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4.9. 압력센서
4.9.1.압력의 개념
물체(고체,액체,기체)내부 임의의 면에서 단위면적당 서로 다른 부분이
서로 미치는 힘을 어느 일면을 중심으로 다른쪽에 힘을 응력이라 하고,응
력은 면에 수직방향의 응력성분인 법선응력과 면에 접선 방향의 응력성분
인 접선응력이 있고 공학적인 측면에서 응력은 방향성을 갖는 벡터량이며
압력이라 하면 현상면의 단위 면적당 작용하는 법선 방향의 무 방향성의
스칼라량적인 힘으로서 정의한다.
또한 임의 그 면을 누르는 방향으로 작용하는 힘을 압력이라 하고,인장
시키는 방향으로 작용하는 힘을 장력이라 하는데, 이 압력과 장력을 총칭
해서 압력 또는 장력이라 부른다.
아래 그림에서 밀도가 일정한 정치된 액체라고 하면 그 면의 방향에 관
계없이 일정한 스칼라 량이다. 밀도가 일정한 정지 액체내에 임의의 어떤
점을 P1이라 하고, 그 점 보다 h 만큼의 낮은 다른점의 압력을 P2 라하면
P2 - P1 = g h 인 관계가 있다. 여기서 동일수면에 어떤 각점의 압력은
동일하다. 아래 그림에서 밀도가 높이에 따라 즉, 기체에서는 P2 - P1
= g dh 가 된다.
P2 - P1 = g h(액체),
P2 - P1 = g dh(기체)
: 유체밀도
g : 중력가속도
h : 높이의 차
P1, P2 : 서로 다른 압력
※ 중력가속도를 구하는 방법
) 기체의 압력
기체의 압력은 본질적으로 액체의 압력과 같으나 밀도가 액체에 비해
매우 작으며, 부피와 밀도가 절대 온도와 절대 압력에 따라 쉽게 변한다는
특성을 가지고 있다.
일반적으로 기체는 부피(V), 절대압력(P),절대온도(T)사이에 PV = nRT
관계식이 성립하는데 이식을 이상기체 상태 방정식이라 한다. 여기서 n 은
기체의 몰(mol)수이고, R은 8.31 J/mol K 이다.
밀폐된 용기안의 기체는 용기 전체를 차지하며 용기벽에 수직으로 작용
한다. 또한 액체와 마찬가지로 기체 속의 한 점에 있어서 작용하는 압력은
모든 방향에서 동일하다. 일반적으로 기체의 밀도는 작기 때문에 중력에
의한 힘이 작아 액체의 경우처럼 높이에 따른 압력차를 고려 하지 않아도
된다. 그러나 대기압과 같이 기체의 깊이가 매우 큰 경우에는 높이에 의한
압력효과를 고려해야 한다.
가) 보일샤를의 법칙
완전 기체에서는 온도가 일정할때 일정량 기체의 체적은 압력에 반비례
하는 보일(Boyle)법칙으로,기체체적을 V, 절대압력을 P로 하면, 이 법칙은
PV = Const 하다. 여기서 기체의 밀도를 라하면m v 이다.
( m은 기체의 질량으로 일정 )
따라서 P/Const 또는 P = Const 가된다 기체의 열팽창도 압력에
관계가 있다.고체 및 액체의 경우에도 팽창계수는 물질 또는 온도에 따라
다르다. 기체의 경우에는 압력이 일정할 때 그 팽창계수는 온도 및 물질에
관계없고, 온도 1 ℃ 올라감에 따라 체적의 1/273.15만큼 기체의 체적이
증가한다. 어떤 기체의 0 ℃때의 체적을 V0라 하고, t ℃때의 체적을 Vt라
하면 P = Const 에서 Vt = V0 (1 + 1/273.15.t) = V0( 1+ β.t)가 되는데
이 식을 샤를(Charles)법칙 이라 한다.
나) 토리체리 실험
이탈리아 물리학자 토리체리는 1643년 토리체리 실험이라고 불리는 실험
을 처음하여 대기의 압력을 눈으로 측정할 수 있도록 하였다. 즉, 관내에
진공인 상태에서 수은조에 꺼꾸로 세우면 관내의 수은주는 수은조보다 76
cm 위로 올라가는데 이는 대기압이 수은조의 단면을 누르는 압력과 동일한
것으로써 수은조의 수은면에 작용하는 대기의 압력은 관내에 상승되는
수은주 무게에 의한 압력이 같다는 것을 나타낸 것이다.
이 경우 시험관 상부에는 토리체리 진공이 되어서 압력이 존재하지 않는
관계로 시험관이 수은조 면에 압력이 작용하지 않는 것과 동일한 것이다.
이 실험에서 알 수 있듯이 대기의 압력을 액의 높이로 나타낼 수 있으며,
이때의 압력의 크기 P는 P = g h 가 된다.
여기서 P 는 대기압력, 는수은주밀도g/㎤ ), g는 중력가속도
(9.80665 m/s2), h 는 수은주 높이 이다.
다) 대기압력
기체의 압력중에서 대기압은 우리의 일상생활과 매우 밀접한 관계가 있다
지구주위는 중력의 영향으로 대단히 두꺼운 공기층을 형성하고 있다.
공기의 밀도는 매우 작지만 공기층의 두께가 대단히 두껍기 때문에 공기층
의 중력에 의한 대기의 무게는 지구 표면에 큰 대기압을 나타낸다.
토리체리실험에 의해 최초로 대기압을 측정하였다. 단면적이 1 ㎠이고,
길이가 1 m인 한쪽끝이 막힌 유리관 속에 수은을 가득 채우고 이것을 수은
이 가득 들어있는 그릇에 거꾸로 세우면 관 속의 수은은 76 cm까지 내려와
서 정지한다. 이때 유리관의 윗부분은 진공을 이루므로 공기의 압력이 없
으므로 대기압이 존재하지 않는데 이것을 토리체리 진공이라 한다.
유리관을 조금 기울이거나 또는 단면의 넓이가 변하여도 유리관이 담긴
그릇의 수은면에 대한 수은기둥의 높이 h는 항상 76 cm로 일정하다. 그릇
의 수은면을 기준으로 하여,유리관 안의 압력은 진공부분에서는 없고,단지
76 cm 수은기둥의 수은무게에 의한 것이며,관 밖의 압력은 대기압 Pa이다.
이것이 수은의 수평면을 기준으로 평행상태에 이를때 수은이 더이상 내려
오지 않고 정지하므로 Pa = Hgg.h 와 같으며 이것이 대기압의 크기이다.
