[논문자료] 초고압 압력센서용 다이어프램 설계 및 PZT 구동 변형시험기를 이용한 성능평가

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by suflux 2022. 5. 18. 14:46

계측기술은 과학 분야에서는 정확한 정보를 측정하며, 공학 분야에서는 시스템을 효과적으로 운영하고 제어하기 위한 핵심기술이다. 이러한 계측기술은 최근 우리 생활에 널리 이용되는 정보화 기술과 결합되어 일상생활의 안전과 편의를 증진 시킬 수 있는 핵심기술로 발전되고 있다. 계측기술은 이를 담당하는 센서 기술발전에 크게 의존하고 있으며, 압력의 계측은 이런 관련 기술의 주요 관심 분야 중 하나이다. 압력 은 유량 및 온도 등과 더불어 유체를 계측하고 제어하는 분야의 대표적인 기본 물리량이므로 유체와 관련된 많은 기술에 핵심적인 계측 정보이다.

압력센서는 높은 신뢰성과 동작의 안정성, 고정밀도, 저렴한 가격 및 재현성이 필수적으로 요구된다 특히 최근에는 고온, 고압 등의 열악한 환경에서도 사용할 수 있는 소형, 경량의 압력 및 하중센서가 요구되고 있다. 산업체의 각 공정 제어 등에서 사용되는 압력 센서는 그 종류가 많고 사용하는 목적과 장소에 따라서 여러 가지로 선택할 수 있다. 그 중 압력 변위 변환소자로 다이어 프램이 사용되는 것도 있다. 다이어프램은 압력 변위 또는 힘의 변환 효율은 높지 않으나 다른 감압 소자에 비해 극히 단순한 형상을 하고 있으므로 가장 많이 사용되고 있다. 차세대 친환경 운송 수단으로 각광 받고 있는 수소연료 전지차의 압력센서는 고압으로 수소가스를 충전 및 방전하기 때문에 안정성 확보 및 관리를 위해 초고압에서도 정밀한 측정이 가능해야 한다. 압력센서의 성능시험은 압력챔버를 이용한 시험방법에 의존하였다. 압력챔버는 주펌프와 중앙펌프로 이루어져 있어 공간을 많이 차지하고 누기가 생기는 경우도 있어 유지보수에 어려움이 있다.

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201910537995064

본 연구에서는 초고압 환경에서도 압력센서가 선형적 정밀 측정이 가능하도록 센서의 측정부인 다이어프램의 최적 형상과 두께를 설계하고 압력센서의 성능 시험을 용이하게 하기 위해 압력챔버가 아닌 PZT를 이용한 시험장치를 이용하여 성능 시험을 하였다. 다이어프램의 최적 형상 설계에서 두 개의 다이어프램 형상인 notch type과 flat type을 설계하여 압력에 따른 항복유무와 측정성능을 판단하기 위해 FEM 해석을 실시하여 두께와 형상에 따른 최대 응력 및 변위량을 파악하였다.

Notch type은 Notch 두께가 0.1 mm일 때 Flat type에 비해 비교적 높은 변위량이 발생하였으나 시험의 모든 두께에서 항복이 발생하여 압력센서에 사용이 불가하다. Flat type은 비교적 적은 양의 변위량을 보였으나 두께가 1.4 mm일 때를 제외하고는 모든 압력구간에서 항복이 발생하지 않아 초고압 압력센서에 적합하다. 변위센서 성능비교 시험에서 갭 센서가 레이저 센서에 비해 비교적 적은 양의 측정값을 나타내었다. 이것은 센서의 측정방 식의 차이로 인한 값의 차이여서 압력센서의 성능 시험에 측정이 용이한 갭 센서를 사용할 수 있다. PZT 압력센서 성능 시험장치를 이용한 압력센서의 성능시험은 압력 챔버를 이용한 시험 데이터와 FEM 해석을 통한 시험 값이 모두 동일한 결과값을 보여 주어 압력 챔버없이도 압력센서의 성능시험이 가능하다. 차후 연구에서는 PZT 압력센서 성능시험장치와 고압챔버를 이용한 병행 실험으로 고압력센서에 널리 쓰이고 있는 SUS600 계열과 현재 수소 충/방전 부품에 사용되고 있는 SUS316L의 성능 비교시험을 실시하여 수소자동차의 충·방전 부품의 압력센서 에 새로운 재료 적용가능 유무를 연구하는 것에 적용할 것이다.

산업용으로 많이 이용되는 대형 압력용기는 유체를 일정한 압력 이상으로 저장하는 저장조의 목적으로 많이 이용됩니다. 대형 및 산업용 압력용기는 가스 및 액체 저장, 증기발생기, 미생물 반응기, 열교환기 등의 목적으로 다양하며 유체의 성질, 상태, 용도에 따라 다양한 사양, 형태, 구조로 설계와 제작됩니다.

당사의 산업용 압력용기는 내부에 압력유체를 항상 내장하고 있어 파열의 위험성을 가지고 있기 때문에 각 용도와 사용목적, 형태에 따라 규격에 적합한 사용상의 안전을 고려해 제작해오고 있습니다. 당사의 압력용기의 경우 미국기계학회 규격에 적법한 ASME 규격에 맞추어 설계 및 제작하고 있으며 한국가스안전공사와 산업안전관리공단의 인증을 통해 안전하게 제작됩니다.

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