비례 압력 조절기 및 압력 센서 측정의 기본 개념

1. 비례 압력 조절기와 압력 센서란 무엇입니까?

진공 압력 제어 공정에서는 다양한 진공 압력 센서와 카오루(Kao Lu) 비례 압력 조절기가 흔히 사용됩니다. 이러한 센서와 카오루 비례 압력 조절기는 일반적으로 선형성, 히스테리시스, 반복성, 감도 등 다양한 정확도 지표를 표시하며, 일부는 일반적인 정확도 지표만을 제공하기도 합니다. 이러한 정확도 지표의 정의는 종종 서로 다른 의미를 가지므로 사용 시 명확히 구분해야 하며, 이는 특히 진공 압력의 정밀 측정 및 제어에 매우 중요합니다.

본 기사에서는 진공 압력 제어 공정에 사용되는 다양한 센서와 카오루(Kao Lu)의 비례 압력 조절기 에 적용되는 선형성, 히스테리시스, 반복성, 감도 등의 기본 매개변수 개념을 소개하고, 이러한 정밀 지표를 효과적이고 정확하게 사용하는 방법을 설명합니다.

2. 정확도에 관한 기본 개념

국제전기기술위원회(IEC)는 정확도를 "특정한 조건에서 특정 절차에 따라 장치를 테스트했을 때 관찰되는 특정 특성 곡선으로부터의 최대 양의 또는 음의 편차"로 정의합니다. 그러나 압력 센서 및 비례 압력 조절기 의 정확도 정의는 비선형성, 히스테리시스, 반복성, 온도, 영점 균형, 교정 및 습도 영향 등 다양한 오차 발생 요인으로 인해 훨씬 더 복잡합니다.

압력 센서와 비례 압력 조절기 의 비용에 있어 정확도는 매우 중요한 요소이며, 더 나아가 측정 과정의 품질과 효율성에도 큰 영향을 미칩니다. 센서와 비례 압력 조절기를 선택할 때는 정확도를 결정하는 요소를 이해하는 것이 중요합니다. 압력 변환기 및 비례 압력 조절기 의 정확도에 대한 단일 표준 정의는 없지만, 정확도를 구성하는 요소를 정의하는 IEC 표준이 있습니다. IEC 61298-2는 정확도에 비선형성, 히스테리시스 및 반복성이 포함되어야 한다고 규정합니다. 정확도와 관련된 오차 발생 원인 및 해당 측정 방법은 아래에서 하나씩 살펴보겠습니다.

2.1 비선형성과 그 측정 방법

비선형성은 선형성, 직선성 또는 선형성 오차라고도 합니다. 비선형성은 압력 센서의 전기 신호 출력 곡선과 측정 압력 범위 내의 지정된 직선 사이의 편차를 의미합니다. 카오루(Kao Lu) 비례 압력 조절기 의 압력 출력 곡선과 입력 전기 신호 범위 내의 지정된 직선 사이의 편차는 선형 장치의 출력이 원하는 성능에서 벗어나는 정도를 나타냅니다.

선형성 오차를 계산하는 일반적인 방법은 최소제곱법입니다. 이 방법은 그림 1에서와 같이 데이터 포인트에 가장 적합한 직선을 수학적으로 제공합니다. 선형성 오차를 정의하는 또 다른 방법은 그림 2와 같이 최종 기준선 선형성입니다. 최종 선형성은 출력 곡선에서 두 최종 데이터 포인트 사이에 직선(L1)을 그려서 결정합니다. 다음으로, 직선 L1에서 출력 곡선의 데이터 포인트까지 수직선을 그립니다. 수직선의 길이가 최대가 되도록 데이터 포인트를 선택합니다. 수직선의 길이가 최종 직선 선형성 오차를 나타냅니다. 최종 선형성은 최적 적합 선형성보다 약 두 배 더 우수합니다.

비선형성은 일반적으로 최대 출력값의 백분율로 표현되며 단위는 %FS입니다. 이에 따른 비선형성 오차는 측정 범위 × 비선형성으로 계산됩니다. 예를 들어 측정 범위가 1MPa이고 비선형성이 0.05%FS인 경우, 비선형성 오차는 1MPa × 0.05% = 0.5kPa입니다.

