최종보고서 () 디지털압력교정기 2002 6 30 년월 일 · 압력제어부를설계제작하고마이크로프로세서를이용하여신호처리부를설계하여신뢰,

- 1 -

중소기업 기술혁신개발사업

최종보고서

디지털 압력교정기( )

년 월 일2002 6 30

주관기업 주 협성히스코( )

- 2 -

중소기업 기술혁신개발사업

최종보고서

디지털 압력교정기( )

년 월 일2002 6 30

주관기업 주 협성히스코( )

과제책임자 양 경 돈

연 구 원 양 종 관

한 남 호

김 창 복

문 석 범

이 송 희

최 금 림

- 3 -

제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 디지털 압력교정기에 관한 중소기업 기술혁신개발사업 개발기간“ ”( :

과제의 최종보고서로 제출합니다2001. 5. ~ 2002. 4.) .

년 월 일2002 6 30

주관기업 : 주 협성히스코( )

과제책임자 : 양 경 돈

개발참여기업 : 주 협성히스코( )

- 4 -

요 약 서 초 록( )

과 제 명 디지털 압력교정기

주 관 기 업 주 협성히스코( ) 총괄책임자 양 경 돈

개 발 기 간 개월2001. 5. ~ 2002. 6. ( 12 )

총개발사업비천원( )

정부출연금 78,000총개발사업비

111,668기업부담금

현금 16,985

현물 16,683

위탁연구기관개발참여기업

주요기술용어개(6~10 )

압력조절기 압력변환기 압력전송기 온도보상 신호처리 디지털압력교정기, , , , , ,교정검사 압력제어 공압분동식압력계, ,

기술개발목표1.

압력제어부를 설계 제작하고 마이크로 프로세서를 이용하여 신호처리부를 설계하여 신뢰,

성 및 정확도가 뛰어난 급의 디지털 압력교정기 개발0.08 %

기술개발의 목적 및 중요성2.

압력교정기의 차표준기는 분동식압력계로서 장비관리상의 어려움과 이동 및 현장계측기1

를 교정하는데 있어서 적당치 못하므로 선진국에서는 기존제품의 대체품으로 디지털압력

교정기 제작 판매하고 있으며 국내에서는 이를 제작할수있는 정밀가공기술 및 핵심부품에

대한 측정 및 설계기술 미비로 전량 수입에 의존하고 있다 본과제는 디지털 압력교정기.

를 제작에 필요한 기술인 미세조정이 가능한 압력제어부와 정확한 압력을 지시하는 신호

처리부를 제작하여 초미세화 정밀화에 따른 일반산업현장의 요구에 따라 제작하여 수입대-

체 효과 및 산업분야의 국제 경쟁력 향상에 이바지하고자 함.

기술개발의 내용 및 범위3.

압력제어부 제작 및 가공기술 개발

온도보상회로 설계 및 제작

변환회로 제작 및 시험A/D

디지털 디스플레이부 및 신호처리부 개발

기술개발 결과4.

정밀 가공기술 확보에 의한 내경 오차범위를 이내의 미세조절이 가능한 제품개발5

내에서 별도의 보상회로 없이 자기온도보상이 가능-10 ~ 50 °C

입력신호의 대한 출력값이 압력단위로 환산되어 다양한 압력단위 산출

기대효과5

일반산업분야의 기반기술향상 및 저가격화로 경제성 구현

전량 수입에 의존하고 있는 디지털 압력교정기의 국산화로 외산 폭리에 대응

선진제품대비 가격 경쟁력 향상을 통한 국제시장에서 우위 확보

- 5 -

목 차

제 장 서 론1

제 절 기술개발의 필요성1

제 절 기술개발의 목표2

제 장 기술적 배경 및 제작2

제 절 압력제어부의 설계 및 제작1

제 절 신호처리부 회로 설계 및 제작2

제 장 디지털 압력교정기의 성능 및 시제품 평가3

제 절 디지털 압력교정기의 특성 및 성능평가1

제 절 시제품 제작2

제 장 결 론4

- 6 -

제 장 서 론1

제 절 기술개발의 필요성1

압력은 과학과 산업전반에 걸쳐 가장 중요한 측정변수들 중의 하나임은 두말 할 나

위가 없다 압력은 단위 면적당 수직으로 작용하는 힘으로 정의된다. .