따라서 1 atm = (0 ℃에서 수은 밀도) X (중력가속도) X (수은주 높이)
= 13.595 x 103 (kg/㎡) x 9.80665 (m/s2) x 0.76 m
= 1.01325 x 105 (N/㎡) = 1.01325 x 105 Pa = 1013.25 hPa
1기압은 단면적이 1 ㎠이고,높이가 76 cm인 수은주의 무게에 해당하므로
이것을, 같은 단면적의 물기둥으로 환산하면 수은 밀도가 물보다 13.595
배인 13.595 x76 = 1033.23cm가 된다. 따라서 한쪽이 막힌 판에 물을 채우
고 거꾸로 세울때 관의 높이가 10.33 m 이상이 되지 않으면 물은 물은 내
려오지 않는다.반대로 모타가 없는 펌프로 물을 끌어 올릴 수 있는 깊이는
10 m 이내이다.
다음으로 대기압은 지표로 부터의 높이에 따라 어떻게 변하는가를 보면
은 지상으로 부터의 높이 올라가면 대기압은 점차 감소한다.
압력과 밀도와의 관계는 서로 비례관계가 있으므로 다음식이 성립한다
국제도량형 총회에서 1960년 승인 채택된 SI 국제단위계 중 압력 단위는
뉴톤 매 평방미터( N/㎡)를 채택하였으나, 1971년 파스칼(Pa)을 압력의 단
위로 국제단위계로 현행 사용하고 있다. 따라서 1 Pa의 크기는 1기압의 1/
101.325로서 정의되어 있다. 이 크기는 공기중 약 8.5 cm의 압력차에 상당
하는 작은 값이므로 실용상 단위가 복잡하여 아직도 파스칼을 98066.5 배
해서 kg/㎠ 단위계로 환산, 종래의 단위계와 관계 사용하고 있다.
1 kg/㎠ = 98066.5Pa = 98.0665kPa = 0.0980665 MPa ≒100kPa ≒0.1 MPa
또한 관계상 종래로 부터 사용 되어온 압력 단위 및 단위 관계들은 아래
표와 같으며, 표를 읽는 방법은 가로축( →을 먼저 읽고,세로축( ↑을
읽는다.
① 1 bar = 105 N/㎡ = 105 kg.m/s2 = 105 Pa
② mmH2O = mmAQ = mmWG = mmWs = mmWC
③ Psi = Lb/in2 = 0.07030 kg/㎠ (1kg/㎠ = 14.2233 Psi)
④ Torr = mmHg = 1.35951 x 10-3 kg/㎠ = 13.595 mmH2O
1) 압력의 분류
압력은 시간적 변화의 유무에 따른 분류로 정압, 변동압, 맥동압 등으로
나눌 수 있으며, 그 기준점 0을 어떻게 정하느냐에 따라 절대압(Absolute
Pressure), 상대압(Gauge Pressure), 차압(Differential Pressure) 등으로
분류한다.
가) 시간적 변화
① 정압
변화가 없는 압력 또는 1초당 압력계의 최대 압력의 1 %를 넘지 않는
변화의 순시 속도를 가지는 압력이거나 1분당 최대 압력의 5 %를 넘지
않는 압력을 말한다.
② 변동압
1초당의 시간적 변화가 정압의 한계를 넘거나, 압력계의 최대 압력의
1 ∼ 10 % 사이에서 변동하는 압력으로 주기성이 없이 불연속적으로
증감되는 압력이다.
③ 맥동압
1초당의 시간적 변화가 정압 한계를 넘는 것으로,압력계의 최대 압력의
1 ∼ 10 % 사이에서 변동하는 압력으로 주기성이 있는 압력이다.
나) 압력 기준치
① 절대압
지구 위도 45°해면상에서 온도 0 ℃ 조건으로 수은주 0 mmHg에 해당
되는 압력 상태를 즉,진공을 완전 진공 또는 절대진공 이라 하며,이 완전
진공을 기점으로 해서 측정되는 압력이다. 여기서 완전 진공은 밀폐되어
있는 용기안에 기체 분자가 하나도 없거나 기체분자의 운동에너지가 0인
상태를 말한다.
절대단위로 압력을 표현할 때에는 Absolute Pressure의 약자로 량을
표현하는 수치와 단위 끝에 반드시 "abs" 를 붙여 주어야 한다.
② 게이지압 (상대압)
표준대기압을 기준점 0으로 하여 측정되는 압력으로써,공업적으로 측정
되는 압력은 주로 게이지압으로 표시되고 있다. 즉, 지구위도 45°해면상
에서 온도 0 ℃ 조건으로 수은주 760 mmHg에 해당되는 압력상태를 기점
으로 해서 측정되는 압력이다. 게이지압을 표현 할때에는 절대압과 달리
Gauge Pressure의 약자의 " G"를 생략한다.
③ 차압
임의 서로 다른 압력중 어느 한쪽을 기준으로 다른 압력과 차이 압력을
차압이라고 한다. 주로 사용이 되는 것은 차압식 조리기구에 의해 발생된
차압으로 유량을 검출시 많이 이용된다. 차압을 표시하는 방법으로 ΔP
(P2 - P1)로 표시한다.
2) 압력계 선정
압력계라 하면 압력을 측정기로서 그 정도에 따라 1차 및 2차 압력계가
있고, 압력단위의 정의에 따라서 직접 계기눈금이 정해진 압력계로 액주형
1차 압력계가 있으며, 액주형 압력계는 실험실에서 현장용 2차 압력계를
교정하는 표준급이다.
① 측정압력의 종류(정압,동압,맥동입,진공압,차압등) 확인
② 측정유체의 물리적(온도,점도,농도등)및 화학적(부식성,독성,폭발성등)
성질을 확인
③ 목적 또는 용도(표준용,현장용,지시,기록,원격 전송등)을 확인
④ 측정위치 및 주위조건
⑤ 측정정도(현장용은 주로 1.0급(±1.0 %)이상, 표준급은 1.0급 미만
으로 0.5, 0.3, 0.2, 0.1급 등) 확인
⑥ 측정시간 즉, 공정변수 변화에 따른 계기의 추종, 응답속도 또는 지연
시간등을 확인
⑦ 측정 범위의 확인
㉮ 사용 압력이 100 kg/㎠ 이상의 고압인 경우에는 사용 압력의 2배
사용 압력이 100 kg/㎠ 이하인 경우에는 사용압력의 1.5배의 계기를
선택한다.
㉯ 사용압이 맥동압또는 변동압일때는 2배,정압인 경우는 사용압력의
1.5배의 계기를 선정하여야 한다.
⑧ 식품공학또는 산소용은 반드시 "USE NO OIL"이 명시된 것을 선택한다.
