[논문]다이어프램형 압력센서에서 주변 온도에 의한 오차 보상

윤대중; 안중환; 이길승; 김화영

doi:10.5369/jsst.2019.28.3.177

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Pressure sensors are used in various industries such as automobiles, airplanes, medical equipment, and coolers. Even if the ambient temperature changes, the measurement is reliable and stable. In this study a diaphragm-type pressure sensor was used to derive a temperature-compensated pressure estima...

Pressure sensors are used in various industries such as automobiles, airplanes, medical equipment, and coolers. Even if the ambient temperature changes, the measurement is reliable and stable. In this study a diaphragm-type pressure sensor was used to derive a temperature-compensated pressure estimation equation for accurate pressure measurement at $100^{\circ}C$ and $-40^{\circ}C$. To understand the characteristics of the pressure sensor diaphragm with respect to temperature and pressure, experiments were conducted in temperature-variable chamber using FEM analysis to confirm that the influence of temperature effect was nonlinear. Based on the experimental results, a nonlinear method for calculating the pressure by compensating for the error due to temperature was derived. The calculated pressure value is lower than 0.5 % at low and high temperatures, and lower than 0.4 % at $22^{\circ}C$, thereby eliminating the effect of temperature.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Diaphragm type pressure sensor and its cross section
그림 Fig. 2. Effect of environmental temperature on diaphragm displacement; (a) -40℃, (b) 100℃
그림 Fig. 3. FEM result of diaphragm displacement; (a) under different temperature, (b) under different pressure
그림 Fig. 4. Displacement measurement test in a pressure chamber
그림 Fig. 5. Measured diaphragm displacement in a pressure chamber; (a) under different temperature, (b) under different pressure
그림 Fig. 6. Nonlinear surface of diaphragm displacement according to pressure and temperature
표 Table 1. Diaphragm displacement according to temperature and pressure (unit: μm)
표 Table 2. Compensated pressure by use of each measured temperature and displacement

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문제 정의

본 연구에서는 후자의 방식을 이용하여 다이어프램의 변형에 관여하는 온도, 변위, 압력을 통합하여 보상하려고 한다. 수소고압탱크의 내부 압력을 측정하기 위해 제작된 압력센서의 온도 특성을 FEM(Finite Element Method) 분석과 가변 챔버 실험을 통해서 알아내고 이를 이용하여 고온과 저온의 외부 환경에서도 정확한 압력값을 산출해낼 수 있는 보상식을 도출하려고 한다.
본 연구에서는 후자의 방식을 이용하여 다이어프램의 변형에 관여하는 온도, 변위, 압력을 통합하여 보상하려고 한다. 수소고압탱크의 내부 압력을 측정하기 위해 제작된 압력센서의 온도 특성을 FEM(Finite Element Method) 분석과 가변 챔버 실험을 통해서 알아내고 이를 이용하여 고온과 저온의 외부 환경에서도 정확한 압력값을 산출해낼 수 있는 보상식을 도출하려고 한다.