따라서 정의상 직접 측정되는 양이 아니고 기본단위로부터 유도되어 지는 양이다.

일반적으로 압력 측정 장비는 직접 측정 및 간접 측정 두 그룹으로 분류할 수 있,

다 특정한 단면적에 작용하는 힘을 직접 구하여 압력을 결정하는 방법과 압력에.

의한 간접적 효과 길이 저항 전류 정전용량 인덕턴스 변화 등 를 측정하여 압력을 결( , , , , )

정하는 간접 측정 그룹으로 구분된다 첫 번째 그룹에는 분동식 압력계와 액주형.

압력계가 있으며 두 번쩨 그룹에는 부루돈 게이지 등 탄성식 압력계와 전기식 압력

계인 압력변환기 등이 있으며 일반적으(pressure transducer, pressure transmitter)

로 산업체에서 간단하고 편리하게 압력을 측정하는데 널리 사용되고 있다 오늘날.

산업의 발달로 사용되는 압력계들의 정확도는 점차 높아지는 추세에 있으며 산업체

에서 많이 사용되고 있는 정밀한 탄성식 압력계의 정확도는 이상의 정확도를0.2%

가지고 있다 하지만 교정기로는 기준기 측정용이라 할 수 있는 분동식압력계외에.

국내에서 생산되는 제품은 아직까지는 없다.

분동식압력계는 이상의 압력표준을 전달 및 측정하는 장비로서 일반산업0.025 %

현장 측정용으로 관리상의 복잡함과 이동 및 현장계측기를 교정하는데 부적합하여

선진기술에서는 분동식압력계를 대체 할 수 있는 디지털 압력교정기를 제작하기 시

작하였다.

최근에는 반도체 기술의 발달과 마이크로 프로세스 및 기계가공 기술의 발달로 각

종 제어시스템의 고성능화 지능화가 이루어 지고 있으며 디지털 압력교정기 역시 2

차 표준기로서 정밀화가 이루어 지면서 독보적인 제품으로 자리잡아가고 있다.

이 중 특히 디지털압력교정기 감지부의 압력센서는 가전제품을 비록 자동차 엔진제

어 생체공학용 의료기기 환경제어와 산업체의 대규모 시스템 제어에 이르기까지, ,

그 응용분야가 실로 광범위 하고 반도체 공정기술과 미세가공기술의 조화로 센서,

부와 제어부가 일체화 복합화되고 있으며 여기에 따라 압력교정기의 조절부 역시,

미세화 경량화 되고 있다.

선진기술은 이미 오래전부터 산업현장의 애로사항을 감지하여 정확도 0.01

의 다양한 제품을 제작하고 있으며 초기 공압식 디지털 압력교정기에 의존%~0.1%

했던 시절은 구형으로 지금은 최고 까지 측정이 가능한 제품도 제작하고700 kgf/

있다.

- 7 -

본 기술과 관련한 국내제조 기술은 국내 제조업체들의 정밀가공기술 및 핵심부품에

대한 측정 및 설계기술 미비로 전무한 상태이며 전량 수입에 의존하고 있으며 선진

기술들은 이러한 국내기술의 단점을 이용하여 국내에서의 폭리를 취하고 있다.

현 협성히스코는 이미 압력표준기인 분동식압력계를 국내최초로 제작 판매하여 압

력관련 시험기 제작에 있어서 단위의 미세가공에서부터 정밀측정에 대한 설계기

술을 확보하고 있다.

디지털 압력교정기의 국내시장 수요는 약 억원 외 개업체의31 (P&D KOREA 4 1999

년도 판매실적 정도이고 위 개 업체외에 나머지업체를 합산하면 그 추세는 대략적) 5

으로 환산이 가능할 것이다.

외산제품 대비 국내제품은 성능에 따라 약간의 차이는 있으나 국내소비자단가의 50

수준으로 책정될 것이고 기존 수입제품 역시 국내생산으로 인하여 가격이 하락%

하여 국내 제조업체의 경쟁력도 강화될 것이다.