4.9.2.압력의 측정방법
압력계라고 하는 것은 주로 유체 압력을 측정하는 것에 사용되어지는
계기의 총칭으로서 대기의 압력 측정에 사용되는 기압계외에 여러 종류의
압력계 즉, 액체 압력계 탄성 압력계, 분동식 압력계등 특히 고압에 대해
서는 기체압력계, 전기저항 압력계등이 있으며, 저압에는 진공계,압력차를
검출하는 차압계, 미압에 대해서는 미압계등이 있다.
그러나 초기 압력계로는 U자관형 압력계(액주형 압력계)가 이용 되었으며,
압력의 절대 기준으로는 지금도 사용되고 있는 수은주형이 대부분이었다.
액주형 압력계은 제작상 문제점인 압력의 변화에는 민감하나, 원거리간
전송기구의 부착에 어려움, 측정치의 원격 지시, 전송의 문제, 기계적으로
약하고 취급상 문제로 기계적 기구가 부착된 압력계가 19세기부터 연구되
기 시작하여 19세기 중엽 부르돈과 샤퍼에 의해 고안한 압력계는 현재의
압력계 기본형식을 결정한 것이다. 부르돈의 압력계는 금속관굴곡을 이용
하였고, 샤퍼의 압력계는 금속박판의 변형을 이용한 것이었다.
최근의 압력계를 크게 구분하면,압력을 측정하는 장치,예를들면 액주형
마노메타, 분동식 압력계, 탄성식 압력계등을 들수 있으며, 또다른 하나는
압력변환기로서 역학적 변환요소로 쓰는 부르돈관, 다이야프램, 벨로우즈
등이 있고, 전기적 변환요소인 스트레인게이지, 전기용량형, 압전형, 인덕
텐스형, 전위 차계형 등이 있다.(표참조)
가. 액주식 압력계
일반적으로 투명 Glass 관을 이용하여 Glass관 내부 액체를 충진시키고
미지 압력을 가할때 관내부 액의 Level이 변화하고 이 변화된 액의 위치
를 측정함으로 압력을 구하는 압력계이다. 임의 관경 Glass관 내부 단면
적상에 임의 높이의 액주가 있다면, 액주 저면에 작용하는 힘은 단면적당
받는 힘(F)에 의해
P = F/A = W/A = mg/A = ρ.V.g/A. = ρ.A.h.g/A = ρ.h.g [Pa]
위식에서 ρ.g가 측정중에 일정하다면 압력 P와 액주 높이 h와는 비례
관계를 가지므로 압력은 액주의 높이를 정확히 측정하므로 가능하다.
일반적으로 실용되어 있는 것으로 U자관형, 단관형, 경사관형이 있다.
구조는 다른 압력계에 비해 간단하고 구조적인 오차 발생적고, 고장이
적으며, 정확성이 높은 장점이 있다. 그러나 온도 영향을 민감하게 받고
액체와 유리관벽의 오염에 따른 오차의 발생, 측정범위의 제약이 있다.
액주형 압력계에 사용할 액체를 선정하고자 할 때,고려 사항은
① 측정범위와 측정 정밀도에 적합한 밀도를 가지는 액체
② 점도가 낮고, 유리관에 달라붙지 않는 액체
③ 증발하기 어려운 액체
④ 온도 변화에 따른 밀도의 변화가 작은 액체
⑤ 냄새나 독성이 없고 관을 부식시키지 않는 액체
⑥ 액면측정이 용이한 액체
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액주높이를 측정하고자 할때, 액체 물질에 따라 읽는방법이 서로 다르므로
액면을 측정할때 주의를 요한다. 수은은 액면이 위로 볼록하고 물이나 기름
은 액면의 경계선이 아래로 오목한 상태가 된다. 따라서 수은을 읽을때는
위를 읽고, 물이나 기름은 아래 오목한 부분을 읽어야 오차를 줄일수 있다.
나. 탄성식 압력계
부르돈관(Bourdon -Tube) 압력계
1) 측정원리
탄성식 압력계는 수압부에 탄성체를 사용해서 측정하고자 하는 압력을
가했을때 가해진 압력에 비례하는 단위 압력당의 변형량을 아는 상태에서,
이에 대응된 변형량만을 측정함으로써 압력을 구하는 방법이다.
탄성변형을 압력계에 이용되는 것으로 부르돈관,다이야프램,벨로우즈등
이 있으며, 이와같은 수압소자를 이용, 압력계 제작시는 압력변화에 따른
극히 미세한 탄성변형을 일반적으로 링크기구,레바,피니언등의 기계적구조
로서 확대하여 지시,기록,전송,전기적 변환등을 행하며, 이러한 의미에서
탄성식 압력계는 기계적인 압력계로 2차 압력계이다.
부르돈관은 1852년 프랑스 부르돈에 의해 발명된 것으로 타원형및 평원
형을 갖는 튜브를 한쪽에 고정시킨 다음 개방시켜 압력을 가하고,다른쪽은
밀폐자유단으로 하여 압력에 따라 변위를 발생시키도록 한 것이다.
부르돈관의 측정원리는 그림에서와 같이 부르돈관에 압력이 가해지면 부
르돈관 단면에 있어서의 가로측 2a는 2a'로서 수축하고, 세로측 2b는 2b'
로 팽창하여 즉, 원형에 근사한 변형이 일어나고 이러한 각 단면의 변형
적산치가 길이방향으로 나타나 자유단을 선 팽창시키고 부르돈관이 압력을
가하기 전 권각 θ에서 선팽창은 자유단 중심축 접선 방향과 그 법선 방향
양방향의 벡터의 합으로 압력을 가하면 굴곡변형이 나타난다.
C형 부르돈관은 180∼ 270°의 곡률각을 갖고 있으며, 변형된 것으로 U형
과 J이 있다.나선형(Spiral type)은 보통 4∼8회 감은 것으로 곡률반경은
감은수에 따라 증가하며, 관의 중심선은 한 평면상에 있고 관끝의 이동을
크게한 것이다. 헬리칼형(Helical Type)은 C형을 여러번 감은 것으로 보통
1800∼3600°의 전체각을 갖고 있고, 변형 형상은 C형과 비슷하며 관끝의
이동은 C형보다 크게 나타난다. 헬리칼형의 중심선은 한 평면상에 있지
않지만 곡률반경은 일정하다. 비틀림형은 부르돈관을 길이방향으로 비틀은
것으로 비틀린 회수는 2∼ 6회이며, 관의 중심선은 길이방향으로 직선이다.
압력에 따른 부르돈관 운동의 정확한 해석은 매우 복잡하며, 현재까지
완전한 이론식은 확립되어 있지 않다. 그러나 다음과 같은 실험식을 이용
하여 사용하고 있다.