압력 변환기 및 비례 압력 조절기 의 비선형성을 확인하려면 먼저 측정 데이터를 수집해야 합니다. 일반적인 방법은 0에서 최대 압력 범위에 걸쳐 일정한 간격으로 압력을 가하거나, 0에서 최대 아날로그 신호 범위에 걸쳐 일정한 간격으로 아날로그 신호를 인가하고, 측정 출력의 각 압력 및 아날로그 신호 설정 지점에서 데이터를 수집하는 것입니다.

압력 측정 지점이 많을수록 비선형 계산의 정확도가 높아집니다. 측정값이 기록되면 테스트 데이터를 비교할 선을 결정해야 합니다. 압력 센서의 선형성 오차를 계산하는 데 사용할 수 있는 선은 여러 가지가 있으며, 그중 가장 널리 사용되는 세 가지는 다음과 같습니다.

적합한 직선

터미널 라인
이 방법은 오차를 최소화하지는 못하지만, 센서의 실제 선형성 성능을 파악하는 데 매우 유용합니다. 압력 센서를 측정 기기에 연결할 때, 압력 센서의 출력은 영점과 최대 압력을 설정하고 두 지점 사이가 직선이라고 가정하여 측정값으로 변환됩니다. 이것이 가장 쉽고 편리한 교정 방법입니다.
완벽한 직선
각 측정 지점의 출력은 고정밀 압력 센서의 출력과 직접 비교됩니다. 예를 들어, 0~5bar 범위에서 0~10V 출력을 내는 센서는 1.25bar에서 2.5V의 전압 신호를 정확하게 생성합니다. 압력 변환기에는 일반적으로 영점 오프셋 및 스팬 게인을 조정하는 트리밍 구성 요소가 포함되어 있지 않기 때문에 완벽한 직선은 거의 사용되지 않습니다. 또한 모든 압력 센서가 완전히 동일한 것은 아닙니다. 각 센서는 서로 다른 영점 및 스팬 특성을 가지며, 이러한 편차는 선형성 오차보다 훨씬 클 수 있습니다.

따라서 압력 센서 배치에 대해서는 영점 및 스팬 특성의 변동을 고려하여 선형성 오차 사양을 더 크게 설정해야 합니다. 하지만 영점 및 스팬 설정 보정 없이 고장난 압력 센서를 직접 교체해야 하는 경우와 같이 완벽하게 직선이어야 하는 응용 분야도 여전히 존재합니다.

2.2 반복성

반복성 오차는 다른 조건이 일정하게 유지되는 상태에서 특정 입력 압력을 여러 번 연속적으로 측정했을 때 출력값의 편차를 말합니다. 카오루(Kao Lu)의 비례 압력 조절기 의 경우, 반복성 오차는 특정 입력 전압 신호를 연속적으로 측정했을 때 압력 출력값의 편차를 의미합니다. 반복성 오차는 반복성 오차와 비반복성 오차로 나눌 수 있습니다.

반복 가능 오차는 추가적인 아날로그 신호 처리 또는 마이크로프로세서 기반 전자 장치를 통해 측정값에서 특성화하거나 제거할 수 있는 예측 가능한 불확실성을 의미합니다. 일반적으로 압력 변환기 및 비례 압력 조절기 의 경우, 반복 가능 오차는 선형성 오차와 열적 영점/스팬 오프셋 오차입니다.

압력 센서 반복성 오차에는 때때로 단기 반복성 오차가 포함되는데, 이는 첫 번째 교정점 측정 직후 두 번째 및 세 번째 교정점을 측정하여 일련의 압력 주기 동안 압력 센서의 안정성을 나타내는 것입니다.

반복성 오차를 측정하려면 각 압력 지점을 2차 및 3차 주기에서의 동일 지점과 비교하십시오. 즉, 각 압력 주기의 동일 압력 지점을 첫 번째 주기와 비교하여 변화량을 확인합니다. 단기 반복성은 사양서에 별도의 오차로 표시되는 경우가 드물며, 일반적으로 비선형성, 히스테리시스 및 반복성 오차의 합에 포함됩니다.

반복 불가능 오차는 히스테리시스, 단기 반복성, 장기 안정성과 같이 예측 및 특성화할 수 없는 복잡한 측정 불확실성을 의미합니다. 반복 불가능 오차는 압력 변화, 압력 사이클 횟수 및 빈도에 따라 달라지므로 적용 분야에 따라 변동합니다. 장기 안정성은 정상 작동 조건에서 시간이 지남에 따라 출력 신호의 드리프트가 얼마나 잘 유지되는지를 나타내는 척도입니다.