본 프로젝트는 년 과제로 수행되었으며 먼저 일반산업현장에서 가장 많이 사용되1

고 있는 급 이상의 제품개발을 목적으로 시제품을 완성하였으며 압력 범위가0.1 %

이하는 공압식을 에서 까지는 유압식으로 구분하여10 kgf/ 10 kgf/ 700 kgf/

그 특성을 조사하고 성능을 분석하였다 아울러 압력을 발생하고 제어하는데 사용.

되는 유공압 압력조절기를 제작하여 성능을 평가하였다.

- 8 -

제 절 기술개발의 목표2

최종 개발 목표1.

가 디지털 압력교정기의 국산화.

나 측정압력대상 액체 기체. : ,

다 정격압력. : -1 ~ 700 kgf/

다양한 별 설정( Range model )

라 허용압력. : 150 % FS

마 미세압력조절 범위. : 1000 mmH2O

바 재현성. : 0.08 % FS

사 비직선성. : 0.08 % FS

아 히스테리시스. : 0.08 % FS

자 정확도 이하. : 0.08 % FS

기술개발의 목적 및 중요성2.

압력측정기술은 유체 상태를 아는 데 있어서 온도측정과 함께 중요한 것으로서 유,

체 프로세스를 사용하는 산업에 있어서는 필수 불가결한 것이다.

압력교정기의 차표준기는 분동식압력계라 할 수 있다 하지만 분동식압력계는 관1 .

리상의 복잡함과 이동 및 현장계측기를 교정하는데 있어서 적당치 못하여 선진기술

은 분동식압력계 대체 및 차표준기로 디지털 압력교정기를 제작하고 있으며 디지2

털 압력교정기는 분동식압력계로 측정할 수 없는 현장이나 일반적인 압력계측기 측

정 및 교정용으로서 널리 사용하고 있으며 국내에서는 제조업체들의 정밀가공기술

및 핵심부품에 대한 측정 및 설계기술 미비로 현재 전량 수입에 의존하고 있다.

정밀 가공설비를 이용한 신뢰성이 뛰어나고 초정밀 제어를 위한 미세 압력조절 부

설계 제작하고 마이크로 프로세서를 이용한 신호처리회로를 설계하여 출력신호의.

정확도를 기하여 데이터의 기록 및 연산이 용이하고 원격제어가 가능한 디지털 압

력교정기의 개발을 본 과제 최종목표이다.

본 과제는 미세조정이 가능한 압력제어부와 정확한 압력을 지시하는 신호처리부로

구분할 수 있으며 초미세화 정밀화에 따른 일반산업현장의 애로사항 및 선진제품-

국내에서의 폭리 탈피 및 수입대체에 있다.

- 9 -

기술개발의 내용 및 범위3.

가 압력제어부 설계 및 가공기술 개발.

정밀가공 기술를 확보하여 제어부 실린더 내경 오차범위를 이내의- 5 1000

mmH2 까지 미세조절이 가능한 제품설계O

나 압력제어부 제작 및 누수방지.

분당 이하의 미세압력- 1 psi

다 온도보상회로 설계 및 제작.

내에서 별도의 보상회로 없이 자기온도보상이 가능하도록 제작- 10~50 °C

라 변환회로 제작 및 시험. A/D

입력신호에 대한 출력값이 압력단위로 환산되어 다양한 압력단위 산출-

마 디지털 압력교정기 제작공정 개발.

상기의 연구결과를 바탕으로 효율적인 생산에 적합한 제조공정 구축-

바 디지털 압력교정기 개발완료.

압력측정범위 별 설정 정확도 의 디지- -1 ~ 700 kgf/ (Range model ) 0.08 %FS

털 압력교정기 개발완료

- 10 -

제 장 기술적 배경 및 제작2

제 절 압력제어부의 설계 및 제작1

미세압력조절기1.

미세압력조절기 라 함은 보통 분동식압력계 및 압 력교(precise pressure controller)

정기와 같은 압력기준기와 함께 사용되어 미세함 압력제어를 통해 정밀한 측정 및

교정이 가능토록 하는 교정 핵심장치이다 이장치는 디지털압력교정기뿐만 아니라.

