KR20010058296A

KR20010058296A - 초소형기계기술을 이용한 피토관 형식의 압력측정 장치

Info

Publication number: KR20010058296A
Application number: KR1019990062531A
Authority: KR
Inventors: 김인철
Original assignee: 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2001-07-05

Abstract

본 발명은 유체계측분야중 비정상 상태의 유체유동내에서 시간에 따른 압력변화를 정확하게 측정하도록 하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 초소형기계기술로 제작된 미소 압력-전압 변환기를 이용하여 유체내 압력변화를 보다 빠른 응답속도로 정확히 측정할 수 있도록 구성된 압력측정 장치에 관한 것이다.

본 발명은 이중관 형식의 피토관(21)을 이용하여 유체흐름내의 정압과 동압을 동시에 측정하기 위한 압력측정 장치로서, 압력측정 구멍(22)(23)에 초소형기계기술로 제작된 미소 압력-전압 변환기(30), 또는 변환기(40)를 직접 부착설치하고, 피토관(21) 외측에는 연결선(25)을 통해 상기 변환기로부터의 전압신호를 전달받는 증폭기(24)를 설치구비하여서 된 구성을 특징으로 하는 초소형기계기술을 이용한 피토관 형식의 압력측정 장치를 제공한다.

Description

초소형기계기술을 이용한 피토관 형식의 압력측정 장치{PITOT TUBE TYPE PRESSURE SENSOR WITH MEMS TECHNOLOGY}

본 발명은 유체계측분야중 비정상 상태의 유체 유동내에서 시간에 따른 압력변화를 정밀하게 측정하는 장치(또는 센서)의 제공에 관한 것이다.

이러한 압력측정은 유체흐름을 유지하는 고체벽에서의 압력측정과 벽에서 멀리 떨어진 유체내 임의의 위치에서의 압력측정으로 구분할 수 있는데, 본 발명은 특히 고체벽에서 떨어진 유체내 임의의 위치에서의 압력측정에 관한 것이다. 일반적으로 이러한 압력측정은 베르누이 방정식(Bernoulli´s Equation)을 통하여 유동장의 속도를 측정하기 위한 하나의 수단으로 널리 사용되기도 한다.

흐르는 유체내 임의의 위치에서의 압력 측정은 일반적으로 도1에 나타낸 것처럼 흐르는 유체내의 측정하고자 하는 위치에 피토관(11)을 삽입하고, 연결관(12)을 통하여 측정위치에서의 압력변화를 상대적으로 멀리 떨어진 압력-전압 변환기(13)로 전달하여 압력을 측정하게 된다. 압력측정점에 설치된 피토관에는 정체압(Stagnation pressure, Total pressure)을 측정하기 위한 정체압측정 구멍(14)과 정압(Static pressure, Free stream pressure)을 측정할 수 있는 정압측정 구멍(15)이 있는데, 그 두 부분에서의 압력은 중간의 긴 연결관(12)을 거쳐서 압력을 이에 해당하는 미소 전위차로 변환하는 압력-전압 변환부(16), 증폭기(17) 등으로 이루어진 변환기(13)에 연결되어 측정할 수 있는 전압으로 변환되게 된다. 그런데, 이러한 변환기는 기존의 방법으로는 그 크기를 작게 하는데 한도가 있으며 기존에 널리 사용되는 피토관의 직경이 대부분 1mm정도의 크기이므로, 변환기 자체를 피토관의 압력측정 구멍부근에 배치할 수가 없다. 따라서, 변환기는 항상 측정위치로부터 멀리 떨어진 연결부 이후에 위치하여 측정 유체의 일부를 압력전달매체를 전달받아 작동되도록 설치될 수 밖에 없었다. 이러한 경우 참고문헌[1]에서 언급된 것처럼 압력측정 구멍으로부터 변환기 사이의 경로에는 측정하려는 유체가 들어차있게 되므로 F=ma(F=압력에 의한 힘, m=중간 연결부 질량, a=가속도)로 설명되는 질량에 의한 관성효과 때문에 압력의 빠르고 미세한 변화를 수Hz 이상 전달측정하기는 불가능하였다.

따라서, 본 발명에서는 압력측정 주파수를 높이기 위하여 중간의 압력 전달용 질량이 없는, 압력-전압 변환수단을 직접 압력측정 구멍에 배치시켜 목적하는 압력측정을 보다 빠른 응답속도를 정확히 측정해내도록 할 수 있는 초소형기계기술을 이용한 피토관 형식의 압력측정 장치를 제공하고자 하는 것이다.

