http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2019.28.1.58 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
초고압 압력센서용 다이어프램 설계 및 PZT 구동 변형시험기를 이용한 성능평가
윤대중 · 안중환+
Design of Diaphragm for Ultra High Pressure Sensors and Its performance Evaluation Using a PZT Actuated Deformation Tester
Dae Jhoong Yun and Jung Hwan Ahn+
Abstract
This research aims at designing a diaphragm made of SUS316L stainless steel for ultra high pressure sensors and eval- uating its performance with a PZT driven deformation tester instead of high pressure chamber testing up to 100 MPa. Finite element method analysis indicates that the optimum thickness of a flat diaphragm is 1.5 mm not only to secure safety of sensors up to 100 MPa but also to enhance displacement measuring sensitivity. For this thickness, the maximum dis- placement at the center of the diaphragm is 5.3 µm. The PZT actuator must offer a force of 1,669 N to create a pressure of 100 MPa at the diaphragm surface in order to obtain a displacement of 5.3 µm. The performance evaluation by the PZT driven tester demonstrates nearly the same results as the same results as the sensors tested in the ultra high pressure chamber.
Keywords: Ultra high pressure, pressure sensor, Diaphragm, PZT, Deformation tester, Displacement
1. 서 론
계측기술은 과학 분야에서는 정확한 정보를 측정하며, 공 학 분야에서는 시스템을 효과적으로 운영하고 제어하기 위한 핵심기술이다. 이러한 계측기술은 최근 우리 생활에 널리 이 용되는 정보화 기술과 결합되어 일상생활의 안전과 편의를 증진 시킬 수 있는 핵심기술로 발전되고 있다. 계측기술은 이 를 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 분 야의 대표적인 기본 물리량이므로 유체와 관련된 많은 기술 에 핵심적인 계측 정보이다 [1]. 압력센서는 높은 신뢰성과 동작의 안정성, 고정밀도, 저렴한 가격 및 재현성이 필수적으 로 요구된다 특히 최근에는 고온, 고압 등의 열악한 환경에
서도 사용할 수 있는 소형, 경량의 압력 및 하중센서가 요구 되고 있다 [2]. 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 [3]. 다이어프램은 압력 변위 또 는 힘의 변환 효율은 높지 않으나 다른 감압 소자에 비해 극 히 단순한 형상을 하고 있으므로 가장 많이 사용되고 있다 [4]. 차세대 친환경 운송 수단으로 각광 받고 있는 수소연료 전지차의 압력센서는 고압으로 수소가스를 충전 및 방전하기 때문에 안정성 확보 및 관리를 위해 초고압에서도 정밀한 측 정이 가능해야 한다 [5]. 압력센서의 성능시험은 압력챔버를 이용한 시험방법에 의존하였다. 압력챔버는 주펌프와 중앙펌 프로 이루어져 있어 공간을 많이 차지하고 누기가 생기는 경 우도 있어 유지보수에 어려움이 있다.
PZT 구동기를 이용한 압력센서 성능 실험 장치는 PZT 구 동기, 변위측정부, 압력센서 고정 지그, 힘 측정부 등이 주요 요소로 구성되고, 이들은 시험대상과 범위에 따라 적절히 선 택되고 설계되어야 한다 [6]. 본 연구에서는 초고압에서도 선 형적으로 정밀하게 측정할 수 있는 압력센서의 다이어프램을 설계하고 이를 성능 시험하기 위해 압력챔버를 사용하지 않고 정밀한 시험이 가능한 PZT 구동기를 적용한 압력센서 성능 시험 장치를 이용하여 압력센서 성능평가를 하려고 한다.
부산대학교 기계공학부(School of Mechtronical Engineering, Pusan National Unversity)
M building 117, Pusan National University, 2, Busandaehak-ro 63boen-gil, Geumjeong-gu, Busan 46241, Korea
+Corresponding author: [email protected]
(Received: Nov. 21, 2018, Revised: Jan. 28, 2019, Accepted: Jan. 29, 2019)
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2. 압력센서 다이어프램 설계 및 변형량 FEM 해석
2.1 다이어프램부 설계
다이어프램형 압력센서에서 고압으로 인한 다이어프램 변위 를 용이하게 측정하기 위해서는 높은 변위량이 요구되고 이를 위해 최적의 형상과 두께의 설계가 필요하다 [7-10].