미세한 압력조절을 필요로 하는 압력센서 개발 및 시험 분야 등 어디든지 사용될

수 있다 미세압력조절기는 수동과 자동이 있으며 보통 경제적인 이유로 수동이 많.

이 사용된다 본연구에서는 디지털 압력교정기에 많이 사용되는 압력제어 시스템의.

미세압력조절기 국산화 개발하는데 그 목적이 있다 지금까지는 압력조절기가. 100

전량 수입되어 사용되어 왔다 따라서 이에 대한 국산화 개발 및 관련 연구가% .

분동식압력계 및 압력센서 개발의 경쟁력 강화에 필수적이라 할 수 있다 보통 공.

압용 압력조절기는 만원 정도이고 유압의 경우 수동은 만원 자동은400-600 300

만원 정도로 매우 고가이다 만일 이들을 국산화 하면 가격을 절반정도로 낮출1500 .

수 있다고 사료된다.

본 과제는 공압용 압력조절기 국산화에 초점을 맞추었다 그 결과 압력조절기 시제.

품을 제작하였으며 성능 평가 연구를 수행하였다 개발한 압력조절기는 분해능이.

최고 정도로 선진제품과 비슷한 기술수준이다 향후에는 좀더 부가가치가0.002 % .

높고 첨단제품인 자동미세압력조절기를 개발하여 디지털 압력교정기 고부가가치 제

품을 출시할 예정이다 이것은 생산의 자동화와 연관하여 수요가 증가될 전망이다. .

현재 선진국에서 생산되는 제품은 만원 정도의 매우 고가이고 전량 수입되는1500

실정이므로 이에 대한 연구개발이 필요하다고 할 수 있다 이 제품이 개발되면 생.

산 제품의 자동 교정 및 측정 시험이 이루어지게 되어 시간 및 원가절감에 크게,

기여하게 된다 아울러 유압 디지털압력교정기에 사용되는 유압조절기의 성능향상.

에 관한 연구를 병행하여 고압에서 발생하는 밀봉 방법을 개선하였다.

- 11 -

압력제어부의 구조설계2.

개발한 미세압력조절기는 피스톤의 미세 운동을 통한 밀폐 기체의 체적을 조절하는

방식의 압력제어기인 고압에서 압력조정에 소요되는 힘을 감소volume controller,

시키기위한 를 중심으로 각종 밸브와 피팅 등으로 구성되어equalizing valve tube,

있다 본 연구에서는 이들 중 가장 원가 비중이 높은 를 완전 국. volume controller

산 제작하고 주변 장치를 결합 시스템화하여 압력제어부를 개발하는 것을 목표로,

하였다 앞서 언급하였듯이 공기용 미세압력조절기는 디지털압력교정기 및 분동식.

압력계나 트랜스듀서 부루돈관 등의 교정과 정밀 압력계측 및 제어에 주로 사용할

수 있다 연구목표를 설정하기 위하여 외국의 주요 생산업체의 매뉴얼에 나와 있는.

규격과 국내 수요를 참고로 개발품의 사양을 설정하였다 그 결과 압력조절기의 압.

력동작범위는 국내 수요를 만족시킬 수 있도록 최대 로 하고 분해능은 선1,000 psi

진국 수준인 를 목표로 하였다 유압인 경우 압력0.0005 psi . 500 bar, 1000 bar 2

개 범위에 대해 압력조절기를 개발하고 성능향상 연구를 수행하였다.

다음 표는 경쟁관계에 있는 외국제품의 규격을 나타낸 것이다 최고 까지. 6000 psi

나와 있지만 통상 까지가 많이 사용된다 본 연구에서도 국내 수요를 감1000 psi .

안 까지를 목표로 하였다 미세 압력제어부의 주요 구성품을 살펴보면1000 psi . 1)

평형밸브 튜브 및 피팅volume controller 2) (equalizing valve) 3) on/off valve 4)

류 필터 입력압력 제어기 등이다5) 6) vent valve 7) .

표 2-1. Specifications of various precise pressure controllers.

다음은 미세압력제어부중 핵심부품인 의 제작 도면이다 앞절에서volume controller .