제안 방법

2) 온도에 따른 다이어프램의 수축과 팽창에 의한 변위 데이터가 평면이 아니라 비선형 곡면으로 퍼져 있으므로 평면으로 변환하여 근사시킨 수식으로 나타내 보상식을 유도하였다. 보상 식을 이용하여 압력센서에서 측정된 다이어프램의 변위와 주위 온도를 토대로 압력을 유추하였다.
ANSYS 해석 프로그램을 이용한 다이어프램 변위량 분석 데이터의 신뢰성 확보를 위해 압력 챔버 내에서 실험을 진행하였다. Fig.
ANSYS 해석 프로그램을 이용한 다이어프램 변위량 분석 데이터의 신뢰성 확보를 위해 압력 챔버 내에서 실험을 진행하였다. Fig. 4의압력챔버는온도와압력을가변할수있어서 ANSYS 해석과 동일한 조건으로 온도를 각각 -40, 22, 100 ℃ 를 유지한 상태에서 압력을 0 ~ 90 MPa 까지 30 MPa 단위로 가압하였을 때 발생하는 변위를 와전류형 비접촉 변위센서인 갭센서(AEC사, AEC-5706PS)를 사용하여 측정하였다. 사용된 갭센서는 사용 가능 온도 범위가 -40 ~ 180 ℃ 이고 변위 측정 방식이 와전류 방식이라 온도변화에 영향을 받지 않으므로 적합하다.
가변 챔버 실험에서 온도와 압력에 따른 다이어프램의 변형율을 ANSYS 분석값과 비교하기 위해 동일한 방법으로 Fig. 5와 같이 온도와 압력에 따른 다이어프램 변형량을 선형화하였으며 선형화된 데이터를 정리하였다. 압력을 일정하게 하고 온도에 따라 다이어프램이 변하는 양상을 도식화한 Fig.
다이어프램형 압력센서가 -40℃ 이하의 저온과 100℃ 이상의 고온에서는 다이어프램 자체에 변형이 생겨 정밀한 측정이 불가능하다. 다이어프램형 압력센서의 온도 영향을 보상하기 위해서 FEM 해석과 가변 챔버를 이용한 실험을 통하여 다이어프램 변형에 관여하는 온도, 변위, 압력을 통합하여 보상하는 관계식을 유도하였다.
1(부산대학교, 대한민국)을 사용하여 해석하였다. 물성은 SUS316L의 것을 적용하였으며 적용 압력은 0 MPa에서 90 MPa까지 30 MPa 단위로 가압하였으며 주위 온도는 저온 -40℃, 상온 22℃, 고온 100℃로설정하였다. 해석모델의 mesh는 1,356개의요소와 6,845개의 노드로 구성하였다.
2) 온도에 따른 다이어프램의 수축과 팽창에 의한 변위 데이터가 평면이 아니라 비선형 곡면으로 퍼져 있으므로 평면으로 변환하여 근사시킨 수식으로 나타내 보상식을 유도하였다. 보상 식을 이용하여 압력센서에서 측정된 다이어프램의 변위와 주위 온도를 토대로 압력을 유추하였다.
3과 같이 압력과 변위, 온도와 변위 결과를 그래프로 나타내었다. 온도와 압력이 다이어프램의 변위에 미치는 영향을 분석하기 위해 온도 -40, 22,100℃에서 압력은 0, 30, 60, 90 MPa단위로 구분하여 일정한 압력에서 온도가 변하는 경우와 온도가 일정하고 압력이 변경될 때의 변위를 분석하였다. Fig.

대상 데이터

실험에 사용된 다이어프램은 선행 연구에서 개발한 최대 105MPa까지 적용이 가능하고 변위량과 항복강도 기준에서인 반경 4.5 mm, 두께는 1.5 mm flat 타입이며, 재질은 수소전기차에 대비하여 수소 취성이 강한 SUS316L 이다[10]. Fig.
물성은 SUS316L의 것을 적용하였으며 적용 압력은 0 MPa에서 90 MPa까지 30 MPa 단위로 가압하였으며 주위 온도는 저온 -40℃, 상온 22℃, 고온 100℃로설정하였다. 해석모델의 mesh는 1,356개의요소와 6,845개의 노드로 구성하였다.

데이터처리

압력센서가 고온 또는 저온 환경에서 사용될 때 압력 측정에 미치는 온도의 영향을 분석하기 위해 ANSYS R19.1(부산대학교, 대한민국)을 사용하여 해석하였다. 물성은 SUS316L의 것을 적용하였으며 적용 압력은 0 MPa에서 90 MPa까지 30 MPa 단위로 가압하였으며 주위 온도는 저온 -40℃, 상온 22℃, 고온 100℃로설정하였다.

