압력 전송기의 유형

압력 트랜스미터의 간단한 자기소개

출력이 표준 신호인 압력 센서인 압력 트랜스미터는 압력 변수를 입력받아 그에 비례하는 표준 출력 신호로 변환하는 기기입니다. 로드셀 센서가 감지하는 기체, 액체 등의 물리적 압력 매개변수를 표준 전기 신호(예: 4-20mA DC 등)로 변환하여 표시 경보기, 기록계, 레귤레이터 등과 같은 보조 기기에 측정 및 표시, 공정 조절을 위한 기능을 제공합니다.

압력 전송기의 분류

일반적으로 우리가 이야기하는 압력 송신기는 원리에 따라 구분됩니다.
정전용량형 압력 트랜스미터, 저항식 압력 트랜스미터, 유도식 압력 트랜스미터, 반도체 압력 트랜스미터, 그리고 고주파 측정용 압전식 압력 트랜스미터 등이 있습니다. 그중 저항식 압력 트랜스미터가 가장 많이 사용됩니다. 정전용량형 압력 트랜스미터는 로즈마운트 3051S 트랜스미터를 대표적인 고급 제품으로 꼽습니다.

압력 전송기는 압력에 민감한 부품에 따라 금속, 세라믹, 확산 실리콘, 단결정 실리콘, 사파이어, 스퍼터링 필름 등으로 구분할 수 있습니다.

• 금속 압력 트랜스미터는 정확도는 낮지만 온도의 영향이 적고, 온도 범위가 넓고 정확도 요구 사항이 낮은 지역에 적합합니다.
• 세라믹 압력 센서는 정확도는 높지만 온도의 영향을 더 많이 받습니다. 세라믹은 내충격성과 내식성이 뛰어나 반응 분야에 활용될 수 있습니다.
• 확산 실리콘은 압력 전달 정확도가 매우 높고 온도 드리프트도 크기 때문에 일반적으로 사용하기 전에 온도 보상이 필요합니다. 또한, 온도 보상 후에도 125°C 이상의 압력은 측정할 수 없습니다. 그러나 실온에서 확산 실리콘의 감도 계수는 세라믹의 5배에 달하므로 고정밀 측정 분야에서 일반적으로 사용됩니다.
• 단결정 실리콘 압력 트랜스미터는 산업 현장에서 가장 정확한 센서입니다. 확산 실리콘의 업그레이드 버전이며, 가격 또한 높아졌습니다. 현재 단결정 실리콘 압력 센서 분야에서는 일본의 요코가와가 대표적입니다.
• 사파이어 압력 트랜스미터는 온도 변화에 민감하지 않으며 고온 조건에서도 양호한 작동 특성을 보입니다. 사파이어는 매우 강력한 방사선 저항성을 가지고 있으며, PN 드리프트가 없습니다. 최악의 작동 조건에서도 정상적으로 작동할 수 있으며 신뢰할 수 있습니다. 고성능, 우수한 정확도, 최소 온도 오차 및 높은 전반적인 비용 대비 성능을 제공합니다.
• 스퍼터링 박막 압력 센서는 접착제를 포함하지 않아 점착성 스트레인 게이지 센서보다 장기 안정성과 신뢰성이 더 높습니다. 온도의 영향을 덜 받아 100°C 온도 변화 시 영점 드리프트가 0.5%에 불과합니다. 또한, 확산 실리콘 압력 센서보다 온도 성능이 훨씬 우수하며, 일반적인 부식성 매체와 직접 접촉할 수 있습니다.

다양한 유형의 압력 송신기의 원리

• 용량성 압력 송신기의 원리.

압력이 측정 다이어프램 표면에 직접 작용하면 다이어프램은 미세한 변형을 발생시킵니다. 측정 다이어프램의 고정밀 회로는 이 미세한 변형을 압력과 여자 전압에 비례하는 매우 선형적인 전압 신호로 변환합니다. 이 전압 신호는 전용 칩을 사용하여 산업 표준 4-20mA 전류 신호 또는 1-5V 전압 신호로 변환합니다.

• 확산 실리콘 압력 송신기의 원리

측정된 매체의 압력은 센서의 다이어프램(일반적으로 316L 다이어프램)에 직접 작용하여 다이어프램이 매체의 압력에 비례하는 미소 변위를 발생시키고, 센서의 저항 값이 변화하며, 휘트스톤 회로로 이를 감지합니다. 이러한 변화는 압력에 해당하는 표준 측정 신호로 변환하여 출력합니다.

• 단결정 실리콘 압력 송신기의 원리

압저항 압력 센서는 단결정 실리콘의 압저항 효과를 이용하여 제작됩니다. 단결정 실리콘 웨이퍼는 탄성 소자로 사용됩니다. 압력이 변하면 단결정 실리콘은 변형을 발생시키고, 이에 직접 확산된 변형 저항은 측정된 압력에 비례하는 변화를 발생시키며, 이에 상응하는 전압 출력 신호는 브리지 회로를 통해 얻어집니다.

• 세라믹 압력 트랜스미터의 원리

압력은 세라믹 다이어프램의 전면에 직접 작용하여 다이어프램에 미세한 변형을 유발합니다. 후막 저항은 세라믹 다이어프램 후면에 인쇄되어 있으며, 바리스터의 압저항 효과로 인해 휘트스톤 브리지(폐쇄형 브리지)에 연결됩니다. 이 브리지는 압력과 여자 전압에 비례하는 매우 선형적인 전압 신호를 생성합니다. 일반적으로 공기 압축기의 압력 측정에 사용되며, 세라믹이 더 많이 사용됩니다.

