[제어] 압력 측정-기본 원리 및 이해

■ 압력 측정-기본 원리 및 이해

<참고자료>
한국계측제어기술교육센터 압력 교육자료

계장제어시스템_연학사

 

1. 압력의 정의 및 기준, 단위

 

(1) 압력의 정의 : 하나의 물체 내에 임의의 평면을 가상할 때, 또는 두 물체의 접촉면을 생각할 때, 그 면의 단위면적에 수직으로 작용하는 힘의 크기를 나타내는 것이다.

 

(2) 압력의 기준

가. 절대압력 (ABSOLUTE PRESSURE) : 절대진공을 기준으로 하여 측정하는 것이며, 10 kg/cm2 abs 와 같이 표시한다. 그리고 절대압력과

게이지압력과의 사이에는 “절대압력=대기압력+게이지압력”의 관계가 성립한다. 이와 같이 대기압력, 증기압력 등을 나타낼 때 사용된다.
나. 게이지압력 (GAUGE PRESSURE) : 대기압력을 기준으로 하여 측정하는 것으로, 산업상 넓게 사용되고 있다. 다른 압력과 구별할 필요가 있을 때는 예를 들면 10 kg/cm2 G 로 표시한다. 구별이 필요하지 않은 때는 단지 kg/cm2 로 표시한다.
다. 차압압력 (DIFFERENTIAL PRESSURE) : 진공, 대기압 이외의 압력을 기준으로 하여 측정하는 것으로 유량측정, 액면의 측정에도 응용된다. 예를 들면 kg/cm2 diff 와 같이 표시한다.

▲ 압력 기준

(3) 압력의 단위

가. Pa (PASCAL) : 1[m2]에 1[N]의 힘이 가해질 때의 압력을 1[Pa]이라 한다. 1pa=1N/m2
나. kgW/m2 : 1[m2]에 1[kgW]의 힘이 가해질 때의 압력을 말한다. 1[kgW]는 1kg의 질량에 9.80665m/s2의 가속도를 주었을 때의 힘의 크기를 말한다.
다. mH2O (수주미터) : 1mH2O=9806.65N/m2
라. mHg (수은주미터) : 1mHg=101325/0.76=13322.368N/m2
마. atm (기압) : 1atm=101325N/m2, 표준중력가속도 9.80665m/s2, 표준온도 0℃에서 수은주를 0.76m 높이로 올리는 기압을 표준기압이라고 하며 이를 1기압이라 한다.
바. torr : 1수은주 미리미터를 말한다. 1torr=1/1000mHg
사. bar : 1bar=100000N/m2

▲ 압력 단위

2. 압력 측정 계기의 종류 및 구조, 원리

 

(1) 계기의 분류
가. 용도에 따른 분류
- Pressure Gauge : 현장에서 직접 Indicating만 하는 Local 계기
- Pressure Transmitter : 현장의 측정된 Pressure를 전기나 Air Signal 변환하여 Control Room이나 기타 계기 Panel로 전송하는 계기
※ Pressure Transmitter는 Pneumatic Type과 Electric Type으로 분류된다
  - Pneumatic Pressure Transmitter: 측정된 Pressure 를 Air Signal로 변환/전송

  - Electric Pressure Transmitter: 측정된 Pressure 를 Electric Signal로 변환/전송
- Pressure Switch: 현장의 측정된 Pressure 의 Limit 를 두어 Set Limit 를 넘어서면 접점을 내보내는 계기

 

나. Sensing Element 에 따른 분류
- Bourdon Tube: 주로 1kg/cm2g 이상 상압에서 Pressure Gauge 용으로 가장 널리 사용되고 있는 Type 임
- Bellows Type : 주로 미압 ~ 상압중 PDI(Differential Pressure Indicator)용으로 사용됨
- Diaphragm Type: 주로 미압 ~ 상압 측정에 사용되며 Pressure Gauge 용으로는 주로 미압 측정용으로 사용되고, 일반적으로 Pressure
Transmitter의 Sensing Element 로 사용됨 미압 측정 Gauge 용 Diaphragm Type 은 Chamber Type 이라 함.