사용하고자하는 목적에 따라 다이어프램의 형상을 크게 두가 지로 분류할 수 있다. 다이어프램의 양 끝단에 노치(Notch)를 두 어 변위가 선형적으로 발생하는 Notch type 다이어프램과 압력 에 따라 다이어프램 반경 방향으로 비선형적으로 변형하는 Flat type 다이어프램이다. 본 성능시험에 필요한 다이어프램은 수소 충/방전 부품에 최대 105 MPa까지 측정이 가능하여야 한다. 아 래는 각각의 다이어프램 형상에 따른 설계 변수와 변형량, 응력 을 수식화하여 나타낸 설계 이론이다 [6,9,11].
2.1.1 Notch type 다이어프램
다이어프램에서 발생되는 변위를 센서에서 측정이 용이하도 록 그림1(a) 처럼 다이어프램 가장자리에 노치부를 두고 노치 이외의 중앙부의 변형이 일정하도록 한 형태이다.
압력 P에 의한 다이어프램 변위와 응력은 그림 1(b)처럼 나 타낼 수 있고, 식(1), (2)와 같 이 표현된다.
(1)
(2)
여기서 y는 압력 P에 의한 다이어프램의 변위이며, y
0는 다이 어프램 중심부에서 나타나는 최대 변위이다. h는 다이어프램의 두께, E는 다이어프램 재질의 탄성 계수, µ는 다이어프램 재질 의 포아송비, a는 다이어프램의 반지름, r은 다이어프램의 중심 에서부터의 반경 방향의 거리이다.
2.1.2 Flat type 다이어프램
(3)
(4)
Flat type 다이어프램은 식(3), (4)와 같이 표현할 수 있으며 각 변수들은 식 (1), (2)와 동일하다.
2.2 다이어프램 변형량 FEM 해석
고압에 의한 압력센서의 다이어프램 변형량을 예측하여 최적 설계 변수를 선정하기 위해 ANSYS R19.1(부산대학교, 대한민 국) 을 사용하였다. 재료는 수소 취성이 강해 현재 수소 충/방전 부품에 사용되고 있는 SUS316L을 적용하였다. 압력은 재료의 항복강도 170 MPa 아래인 150 MPa까지 0부터 10 MPa씩 증 압하였다. 메쉬는 노치타입은 2,784 개, 플랬타입은 1,356개로 구성되어 있다.
2.2.1 Notch type 다이어프램 해석 결과
모든 조건을 동일하게 두고 최적설계 변수인 노치 두께만 0.1 mm, 0.15 mm, 0.2 mm 로 다르게 적용하여 최대 응력과 변 위량을 구하였다. Fig. 3은 해석 결과 중 한 가지 사례를 보여준다.
Notch 두께가 0.1 mm일 때 최대 변위 238.2 μm가 발생하였 으나 Notch 부위가 가장 두꺼운 0.2 mm이 0에서 10 MPa 증가 하는 중 100 MPa 부근에서 노치 부위에 항복이 발생하여 사용 할 수가 없다.
2.2.2 Flat type 다이어프램 해석결과
두께 1.4 mm와 1.5 mm에서는 5 μm 이상의 변위량을 나타냈 y A
ppa
4Eh
3---
⎝ ⎠
⎛ ⎞
=
A
p3 1 ( – μ
2) --- 1 16 b
4a
4--- – 4 b
2a
2--- a
b --- log
⎝ – ⎠
⎛ ⎞
=
y 3 1 µ ( –
2)P 16Eh
3--- ( a
2– r
2)
2=
y
0( 1 – µ
2)Pa
416Eh
3---
=
Fig. 1. Notch type diaphragm ; (a) Design of notch type diaphragm,
Fig. 2. Flat type diaphragm ; (a) Design of flat type diaphragm, (b)
Background theory of design.
으며 두께가 1.4 mm일 때, 145 MPa 부근에서 항복이 발생하였 으나 1.5 mm, 1.6 mm 두께에서는 모든 가압구간에서 항복이 발 생하지 않았다.
3. PZT를 이용한 압력센서 시험장치
압력센서에 많이 사용되는 다이어프램은 박막보다 훨씬 두꺼
운 박판(0.1~2.0 mm)이므로 하중 크기가 박막시험시의 구동기 감당할 수 없을 만큼 커 박판에 맞는 시험장치가 필요하다. 본 연구에 이를 고려하여 압력센서용 다이어프램 시험장치를 제작하였다.
3.1 압력센서 시험장치의 구성
압력센서의 다이어프램 같은 박판을 미세변형 시키고 변위량 과 작용힘을 측정할 수 있는 시험장치의 주요 구성요소는 압력 센서를 고정하는 지그와 압력을 대신해 다이어프램에 힘을 가 하는 PZT 구동기, 다이어프램의 변위량을 측정하는 갭 센서, 다 이어프램에 가해지는 힘을 실시간 모니터링하는 로드셀이며 이 를 바탕으로 설계한 것은 Fig. 5와 같다.
