[논문]압저항형 스트레인 게이지를 이용한 압력센서의 개발

이동훈; 강민성; 허용; 구재민; 석창성

문제 정의

이러한 이론이 실제 모델에 적용되는지를 확인하기 위하여 FEM을 실시해 검증해 보았다. Fig.
이에 따라서 기존 기계식 압력센서가 가지고 있는 단점을 개선하고, 신뢰성을 향상시키는 국내 기술에 의한 스트레인 측정 방식의 전자식 압력 센서를 개발하기 위하여 연구를 수행하였다.

제안 방법

환경 챔버를 이용하여 압력센서를 -20~100℃의 온도 범위에서 30분 동안 유지 후, 환경 챔버 내에서 성능 평가 시 개발 목표치인 ±1~2bar의 오차로 압력센서의 기능이 구현되는 것을 확인하였다. 0bar에서 25bar까지 질소 가스와 Regulator를 이용하여 2bar간격으로 가압 하였다가, 25bar에서 0bar까지 2bar간격으로 감압하는 방법으로 평가를 진행하였다.
또한 반지름 방향 변형률 변화의 경향은 1안의 경우, 중심점 부근에서 최대 변형률이 발생하고 외부로 갈수록 감소하는 경향이 나타났으며, 2안의 경우 중심점 부근에서 최소 변형률이 나타났으며, 돌출부 이후 변형률이 급격히 증가하였다가 감소하는 경향이 나타났다. 본 연구에서 선정한 스트레인 게이지의 측정방식은 4개의 스트레인 게이지 중 2개는 감소된 변형률을, 나머지 2개는 증가된 변형률을 측정하여 평형이 되는 원리를 이용한 방식이므로 본 연구에서 사용 될 다이어프램의 형상은 1안으로 선정하였다.
다이어프램의 직경은 Φ40로 선정하였으며,형상은 일반적으로 다이어프램 형상으로 적용되는 두 가지의 후보 형상을 선정하였다. 작용압력은 0.1,1.5,2.5 MPa을 분포하중으로 부과하였으며, 재질은 압저항형 압력센서에 가장 많이 사용되는 온도,부식 및 강도특성이 우수한 Stainless Steel 630으로 선정하여 유한요소해석을 수행하였다.

대상 데이터

다이어프램의 직경은 Φ40로 선정하였으며,형상은 일반적으로 다이어프램 형상으로 적용되는 두 가지의 후보 형상을 선정하였다.

데이터처리

6은 다이어프램의 유한요소해석을 위한 모델과 구속조건을 나타낸 것이다. 해석 전처리 프로그램인 I-DEAS 11에서 해석 모델을 작성하였으며, 해석의 수행은 상용 코드인 ABAQUS 6. 4를 사용하였다.

성능/효과

(1) 본 연구의 압력센서의 다이어프램의 대한 유한요소해석 결과 1안은 최대 변형률이 중심점에서 발생하여 외부로 갈수록 감소하였으나, 2안의 경우 중심점 부근에서 최소 변형률이 나타났으며 돌출부 이후 변형률이 급격히 증가하였다가 감소하는 경향이 나타났다.
(2) 1,2안 형상에 대한 응력 해석 결과 다이어프램의 두께가 0.5mm일 경우에는 최대 응력이 1084와 2579MPa로 Stainless steel 630의 항복강도인 1000MPa을 만족하지 못했으나, 두께가 1.0mm일 경우에는 최대 응력이 288과 489MPa로 Stainless steel 630의 항복강도인 1000MPa을 만족하였다.
(3) N₂가스를 사용한 압력센서의 성능평가 결과 작동압력이 증가함에 따라 압력센서의 측정치가 선형적으로 증가함을 알 수 있었다.
(4) -20~100℃의 작동온도와 -30~100℃의 보관온도 범위에서 이상없이 작동하였으며, 내압성 평가에서도 압력센서가 만족한 성능을 보임을 확인할 수 있었다.
Fig. 10~11은 1,2안 형상에 대한 응력 해석 결과로서 다이어프램의 두께가 0.5mm일 경우에는 최대 응력이 1084와 2579MPa로 나타나 본 연구에서 목표하는 0~2.5MPa 압력 측정을 위한 다이어프램의 두께로는 적합하지 않았으며, 두께가 1 mm일 경우에는 최대 응력이 288과 489MPa로 나타나 Stainless steel 630의 항복강도인 1000 MPa를 만족하였다.
5 M Pa) 유한요소해석을 실시한 후, 변형률 분포를 다이어프램 중심에서 반지름 방향으로 나타낸 것으로서, 최대 변형률은 스트레인 게이지의 최대 측정 범위인 3%이내로 나타났다. 또한 반지름 방향 변형률 변화의 경향은 1안의 경우, 중심점 부근에서 최대 변형률이 발생하고 외부로 갈수록 감소하는 경향이 나타났으며, 2안의 경우 중심점 부근에서 최소 변형률이 나타났으며, 돌출부 이후 변형률이 급격히 증가하였다가 감소하는 경향이 나타났다. 본 연구에서 선정한 스트레인 게이지의 측정방식은 4개의 스트레인 게이지 중 2개는 감소된 변형률을, 나머지 2개는 증가된 변형률을 측정하여 평형이 되는 원리를 이용한 방식이므로 본 연구에서 사용 될 다이어프램의 형상은 1안으로 선정하였다.
압력센서를 상온에서 외부 압력 50bar에서 2초간 지속 시킨 후 성능 평가 결과 각 부품 및 성능에 이상이 없는 것을 확인하였다.
4~5는 이론에서와 동일한 형상으로 모델을 작성하여, 동일한 조건 하에서 해석을 실시해 얻은 변형률 값이다. 이론과 해석을 비교해 본 결과 약간의 차이는 존재하지만, 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있었다.
해석모델은 약 13,000개의 요소(element)와 약 13,000개의 절점(node)으로 구성된 8절점 육면체요소를 사용하여 구성하였으며, 형상들에 대한 유한요소 해석 시 변형률이 스트레인 게이지 최대 측정 범위인 3%이내인 것을 확인하였다.
환경 Chamber를 이용하여 압력센서를 -30,-10,0,20,40,60,80,100℃의 8가지 온도조건에서 30분 동안 유지 후, 환경 챔버에서 꺼내어 성능 평가 결과 압력센서의 각 부품 및 성능에 이상이 없는 것을 확인하였다.
환경 챔버를 이용하여 압력센서를 -20~100℃의 온도 범위에서 30분 동안 유지 후, 환경 챔버 내에서 성능 평가 시 개발 목표치인 ±1~2bar의 오차로 압력센서의 기능이 구현되는 것을 확인하였다.

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