2) 압력계 원리
부르돈관의 측정원리는 Linearity Link와 Span Link에서 확대된 변위
즉, 압력계 Link 구조의 선형 변위가 Sector 와 Pinion이 동축으로 연결
된 지점의 위치를 변위시켜 눈금판 상에 그 지시치를 판독함으로써, Inlet
hole에 가해진 미지의 압력을 구하게 되는 것이다. Hair spring은 압력
소거시 지침이 zero 위치로의 복원을 위한 복원력을 주고 있다.
헬리칼형 부르돈관은 끝 단에 거울이 부착되어 있어 압력을 받은 관이 θ
각도만큼 돌아가면 미세전류가 0이 될때까지 광 센서가 움직이고, 이때의
량은 기어를 통하여 카운터에서 측정된다. 부르돈관은 저압보다는 고압용
압력계 제작에 사용되며, 장단점 비교는 다음과 같다.
) 부르돈관의 구조
부르돈관의 단면형상은 여러 가지가 고안되어 지고 있다. 아래 그림의
(a) ∼ (d)형은 저압(30 kgf/㎠) 또는 중압(200 ∼300 kgf/㎠)용 이고,
(e)∼(g)형은 고압(500 kgf/㎠)용으로 사용되어 지며, 실제로 사용되고
있는 평원형 부르돈관의 단면크기 및 두께에 따른 측정범위는 관 단면적과
측정범위는 비례관계를 가진다..
다이야프램(Diaphragm) 압력계
1) 측정원리
다이야프램 압력계는 고정시킨 환산형 주위단과 동일 평면을 이루고 있
있는 얇은 막의 형태(평판형,파형, Capsule형)로서, 가해진 미소 압력의
변화에도 대응된 수직방향으로 팽창 수축하는 압력 소자이다.
또한 그 압체를 분리하는 역할 및 가압체를 용기로 부터의 외부로 밀봉
시켜 주는 역할을 행한다. Diaphragm은 자신의 압력 변형특성을 이용하는
금속 다이야프램과 스프링 같은 탄성요소에 의해 지지되는 비금속 다이야
프램으로 크게 구분한다,
아래 그림과 같이 용도에 따른 다야프램의 종류를 나타낸 것이다. 평판
형은 비교적 저압용으로 사용되며 다이야프램의 강도를 높이기 위하여
동심원 물결모양을 만든다. 이 물결모양 무늬는 유압이나 기계적인 압축
으로 성형시킨다. 강도는 물결 무늬의 수를 증가시키고 깊이를 감소 시킴
으로서 높일 수 있다.
압력을 받았을때 다이야프램의 변형은 다이야프램의 직경,두께,물결
무늬의 형태와 수, 재질의 탄성 계수등에 의해 달라진다. 변형에 대하여
이론적으로 확실하게 정립된 것은 없고, 다음은 Capsule형의 실험에서 결
정되어진 식이다.
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가) 비금속 Diaphragm 응용
이상적인 비금속 Diaphragm 은 두께가 Zero이면서 다만 형상이 있는 막
으로서, 유한의 인장강성은 존재하며,전단감성 및 굴곡성은 Zero인 것이다
실제 사용시는 얇은 고무판상으로 사용하거나 그 표면에 포를 입혀서 사용
하며, 이때의 기포는 가압시 강도를 고무는 기밀을 유지하는 역할을 한다.
Diaphragm에 압력이 가해지면 Disc는 금속판이므로 그 면적에 작용된 압
력은 곧 힘으로 나타나고 고무막 부분에서는 팽창구를 형성하게 되며,이때
형성된 구로 인해 나타나는 힘은 구부를 중심으로부터 임의각 θ만큼 떨어
진 미소부분 dθ를 취했을때, dθ 1계의 응력 σ,구부 팽창각을 φ라고 하
면 수직 방향으로 나타나는 미소 힘의 원주방향으로 적산치가 발생된 힘이
된다. 즉 힘 F는 다음과 같이 구해지며, 사용하는 Diapragm의 두께는 0.2∼
0.3 mm 전후의 발신기용으로 부터, 3∼4 mm 전후의 Control Valve용 까지
이용된다.
2중 Diaphragm은 금속 Diaphragm으로서 대표적인 차압 전송기의 수압
소자이다. 내부 구조는 원형 파상관 2매를 고주파 가열 또는 아크용 접시
켜 기밀시킨 것으로 외경이 30∼50 mm, 판두께 0.1∼0.2 mm 정도이다.
감도를 높이기 위하여 두께를 얇게하고 면적을 증대시키는 반면 그 만큼
압력에 따른 파손 및 왜곡이 쉽게되는 이유로, Diaphragm 과 특성이 동일한
특성을 갖는 변형 정지판을 설치하여 변형정지판 사이공간에 Silicon oil을
충진시킨다.
Silicon Oil의 역할은
① 비압축성이므로 압력전달 지연을 적게한다.
② 고주파 잡음에 대한 완충역할을 한다.
③ 순간과대 차압또는 압력발생시 고점성이므로 고압측에서 저압측으로
세공을 통한 Oil 이동시 시간지연을 줌으로서 파손을 방지한다.
④ 열팽창계수가 작으므로 온도에 의한 팽창오차를 감소시켜 준다
다)격막식 압력계
특수화학적, 물리적 성질을 갖는 측정유체가 직접 부르돈관 내부에 가해
졌을때 부식등 부르돈관에 손상이 발생하는 경우 격막식을 사용한다.
격막식 Diaphragm의 사용이 필요한 유체로는 ①부식성이 강한 유체 ②고온
도의 유체 ③고점도의 유체 ④고형 부유물 포함된 유체 ⑤응고하기 쉬운
유체이다.
격막식 압력계는 건식과 습식으로 분류하고, 건식은 격막으로 부터 지시
부까지 기계적인 Link 기구를 이용 사용압력 변화에 따른 Diaphragm의
변위를 확대 지시하는 형이고, 습식은 Diaphragm의 압력 변화에 따르는
변위를 비압축성 액체로 전달, 부르돈 Tube에서 지시하도록한 형이다.
또한 건식 수압소자는 2중 Diaphragm을 사용하기도 한다.
습식에 있어서 사용봉입액 종류로는 물, 크리세린,에틸렌 크리세린,케로신
실리콘 오일,수은, 다이후로 오일등이다.
봉입액의 낙차는 격막부와 부르돈관과의 사이 수직 높이차와 봉입액밀도
와의 곱으로써 이때 낙차값은 가하는 압력에 관계없이 Zero점 교정을 행하
면 된다.