3.2 압력센서 가압모사 설계
시험장치 설계에서 가장 중요한 것은 고압 밸브의 압력센서 에 압력이 가해지는 현상을 실험장치에서도 동일하게 모사하는 것이다. 고압 밸브에 사용되는 압력센서는 아래 부분의 좁고 긴 압력 주입구를 통해 수소가 흡입되어 다이어프램의 모든 표면 에 압력을 가하게 된다. 이러한 현상을 구현하기 위해 액추에이 터의 구동력을 압력센서 내부의 긴 흡입구간을 통과하여 다이 어프램에 전달하는 엑추에이터 팁을 설계하였다. 엑추에이터 팁 은 PZT에 체결되며 끝단에는 다이어프램에 구동력이 고루 전 달될 수 있도록 탄성력이 있는 팁을 부착하였다. 끝단에 사용되 는 팁은 탄성을 가지면서 105 MPa의 강력한 힘에서도 파손되 지 않는 소재인 PEEK를 가공하여 사용하였다. PEEK의 물성치 는 Table 3과 같으며 이러한 필요 조건들을 반영하여 설계한 것 은 Fig. 6과 같다.
Fig. 3. FEM analysis result of Notch type diaphragm.
Table 1. Deformation according to notch thickness (diaphragm thickness : 20 mm)
Notch thickness (mm)
Deformation ( µm)
Maximum stress (MPa)
0.1 238.2 12,846
0.15 191.6 9,694.3
0.2 141.5 7,926
Fig. 4. FEM analysis result of Flat type diaphragm.
Table 2. Deformation according to diaphragm thickness Thickness
(mm)
Deformation ( µm)
Maximum stress (MPa)
1.4 5.5 482
1.5 5.3 456
1.6 4.8 429
Fig. 5. Pressure sensor performance evaluation tester.
3.3 PZT 구동기
압력센서 다이어프램에 압력이 가해지는 것을 모사하기 위해 압력을 대신해 힘을 가하는 것은 선행 연구에서 사용한 PI사의 P-844.40 을 이용하였다. 해당 모델은 최대 변위량이 60 mm, 최 대 작용력이 3000 N이고, 강성(stiffness)가 57 N/mm이여서 이
론적으로 최대 작용력 1,000 N일 때 PZT 수축을 고려하면 변 형이 적어도 40 mm정도 발생할 것으로 예상된다.
구동기 출력의 신뢰성 확보를 위해 저항변화형 하중센서 (FUTEK, LCM3000) 을 사용하여 힘을 측정하였다. Fig. 7의 힘 측정 실험장치와 같이 PZT가 지그에 예압을 3.1 N 가해지도록 접촉한 뒤 0~100 V까지 10 V 단위로 전압을 인가하여 로드셀 으로의 반력을 측정하였다.
입력전압에 대한 PZT 출력 힘과의 관계를 Fig. 8과 같이 나 타났으며 이를 바탕으로 식 (5)와 같은 관계식을 얻었다.
(5) 본 연구에 요구되는 최대 힘은 약 1669 N이며 식 (5)으로부 터 실제 입력 전압이 약 70 V에 해당한다.
3.4 변위량 측정
다이어프램 변위량 측정을 위해 선행연구에서는 고속/고정도 CCD 레이저 변위센서를 사용하였다. 이것은 고속 정밀 측정면 에서는 유리하지만, 레이저 초점이 다이어프램 중심점에 맞추어 지지 않으면 측정오차가 발생한다. 본 연구에서는 측정 오차를 줄이기 위해 갭 센서를 사용하였다. 적용된 갭 센서는 분해능이 0.04 μm이며, 측정범위는 0~5 mm이어서 압력센서의 변위량 측 정에 적합하다.
갭 센서의 신뢰성 확보를 위해 선행연구에서 변위량 측정을 위해 사용하였던 CCD 레이저 변위센서와의 변위량 측정 비교 실험을 실시하였다. 실험은 엑추에이터에 0~100 V의 전압을 10 V 간격으로 인가하였다. 이는 압력 0~213 MPa을 압력센서 에 가하는 것과 동일하다.
F = 22V 68 – Table 3. Deformation according to diaphragm thickness
Tensile stress (MPa)
Modulus of elasticity (MPa)
PEEK 115 4300
Fig. 6. Design of Pressure input device.