장기 드리프트는 일반적으로 12개월과 같은 기간 동안의 전체 스케일 대비 백분율로 표시됩니다. 때로는 제로 드리프트와 스팬 장기 안정성이 단독으로 제시되기도 하는데, 특히 한 값이 다른 값보다 훨씬 큰 경우에 그렇습니다. 장기 드리프트는 단순히 한 기술과 다른 기술을 비교하는 수치일 뿐이며 특정 용도에 대한 신뢰성을 보장할 수는 없습니다. 이는 압력 센서가 수명 동안 겪게 될 압력 사이클, 온도 사이클, 진동 및 충격의 횟수를 예측하기 어렵기 때문입니다.

이러한 모든 요소는 진폭과 주파수에 따라 다양한 정도로 압력 센서의 성능에 영향을 미칩니다. 간단히 말해, 일반적인 압력 센서 및 비례 압력 조절기 의 정확도 표기에서 반복성 지표는 일반적으로 반복성을 의미하며, 여기서 반복성은 일반적으로 단기 반복 오차를 의미합니다.

2.3 히스테리시스

히스테리시스 오차는 일반적으로 기계적 히스테리시스와 온도 히스테리시스의 조합으로 표현됩니다. 기계적 히스테리시스는 특정 입력 압력에서 출력값이 압력이 증가함에 따라 해당 입력값에 접근할 때와 압력이 감소함에 따라 달라지는 현상입니다. 마찬가지로, 온도 히스테리시스는 온도 변화 주기 전후의 입력값에서 출력값의 편차를 나타냅니다. 히스테리시스는 그림 3에서와 같이 두 가지 효과가 결합된 형태로 표현됩니다.

압력 센서 사양서에는 온도 이력 현상이 언급되지 않는 경우가 많아 전체 온도 오차에 포함되는지 여부를 판단하기 어렵습니다. 온도 이력 현상이 명시되어 있다면, 보정된 온도 범위에 걸쳐 전체 스케일 대비 백분율로 표시됩니다.

개별 측정 히스테리시스 오차는 압력이 증가하고 감소하는 데이터 세트에서 동일한 압력 지점의 출력 신호를 비교하여 계산됩니다. 그러나 전체 정확도 성능을 계산하기 위해 다른 데이터와의 지연을 계산할 때는 각 지점을 개별적으로 고려하여 최적의 직선과 비교합니다.

압력 변환기 및 비례 압력 조절기 의 히스테리시스는 압력 또는 제어 전압을 0에서 최대 스케일까지 인가하여 측정합니다. 일반적으로 측정값을 초과하지 않도록 5단계로 등간격으로 인가하면서 측정합니다. 그런 다음 동일한 과정을 최대 스케일에서 0으로 반대 방향으로 반복합니다.

최상의 결과를 얻으려면 압력이나 전압이 측정 지점을 초과하지 않도록 주의 깊게 제어하는 것이 중요합니다. 압력과 전압을 가하는 방향이 바뀌면 2차 히스테리시스 효과가 발생하기 때문입니다.

히스테리시스 오차는 동일한 단계 지점에서 측정된 압력 또는 전압 값이 증가할 때와 감소할 때의 편차입니다. 히스테리시스 백분율은 최대 편차를 전체 스케일 압력으로 나누어 구할 수 있습니다. 그림 3에서 보는 바와 같이 구체적인 계산 과정은 다음과 같습니다.
히스테리시스 % = ((Vp1 - dVp1)/FRO) × 100
Vp1 = 압력 증가 중 압력 P1에서의 전압 출력.
dVp1 = 감압 중 압력 P1에서의 전압 출력.
FRO = 최대 압력에서의 전압 출력

2.4 해상도 및 감도

분해능이란 센서가 측정값의 미세한 변화를 감지하는 능력을 의미합니다. 즉, 입력값이 특정 비영점 값에서 천천히 변화할 때, 입력값 변화량이 특정 값을 넘지 않으면 센서 출력은 변하지 않습니다. 이는 센서가 입력값의 변화를 구분할 수 없다는 것을 의미합니다. 센서 출력은 입력값이 분해능을 초과하여 변할 때만 변화합니다.