3) Diaphragm 압력계의 장,단점
가) 장점
① 수압면적이 커서 감도가 높고 저압측정이 용이하다.
② 가압구의 크기조정이 용이하고 점도가 높은 액체 및 고형물질을
함유한 압력측정에 적당하다.
③ 막의 형태이므로 비금속 재질에 있어서는 내식성 재질선택이 용이
하고, 금속재질에 있어서는 코팅등 내식표면처리가 가능하다.
④ 막의 고유진동수가 높으므로 응답이 신속하다.
⑤ 서로다른 액체사이 격막 역할을 행함과 동시에 소자로서 역할가능
⑥ 전기적 변환부를 사용 변위 변환을 전기적 출력으로 얻는다.
나) 단점
① 다른 탄성소자에 비해 변위가 작아 확대기구가 필요하다.
② 다른 탄성소자에 비해 히스테리시스, Creep 현상이 크다.
벨로우즈식 압력계
1) 측정원리
벨로우즈(Bellows)는 그 외주에 주름상자형의 주름을 갖고있는 금속박판
원통상으로 그 내부 또는 외부에 압력을 받으면 중심축 방향으로 팽창 및
수축을 일으키는 압력계의 일종이다.
벨로우즈는 압력에 따른 길이의 변화가 부르돈관이나 다이야프램 보다
커서 보통 저압측정에 많이 사용된다. 벨로우즈의 사용한도는 내압에 의해
서 결정되며, 내압증가를 위해 벨로우즈의 벽 두께를 증가 하여야 하나,이
것은 강성도의 증가를 가져와 선형도가 나빠지므로 보통 10 kg/㎠가 한도
이다. 그러나 선형도가 문제가 되지 않는 경우에는 내압을 200 kg/㎠ 까지
도 사용가능하다.
벨로우즈의 재질로는 황동,인청동,베릴륨동,스테인레스 스틸,모넬,니켈
등이 있으나, 황동이 가장 많이 쓰이는 재질이며, 인청동은 양호한 기계적
특성이 요구될때 사용한다. 부식성 유체를 사용할 때에는 모넬(Monel)이나
Silver를 사용한다.
벨로우즈는 주름,깊이,끝모양이 서로 다른 다양한 종류가 있으며, S형과
C형은 주로 고압에 사용하고, U형은 저압에 쓰인다. 벨로우즈의 내경과 외
경의 비는 1.3 ∼1.5 정도이나, 1.6 ∼ 1.9 정도의 깊은 주름도 있다.
벨로우즈의 유효단면적 Ae는 벨로우즈에 압력을 가했을때 발생하는 힘을
그때 압력으로 나눈것으로 정의되는데, 여러 가지 이론식이 있지만 다음의
식을 사용해도 된다.
벨로우즈 압력계 압력 측정범위 사양은 0.05 kg/㎠ 까지 이며,미소 압력
차압,절대 압력등의 측정 및 지시용 공기식 회로의 요소에 사용되고 있다.
그밖에 벨로우즈중 온도보상형 벨로우즈 차압계는 높은 정압하에서 미세한
압력차를 측정하도록 설게된 것도 공업용으로 사용되고 있다.
다. 전기식 압력계
스트레인 게이지(Strain Gauge) 압력센서
1) 개요
스트레인게이지는 1856년 Load kelvin에 의해 발견된 것으로 압력측정
에 이용되는 변환기는 접착형, 비접착형으로 두가지가 있으며, 그 원리는
동일하다. 즉,도선이 탄성적으로 늘어나면 그 길이와 직경이 변하여 도선
전체의 전기저항이 변화하는데, 스트레인 게이지는 이 원리를 이용한다.
따라서 다이야프램, 벨로우즈,부르돈관 같은 길이 변환장치와 스트레인
게이지를 결합하면 압력을 전기적인 신호로 감지할 수 있어 아래와 같은
특징이 있다
① 검출단,변환기,지시,기록계등과 측정장치와 분리
② 원격측정이 가능하다.
③ 정도 신뢰성이 양호
④ 소형이며, 응답성이 빠르다.
⑤ 출력치의 연산이 가능하다.
아래 그림은 다야프램에 많이 사용되는 스트레인 게이지이다.
그 밖에도 형태에 따라 스트레인 게이지를 가로 및 세로로 교차시켜 측정
하는 다축 저항선 게이지와 반도체형에 많이 사용되며, 두께가 얇은 박형
게이지도 있다.
2) 반도체 스트레인게이지
가) 개요
반도체 스트레인 게이지는 반도체 단결정으로 부터 일반적인 다이야몬드
절단 또는 초음파 절단을 통해,축 길이 1.2∼12 mm, 폭 0.1∼0.125 mm, 두
께 0.01∼0.0125 mm의 광축에 대해서 절출시킨 것인다. 즉,게루마늄 및 실
리콘 반도체에 존재하는 피에조저항효과를 이용한 벌크 게이지와 실리콘을
적당한 내열성의 베이스 상에 박막상으로 진공 증착시켜 사용하는 2종류가
있다. 일반적으로 사용하는 벌크게이지는 현재 IC 제조방법의 진보에 따라
그것과 동일한 방법으로 제조되는 것이며, 열확산에 의한 것임으로 확산형
이라고 칭한다.
이와 같은 반도체형 스트레인게이지는 저항선을 이용한 스트레인 게이지
와 비교할때, 장단점 보면은 장점으로는 게이지율이 50∼70배 정도 높다.
또한 게이지율을 ±값으로 얻을 수 있다.
단점으로는 저항 온도계수가 크고, 변형의 폭이 좁으며, 작은 반경의 곡면
에 접착시키기가 곤란하다.
반도체형 스트레인게이지는 용도에 따라 두가지로 분류한다.
① 측정하려는 장소에 게이지를 부착시켜 그 장소의 외력에 의해 발생하는
변위를 측정, 그것에 가해진 응력,변형등을 알기 위한 수단으로 사용하
는것. 예를들어 중량의 구조물, 기계등의 응력또는 강도를 측정,안정성
검출소자 | Type | 측정범위 (kg/㎠) | 정도 (% of FS) | 온도 사용한도 ( ℃ ) | 주파수 ( Hz ) |
부르돈관 및 벨로우즈 | 접착형 | 0∼ 0.7 0∼ 3500 | ± 0.25 | 120 | 300 2000 |
벨로우즈 및 다이야프램 | 비접착형 | 0∼ 0.003 0∼ 700 | ± 0.5 | -50 ∼120 | 270 10,000 |
벨로우즈 및 빔 경사도 | 접착형 | 0∼ 0.7 0∼ 175 | ± 0.25 | - | - |
Ring Type | 접착형 | 0∼ 1.75 0∼ 700 | ± 1.0 | -45 ∼95 | 1,500 |
다이야프램 | 접착형 | -1∼ 7 -1∼ 700 | ± 1.0 | -180 ∼3300 | 45,000 |
및 경제성을 고려한 설계시
② 기지의 정해진 치수 재료에 부착시켜 힘,하중,압력,가속도,변위 등의
물리량을 측정하는 검출단으로서 응용
정전 용량형 압력센서를 사용한 예를 보면은 현장에서 압력 또는 유량
검출을 위한 차압측정용으로 많이 사용되는 측정소자를 보면은 2개의 양측
금속다이야프램은 본체 중심부를 관통한 연결축에 연결되어 있고, 그 연결
축 중앙부에는 원판상 금속판인 가동전극이 있으며, 이 가동전극 양쪽에는
세라믹 소제의 고정전극이 있어 양 전극 사이의 정전용량을 발생하고있다.