- 12 -

언급하였듯이 이 부품은 외제 등 대부분의 가 격이( Heise, Ruska, Volumetrics )

만원 정도로 매우 고가이다 의 기본원리는 보일 의 법150-200 . Volume controller

칙을 이용한 것으로 주위와 격리된 체적을 강제로 줄이거나 크게하여 압력의 증감

을 이루도록 하고 있다 의 주요 구성품을 살펴보면 번은. Volume controller 1 body,

번은 번은 회전방지 고정판 번은 번은2 cylinder, 3 , 4 jack screw, 5 lead screw, 6

번은 번은 번은 이다 손잡이 부분을 회전시키piston, 7 end cap, 8 front cap . (knob)

면 번 가 회전운동을 하고 번 가 선형운동으로 바꾸어 준5 lead screw 4 Jack screw

다 에 붙어 있는 피스톤은 실린더 내부에서 선형 왕복운동을 하면서. Jack screw

전단부에 있는 공기를 압축 또는 팽창시키면서 압력을 미세 제어할 수 있게 해준

다 이때 중요한 것은 실린더 내면과 피스톤사이에 누출 이 없어야하며 내구성. (leak)

이 있어야한다 또한 정도의 높은 압력에서 가압하기 위해서는 정상적으로. 70 bar

는 매우 힘이 많이 든다 따라서 피스톤의 전단과 후단에 동일한 압력을 가해주어.

차압을 없애면 쉽게 가압 또는 감압할 수 있다 이를 위해 피스톤 후단에 압력구.

를 만들어 초기압을 가할 수 있게 하는 압력평형기술(pressure port) (equalizing

을 이용한다 또한 리드 스크루 전후단에는 을 삽입하여technique) . thrust bearing

축 방향 하중으로 인한 마찰력을 감소시키도록 한다.

그림 2-1. Design of volume controller.

- 13 -

제작한 압력조절기는 체적이 약 질량이 이고 몸체는 알루미늄 나42 cc, 1.89 kg ,

사부는 스틸 나머지는 스테인레스 스틸로 제작하였다, .

그림 는 가 장착된 미세압력제어부를 나타내고 있다 가스 통2-2 volume controller .

에서 공급되는 질소 공기 가스는 레귤레이터를 거치면서 원하는 압력 근처로 낮아( )

진다 입력밸브 를 열어서 원하는 압력을 피교정기기 혹은 시험 용기 내. (test inlet)

부로 압력을 인가한다 이때 로 압력을 모니터링한다 이때 출력밸브. test gauge .

는 잠그고 평형밸브 는 열어 둔다 원하는 압력(test outlet valve) (equalizing valve) .

근처가되면 입력밸브와 평형밸브를 잠그고 의 손잡이 를 돌volume controller (knob)

리면서 압력을 증가 혹은 감소시킨다 손잡이를 시계방향으로 돌리면 증가 반시계. ,

방향이면 감소하게 된다 평형밸브를 이용하면 고압이라도 손쉽게 가압 혹은 감압.

을 수행할 수 있다 압력을 더 높이려면 평형밸브를 열고 입력밸브를 제어하여 압.

력을 변화시킨다 압력을 낮출때는 입력밸브를 잠그고 평형밸브를 열고 출력밸브를.

제어하면서 압력을 낮춘다 원하는 압력이 되면 출력밸브를 잠근다 미세조절은 평. .

형밸브를 잠그고 의 손잡이를 돌려 수행한다volume controller .

그림 2-2. Pneumatic diagram of Manual pressure controller.

- 14 -

그림 과 그림 는 제작된 미세압력조절기들의 사진을 보여주고 있다2-3 2-4

그 림 2-3. Prototype of pneumatic pressure controller.

그림2-4. Pneumatic precise pressure controller made by HISCO.

- 15 -

그림 은 저압용으로 개발된 미세압력조절기이다 저압용과 고압용의 구분은 사2-3 .

용되는 압력계와 입력단 압력레귤레이터 및 밸브 등에 따라 결정된다 그림 는. 2-4

기 판매된 제품을 나타낸 것이다.

압력조절기의 성능으로 가장 중요한 것은 운동중인 피스톤과 실린더 사이의 누출

문제이다 이 누출은 조절기 내부에서 발생하므로 외부에서는 확인 할 수가 없다. .