• 스트레인 게이지 압력 트랜스미터의 원리

가장 일반적으로 사용되는 스트레인 게이지 압력 트랜스미터는 금속 저항 스트레인 게이지와 반도체 스트레인 게이지입니다. 금속 저항 스트레인 게이지는 시험편의 변형률 변화를 전기 신호로 변환하는 일종의 감응형 장치입니다. 와이어 스트레인 게이지와 금속 호일 스트레인 게이지 두 종류가 있습니다. 일반적으로 스트레인 게이지는 특수 접착제를 통해 기계적 변형 매트릭스에 단단히 접착됩니다. 매트릭스에 응력이 가해지면 저항 스트레인 게이지도 변형되어 스트레인 게이지의 저항값이 변하고, 저항에 인가되는 전압도 변합니다. 스트레인 게이지 압력 트랜스미터는 시중에서 비교적 드뭅니다.

• 사파이어 압력 트랜스미터

사파이어 압력 트랜스미터는 변형 저항 작동 원리를 사용하고, 고정밀 실리콘 사파이어 감도 부품을 채택하고, 전용 증폭 회로를 통해 압력 신호를 표준 전기 신호로 변환합니다.

• 스퍼터링 필름 압력 송신기

스퍼터링 압력 감지 소자는 마이크로일렉트로닉스 기술로 제작되어 탄성 스테인리스 스틸 다이어프램 표면에 견고하고 안정적인 휘트스톤 브리지를 형성합니다. 측정 대상 매체의 압력이 탄성 스테인리스 스틸 다이어프램에 작용하면 반대편의 휘트스톤 브리지는 압력에 비례하는 전기 출력 신호를 생성합니다. 스퍼터링 필름은 내충격성이 우수하여 유압 장비와 같이 압력 충격이 빈번한 경우에 자주 사용됩니다.

압력 전송기 선택 시 주의사항

• 송신기 압력 범위 값 선택:

먼저 시스템에서 측정된 압력의 최대값을 구합니다. 일반적으로 최대값보다 약 1.5배 큰 압력 범위를 가진 트랜스미터를 선택하거나, 정상 압력 범위를 압력 트랜스미터에 적용해야 합니다. 정상 범위의 1/3~2/3를 사용하는 것도 일반적인 방법입니다.

• 어떤 종류의 압력 매체:

점성 액체나 진흙은 압력 포트를 막을 수 있습니다. 용매나 부식성 물질이 이러한 매체와 직접 접촉하는 트랜스미터 내부 재질을 손상시킬 수 있습니까?
매체와 접촉하는 일반 압력 트랜스미터의 재질은 316 스테인리스 스틸입니다. 매체가 316 스테인리스 스틸에 부식성이 없다면 기본적으로 모든 압력 트랜스미터는 매체의 압력 측정에 적합합니다.
316 스테인리스 스틸에 부식성이 있는 매체인 경우, 화학적 밀봉을 사용하고 간접 측정 방식을 사용해야 합니다. 실리콘 오일이 채워진 모세관을 사용하여 압력을 유도하면 압력 트랜스미터의 부식을 방지하고 수명을 연장할 수 있습니다.

• 송신기에 필요한 정확도는 얼마입니까?

정확도는 비선형성, 히스테리시스, 비반복성, 온도, 영점 오프셋 스케일, 그리고 온도에 의해 결정됩니다. 정확도가 높을수록 가격이 높아집니다. 일반적으로 확산 실리콘 압력 트랜스미터의 정확도는 0.5 또는 0.25이며, 정전용량형 또는 단결정 실리콘 압력 트랜스미터의 정확도는 0.1 또는 심지어 0.075입니다.

• 송신기의 프로세스 연결:

일반적으로 압력 트랜스미터는 파이프나 탱크에 설치됩니다. 물론, 일부 압력 트랜스미터는 유량계와 함께 설치 및 사용됩니다. 압력 트랜스미터는 일반적으로 나사산, 플랜지, 클램프의 세 가지 설치 형태가 있습니다. 따라서 압력 트랜스미터를 선택하기 전에 공정 연결부도 고려해야 합니다. 나사산이 있는 경우 나사산 사양을 확인해야 하며, 플랜지의 경우 공칭 직경의 플랜지 사양을 고려해야 합니다.

압력 트랜스미터 산업 소개

전 세계 약 40개국이 센서 연구 및 생산에 참여하고 있으며, 그중 미국, 일본, 독일이 센서 생산량이 가장 많은 지역입니다. 이 세 나라가 전 세계 센서 시장의 50% 이상을 차지합니다.

현재 우리나라의 압력 트랜스미터 시장은 성숙 단계에 접어들어 시장 집중도가 높습니다. 하지만 에머슨, 요코가와, 지멘스 등 외국 기업들이 주도적인 위치를 차지하고 있습니다. 유명 브랜드 제품들이 시장 점유율 약 70%를 차지하며 중대형 엔지니어링 프로젝트에서 절대적인 우위를 점하고 있습니다.

이는 중국이 조기에 "기술 시장" 전략을 채택한 데 따른 후유증으로, 중국 국유기업들은 큰 타격을 입었고 한때는 실패의 늪에 빠져 있었습니다. 하지만 동시에 중국 민영기업을 대표하는 일부 제조업체들이 조용히 등장하여 더욱 강해지고 있습니다. 중국의 미래 압력 트랜스미터 시장은 새로운 미지의 영역으로 가득합니다.