NI DAQ와 압력 센서로 압력 측정하는 방법

 

압력이란?

압력은 액체가 자신의 주변에 가하는 단위 영역 당 힘으로 정의됩니다.

예를 들어, 압력 (P)은 힘 (F)과 영역 (A)의 함수로 나타납니다.

 

P = F/A

기체가 가득찬 용기에는 용기의 벽을 지속적으로 부딪히는 셀 수 없이 많은 원자와 분자가 있습니다.

압력은 이같은 원자와 분자가 용기의 단위 면적에 가하는 평균 힘을 나타낸 것입니다.

또한, 압력은 용기의 벽에서 측정되어야 할 필요가 없으며, 그 대신 한 면의 단위 면적당 힘으로 측정됩니다.

예를 들어, 기압은 공기가 지구 표면을 미는 공기의 무게를 함수로 나타낸 것입니다.

따라서 고도가 증가할수록 압력은 줄어듭니다. 이와 유사하게 스쿠버 다이버 또는 잠수함이 해저 깊은 곳으로 내려가면 압력은 증가합니다.

압력의 SI 단위는 파스칼 (N/m2)이지만, 보편적으로 사용되는 다른 압력 단위로는 psi (Pounds Per Square Inch), atm (기압), bar (바), mHg (수은주 미터), mH2O (수주미터) 등이 있습니다.

압력 측정은 정적 또는 동적으로 설명할 수 있습니다. 어떤 운동도 일어나지 않는 경우의 압력을 정적 압력이라고 합니다. 정적 압력의 예로는 풍선 안의 압력 또는 그릇 안의 물을 생각할 수 있습니다.

흔히 유체가 운동하면 주변에 적용되는 힘이 변경됩니다. 이같은 압력 측정을 동적 압력 측정이라고 합니다.

예를 들어, 풍선 안 또는 물 그릇 바닥의 압력은 공기가 풍선 밖으로 나가거나 물이 그릇 밖으로 쏟아지면 변하게 될 것입니다.

수두압 (Head pressure)(또는 pressure head)은 탱크 또는 파이프 안의 액체의 정적 압력을 측정합니다. 압력 수두 (P)는 그림 1과 같이 액체의 높이 (h)와 측정되는 액체의 중량 밀도 (w)만을 다루는 함수입니다.

                                                               그림 1. 수두압 (Head Pressure) 측정

스쿠버 다이빙을 할 때 압력은 다이버의 입수 깊이와 해수의 밀도 (64 lbs/cu. ft)를 곱한 값입니다.

스쿠버 다이버가 해저 33피트를 다이빙하면 신체의 매 평방 피트 마다 2112 파운드의 물이 닿게 됩니다.

이를 환산하면 14.7 PSI가 됩니다. 흥미로운 사실은 해수면에서 공기의 기압 또한 14.7 PSI 또는 1 atm라는 사실입니다.

따라서, 물 33 피트는 공기 5 마일에 달하는 압력을 생성하게 됩니다! 해저 33피트를 다이빙하는 스쿠버 다이버에 대한 총 압력은 공기및 물의 중량 때문에 발생하는 압력을 합한 것으로, 29.4 PSI 또는 2 atm입니다.

압력 측정은 측정 유형별로 더욱 자세히 설명됩니다. 압력을 측정하기 위한 세 가지 방식은 절대압 측정, 게이지압 측정, 차압 측정입니다. 절대압 측정은 진공을 기준으로 상대적인 값을 측정합니다. (그림 2)

흔히, 절대압을 표기할 때 약자로 PAA (Pascals Absolute) 또는 PSIA (Pounds per Square Inch Absolute)가 사용됩니다.

                                                                         그림 2. 절대압 센서

게이지압은 주변 기압에 대한 상대적인 값을 측정합니다. (그림 3)

절대압과 유사하게, 게이지압을 설명할 때 약자로 PAG (Pascals Gauge) 또는 PSIG (Pounds per Square Inch Gauge)가 사용됩니다.