따라서 누출을 확인하기 위한 시험평가 장치를 제작하여 의 성능volume controller

을 검사할 수 있도록 하였다 개발된 압력조절기의 규격을 정리하면 다음과 같다. .

표 2-2. Specification of precise pressure controller.

- 16 -

- 17 -

- 18 -

- 19 -

- 20 -

- 21 -

- 22 -

제 절 신호처리부 회로 설계 및 제작2

게이율이 이고 저항값이2 350Ω인 스트레인 게이지를 사용하여 압력센서를 만들면

출력신호는 약 가 된다 이 신호를 증폭하고 변환하려면 게이지율을 정1.5mV/V . 100

도로 하여 변환 입력 신호로 처리하는 것이 적당하다 압력센서의 특성으로 볼A/D .

때 변환속도는 크게 문제되지 않고 오히려 정밀한 분해능이 요구된다 따라서 여러.

가지 변환 방식중 중 적분방식의 변환 회로를 사용하는 것이 가장 무난 하다2 .

금속 스트레인 게이지 압력센서용 증폭회로를 설계할 때에는 압력센서 자체의 온,

도 의존성이 작으므로 회로는 약간 간단해 진다 그림 은 하나의 보기로서 이. 3-1

회로에서 출력전압은 다음 식으로 얻어진다.

위에서 이 약 의 작은 값이므로 증폭에 사용되는 의 특성이 불R/R 0.1 % OP Amp⊿균일 하거나 과 특성이 나쁘면 치명적인 영향을 받게 되므로 과offset drift offset

가 작은 고가의 를 사용하여야 한다drift OP Amp .

그림 증폭회로의 형태3-1 (1)

- 23 -

그림 증폭회로의 형태3-2 (2)

그림 은 전류출력형 증폭회로의 보기이다 이 회로는 단일 전원으로 동작하며3-2 .

전원 전압 변동 노이즈 전원 역접속 등에 대한 대책이 강구되어 있다, , .

출력 전류의 정격은 이다0 - 5 mA .

압력센서의 전원 을 공급하는 가지 방법은 전압과 전류이다(excitation) 2 .

정전압 전원과 정전류 전원의 예를 그림 에서 볼 수 있으며 그 특성은 다3-3, 3-4

음과 같다.

정전압 전원

출력 임피던스가 작다- .

고정 전압을 출력 시킨다- .

큰 폭의 출력 전류 범위에서도 고정된 전압 출력을 공급한다- .

정전류 전원

출력 임피던스가 크다- .

정전류를 출력 시킨다- .

큰 폭의 전압범위에 대해서 일정한 전류 출력을 공급한다- .

- 24 -

그림 압력센서용 정전압 전원3-3.

그림 압력센서용 정전류 전원3-4.

- 25 -

이상 기본 회로에 대해 검토해 보았으나 고정밀도를 얻기 위해서는 직선 보상 회

로 정밀 온도 보정 회로 등이 필요하다 본 연구에서는 이와 같은 내용을 충분히, .

고려하여 전류 출력 회로 그림 를 설계하였다( 3-5) .

그림 디지털 압력계의 전류 출력회로3-5

- 26 -

제 장 디지털 압력교정기의 성능 및 시제품 평가4

제 절 디지털 압력교정기의 특성 및 성능평가1

디지털 압력교정기가 완성되면 그 중요한 특성인 비직선성 히스테리시스 등을 측,

정하여야 한다 이 때에 기준과 어떤 기지 의 물리량을 가지고 그 때의 출력. , ( )旣知

변형 을 측정하는 것을 교정 이라고 한다( ) (Calibration) .

압력센서를 교정할 때에는 그 압력센서의 정격압력과 그 값을 등분 등분한 압력3 ~5

을 단계적으로 인가하면서 각 점에서 출력을 측정한다 예 정격압력이 인.( : 30 kgf/

압력센서의 경우에 의 압력을 인가하면서 각 점에서의 출력을 측10, 20, 30 kgf/

정하는 것 또한 교정을 할 때에는 압력을 증가시키면서 출력을 측정하고 다시 감)

소 시키면서 출력을 측정하여 특성을 구한다.

디지털 압력계의 성능에 관한 용어1.