압력이 다이야프램에 가해지면 양측 압력차에 의해서 이동 전극이 좌로
이동, 양측 고정전극의 좌측 용량은 증가, 우측은 감소됨으로서 이것을 측
정하면은 차압 또는 압력이 구해지는 것이다
① 출력비 ΔC/C가 큰 것으로써 감압 다이야프램과 고정전극의 간격은
0.15mm, 전극용량은 120 PF 정도이다.
② 측정범위가 진공압부터 500 kg/㎠ 정도로 광범위하고 사용차압 범위
내에서 다이야프램 변위는 0.1 ∼ 0.02 mm 정도이다.
③ Capsule 내부 고정전극, 가변전극은 평판구조이므로 비직선성 요소가
없고, 따라서 직선화 보정이 필요 없다.
④ 고신뢰성,고내구성을 갖고 있으며, Diaphragm 중심부는 온도보상을 한
설계로 온도변화에 의한 Zero점 이동을 방지한다
⑤ 방폭구조는 일반용, 본질 방폭용, 내압 방폭용이 있다.
압전식 압력 센서
1) 압전효과 개요
수정및 롯셀염등의 결정체는 특정한 방향으로 압력을 받게되면 자체내에
전압이 유기되는 성질을 갖고 있으며. 이와 같이 전압이 유기되는 현상을
압전효과라 한다. 이런 현상의 역상태로 결정체에 전압을 가하면 결정이
신축 기계적인 변형을 이르키는데 이는 압전효과의 반대현상으로 역압전
이라 하고 일반적으로 양 효과를 총칭해서 압전효과라 하고 있다.
압전형 압력 센서는 이러한 압전 효과를 이용하여 입력 압력에 대응된
전기적 출력을 얻을 수 있도록 설계된 것으로,압전체들은 외부의 여기전원
없이 사용되기도 하나 이 경우에는 출력신호가 작기 때문에 증폭이 필수적
이며 대부분 경우에는 외부전원과 연결하거나 또는 병렬로 압전체를 여러
개 연결하여 이용하고 있다.
측정매질에 따라 결정되는 일정한 주파수에서 압전체들을 동작시켜 압력
을 측정할 수 있는 출력은 발생전하인 Q인자에 따라 달라진다. Q 인자는
결정체에 평균적으로 저장되는 에너지의 싸이클당 발산되는 에너지의 비로
서 정의되며, 이 값은 결정체의 종류 및 부하 조건에 따라 변한다. 따라서
높은 감도를 갖기 위해서는 내부마찰에 의한 에너지손실이 가장 작은 결정
체를 사용하는 것이 필요하다, 실험치에 의하면 수정은 고주파용으로 적합
하며 적당한 처리를 하면 진공에서 Q값이 500,000 정도가 된다.
2) 압전형 압력센서의 응용
수정 및 압력 세라믹에 전극을 부착하고 기계적인 압력을 가해서 변형을
일으키면 결정의 표면에 전하가 발생 하는 것이 압전효과이고,역으로 결정
체에 전하를 주면 결정이 신축해서 기계적인 변형을 일으키는 것이 역압전
효과이고, 또한 역압전효과와 유사하면서도 가해진 전계의 2승에 비례하는
2차의 효과로서, 변형이 강유전체에서 발생하는 현상을 전왜효과라 한다.
실측시 종래의 계측 방법으로는 전극간의 발생전하를 정확히 측정하기
위해서는 압전체와의 임피던스 매칭에 따라 입력 임피던스가 높은 증폭기
를 사용해야 했고,이에 따라 완만한 변동 압력측정은 곤란한 문제가 있어
이를 개선하는 방법으로 발진자로 부터 교번 전압을 압전 세라믹 소자에
가하면 소자는 그 전압의 극성에 따라서 신축운동을 반복한다. 이때 가해
진 교번전압의 주파수는 물체가 갖고 있는 고유진동수에 일치하면, 소자는
공진함으로 소자에 흐르는 전류는 급격히 최대를 이루는 것이다.
즉, 외부 영향인 힘,압력에 따라서 가장 민감한 반을을 일으키는 상태에
이르게 되고, 외부로 부터 소자를 신장 및 압축시키는 방향의 압력을 가해
그 크기에 비례하여 출력전압이 증감하므로 이것을 이용하여 특정 압력을
구하게 되는 것이다.
응용되는 것으로서 압력 변환기와 디지탈 압력 측정 센서가 있다. 압력
변환기는 그림에서와 같이 압전소자 크기가 측정압력과 비례되며 출력전압
또한 커짐을 알 수 있다.
압력센서의 중추는 복합음차 진동차로서 압력 접속구를 통해 압력이 가해
지면, 복합 음차 진동자가 일정한 상태로 진동하고 있는 상태에서 내부의
다이야프램 유효면적과 작용힘이 축방향으로 발생,진동수가 변화하게된다.
디지탈 압력측정용 압전소자 특징으로서는
① 고정도로서 ± 0.2 ∼ 0.05 % 정도이다.
② 고분해능으로 0.0005 % 정도이다.