                                                                  그림 3. 게이지 압력 센서 

차압은 게이지압과 유사하지만, 주변 기압을 기준으로 상대적인 값을 측정하는 것이 아니라 특정 기준 전압을 기준으로 합니다. (그림 4) 또한, 차압을 설명할 때 약자로 PAD (Pascals Differential) 또는 PSID (Pounds per Square Inch Differential)가 사용됩니다.

                                                                            그림 4. 차압 센서

압력 센서

압력을 측정할 때 반드시 측정되어야 하는 조건, 범위, 물질이 매우 다양하므로 압력 센서 디자인에는 여러가지 유형이 있습니다. 흔히 압력은 변위와 같은 중간 형태로 변환됩니다.

그 후 센서는 변위를 전압 또는 전류와 같은 전기 출력으로 변환합니다. 이같은 형태의 압력 트랜스듀서의 가장 일반적인 세 가지 형태는 스트레인 게이지 트랜스듀서, 가변 용량 트랜스듀서, 압전기 트랜스듀서가 있습니다.

모든 압력 센서 중 가장 보편적인 센서는 휘트스톤 브리지 (스트레인 기반) 센서이며, 다양한 정확도, 크기, 견고함, 비용 옵션을 제공합니다. 브리지 센서는 고압 및 저압 어플리케이션에 사용되어 절대압, 게이지압, 차압을 측정합니다.

모든 브리지 센서는 스트레인 게이지와 가로막을 활용합니다. (그림 4)

                                              그림 4. 일반적인 스트레인 게이지 압력 센서의 단면도 

 

압력의 변화가 생기면 막이 빗나가게 되고 스트레인 게이지의 저항이 변합니다. 이 변화는 데이터 수집 (DAQ) 시스템으로 측정됩니다. 이와 같은 스트레인 게이지 압력 트랜스듀서에는 몇 가지 형태가 있습니다.

즉, 접착형 스트레인 게이지, 스퍼터 (sputtered) 방식 스트레인 게이지 및 반도체 스트레인 게이지가 있습니다.

접착형 스트레인 게이지 압력 센서에서 금속 호일 스트레인 게이지는 스트레인이 측정되는 표면에 접착되거나 결합됩니다. 이같은 결합형 호일 스트레인 게이지 (BFSG)는 압력을 변경할 때 1000 Hz의 신속한 응답 시간과 높은 작동 온도 등을 이유로 수 년간 업계 표준으로 지속적으로 사용되고 있습니다.

스퍼터 방식 스트레인 게이지 제조업체들은 막에 유리층을 스퍼터링한 후 트랜스듀서의 막에 얇은 금속 막 스트레인 게이지를 배치합니다. 스퍼터 방식 스트레인 게이지 센서는 스트레인 게이지 요소, 절연층, 감지 막 사이에 분자 결합을 형성합니다. 본 방식의 게이지는 장기간 사용과 거친 측정 조건에 가장 적합합니다.

집적회로 제조업체는 사용하기 매우 쉬운 복합 압력 센서를 개발하였습니다. 본 디바이스는 반도체 스트레인 게이지와 온도 교정 센서에 반도체막을 사용하여 측정합니다. 집적회로에 적합한 신호 컨디셔닝이 포함되므로, 특정 범위에서 압력에 선형으로 비례하는 dc 전압 또는 전류를 공급합니다.

두 개 판 사이의 거리가 변하면 두 개 금속판 사이의 용량이 변합니다. 가변 용량형 압력 트랜스듀서 (그림 5)는 금속막과 고정 금속판 사이의 용량 변화를 측정합니다. 용량형 트랜스듀서는 일반적으로 매우 안정적이며 선형이지만, 높은 온도에 민감하고 대부분의 압력 센서에 비해 설정이 복잡합니다.

 

                                                                      그림 5. 용량형 압력 트랜스듀서 

압전 압력 트랜스듀서 (그림 6)는 수정 결정과 같은 자연적으로 발생하는 전기적 성질을 활용합니다. 여기에서 사용되는 수정은 인장력 또는 압축이 가해지면 전하를 생성합니다. 압전 압력 센서는 외부 구동 소스가 필요하지 않으며 매우 견고합니다. 그러나 센서는 전하 증폭 회로가 필요하며 충격이나 진동에 영향 받기 매우 쉽습니다.

