[Tech Report] 압력 센서를 활용하는 산업용 애플리케이션

[ST마이크로일렉트로닉스=톰 보끼노(Tom Bocchino), 제이 에스판디야리(Jay Esfandyari)] 압력 센서는 산업용 시장에서 다양한 분야의 애플리케이션(앱)에 사용된다. 센서 기술이 지속적으로 발전하면서 증기나 액체 압력 감지 같은 전통적 앱 뿐만 아니라 새로운 앱이 이 중요한 센서의 장점을 활용하게 됐다.

최근 크기 축소, 기능 통합 확대, 경제성 향상, 더 넓은 전압으로 동작하는 새로운 세대의 저전력 센서 기술을 이용해 센서를 활용하는 사물인터넷(IoT)이 가능해졌다.

이 글에서는 산업용 앱에서 압력를 감지할 때 사용하는 기법과 최신 압력 센서에 사용하는 MEMS(Micro-Electronic-Machined Sensors) 기술을 설명한다.

압력 센서 유형

계기 압력(Gauge Pressure) : 통상적으로 14.7 PSI 또는 1013.25밀리바인 대기압이나 주변압을 기준으로 측정한 것이다. 압력이 주변압보다 높으면 ‘양’의 압력이고, 주변압보다 낮으면 ‘음’의 압력이다. 계기 압력은 추가적인 캘리브레이션을 최소화하고 장시간에 걸쳐 압력을 측정하는 앱에 유용하다.

절대 압력(Absolute Pressure) : 절대 진공에 대해 측정한 압력이다. 완전 진공은 절대 압력이 0 PSI이고, 이 지점부터 압력이 증가한다. 절대 압력 센서는 대기압보다 낮은 압력을 측정해야 하는 앱에 유용하다. 고도계가 절대 압력 센서의 한 예이다. 고도계를 사용해 해수면을 기준으로 고도를 측정한다.

차압(Differential Pressure) : 두 압력 간의 차이다. 하나는 측정하고자 하는 압력이고, 다른 하나는 기준 압력이다. 기준 압력은 대기압(계기 압력)이거나, 측정하고자 하는 압력보다 높거나 낮은 또 다른 압력이다. 차압 센서는 두 압력을 측정해 유량을 구하는 데 유용하다.

세탁기부터 드론까지 다방면으로 사용되는 산업용 앱

가장 대표적인 산업용 앱으로는 탱크 수위나 여타 액체의 높이를 측정하는 앱이 있다. [그림 2]는 MEMS 압력 센서를 활용한 액체 수위 측정 시스템의 블록 다이어그램이다. 이 시스템은 세탁기, 인공호흡 장비, 커피 메이커 같은 다양한 산업용과 컨슈머 앱에 사용한다. 이 시스템은 측정을 자동화하고자 하는 IoT 앱에도 활용한다. 작업자가 액체에 접근 불가능한 경우 딥 스틱이나 플로트 같은 전통적 방식으로 액체 수위를 측정할 수 없다.

MEMS 압력 센서를 활용한 이 시스템은 측정할 액체에 호스나 고무 튜브를 삽입하고 단일 절대 (기압) 압력 센서를 연결해 수위를 측정한다. MEMS 센서를 측정할 액체보다 높은 위치에 설치해야 한다. 용기 안의 액체가 고무 튜브를 부분적으로 채우며 공기를 압력 센서 쪽으로 밀어낸다. 센서가 액체와 접촉하지 않고, 튜브의 공기 압력을 측정한 것을 가지고 손쉽게 용기 내의 액체 양을 알 수 있다. 용기의 액체가 많을수록 튜브의 압력이 높아진다.

액체 수위 측정에 단일 절대 압력 센서를 사용할 때는 앱 소프트웨어로 제로 오프셋을 관리해야 한다. 제로 오프셋은 용기에 액체를 채우기 전에 제로 압력 기준을 설정하는 방법이다. 이 시점에 측정된 압력이 제로 기준점으로 즉, 0 밀리바다.

또 마이크로 컨트롤러(MCU)가 전용 소프트웨어 루틴을 통해 제로 기준점을 설정한다. 센서를 무선으로 모니터링이 가능하도록 블루투스 연결을 내장한 스마트 센서에서 주로 활용하는 방법이다. 이러한 시스템은 원격 액세스가 필요하며 두 번째 압력 센서를 사용해 실제적으로 차압 센서 기능을 구현한다.

[그림 3]은 두 번째 절대 압력 센서를 제로 기준점으로 삼아 차압 센서와 같은 기능을 한다. 두 번째 센서를 사용해 주변 공기 압력을 지속적으로 측정하고, 이 값을 감산해 튜브 내의 계기 압력을 구한다.

또 다른 대표 앱은 드론과 로봇 앱이다. 기압 센서는 드론 앱에서 고도 유지를 위해 UAV(무인 항공기) 높이를 정확히 알아야 하기 때문에 필요하다. 최신 압력 센서는 작은 크기, 낮은 전력, 낮은 잡음, 높은 정확도, 진동에 대한 견고성으로 3미터 이하의 절대 고도를 불과 수 센티미터 오차로 측정한다. 드론이 허용된 고도, 다시 말해 ‘슬롯’ 내에서 비행해야 하는 경우 고도 또는 z축 측정이 매우 중요하다.

UAV의 고도계 앱과 마찬가지로, 텔레매틱스와 자산 추적 앱으로 압력 센서를 사용해 비행기 이착륙을 감지한다. 비행기 이륙 전 화물칸의 문을 닫으면 압력 센서가 즉시 압력 변화를 감지한다.

비행기가 이륙하면 자산 추적 장비의 GPS가 비행 동안 전원을 꺼 배터리 시간을 연장한다. 지역에 따라 비행 동안 GPS 무선 사용을 규제하는 경우 GPS 동작 제어가 중요하다.

또 다른 앱은 산업용 압력 센서를 사용해 공기, 기체, 액체 등의 유량과 누수를 탐지하는 것이다. 오늘날 최신 압력 센서는 공장에서 사전에 보정되어 출하하며, 동작온도 범위 전체에 걸쳐 매우 정확한 출력을 제공한다.

[그림 5]는 2개 절대 압력 센서를 사용해 기체나 공기 유량을 측정하는 경제적이면서도 정확한 방법을 보여준다. 이 솔루션은 2개의 절대 압력 센서를 사용해 작은 관과 큰 관의 압력을 측정한다. 특정한 공기 흐름으로 작은 관의 압력이 큰 관의 압력보다 높다. 이 압력 차를 측정해 유량을 계산한다.

이 글에서는 산업용 압력 센서의 유형과 대표적 앱들을 살펴봤다. MEMS 압력 센서는 작은 크기, 낮은 전력 소모, 보정 기능, 견고한 패키징으로 기존에는 불가능했던 새로운 산업용 앱들을 구현해 준다. 드론과 로봇, 공기·기체 유량 측정, 자산 추적, 항공기 이착륙 감지를 비롯한 다양한 앱에서 압력 센서를 사용한다.

글 : 톰 보끼노(Tom Bocchino)센서 제품 마케팅 매니저/제이 에스판디야리(Jay Esfandyari)센서 제품 마케팅 수석 매니저

자료제공 : ST마이크로일렉트로닉스