4.9.1 .Strain Gauge
Strain gage는 기계적인 미세한 변화(Strain)을, 전기신호로 해서 검출하는Sensor 이다. Strain gage를 기게나 구조물의 표면에 접착해두면, 그표면에서 생기는 미세한 치수의 변화, 즉 Strain을 측정하는 것이 가능하고, 그크기로부터 강도나 안전성의 확인을 하는데 중요한 응력을 알 수 있다. 최근 기계나 구조물에서는 안전에 대한 관심이 한층더 높아지고, 고온, 저온 등에서의 악조건에서 사용되는 기회도 많고, 또 경제성이나 성능면으로부터 는 경량화가 요구되어 지고, 서로 모순되는 이러한 조건을 만족시키기 위해서는 보다 고도의 설계기술이 요구되어 지고 있다. 이러한 설계검증을 위하여 응력측정의 중요성은 한층 높게되어 자동차, 항공기는 물론 교량, 땜등의 거대한 구조물에 이르기까지 Strain gage는 넓게이용되어지고 있다. 또Strain gage는 힘, 압력, 가속도, 변위, Torque등의 물리량을 전기신호로 바꾸기위한 Sensor의 수감 소자로도 응용되고, 실험, 연구뿐아니라 계측제어용으로도 널리 이용되고 있다. 이러한 Strain gage는 일본에서도 생산을 시작한지 40여년이 되었고 미국이나 유럽도 이보다 조금빠르게 생산을 했으며 우리나라는 현재 조금씩 개발이 되었으나 그신뢰성이나 시장이 형성되지 못하고 크게 생산을 못하고 있으나 향후를 내다보고 국내,외시장을 내다보고 자본력이 있는 중소기업에서 투자가 필요하다.
현재의 Strain gage기술은 풍부한 경험과기술을 바탕으로 다양한 환경에 대응하기 위해 많은 종류의 성능이 우수한 Strain gage를 제조하고 있다.
Strain gage의 원리
1.금속은 신축 하므로서 저항치가 변화한다.
Strain gage는 금속저항소자의 저항치 변화에 따라, 피측정물의 표면의 변형을 측정하는 것이다. 일반적으로 금속재료의 저항치는 외부로 부터의 힘에 따라 늘어나면 증가하고 압축되면 감소하는 성질을 가지고 있다.예를 들면 최초의 길이ℓ의 물체가Δℓ만큼늘어났다 하고 최초 R이었던 저항치가 ΔR만큼했다고 하면 다음과 같은 관계가 성립된다.
ΔR/R = Ks.ε
Ks는 Gage율 이고, Strain gage의 감도를 나타내는 계수이고, 일반용의 Strain gage에 이용되고 있는 동,니켈계,니켈과크롬계합금에서는 2에 가깝게 값이 되어 있다.
Gage는 Strain접착제로 피측정물의 표면에 붙혀서 사용한다.
Strain gage는 박판과선등이 저항재료를 격자상에 정밀까공해서 수지등의 BASE에 부착한 것이고 접착제로 피측정물에부착해서 사용한다. 피측정물에서 발생한 Strain을 Gage에 확실이 전달하기 위해서는 사용조건에 맞는 접착제를 바르게 선택해서 사용하는 것이 필요하다.
순간접착제를 사용해서 붙이는 예
Strain gage는 휘스톤 브리지회로를 구성하여 사용한다.
접착된 Strain Gage가 Strainε를 받은 경우에 발생하는 저항치변화는 극히작고 예를들면 Gage율이 2인Strain gage에 1000×10E-6의 Strain(1m길이의 재료가 1mm변화됐을 때의 Strain이고, 강재의 경우 약21Kgf/㎟의 응력에 상당)이 주어졌을 경우 저항치는 120Ω의 Strain Gage이고 ΔR은0.24Ω에 지나지 않는다. 이렇게 작은 저항치변화를 효율적으로 잘 전기신호로 전환시키기위해 Strain Gage는 통상 휘스톤 브리지 회로에 넣어서 사용한다. 이 경우 브리지회로를 꾸미기에 따라서 온도에의 영점이동을 제거하기도 하고, 측정하고 싶은 신호만을 얻을 수도 있다.
전기신호를 증폭해서 DATA를 얻는다.
휘스톤 브리지의 출력전압은 통상 극히 작기때문에 증폭기에서 1000~10000배로 증폭시켜야 읽을 수 있다. Strain측정기에는 이러한 기능이 포함되어있다. 시간적으로 Strain의 변화가 늦은 정Strain측정의 경우에는 통상측정치를 디지털로 표시시키기도하고, 프린터로 출력하기도 한다. 또 진동이나 충격등 시간적으로 빠른 현상을 다루는 동Strain측정의 경우에는 기록기에 한번기록한후 PC를 이용해서 DATA의 처리 해석을 수행하는 경우가 많다.
Strain gage의 종류
1)일반용 Gage
주로 금속재료의 상온부근에서의 Strain측정에 사용하는 것으로 판Gage와 선Gage가 있다. 판Gage는 두께가 μ단위의 저항판(주로 동,니켈계 합금)수지필름의 BASE에 접착시키고 포토에칭기술에 의해 가공되어 지기 때문에 치수가 정확하고 저COST의 제조가 가능한 이점을 가지고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 Gage는 거의다 이형식의 Gage이고 그종류도 용도에따라 다양하고 풍부하다. 특히 KWOWA의 KFG Serise의 판Gage는 BASE가 얇고 붙이기쉽고 내습성이 우수하기 때문에, 현장에서 응력측정에 적당하다. Gage붙인는 작업의 간략화를 위해 리드선이 부착된 Gage가 많이 이용된다. 선Gage는 Strain Gage보급 초기에 주로 사용되었고 직경 13~25㎛의 저항선(주로 동,니켈계 합금)을 격자상으로 가공해서 BASE에 부착시킨 것이고 현재는 콘크리트용등 일부에 사용되어 지고 있다.
2)반도체 Gage
실리콘등의 반도체의 단결정을 저항소자에 사용한 것으로서 Gage율이 일반용 게이지의 수십배이고, 미세한Strain의 검출이나 고감도 SENSOR의 제작에 적합하다. 또충격등 빠른현상을 계측하는 경우등 증폭기 없이도 측정이 가능하다. 그러나 온도영향이 크고, 출력의 직선성이 별로 좋지 않은등의 결점도 있다.
3)특수 Gage
일반용 Gage외에 있을 수 있는 용도에 부응하기 위하여 각종의 특수용도로 제조된 Gage이다. 그종류로는 잔류응력측정용 Gage/고온용 Gage/저온형 Gage/큰Strain Gage/복합재료,프라스틱용Gage/항자성용 Gage/BOLT축력 측정용 GAGE 등이 있다.
4)자기 온도보상형 Gage
Strain Gage는 통상 온도변화에 따라서 영점이 이동하는 성질을 가지고 있고, 이것이 측정오차에 큰원인이 된다. 당사의 Strain Gage는 거의가 자기 온도보상형 Gage로 되어있고, 이것은 적합한 선팽창 계수에 맞게 제어된 저항재료를 사용한 것이고, 적합재료에 접착된 경우에 온도에 따른 변화를 보면 자기온도보상 범위에 있어서 큰부분이 ±1.8×10E-6 Strain/℃이다.(단 2선 리드선Type의 Gage의 경우에는 리드선의 온도 여향이 있으므로 3선의 리드선Type을 권한다.)
