PRESSURE INSTRUMENT

1. 압력

 

1.1   정의

단위면적 당 힘의 크기.

 

1.2   기준

절대압력 -- 완전한 진공상태를 0이라고 하고 이것을 기준으로 측정한 값 (반드시 단위 끝에 abs를 첨자)

게이지압력 -- 대기압을 기준으로 한 값

절대압력 = 대기압 + 게이지압력

 

1.3   상태

 

1.3.1  Steady Pressure

압력 변화가 매초 1% FS 또는 매분 5% FS 이하의 압력상태

1.3.2  Fluctuating Pressure

압력 변화가 매초 1% FS 또는 매분 5% FS를 넘는 압력상태로 변화에 주기성이 없는 상태

1.3.3  Pulsating Pressure

압력 변화가 매초 1% FS 또는 매분 5% FS를 넘는 압력상태로 변화에 주기성이 있는 상태

 

2.   Pressure Element

 

2.1   Manometer  

 

2.1.1  원리

Liquid Head에 의한 중력과 균형이 되게 하여 미지의 압력을 측정.

 

2.1.2  용도

차압이나 Liquid Head의 측정에 사용됨. 아직도 진공에서 1000 mmHg 까지의 압력 측정에는 Standard로 삼고 있다.

 

2.1.3  Manometer에 사용되는 유체

비중(1.0~13.6), 비부식성, 안정되고 독성이 없으며 측정할 유체와 섞이지 않는 액체.

 

2.1.4  특성

장점

         - 精度가 높아 탄성식 압력계의 교정용으로 사용

         - 구조가 간단하고 내구성이 있으며 취급이 용이

         - 미압, 진공, 차압을 정밀 측정 가능

단점

         - 휴대하기가 곤란하고 사용 시 Leveling이 필요

         - 진동이나 먼지가 많은 곳은 곤란, 반드시 수직 설치

         - 온도, 밀도의 변화, 측정 장소에 따른 중력 변화, 모세관 현상에 대한 보정 필요

2.1.5  Two Basic Designs

1)   Liquid Manometer

간단한 구조, 경제적이고 신뢰성이 있다.

A. Visual Type : 정압, 혹은 압력이 낮을 때 사용

       Liquid Barometer - 다른 기구의 기준과 대기압 측정용

       U-Tube- 차압 측정용

                    Well Manometer - 0점 조정 가능

                    Inclined Manometer - 정확도가 좋음

 

B. Float Type : 고압, 원격지시가 필요할 때 사용

원리 : 차압에 비례한 Float의 운동에 의하여 지시 및 remote readout이 가능하게 한다.

적용 : 과거 remote signal이 필요하고 process material이 위험성이 있고 압력이 높을 때 널리 이용되었으나 현재 다른 압력 Sensors로 대치되고 있다.

 

2)   Liquid-Sealed Manometer

원리 : 차압이 Bell에 작용하여 readout mechanism을 움직이기에 충분한 힘으로 증폭시킨다.

Range : 1 inch 이하 ~ 15 inch H2O

특성 : Self-powered Design, 큰 Output을 나타내나, 움직이는 부분이 많아 더 많은 maintenance를 필요로 하고 초기 설치비가  높고, 부식성, 온도 및 화학반응에 약하여 Plugging이 문제가 되는 곳에 쓸 수 없음.

 

2.2   Bourdon Tube

 

탄성변형요소로 알려진 Pressure Sensor중의 하나로서 가장 널리 이용되고 있다.

 

2.2.1  특성

장점

         - Low Cost, 간단한 구조, 긴 수명, 높은 Pressure Rang

         - 낮은 압력을 제외하고 Cost에 비해서 높은 정확성

         - 전기적 출력을 얻기 위한 Transducer Design에 쉽게 적용됨.

단점

         - Spring의 변화율이 작고 50 psi이하에서는 정확도가 떨어짐

         - 큰 Overhang으로 인한 Vibration과 Shock를 받기 쉽고 Hysteresis

즉 되돌아 올 때 같은 Path를 통해서 원래의 위치로 되돌아 오지 않는 현상이 일어나기 쉽다.

 

2.2.2  Types

1)   C-Type Bourdon

Tube에 압력이 가해지면 Tube가 밖으로 퍼지려는 경향을 가지게 되고 이 힘으로 인하여 pinion이 움직이므로 pointer가 움직이게 된다.- 전형적인 Force Balance Transmitter

Indication용으로 주로 이용되고 압력 전송과 제어에 많이 이용된다.

2)   Spiral Type Bourdon

C-type Free-End Movement가 필요한 운동을 할만큼 충분히 크지 못할 때 이용됨. 큰 운동을 얻을 수 있으므로 증폭은 필요 없음.

3)   Helical Type Bourdon

Pointer는 Connection Link에 의해 Shaft로 부터 구동된다.

Spiral Type보다 더 큰 증폭을 가짐. 높은 압력에 Service될 수 있다.

 

2.2.3  재질

Tube재질 : Process의 Fluid압력, 온도 및 부식성 등에 따라 선택.

낮은 압력과 비부식성의 service에는 Phosphor Bronze가 적합.

부식성과 높은 압력 -- SS, Monel이 이용 가능.