이론/모형

x, y, z 축은 각각 압력, 온도, 변위를 나타낸다. 데이터가 평면이 아니라 비선형곡면으로퍼져있으므로비선형근사법(Nonlinear fitting method) 에서 LogisticCum 함수를 이용하여 평면으로 변환하였다 [16]. 근사시킨 평면을 수식으로 나타내면 식 (1)과 같다.

성능/효과

1) 고압의 환경에서도 정밀한 측정이 가능하도록 설계된 다이어프램 타입의 압력센서를 이용한 ANSYS 분석과 가변 챔버 실험을 통해 압력 0 MPa에서 온도가 -40, 22, 100℃ 변화할 때 변위가 28 μm 이상 변화할 때 변허여 다이어프램이 온도변화에 민감하게 반응한다는 것을 확인하였다.
3) 산출된 압력값은 가변 챔버 실험에서 가해진 실제 압력값과의 오차가 저온과 고온에서는 최대 0.5 %이고 상온에서는 0.4 %이여서 온도에 의한 노이즈를 제거할 수 있음을 확인하였다.
두 그래프의 비교에서 압력에 의한 기울기보다 온도에 대한 기울기가 더 크다는 것을 통해 온도에 의해 변위변화가 커서 140℃의 온도 차이만으로 약 30 μm 정도의 변형이 발생하므로 다이어프램 변형에 의한 압력 측정에 있어 오차가 크게 발생할 수 있음을 확인하였다.
5(b)에서는 압력이 증가하여도 변위의 증가량은 일정함을 확인하였다. 온도와 압력에 따른 변위 그래프에서 선행한 FEM해석결과와 같이 압력에 의한 기울기보다 온도에 대한 기울기가 더 크게 나타난 것으로써 온도에 따른 다이어프램 변형이 압력 측정에 있어 오차가 크게 발생할 수 있음을 재차 확인하였다.
51 μm 이다. 이것은 고온과 저온에 의해 다이어프램 자체에 변형이 발생한 것과 온도가 변함에 따라 변위증가율도 변화하는 것을 확인할 수 있다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압력센서는 무엇인가?	압력센서는 압력을 감지해서 전기신호로 변환시키는 목적으로 사용되는 감지기로서 가전제품을 비롯하여 자동차, 생체공학용 의료기, 환경 제어와 산업체의 대규모 시스템 제어 등에서 광범위하게 응용되고 있다. 최근에는 고온, 고압, 습도, 진동 등의 환경에서도 사용할 수 있는 소형, 경량, 저가격의 압력센서가 요구된다.
	다이어프램 압력센서 온도 보상 방법 중 다이어프램에 형성한 브릿지 회로의 각각의 소자를 보상하는 방법의 문제점은?	전자의 방법은 주변 온도에 따라서 저항값이 반비례하는 특성을 갖는 써머스터(thermistor)와 OP 엠프(operational amplifier) 회로를 이용한다. 이러한 방식은 신속한 온도보상은 가능하지만 압력센서를 이중 구조로 설계하기 때문에 생산공정이 복잡해지고 생산단가가 비싸진다 [9,11-16].
	다이어프램형 압력센서에는 무엇이 있는가?	스트레인 게이지형 압력센서는 스테인리스강 다이어프램을 수압부로 사용하여 구조가 단순하며, 반도체식 압력센서에 비해 감도가 떨어지나 열악한 환경에서도 성능이 우수하므로 고압에서도 사용할 수 있다 [1-4]. 고압에 적합한 다이어프램형 압력센서는 다이어프램 위에 위치한 저항체가 응력에 따라 저항값이 바뀌게 됨을 이용하는 방식과 외부 압력에 의한 다이어프램의 휨정도가 달라짐을 이용하는 방식으로 구분된다. 전자의 방식은 저항체에 가해진 응력에 따라 변화되는 저항값을 측정하는 복잡한 신호처리부가 필요한 반면 다이어프램의 휨정도를 이용하는 방식은 외부에서 변위 센서를 이용하여 변위를 측정하여 압력을 산출하기 때문에 별도의 신호처리부가 필요 없다.

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