KR20080078314A - 평면형 정전용량 센서를 이용한 복합형 압력/온도 전송기 - Google Patents

평면형 정전용량 센서를 이용한 복합형 압력/온도 전송기 Download PDF

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KR20080078314A
KR20080078314A KR1020070018253A KR20070018253A KR20080078314A KR 20080078314 A KR20080078314 A KR 20080078314A KR 1020070018253 A KR1020070018253 A KR 1020070018253A KR 20070018253 A KR20070018253 A KR 20070018253A KR 20080078314 A KR20080078314 A KR 20080078314A
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temperature transmitter
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황하룡
진정원
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(주)와이즈산전
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Abstract

본 발명은 기존의 기계식 압력/온도계에 평면형 정전용량 센서를 부착하여 기계식 압력계와 함께 전기적인 신호를 발생할 수 있는 복합형 압력/온도계에 관한 것이다. 본 발명을 이용하면 외부에서 전원을 공급하지 않는 경우에도 압력을 지시할 수 있으면서, 소비전력이 매우 낮기 때문에 배터리를 이용하여 전원 공급 없이 수년간 압력의 측정이 가능하다. 또한 4~20mA 루프파워를 이용하여 압력수치를 전송하면 중앙관제실에서 원격으로 감시하거나, 무선통신 기술을 이용하여 배선이 없이 그 측정값을 실시간으로 원격 감시가 가능하고, 그 정밀도가 기존의 전자식 압력 전송기보다 높거나 같으면서도, 저가의 필름타입 기판 전극과 간단한 측정회로 추가만으로 전기적인 신호를 얻을 수 있기 때문에 가격이 저렴하여 기존의 압력 전송기를 대체하거나 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.
평면형, 정전용량, 압력, 온도, 전송기, 복합형,