도1은 종래 사용되는 별도의 압력감지부를 갖는 압력측정 장치의 개략도,

도2는 본 발명에 따른 압력측정 장치의 개략도,

도3은 압전물질을 이용한 초소형 압력-전압 변환기의 개략도,

도4는 정전용량 측정을 이용한 초소형 압력-전압 변환기의 개략도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11 : 피토관 12 : 연결관

13 : 압력-전압 변환기 14 : 정체압측정 구멍

15 : 정압측정 구멍 16 : 압력-전압 변환부

17 : 증폭기 21 : 피토관

22 : 정체압측정 구멍 23 : 정압측정 구멍

24 : 증폭기 25 : 연결선

31 : 멤브레인 32 : 압전물질

33,43 :(+)전극 34,44 : (-)전극

35 : 신호선 41 : 멤브레인

42 : 전극단 45 : 신호선

이하에서, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

본 장치는 도2에 나타낸 것처럼 초소형기계기술(Microelectric Mechanical System, MEMS, 이하 멤스라 칭함)로 제작한 초소형의 압력-전압 변환기(30) 또는 변환기(40)를 피토관(21) 전단의 정체압측정 및 정압측정 구멍(22)(23)에 직접 부착설치하고 상기 변환기로부터의 전기적 신호를 신호선(25)을 통해 전달받는 증폭기(24)만을 원거리에 구비함으로써 중간의 압력전달 매개체로서의 유체 질량의 존재를 생략할 수 있도록 하였다.

도3에는 피토관 전단에 설치할 수 있는 한 미소 압력-전압 변환기(30)의 구성개요를 나타내었는데, 이러한 미소 변환기(30)는 여러 가지 멤스기술 중 대단면 가공기술(Mulk micro-maching)을 이용하여 아주 얇은 멤브레인(Membrain)(31)을 만들고, 그 멤브레인에 압전물질(32)(PZT 혹은 ZnO)을 이용하여 압력에 의한 멤브레인 변형시 그에 상응하는 전압신호를 발생시키도록 구성할 수 있다. 또한, 이러한 전압의 신호를 외부로 이끌어 내기 위한 전극(33)(34)은 이온투사기술(Ion implanting)을 이용하여 만들 수 있으며 이들 전극(33)(34)을 통한 전압신호는 신호선(35)로 외부에 손쉽게 전달될 수 있다.

압력-전압 변환은 압전물질을 이용하는 것 외에도, 도4의 변환기(40)처럼 멤브레인(41) 밑에 새로운 전극단(42)을 2차 대단면 가공기술로 만들고 멤브레인과 전극단 사이에 이온투사 기술로 전극(43)(44)을 만들어 그 도선사이의 정전용량(Electric capacity)을 측정함으로써 역시 손쉽게 구성이 가능하다. 이 경우에도 구해진 정전용량은 신호선(45)으로 외부에 손쉽게 전달될 수 있다. 이렇게 만들어진 초소형 압력-전압 변환기(30)(40)는 그 크기가 약 100μm-1mm 이하이므로 1mm 정도의 직경을 갖는 피토관의 전단 및 측면에 충분히 부착설치할 수 있게 된다. 또한 이러한 형식에 의해서 만들어진 멤브레인은 참고문헌[2]에서 이미 유사한 방식으로 제작된 마이크의 예(Schellin & Hess, 1992)에서 검증된 것처럼 약 수KHz 이상의 빠른 응답성을 제공할 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 압력측정 장치를 이용하면 압력측정 구멍으로부터 압력-전압 변환기 사이의 유체 질량을 없앨 수 있으므로, 멤브레인 자체의 응답속도인 수Khz까지 빠른 응답속도로 압력을 측정할 수 있게 된다. 나아가, 기존 방식에서는 각 측정 경우마다 연결통로 길이가 다를 수 있으므로 그때마다 측정점과 변환기 사이의 유체 질량에 따라서 응답속도가 변하는 문제가 있지만 본 발명의 경우에는 그러한 문제가 전혀 발생하지 않게 된다.

[참고문헌]

[1] 조강래, 유정렬, 강신형 공역, Frank M. White "유체역학"3rd edition, 1997, pp414-415

[2] Schellin, R., and Hess, G., "Silicon Subminiature Microphone Based Piezoresistive Polysilicon Strain Grages", Sensors and Actuators, Vol.A32, nos.1-3, April.1992, pp555-559.

Claims

이중관 형식의 피토관(21)을 이용하여 유체흐름내의 정압과 동압을 동시에 측정하기 위한 압력측정 장치로서, 압력측정 구멍(22)(23)에 초소형기계기술로 제작된 미소 압력-전압 변환기(30), 또는 변환기(40)를 직접 부착설치하고 피토관(21) 외측에는 연결선(25)을 통해 상기 변환기로부터의 전압신호를 전달받는 증폭기(24)를 설치구비하여서 된 구성을 특징으로 하는 초소형기계기술을 이용한 피토관 형식의 압력측정장치.