   

2.3   Bellows

 

2.3.1  원리

Bellow를 수압 소자로 하여 피측정 압력과 Bellow의 유효 면적과의 관계에서 발생하는 힘과 Spring의 종합 탄성에서 얻어지는 변위를 중개 하여 압력 측정

 

2.3.2  특성

Bourdon에 비해 출력이 크므로 저압에 적합

Bourdon에 비해 정밀도가 높다

Drift와 Hysterisis를 감소시킴.

 

2.3.3  적용

절대압력, 게이지압력, 차압측정에 이용. Pneumatic System 의 Receiver와 Controller의 Receiver Element에 가장 많이 사용.

 

2.3.4  재질

Brass, Phosphor bronze, Beryllium Copper, Stainless steel, Monel

 

2.4   Diaphragm

 

2.4.1  원리

Bellow와 비슷, 압력이 Diaphragm에 전달되면 그 Pressure에 비례해서 팽창하게 된다. Bellow에서 처럼 Calibration된 Spring은 필요 없다.

 

2.4.2  특성

Botton Diaphragm이 15,000 psig까지 쓰이는 것을 제외하고 일반적으로 감도가 높기 때문에 낮은 압력 범위에서 이용된다. 큰 변위에 대해서 hystersis를 발생하기 쉬우므로 확대기구 설치 요구 됨

 

2.4.3  재질

Phosphor bronze, SS, Ni-span C, Inconel, Monel, Hastelloy, Nikel

부식성이 강한 곳 -- Buna N Rubber, Nylon, Teflon, Kel-F

 

2.5   Electronic Type

 

2.5.1  특성

Cost가 비싸지만 다른 Element보다 매우  반응시간이 빠르고 정확성이  높으며 Drift, Friction, Hysteresis현상들이 없다.

 

2.5.2  Electric Devices

1)   Strain Gauges

측정압력에 의한 Strain(가해진 힘에 의해 재료의 형태가 변형 되는 것)하에서 Wire의 전기 저항의 변화를 측정하는 것( Bonding Material이 팽창, 수축에 대한 온도 보상이 필요 ). 압력 이외에 Torque, 무게, 속도, 가속도 측정에도 이용됨.

 Type :

a. Bonded Gauge - 장력, 압축에 모두 적용 가능

b. Unbonded Gauge - 장력에만 적용되며 측정할 수 있는 변위를 만들기 위해 필요로 하는 힘은 Member의 Additional Stiffness때문에 Bonded Gauge가 Unbonded Gauge 보다 큼.

Wire재질 :

Gauge Factor, 저항, Gauge Factor의 열계수(Thermal Coefficient), 저항의 열계수 및 안정성 등이 고려되야 함.

 

2)   Other Electrical Type

LVDT ( Linear Variable Differential Transformers )

- 가장 널리 쓰이는 Electrical Type.

- Sensor 의 움직임으로 인하여 Ferrite Disc의 위치를 변화 시킴으로써 발생하는 기전력의 변화를 측정.

 

Variable Relucrance Type

Process 압력이 Diaphragm에 작용하여 두개의 Ferrite Core사이의 거리를 변화시킴으로써 발생하는 Inductance  Ratio의 변화를  측정하여 최종적으로 전압의 변화를 측정

Pressure Unit뿐만 아니라 차압 측정에도 이용됨.

Diaphragm의 변화가 미세하므로  증폭이  필요함.

 

Variable Impedence Type

Pressure Unit뿐만 아니라 차압 측정에도 이용됨.

 

Capacitance Type

Process 압력 변화에 따른 탄성체의 운동으로 인해 생긴 두 Plates사이의 전기용량의 변화를 이용하여 압력 측정 응답 시간이 좋으며 온도  민감성 및 Hysteresis가 낮고 출력이 선형적임.

              

Piezoelectric Type

어떤 Crystalline Substance에 압력을 가할 때에 생기는 압전현상을 응용하여 측정.

선형성이 좋고, 높은 주파수에서 응답이 좋으나 온도 변화에 민감.

 

2.6   기타 압력 측정 방법

 

2.6.1  Deadweight Piston Gauge

주로 다른 Pressure Sensor를 Calibration하는 Standard로서 사용됨.

 

2.6.2  High Vacuum 측정 기술

 

1)   McLeod Gauge

알려진 부피의 기체를 훨씬 조그만 부피로 압축하고  그 마지막 부피를 재서 압력을 측정한다(간헐적인 측정에만 사용). 1960년대 중반까지 절대 진공 측정에 표준으로 받아들여져 왔음.

 

2)   Ionization Vacuum Sensors

낮은 압력의 기체를 포함하는 Vacuum Tube에서의 전류의 흐름을 검출하는 것으로 기체 분자는 Filament에서 방전되어 Plate로 흐르는 전자 흐름에 의해 이온화 되며 Tube안에 있는 기체 압력에 비례하는 Plate 전류 흐름을 낸다. 정확성이 다른 측정에 비해 떨어진다.

 

3)   Thermal Vacuum Sensors

기체의 압력 변화가 기체의 열전도도의 함수라는 것을 이용하여 온도 변화를 측정.

Types : Thermocouple Type, Resistance Wire Detector