다. 기타 분류
- Diaphragm Seal type : 압력 측정 유체가 Viscous 하거나, Corrosive 할 때 Process Connection 에 Diaphragm이 연결되어 공정 유체가 직접 Pressure Element 에 닿지 않는 Gauge 및 Transmitter

 

(2) Sensing Element의 구조 및 원리
가. Bourdon Tube Type
푸르동관은 이음매 없는 청동, 인천동, 황동, 스테인리스 등 그밖의 베릴륨동, 모넬 등의 평평한 관을 원호 모양으로 굽혀서 그 한 끝을 고정한다. 그것에 내압을 걸면 단면은 원에 가까워지고 자유단이 외측으로 향해 변형된다. 관의 자유단 변위는 탄성 한계 내에서 내압에 비례한다. 변위는 보통 1~8mm정도이고 이것을 확대하여 지침을 움직인다. 부르동관은 C자형, 와권형, 나선형으로 분류되고 이들 중에서 C자형은 압력-힘 변환 소자로서 사용하는 경우도 있다.

 

나. Bellows Type

벨로스는 황동, 인천동 또는 스테인리스강 등의 얇은 파이프 외면을 다면 수축하여 만들어진다. 벨로스는 그 자체에도 스프링 특성을 가지고 있지만 압력-변위 변환 소자로서 사용할 경우에는 변환의 직선성을 양호하게 하기 위해 스프링과 조합하고 있다.

 

다. Diaphragm Type
 둘레 테두리 부분을 고정시킨 원형의 박판으로서 압력에 대한 탄성 특성을 양호하게 하고 또한 유효 면적을 늘리기 위해서 물결 모양으로 가공되어 있다. 압력 전송기에 사용되는 다이어프램 캡슐은 금속의 백 플레이트를 끼우고 두매의 다이어프램을 설치하고 있다. 백 플레이트에는 좁은 구멍이 있고 실리콘 오일이 봉입되어 있다. 이 실리콘 오일을 통해서 두 매의 다이어프램에 걸리는 압력이 전달된다. 좁은 구멍 속의 실리콘 오일에 의해서 압력 전달에 제동이 걸리고 기기 전체의 안정성이 증대된다.

 

(3) Pressure Transmitter의 측정 원리

압력전송기 및 차압전송기에는 많은 종류가 있지만 그 중에서 현재 사용하고 있는 것을 분류하면 2가지로 분류된다.

▲ 압력전송기 측정 원리

가. 공기식(Pneumatic) 압력, 차압전송기
Plant 운전시스템의 집중화, 통합화에서 전체적으로 감소되고 있으며, 방폭구역이나 Plant 의 계측기와 중앙제어실과의 신호의 연결이 필요하지 않은 장소등의 계측에 사용되고 있다. 측정원리는 역평형(FORCE BALANCE)식으로 압력 또는 차압에 의해 발생한 힘과 궤한요소에 발생시킨 힘을 평형시키는 것으로 하여 궤한요소에 가한 공기 압력을 측정하여 압력 또는 차압을 Indicating 하는 방식이다.

 

나. 전자식(Electric) 압력, 차압전송기

전자식 압력 전송기의 압력 Sensing을 위한 기본 Element는 기본적으로 Diaphragm을 사용하고 있다. 압력 또는 차압에 의해 발생한 Diaphragm의 변위를 Capacitance, Resistance, Inductance 등의 변화로서 추출되고, 이것을 변환증폭기를 통하여 통일전류신호(4~20 mADC)로 변환하여 전송하는 것이다.
최근에는 변화증폭부에 마이크로프로세서(µ-Processor)를 내장하여 원격설정이나 자기진단기능을 갖게한 고기능형도 나오고 있다. 일반적으로 전송기에 Smart Type이라 하여 Digital Signal을 발생시켜 Calibrator라는 설비를 사용하여 원격으로 Calibration 및 Scale Range 조정이 가능하다. 전자식 전송기(Electric Transmitter)는 최근 정전용량식과 반도체 왜형게이지식의 두가지 방식으로 집약되고 있다. 정전용량식은 전극간의 간격변화에 의한 정전용량변화를 이용한 것이고 반도체 왜형 게이지식은 반도체를 왜형시키면 그 내부저항이 변화하는 피에조 (Piezo) 저항효과를 이용한 것이다.