                                                               그림 6. 압전 압력 트랜스듀서 

 

압력 측정 어플리케이션에서 센서 작동 실패의 일반적인 원인으로 동적 영향을 들 수 있으며, 이로 인해 센서 과부하가 발생합니다. 압력 센서가 과부하되는 전형적인 예는 수격 현상 (water hammer phenomenon)이 있습니다.

이 현상은 빠르게 이동하는 유체가 밸브가 잠귀어서 갑자기 멈출 때 발생합니다. 유량이 갑자기 갇히는 힘이 생기며, 이로 인해 유량이 갇힌 용기가 미세하게 늘어나게 됩니다. 이같은 늘어짐으로 인해 압력 스파이크가 생성되며, 이는 압력 센서에 손상을 가하게 됩니다. "수격 현상"의 효과를 줄이기 위해, 센서는 센서와 압력 라인 사이에 완충기가 장착됩니다.

완충기는 보통 망사로 된 필터이거나 소결된 물질로써, 압축 유체가 흐르도록 하지만 대량의 유체는 흐르지 않도록 함으로써 수격 현상 시 압력 스파이크를 방지합니다. 완충기는 일부 어플리케이션에서 센서를 보호하기 위한 선택으로 적합하지만, 대부분 테스트에서는 최대 충격 압력에 관심이 있는 경우가 많습니다.

이 같은 경우라면 과보호를 포함하지 않은 압력 센서를 선택하십시오.

압력 측정

위에서 설명한 것처럼, 압력 트랜스듀서의 자연적인 출력은 전압으로 나타납니다.

대부분의 스트레인 기반 압력 트랜스듀서는 mV 정도의 작은 전압을 출력합니다. 이같은 작은 신호를 컨디셔닝할 때는 고려해야 할 여러 사항이 있으며 다음 섹션에서 이 내용을 살펴봅니다. 또한, 여러 압력 트랜스듀서는 컨디셔닝된 0-5V 신호 또는 4-20 mA 전류를 출력합니다. 이 두 가지 출력은 트랜스듀서의 작동 범위에서 선형으로 나타납니다.

예를 들어, 0 V와 4 mA는 압력 측정 값 0에 해당됩니다. 이와 유사하게, 5V 및 20 mA는 Full Scale Capacity 즉, 트랜스듀서가 측정할 수 있는 최고 압력에 해당됩니다. 0-5V 및 4-20 mA 신호는 내쇼날인스트루먼트의 다기능 데이터 수집 (DAQ) 하드웨어를 사용하여 편리하게 측정됩니다.

압력 측정에 사용되는 신호 컨디셔닝

모든 브리지 기반 센서에서와 마찬가지로, 압력을 정확하게 측정하기 위해 고려해야 할 여러가지 신호 컨디셔닝 요소가 있습니다. 고려해야 할 중요한 요소는 다음과 같습니다.

• 브리지 완성
• 구동 (excitation)
• 원격 감지
• 증폭
• 필터링
• 오프셋
• 션트 교정

일단 측정 가능한 전압 신호를 수집하였다면, 그 신호는 압력의 실제 범위로 반드시 변환되어야 합니다.

압력 센서는 일반적으로 작동 범위 내에서 선형 응답을 도출하므로, 선형성이 필요하지 않습니다. 그러나 센서의 전압 출력을 압력 측정으로 변환하기 위해 일부 하드웨어 또는 소프트웨어가 필요합니다.

사용하는 변환 공식은 사용하는 센서의 유형에 따라 다르며 센서 제조업체에서 제공합니다.

일반적인 변환 공식은 구동 전압, 센서의 풀 스케일 용량 (full scale capacity), 교정 계수의 함수로 표현됩니다.

예를 들어, 풀 스케일 용량 (full scale capacity)이 10,000 PSI, 교정 계수가 3mv/V, 구동 전압이 10V DC인 압력 트랜스듀서는 15 mV의 측정 전압을 도출하며, 측정된 압력은 5000 PSI입니다.

신호를 적절하게 스케일한 후에는 적절한 안정 위치를 확보해야 합니다. 압력 센서 (절대 또는 게이지)에는 안정 위치 또는 기준 위치라고 알려진 특정 레벨이 있습니다. 스트레인 게이지는 이 위치에서 0 V를 도출할 것입니다.