Description

평면형 정전용량 센서를 이용한 복합형 압력/온도 전송기{Hybrid Pressure/Temperature Transmitter with coplanar capacitance sensor}
도1은 여러 가지 압력에 따라 탄성변형을 갖는 구조물의 종류를 도시한 개략도
도2a는 버든관 압력계의 사시도
도2b는 벨로우즈 압력계의 개략적이 종단면도
도2c는 다이아프램 압력계의 정면도
도3은 압력계 형태를 갖는 기계식 온도계의 개략 정면도
도4a는 직선형 가변 차동 변압기(LVDT)가 설치된 복합 압력 전송기의 사시도
도4b는 전자식 압력센서가 추가로 부착된 복합 압력 전송기의 사시도
도5a는 복합형 압력계의 구조를 나타내는 개략적인 사진
도5b는 본 발명의 일실시예에 따른 평면형 정전용량 센서가 설치된 복합형 압력 전송기의 상세도
도6a,b,c는 본 발명에 사용되는 평면형 정전용량 센서의 측정 원리를 나타내는 설명도
도7은 본 발명의 일실시예에 따른 평면형 정전용량 센서가 구비된 압력계를 사용하여 무선통신 네트워크를 나타내는 개략도
도8은 본 발명의 일실시예에 따른 평면형 정전용량 센서의 일종인 필름형 센서의 사진
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10. 버든관형 압력계 11. 버든관
12. 케이스 13. 필름형 센서
14. 증폭기 15. 아날로그-디지탈변환기
16. 중앙처리장치 17. 메모리
18. 무선통신 모듈
본 발명은 기계식 압력/온도계에 저렴한 비용으로 전기적인 신호를 얻을 수 있도록 발명된 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 설명하면, 전원의 공급이 없이도 압력을 지시할 수 있도록 내부에 평면형 정전용량식 센서를 부착하여 기계식 압력계와 함께 전기적인 신호를 발생할 수 있도록하고, 이와 같은 전기적인 신호를 이용하여 압력이나 온도를 디지털로 표시하거나 원격으로 압력 및 온도를 지시하거나 조정할 수 있으며, 무선통신 기술을 이용하여 압력/온도계의 값을 감시하거나 조정할 수 있도록 한 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기에 관한 것이다.
일반적으로, 압력/온도를 나타내는 계측기는 크게 기계식 압력/온도계와 전자식 전송기가 알려져 있다. 기계식 압력/온도계는 도1에 도시된 바와 같이 버든관, 다이아프램, 벨로우즈 등과 같이 탄성 구조물을 이용하여 압력 및 온도와 같은 물리량을 기계적인 변위량으로 변환하고 다시 이를 회전력으로 변환시켜 압력/온도를 지시하도록 만들어져 있다. 기계식 압력/온도계는 외부에 전원이 공급되지 않아도 압력 및 온도를 나타낼 수 있기 때문에 현재까지도 공정의 감시를 위해 사용되고 있으며, 일부 기계식 압력/온도계는 전기적인 접점 기능을 갖고 있어서 간단한 밸브 동작 등 공정 제어에 사용되기도 한다. 이러한 기계식 압력/온도계는 저렴하면서도 안정적이지만 전기적인 신호를 전송할 수 없기 때문에 공정을 정확하게 제어하는 곳에는 사용이 힘들다는 문제점이 있었다.
또한, 전자식 압력/온도 전송기는 압전 센서, 스트레인 게이지 센서 또는 열전대 센서를 이용하여 얻은 전기적인 신호를 전류나 전압 신호로 바꾸어 중앙 관제 및 조정실로 전송하여 그 압력 및 온도 값을 지시하고 조정할 수 있도록 만들어져 있다. 전자식 전송기는 매우 정확한 값을 전송함으로서 공정을 정확하게 제어하는데 사용된다. 그러나 가격이 고가이고 외부에서 전원을 공급하거나 전기적인 신호를 전송하기 위해 배선이 필요하기 때문에 설치장소에 제약을 받고 설치비가 많이 드는 문제점이 있다.
최근에는, 도4a에 도시된 바와 같이, 기계식 압력계와 전자식 전송기의 단점을 없애고 장점을 살린 복합형 압력 전송기가 개발되어 판매되고 있지만, 기계식 압력계에 압력센서를 추가로 부착하거나, 압력계의 내기(movement)에 별도의 센서인 직선형 가변 차동 변압기(LVDT)(103)를 부착하여 압력을 전기적인 신호로 변환하고 있다. 그러나 이러한 방식은 추가의 복잡한 구조를 갖거나 전자식 센서를 필요로 하기 때문에 가격이 고가이고, 제품의 정확도가 낮으며, 따라서 그 응용분야에 제한을 받고 있는 실정이다. 도4b에 도시된 바와 같이, 전자식 압력센서(104)가 추가된 복합형 압력 전송기가 개발되고 있지만 역시 이러한 방식은 추가의 복잡한 구조를 갖거나 전자식 센서를 필요로 하기 때문에 가격이 고가이고, 제품의 정확도가 낮다는 문제점을 극복하지는 못하고 있다.
본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 매우 저렴한 필름형 전극을 부착함으로서 고가의 전자식 전송기와 동일하거나 그 이상의 정확도를 갖는 복합형 압력 전송기를 제작할 수 있기 때문에 그 응용범위가 매우 넓고 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대하고 있는 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전원의 공급이 없이도 압력을 지시할 수 있는 기계식 압력/온도계에 평면형 정전용량식 센서를 부착하여 기계식 압력계와 함께 전기적인 신호를 발생할 수 있도록 한 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기적인 신호를 발생하도록 하고 이와 같이 발생된 전기적인 신호를 이용하여 압력을 디지털로 표시하거나 원격으로 감시할 수 있는 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기를 제공하는 것이다.
본 발명의 아직 또 다른 목적은 발생된 전기신호를 무선통신을 이용하여 배선 없이 원격으로 감시할 수 있도록 한 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기를 제공하는 것이다.