센서의 전체 측정 범위 내에서 각 지점의 분해능은 일반적으로 동일하지 않으므로, 전체 측정 범위 내에서 출력량에 계단식 변화를 일으킬 수 있는 입력량의 변화 값을 분해능 측정 지표로 사용하는 경우가 많습니다. 즉, 분해능 = 측정된 출력량 변화량 / 측정된 변동량입니다. 감도는 압력 센서의 정상 작동 조건에서 전압 출력 변화 ΔV와 압력 입력 변화 ΔP의 비율을 나타냅니다. 즉, 감도 = 응답 변화량 / 측정된 변화량입니다.

감도는 출력-입력 특성 곡선의 기울기입니다. 압력 센서의 출력과 입력 사이에 선형 관계가 있다면 감도는 일정합니다. 그렇지 않으면 입력량에 따라 감도가 변합니다.

센서의 출력과 입력의 크기가 같을 때, 감도는 확대율로 이해할 수 있습니다. 일반적으로 감도가 높을수록 해상도가 좋아지고 측정 정확도가 높아집니다. 하지만 감도가 높을수록 측정 범위가 좁아지고 안정성이 떨어집니다.

비례 압력 조절기 의 압력 제어 응용 분야에서 분해능과 감도는 매우 중요한 지표이며, 이는 최종 정밀도를 결정하는 데 큰 영향을 미칩니다. 특히 외부 PID 컨트롤러를 사용하는 압력 제어 과정에서 비례 압력 조절기 의 감도가 높을수록 PID 컨트롤러에서 출력되는 제어 전압 신호를 최소화하여 더욱 정밀한 압력 조절 및 제어가 가능합니다.

3. 총 오차와 정확도의 관계

압력 변환기 및 비례 압력 조절기를 선택할 때 가장 중요한 고려 사항은 일반적으로 정확도입니다. 하지만 정확도는 전체 오차의 일부일 뿐이며, 센서 및 비례 압력 조절기 의 기술 지표에는 전체 오차가 포함될 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 전체 오차는 센서의 사용 조건 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이, 전체 오차는 주로 조정 오차, 정확도 및 온도 영향의 세 가지 측면으로 구성됩니다.

그림 4에서 보는 바와 같이, 조정 가능한 오차는 영점 오차와 범위 오차로 구성됩니다. 이러한 조정 가능한 오차는 쉽게 식별하고 조정할 수 있습니다. 압력 센서와 비례 압력 조절기 의 이 두 가지 지표는 일반적으로 출고 전과 교정 과정 중에 교정됩니다.

장기 안정성(장기 오차 또는 장기 드리프트라고도 함)은 작동 중 영점 오차 및 스팬 오차의 원인이 됩니다. 즉, 이러한 두 가지 조정 가능한 오차가 센서를 장기간 사용 후 다시 나타나거나 악화될 수 있음을 의미합니다. 교정 및 후속 조정을 통해 이러한 장기 드리프트를 다시 수정할 수 있습니다.

전체 오차 중 온도 영향 오차는 온도 변동이 압력 센서와 비례 압력 조절기 의 측정값에 영향을 미치는 현상입니다. 또한 온도 히스테리시스라는 현상도 있습니다. 일반적으로 히스테리시스는 동일 지점을 순방향 및 역방향 경로로 측정할 때 발생하는 체계적인 편차를 나타냅니다. 여기서 온도 히스테리시스는 특정 온도가 상승하거나 하강할 때 특정 온도에서의 출력 신호 차이(즉, 편차)를 의미합니다.

4. 결론

압력 센서와 카오루(Kao Lu) 비례 압력 조절기를 실제로 적용할 때 가장 중요한 문제는 센서와 카오루의 비례 압력 조절기를 선택할 때 무엇을 가장 고려해야 하는지이며, 이는 특정 상황에 대한 구체적인 분석을 필요로 합니다. 조정 오차는 제조사에서 이미 보정되었으므로 부차적인 역할만 합니다. 또한, 압력 센서는 일반적으로 사용 중에 정기적인 교정 및 디버깅이 필요합니다.

따라서 실제 응용 분야에서는 정밀도와 열 효과가 결정적인 역할을 하는 경우가 많습니다. 핵심 질문은 '제어된 조건에서 사용되는가?'입니다. 즉, 교정 시 기준 온도(일반적으로 25°C) 근처에서 측정할 때는 온도 효과가 거의 무시할 수 있으며, 전체 오차의 주요 원인은 정확도 저하 효과에 불과합니다. 그러나 넓은 온도 범위에서 압력을 측정하고 제어할 때는 온도 효과가 매우 중요해집니다.