Fig. 7. Output force measuring device of PZT.
Fig. 8. PZT output force according to voltage.
실험에 사용된 PZT는 PI사의 P-844.40이며 최대 변위량은 60 μm이다. 100 V에서 최대 변위가 발생하는데 레이저 변위센 서에서는 69.78 μm를, 갭 센서에서는 67.2 μm를 나타내었다.
Fig. 10 은 압력에 따른 구동기의 변위량을 레이저 센서와 갭 센 서에서 측정된 값을 나타낸 것이다.
갭 센서의 측정값이 레이저 센선에 비해 비교적 작게 측정이 되어 이유를 알아 보기 위해 FEM 해석결과에서 측정 반경거리 별 변위값(Table 4)을 조사한 결과 변위 측정 구간의 평균 변위 값이 센서의 변위값과 동일하였다.
4. 압력챔버 변위측정 비교실험
PZT 를 사용하는 압력센서 실험장치(Fig. 5)를 이용하여 측정 한 변위값이 실제 압력챔버(Fig. 11)에서 압력센서에 압력을 가 하여 발생하는 변위값이 동일한지 조사하였다.
그림 5의 시험장치를 이용하여 식 (5)의 입력전압에 따른 힘의 크기를 압력단위로 환산하여 0~150 MPa까지 30 MPa 단위로 PZT에 전압을 인가하여 변위값을 측정하였다. 최대 변 위는 150 MPa에서 5.42 μm를 나타내었고, 예압이 3.1 N 입 력이 된 것을 감안하여 데이터를 피팅하여 구한 기울기는 약 0.036이다.
Fig. 9. Deformation sensor performance tester.
Fig. 10. Deformation of each sensor according to pressure.
Table 4. Deformation according to measuring diameter Dis.( mm) 0.32 0.45 0.92 1.58 1.85 2.12 2.25 Deform ( µm) 69.7 69.4 68.8 68.3 67.2 65.2 62.3
Average ( µm) 62.7
Fig. 11. Deformation measuring test in pressure chamber.
Fig. 12. Deformation measuring value in each tester.
Fig. 11 의 압력챔버를 이용하여 동일한 압력센서에 0~90 MPa 까지 30 MPa 단위로 압력을 가하여 다이어프램의 변위를 측정 하였다. 최대 변위는 90 MPa에서 3.82 μm를 나타내었다. 데이 터 피팅을 통한 기울기는 약 0.035이다.
두 실험장치의 비교를 위해 Fig. 12와 같이 실험 데이터를 그 래프로 나타내었다.
5. 결 론
본 연구에서는 초고압 환경에서도 압력센서가 선형적 정밀 측 정이 가능하도록 센서의 측정부인 다이어프램의 최적 형상과 두 께를 설계하고 압력센서의 성능 시험을 용이하게 하기 위해 압 력챔버가 아닌 PZT를 이용한 시험장치를 이용하여 성능 시험 을 하였다.
다이어프램의 최적 형상 설계에서 두 개의 다이어프램 형상 인 notch type과 flat type을 설계하여 압력에 따른 항복유무 와 측정성능을 판단하기 위해 FEM 해석을 실시하여 두께와 형상에 따른 최대 응력 및 변위량을 파악하였다. Notch type 은 Notch 두께가 0.1 mm일 때 Flat type에 비해 비교적 높은 변위량이 발생하였으나 시험의 모든 두께에서 항복이 발생하 여 압력센서에 사용이 불가하다. Flat type은 비교적 적은 양 의 변위량을 보였으나 두께가 1.4 mm일 때를 제외하고는 모 든 압력구간에서 항복이 발생하지 않아 초고압 압력센서에 적 합하다.
변위센서 성능비교 시험에서 갭 센서가 레이저 센서에 비해 비교적 적은 양의 측정값을 나타내었다. 이것은 센서의 측정방 식의 차이로 인한 값의 차이여서 압력센서의 성능 시험에 측정 이 용이한 갭 센서를 사용할 수 있다.
PZT 압력센서 성능 시험장치를 이용한 압력센서의 성능시험 은 압력 챔버를 이용한 시험 데이터와 FEM 해석을 통한 시험 값이 모두 동일한 결과값을 보여 주어 압력 챔버없이도 압력센 서의 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 성 능비교시험을 실시하여 수소자동차의 충·방전 부품의 압력센서 에 새로운 재료 적용가능 유무를 연구하는 것에 적용할 것이다 [13-15].
감사의 글
이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구 되었음.
REFERENCES