오프셋 널 회로는 스트레인 게이지의 다리 한 쪽에 저항을 추가하거나 제거함으로써 "균형있는" 위치를 만듭니다.

오프셋 널은 압력 측정의 정확도를 보장하기 위해 중요하며 최적의 결과를 위해 소프트웨어가 아닌 하드웨어에서 수행되어야 합니다.

 

압력 측정을 위한 DAQ 시스템

모듈형의 유연한 시스템을 위한 C 시리즈 하드웨어

스트레인 (브리지) 기반 압력 센서를 위한 내쇼날인스트루먼트 C 시리즈 하드웨어에는 유연한 모듈형 시스템을 구축하기 위해 다양한 사양과 여러 모듈 캐리어를 갖춘 두 개의 모듈이 있습니다.

NI 9237 모듈은 압력 센서를 포함한 쿼터 브리지, 하프 브리지, 풀 브리지 센서를 측정합니다. NI 9237은 동시 측정을 위해 24 비트 분해능 및 50kS/s/ch로 샘플링하는 4채널 모듈입니다. 압력 측정을 위한 또 다른 C 시리즈 모듈로는 쿼터 브리지, 하프 브리지, 풀 브리지 센서를 측정하는 NI 9219가 있습니다.

NI 9219에는 채널간 절연, 24 비트 ADC가 있으며, 100S/s/ch로 샘플링합니다. NI 9219는 범용 모듈이므로 브리지 측정 이외에도 열전쌍, RTD, 전압, 전류, 저항을 측정합니다. NI 9237 및 NI 9219 모듈은 스트레인 게이지 또는 압력 트랜스듀서에 전원을 공급합니다.

이같은 모듈을 사용하기 위한 여러가지 옵션이 있습니다. 세 가지 모듈은 프로그래밍과 데이터 저장을 위해 USB 단일 모듈 캐리어, NI CompactDAQ 섀시 및 CompactRIO 섀시에서 사용할 수 있습니다. (그림 7)

또한 9219 및 9237 모듈은 이더넷 또는 무선 캐리어, NI WLS-9163 (그림 8)과 함께 사용됩니다.

이 통신 인터페이스를 사용하면 넓은 지역 또는 케이블 통신이 편리하지 않은 지역에 데이터 수집 시스템을 구현할 수 있습니다.

                             그림 7. USB CompactDAQ, CompactRIO 및 C 시리즈 USB 캐리어에서 모듈 사용 가능

               그림 8. NI 9219와 사용하는 이더넷 C 시리즈 단일 모듈. NI 9237과 사용하는 Wi-Fi C 시리즈 단일 모듈

 

압력 측정에 SCXI 사용

내쇼날인스트루먼트의 SCXI는 PC 기반 데이터 수집 시스템을 위한 신호 컨디셔닝 시스템입니다. (그림 9)

SCXI 시스템은 신호 컨디셔닝 입력 모듈과 출력 모듈이 탑재된 보호된 섀시로 구성되며 다양한 신호 컨디셔닝 기능을 수행합니다. 절대압 센서와 게이지압 센서 등 여러 다른 유형의 센서를 SCXI 모듈에 직접 연결할 수 있습니다.

SCXI 시스템은 PC 플러그인 데이터 수집 (DAQ) 디바이스 (PCI, 및 PCMCIA) 또는 PXI DAQ 모듈을 위한 프런트 엔드 신호 컨디셔닝 시스템으로 작동합니다.

                                                  그림 9. 내쇼날인스트루먼트의 일반적인 SCXI 시스템

 

SCXI-1520 범용 스트레인 게이지 모듈을 사용하면 압력 및 기타 스트레인 기반 측정을 수행할 수 있습니다.

본 모듈은 8개 동시 샘플되는 아날로그 채널이 있으며, 각 채널은 브리지 완성, 프로그래밍 가능한 구동 (0-10 V), 원격 구동 감지, 프로그래밍 가능한 게인 증폭 (1-1000), 프로그래밍 가능한 4-폴 버터워스 필터 (10 Hz, 100 Hz, 1 kHz, 10kHz), 오프셋 널, 션트 교정을 제공합니다. SCXI-1314 터미널 블록은 센서에 편리하게 연결하기 위해 스크류 터미널을 제공합니다. 또한, SCXI-1314T에는 Class II 브리지 기반 스마트 TEDS 센서를 위한 TEDS 리더가 내장되어 있습니다.