가. (Accuracy)精度

정도는 직선성 히스테리시스 및 반복성 등의 종(linearity), (hysteresis) (respeatibility)

합오차이다.

이것은 센서가 미지의 압력을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가를 나(accurately)

타내는 것이다.

그러나 이 런 파라미터들은 기준 조건 에서 측정되는 것이므로(reference condition)

온도 효과는 포함되지 않는다.

나 안전성 과 반복성. (Stability) (Repeatibility)

안전성과 반복성은 동일한 파라미터를 정의한다.

반복성은 단시간에 대한 사양이고 안정성 장기간에 대한 사양이다 양자는 모두 하.

나의 압력센서가 사양에 주어진 온도와 압력 범위 내에서 압력측정을 얼마나 정확

하게 반복할 수 있는가를 정의해 주는 용어이다.

반복성 정해진 기준 조건에서 연속으로 측정할 때의 최대 편차- :

안정성 측정 간격을 년으로 하여 연속으로 측정할 때의 최대 편차- : 1

- 27 -

다 히스테리시스. (Hyteresis)

히스테리시스는 압력을 에서 정격압력 까지 증가시키면서 출력을 측정0 (Full Scale)

하고 정격압력으로부터 까지 감소시키면서 출력을 측정할 경우 같은 압력에서의0 ,

출력을 비교하여 그 차의 최대치를 정격압력에 대한 로 표시한는 것이다 그림% .(

참조4-1 )

그림 디지털 압력교정기의 히스테리시스 특성4-1.

라 직선성 또는 비직선성. (Linerity or Non-linerity)

직선성은 압력이 직선적으로 증가하면서 인가될때에 압력센서의 출력이 얼마나 직

선에 근접하는가 혹은 떨어지는가 를 나타내는 것이다 무부하시의 출력과 정격압력( ) .

이 인가될 때의 출력전압을 이른 직선을 기준선으로 하고 이 직선으로부터의 최대,

편차를 에 대한 로 나타낸다Full Scale % .

그러나 기준점 무부하시의 출력점과 정격압력시의 출력점 을 어떻게 잡는가에 따라( )

비직선성을 나타내는 방법은 가지로 구분된다3 .

- 28 -

최대편차가 최소가 되도록 독립직선을 그었을때의(1) Independent Non-Linerity :

비직선성

그림 4-2. Independent Non-Linerity

영점과 정격압력점을 맺은 직선으로부터의 최(2) Terminal Based Non-Linerity :

대편차로 나타내는 비직선성

그림 4-3. Terminal Based Non-Linerity

- 29 -

영점을 한쪽 끝점으로하고 최대 편차가 최소로 되(3) Zero Based Non-Linerity :

도록 하는 정격압력점을 다른 쪽 끝점으로 하여 맺은 직선으로부터의 최대편차로

나타나는 비직선성

그림 4-4. Zero Bassed Non-Linerity

- 30 -

디지털 압력교정기의 특성2.

본 연구에 의해 제작된 디지털 압력교정기를 한국표준과학연구원에 교정하여 표

의 결과를 얻었다4-1 .

표 개발된 디지털 압력교정기의 교정검사결과4-1.

- 31 -


- 32 -


- 33 -


- 34 -


- 35 -

가 출력특성.

표 의 측정치를 분석하면 제작한 디지털 압력교정기의 감도는4-1 1.4977 mV/V

인 것을 알 수 있다~ 1.5181 mV/V .

이것은 목표치인 범위내에 들어가는 것이며 일반적으로 디지1 mV/V ~ 3.3 mV/V ,

털 압력교정기 제조업체들이 발표하는 사양인 정격출력 를 만족1.5 mV/V 10%土

시킨다.

나 브릿지 저항의 응답특성.

브릿지의 출력전압 Eout과 압력전압 Es사이에는 다음의 관계과 성립된다.

따라서 정격전압이 인가되는 정격출력의 경우에는

가 된다.

출력 특성에서 정격출력이 이므로 의 값은1.4977 mV/V ~ 1.5181 mV/V R/R⊿인 것을 알 수 있다 즉 박형 스트레인 게이지의 저항 변화율0.14977 ~ 0.15181 . ,

은 정격압력 인가시에 인 것을 알 수 있다0.15 % ~ 0.16B % .