Strain Gage식 변환기(센서류)
Strain gage식 변환기는 Strain gage를 힘→전기량의 변환의 원리를 이용하여 각종물리량 (하중,압력, 가속도,진동, 변위, Torque,등)을 전기적인 출력으로 변환하여 사용한다.
전기량출력은 측정목적에 맞게 각종 측정기기접속 사용하여 물리량을 표시, 기록, 제어할 수 있다. 변환소자에 Strain gage를 사용하기 때문에 변환기는 소형경량,기계적변위가 궁극적으로 작아지고 구조가 SIMPLE해서 직선성(Linearity)이 우수하다. 변환기 자체의 성능향상, 주위기술의발달, 자동화 기술등의 발달로 실험, 연구용으로 많이 이용되고 있다. Strain gage식 변환기에 는 압축, 인장등의 힘을 검출하는 LOAD CELL, 물,기름,공기등의 압력을 검출하는 압력변환기, 충격이나 진동가속도를 검출하는 가속도변환기 또 각종 시험기에 이용되는 변위변환기, 회전체의 비틀림 Torque검출을 위해 Torque검출기, 자동차시험용의 변환기, 토목, 건설용의 토압응력, 등의 많은 측정용 변환기들이 있다.
이러한 미세한 변화를 검출하기 위해 전기적으로 브릿지 회로를 사용. 즉, 평상시에는 전기적으로 평형이 유지되어 극히 미세한 전류를 흘려 보내다가, 어느 한쪽의 불균형이 발생하면(저항값 변화하면) 그쪽으로 전류가 흘러 이 전류의 흐름이 전압의 변화로 나타나 검출된다. 이때 저항 값의 변화는 스트레인에 의해서만 나타나지 않고 온도나 습도에 따라 변할 수도 있으 므로 이에 대한 보상이 반드시 필요하며, 로드셀의 좋고 나쁨의 기준이 된다.
로드셀은 하중을 가하면 크기에 비례하여 전기적 출력이 발생되는 힘 변환 기의 총칭으로 Strain Guage식 로드셀을 의미.
따라서 Strin Guage를 금속 탄성체에 점착 하고 그 탄성체에 하중을 가했을 때 탄성체의 Strain을 Strain gauge의 저항값의 변화로서 가해 진 하중의 크기에 비례한 전기적 출력신호를 얻을 수 있다.
로드셀의 종류
1) 기둥형 (Column Type)
ㅇ 원통형으로,
ㅇ 위에서 아래로 하중을 가하는 종류,
ㅇ 2장의 스트레인 게이지를 종,횡으로 부착하여 측정하는 방식,
ㅇ 대용량의 로드셀 제작에 용이하나, 정밀도가 낮으며, 비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의.
2) 환상형(Ring Type)
ㅇ둥근 원형의 내면에 4장의 스트레인 게이지를 부착한 형태,
ㅇ 원통형보다 정밀도가 높고 방향도 인장,압축형 모두 사용이 가능,
ㅇ대용량 및 소용량의 제작이 어렵다는 단점이 있다.
3) 휨형(Bending Type)
ㅇ사각 막대를 한쪽이나 양쪽을 지지하여 휘어지는 양을 측정하는 방식
ㅇ 부착이 용이하고, 정밀도가 높은 반면 대용량의 제작이 어렵고 구조상 밀봉하기 어려워 사용 환경의 제약을 받는다.
4) 전단형 (Shear type)
ㅇ 스트레인 게이지를 45도 방향으로 부착하여 전단응력을 측정하여 측정하는 방식으로 횡 하중측정이 좋고 내력이 강한 반면, 가공이 어렵다.
로드셀 선택요령
- 측정하고 싶은 하중이 정해지고, 저울 자체 무게 등이 정해지면 로드셀 용량을 선택, 무작정 큰 용량을 사용하면 미세한 측정이 어렵고 용량에 딱 맞는 로드셀을 선택하면, 예기치 않은 충격에 로드셀이 파괴되는 경우가 자주 있다.
일반적으로 다음과 같은 공식을 이용해서 선택한다.
L >= ((F1 x W1 + W2) * F2 x F3 ) / N
F1 : 충격계수 (1.1 - 1.5) 일반적으로 1.2
F2 : 하중 편심계수 (1.1 - 1.3) 일반적으로 1.2
F3 : 하중불균형 계수 (1점,3점지지식 : 1 , 4점지지식 : 1.2)
W1 : 부가 하중 (측정할 대상물의 최대 하중)
W2 : 초기하중(자중,저울 자체 무게)
N :사용할 로드셀 개수
ex) 총 5톤의 물건을 자중 1톤인 저울로 측정하려고, 4개의 로드셀을 사용할 경우는 ((1.3 * 5 + 1) *1.2 *1.2) / 4 = 2.7 톤 2,7톤 로드셀은 나오지 않으므로 3톤짜리 로드셀 4개를 사용하면 무난.
일반형 하중계(General Purpose Load Cell)
일반적으로 적용되는 용도는 주로 정적인(Static) 하중 혹은 준 동적인 하중의 변화치를 측정하는 용도로 많이 사용한다.
1) 측정 용량 : 작게는 수십 gram에서 크게는 수천 ton의 하중을 측정 할 수 있는 로드셀이 있다.
2) 적용 방식에 따라서 인장형, 압축형,
인장-압축 겸용의 로드셀이 있다.
3) Normal Output Sensitivy : +/-2mV/V
4) Normal Hysteresis : +/-0.02~0.1% FS
l Piezoresistive Strain Gage - 압저항효과. 그 변형율 ε에 대한 저항변화율 ρ의 크기를 게이지율 K= ρ/ε으로 나타내어 변환특성의 지표로 삼는다. 금속에서는 보통 K가 2정 도이지만 Si나 Ge와 같은 반도체결정에서는 힘을 가하는 방향에 따라 ±170정도의 게이지율을 나타낸다.
판다이어프램이 압력이 걸렸을 때의 표면의 응력분포를 나타내었다. 반경방향과 원주방향의 응력분포가 다이어프램의 중앙에서는 같은 값이나, 주변부에서는 양자의 차가 커진다. 반경방향의 변화량이 원주방향의 변화량보다 크다. 이 응력분포를 고려하여 strain gage를 배치시키고 bridge에 의해 이들의 차에 대한 정보를 얻는다. 반경방향의 게이지 R1, R3 의 변형률 쪽이 원주방향의 게이지 R2, R4의 변형률보다 크므로, 그 차를 그림처럼 Wheatstone bridge로 검출한다.
(Ex. 흡배기압, 연료분사압)
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