압력 SCXI DAQ 시스템에 권장되는 스타터 키트:

1. SCXI-1600 DAQ 모듈
2. SCXI 섀시
3. SCXI-1520 모듈 및 SCXI-1314/SCXI-1314T 터미널 블록
4. 권장 센서 제공업체는 ni.com/sensor 참조

스트레인 기반 압력 센서가 있는 SC 시리즈 DAQ 사용하기

고성능 통합 DAQ 및 신호 컨디셔닝을 위해 SC 시리즈의 일부인 내쇼날인스트루먼트 PXI-4220 (그림 10)은 스트레인 기반 센서로부터 압력을 측정하기 위한 우수한 방법을 제공합니다.

SC 시리즈 DAQ은 16 비트 분해능으로 최고 333 kS/s 측정을 제공하며 데이터 수집과 신호 컨디셔닝을 보드의 한 플러그에 통합합니다. PXI-4220은 프로그래밍 가능한 구동, 게인, 4-폴 버터워스 필터가 있는 200 kS/s, 16 비트 DAQ 보드입니다. 또한 PXI-4220의 각 입력 채널에는 브리지 센서로 편리하게 연결하기 위한 9-핀 D-Sub 커넥터가 있고 프로그래밍 가능한 션트 및 널 교정 회로가 있습니다. PXI-4220은 채널이 적은 다이나믹 압력 측정에 완벽한 솔루션입니다.

 

                                                                  그림 10. 내쇼날인스트루먼트 PXI-4220

 

압력 SC 시리즈 DAQ 시스템에 권장되는 스타터 키트:

1. PXI 섀시
2. PXI 임베디드 컨트롤러
3. PXI-4220 모듈
4. 권장 센서 제공업체는 ni.com/sensor 참조

정확도와 전송 속도가 증대된 SC Express 하드웨어

SC Express는 신호 컨디셔닝이 통합된 PXI Express 데이터 수집 모듈 제품군입니다. 본 모듈은 확장가능한 센서 측정 및 신호 컨디셔닝 시스템을 위한 증대된 정확도, 빠른 데이터 전송 속도, 긴밀한 동기화를 제공합니다. PXI 플랫폼의 일부인 본 모듈은 NI X 시리즈 데이터 수집 (DAQ) 모듈, NI 다이나믹 신호 수집 (DSA) 모듈 및 기타 모듈형 계측기와 같은 1500개 이상의 I/O 유형과 긴밀하게 통합됩니다.

NI PXIe-4330 동시 브리지 입력 모듈은 브리지 기반 센서를 위한 통합된 데이터 수집 및 신호 컨디셔닝을 제공하며, 높은 정확도와 속도로 압력 측정을 가능하게 합니다.

                                                      그림 11. TB-4330 터미널 블록이 있는 NI PXIe-4330

 

NI PXIe-4330에는 채널당 24 비트 아날로그-디지털 컨버터 (ADC)와 25 kS/s 샘플링 속도를 제공하는 8개 채널이 있습니다. 각 모듈은 노이즈 제거를 위해 앨리어스 제거 및 채널당 디지털 필터를 제공합니다.

또한 채널마다 0.625 ~ 10 V 프로그래밍 가능한 독립적인 구동 전압이 있습니다. 또한, NI PXIe-4330은 원격 감지, 내부 브리지 완성, 채널당 션트 교정 옵션을 제공합니다. NI PXIe-4330은 스크류 터미널 연결을 위해 NI TB-4330 전면 장착 터미널 블록과 함께 사용됩니다.

압력 SC Express 시리즈 DAQ 시스템에 권장되는 스타터 키트:

1. PXI Express 섀시
2. PXI Express 임베디드 컨트롤러
3. TB-4330가 있는 PXIe-4330 모듈
4. 권장 센서 제공업체는 ni.com/sensor 참조