또 박형 스트레인 게이지의 게이지율을 약 라고 하면 각 저항 소자가 받는 스트, 2

레인은 다음 식으로 계산된다.

식 에 정격출력 를 대입하여 스트레인을 계산(4-5) 1.4977 mV/V ~ 1.5181 mV/V

하면 ℇ의 값을 알 수 있다.

- 36 -

다 비직선성.

표 의 측정치를 가지고 비직선성을 계산하여 그래프로 나타내면 그림4-1 4-5,

이 된다4-6, 4-7 .

그림 디지털 압력교정기의 비직선성4-5. (10 kgf/ )


- 37 -


- 38 -

라 히스테리시스.

표 의 측정치를 가지고 히스테리시스를 그래프로 나타내면 그림4-1 4-8, 4-9,

과 같이 된다4-10, 4-11 .

그림 디지털 압력교정기의 히스테리시스 특성4-8. (500 kgf/ )


- 39 -



- 40 -

제 절 시제품 제작2

본 연구과제로서 제작된 시제품을 사진 에 나타내었다1-1, 1-2, 1-3 .

사진 시제작된 디지털 압력교정기1-1.

사진 시제작된 디지털 압력교정기1-2 (Portable Type)

사진 장비는 최소의 장비로 측정효과를 볼 수 있다1-2

- 41 -

사진 현장에서 실제 사용중인 장비1-3

사진 장비는 미세압력조절 범위가 광범위 하며 측정 압력도 표준기 교체 하1-3 (

면서 사용 진공에서 최대 까지 다양하게 교정할 수 있다) 120 kgf/ .

사진 압력제어부 내부 사진1-4

- 42 -

시제작된1-5 Volume Controller

- 43 -

제 장 결 론4

본 과제에 의하여 감도가 양호하고 정도가 좋은 고정밀급 디지털 압력교정기 생산

기술 개발에 성공하였다 년간의 연구는 크게 나누어 압력제어부와 신호처리부 온. 1 (

도보상 및 변환회로 설계 및 제작 등으로 구분할 수 있으며 연구 결과를 요약A/D ) ,

하면 다음과 같다.

압력제어부1.

본 과제는 유압용 및 공압용 압력제어부 국산화에 초점을 맞추었다 그 결과 압력.

조절기 시제품을 제작하였으며 성능 평가 연구를 수행하였다 개발한 공압용 압력.

조절기는 압력범위가 이고 분해능 유압용 압력조절기는0-70 bar 0.002%,

이고 정도로 분해능이 로 선진제품과 비슷한 기술수준이다0-1000 bar 0.02 % .

향후에는 좀더 고부가가치가 높고 점단제품인 자동미세압력조절기를 개발하여 디지

털 압력교정기 고부가가치 제품을 출시할 예정이다 이것은 생산의 자동화와 연관.

하여 수요가 증가될 전망이다 현재 선진국에서 생산되는 제품은 만원 정도의. 1500

매우 고가이고 전량 수입되는 실정이므로 이에 대한 연구개발이 필요하다고 할 수

있다 이 제품이 개발되면 생산 제품의 자동 교정 및 측정 시험이 이루어지게 되어. ,

시간 및 원가절감에 크게 기여하게 된다 아울러 유압 디지털압력교정기에 사용되.

는 유압조절기의 성능향상에 관한 연구를 병행하여 고압에서 발생하는 밀봉 방법을

개선하였다.

선호처리부2.

가 온도보상회. 로

내에서 별도의 보상회로 없이 자기온도보상이 가능하도록 제작하였으며-10~50 °C

측정한 결과 디지털 압력교정기의 정도는 이하로 우수한 결과를 나타내0.1 % FS

었다.

나 변환회로. A/D

입력신호에 대한 출력값이 압력단위로 환산되어 다양한 압력단위가 산출되며 현재

단위 통일로 차후에는 압력단위가 단위로 일원화 될 전망이다SI Pa .

Documents

최종보고서 () 디지털압력교정기 2002 6 30 년월 일 · 압력제어부를설계제작하고마이크로프로세서를이용하여신호처리부를설계하여신뢰,