동 조건에서는 표준 측정 오차 또는 최대 측정 편차를 반영해야 합니다. 작동 온도가 기준 온도(예: 20 °C)를 벗어나면 초기 정확도가 높지만 더 높지만 불안정한 센서보다는 초기 정확도가 낮지만 온도가 안정적인 센서가 선호됩니다.
최대 측정 편차의 온도 종속성
온도 종속성 및 다양한 초기 정확도, 파란색: 매우 안정적인 Baumer 압력 센서, 회색: 경쟁사의 예시, 파란색 점선: 초기 정확도가 약간 낮은 매우 안정적인 Baumer 압력 센서
오류 정보
Baumer는 최대 "오류 정보"를 규정합니다. 즉, 통계상 센서의 99,7%가 제원을 충족합니다. 경쟁사는 경우에 따라 제품의 32%가 제원을 충족하지 못하는 "일반 오류 정보"를 기재합니다.
장치 및 시스템의 멸균에는 고온 증기가 사용됩니다. 센서(PBMH 오트클레이브 가능) 등과 같이 작은 요소는 적절한 챔버(오토클레이브)에서 멸균될 수 있습니다. 대형 설치물의 경우 고온 증기를 장비를 사용해 끌어옵니다. 이는 "Sterilization in place"(SIP)로 불립니다. 멸균 공정 도중 센서의 신호는 대부분 평가되지 않더라도 센서는 이에 상응하게 견고하게 설계되어야 합니다. 예를 들어, 134 °C의 일반적인 온도와 3 bar 이상의 압력에서 해당 신(예: 30 min) 동안 견뎌내야 합니다. 압력과 온도는 물리적으로 직접 연결되어 있기 때습니다. 이는 포화 증기 곡선으로 표시됩니다.
온도에 따른 포화 증기의 압력
멸균 공정의 제어에는 Baumer 압력 센서 PBMx 및 PFMx가 가장 적합합니다. 이 센서들은 온도가 빠르게 변화할 때 정확한 값을 제공하여 압력을 통해 공정을 신뢰할 수 있게 제어하며, 이를 통해 상응하게 필요한 온도가 산출됩니다.
압력 범위의 정의
용어 및 관련 문맥 설명
정밀도: 다수 측정의 평균에 대한 개별 측정의 가능한 편차를 설명하며 분산으로 이해할 수 있습니다. 높은 정밀도: 분산이 적음, 낮은 정밀도: 분산이 큼
정확도: 다수 측정값의 평균값과 실제값 사이의 거리(Offset)를 설명합니다. 높은 정확도: 오프셋 작음, 낮은 정확도: 오프셋 큼
표준 측정 오차: 이 정보는 최소값 설정(Best Fit Straight Line, BFSL)에 의해 제공되며 정밀도(분산)를 설명합니다.
최대 측정 편차: 표준 측정 오차와 센서의 오프셋이 포함됩니다.
변환표
가장 일반적인 압력 측정 단위는 파스칼(Pa), 밀리바(mbar), 밀리미터 내수압(mmH₂O), 1평방 인치당 파운드(psi) 및 torr이 포함됩니다. 이 단위들 간의 변환은 아래 표에 나와 있습니다.