본 발명의 아직 또 남아 있는 다른 목적은 전용 단말기를 이용하여 무선으로 감시하거나, 원격으로 조정할 수 있도록 한 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기를 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적은 첫째, 기계식 압력/온도계의 탄성 구조물인 버든관, 다이아프램 또는 벨로우즈의 운동량을 측정할 수 있도록 일정거리 떨어진 부분에 정전용량을 측정할 수 있는 필름형의 전극을 설치하였다. 이때 설치된 전극은 정전용량 변화에 의한 출력을 최대로 낼 수 있도록 설계되었으며, 외부의 외란에 의해 잡음이 발생하지 않도록 보호되어 있는 본 발명에 따른 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기에 의하여 달성된다.
본 발명의 이러한 목적은 둘째, 정전용량 변화를 전기적인 신호로 변환하기 위한 신호 변환기를 설치하고, 이러한 신호 변환기로는 브릿지 회로를 구성하여 교류전압을 인가하는 방식과 상용 정전용량-디지털 변환기 칩을 사용하는 방식이 있으며, 이렇게 변환된 전기신호는 증폭기를 이용하여 증폭시키고 중앙처리장치를 이용하여 신호를 처리하고 직선화하여 디지털-아날로그 변환기를 거쳐 전류 및 전압 출력을 만들어 내는 본 발명에 따른 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기에 의하여 달성된다.
본 발명의 이러한 목적은 셋째, 이와 같이 디지털-아날로그 변환기를 거쳐 이렇게 만들어진 출력은 근거리 무선통신(ZigBee, Bluetooth, UWB, binary CDMA 등) 기술을 이용하여 무선으로 원격 감시, 조정, 수명측정, 정상 동작유무 판단을 할 수 있도록 한 본 발명에 따른 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기에 의하여 달성된다.
본 발명의 이러한 목적은 넷째, 배터리를 이용하여 수년간 압력 및 온도를 전송할 수 있도록 저전력으로 동작할 수 있는 신호회로, 통신 회로 및 알고리즘을 개발하여 유선 가설비용을 절감할 수 있도록 한 본 발명에 따른 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기에 의하여 달성된다.
본 발명에 따른 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기는 첨부된 도면을 참고로 하여 이하에 상세기 기술되는 실시예에 의하여 그 특징 및 장점들을 보다 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
이하 본 발명에 따른 복합형 압력/온도 전송기의 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
기계식 압력/온도계는 도 1에 도시된 바와 같이 다이아프램, 캡슐, 벨로우즈, 버든관 등과 같이 탄성 구조물을 이용하여 압력 및 온도와 같은 물리량을 기계적인 변위량으로 변환하고 다시 이를 회전력으로 변환시켜 압력/온도를 지시하도록 만들어져 있다.
도 2는 압력에 따라 탄성 변형을 갖는 여러 가지 탄성 구조물의 종류를 나타낸 것으로서, 도 2a에 도시된 압력계는 버든관 압력계로서, 버든관형은 금속관을 C형으로 말아놓은 것으로서 압력을 받으면 C형 관이 펴지는 현상을 이용하는 것이고, 도 2b는 다이아프램 압력계로서, 이러한 다이아프램 및 캡슐형은 주름진 원형 판이 압력을 받으면 부풀어 오르는 현상을 이용한 것이며, 도 2c는 벨로우즈형 압력계로서, 이러한 벨로우즈형은 주름진 원통형 캡슐이 압력을 받으면 길이 방향으로 늘어나는 현상을 이용한 것으로, 이러한 종래의 각각의 압력계는 각각의 탄성 구조물에 압력이 인가되면 구조물을 직선적인 탄성 변형을 갖게 된다.
이와 같이, 도 2는 도 1에 나타낸 탄성 구조물을 이용한 압력계의 종류를 나타낸 것으로서 각각의 탄성 구조물에 압력이 인가되면 구조물은 탄성 변형을 일으키며 이 직선 변위량을 기어를 이용해서 회전력으로 바꾸어 압력을 표시하게 된다.
도 3은 압력계의 형태를 이용한 기계식 온도계로서 주로 버든관형을 사용하고 있다. 버든관형 압력계(100)와 감온 탱크(101) 사이를 모세관(102)으로 연결하고 내부를 가스나 액체로 충진 하면 감온탱크(101)에 온도가 변하는 경우 내부에 압력이 발생하게 되고 모세관(102)을 통해 전달된 압력을 온도 값으로 표시한다. 이러한 온도계는 주로 온도의 측정부와 지시부를 따로 설치하여야 하는 곳에 사용되는데 동일한 압력계의 원리를 이용하기 때문에 본 발명을 압력계의 경우와 동일하게 적용함으로서 그대로 이용할 수 있다.
도 4는 기존에 사용되는 복합형 압력 전송기의 종류를 나타낸 것으로서, 도 4a는 버든관의 끝부분에 직선형 가변 차동 변압기(LVDT)(103)를 설치하여 기계적인 압력 지시와 함께 전기적인 신호를 갖는 복합형 압력 전송기와, 도 4b는 기존 기계식 압력계에 전자식 압력센서(104)를 추가로 부착하여 기계적인 압력 지시와 함께 전기적인 신호를 갖는 복합형 압력 전송기이다.
도 5a,b는 본 발명의 일실시예에 따른 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기(A)의 구조 상세도로서, 버든관형 압력계(10)에서 버든관(11)의 끝부분에서 일정거리 떨어진 케이스(12)의 내측부분에 정전용량을 잴 수 있는 평면형 정전용량 센서의 일종인 필름형 센서(13)를 부착하였다. 상기 필름형 센서(13)는 버든관(11)의 내부압력이나 온도의 변화에 따라 버든관(11)에 탄성변형이 발생할 때 변화되는 정전용량이 발생되도록 형성되어 있다. 상기 필름형 센서(13)는 전기회로(14)에 접속되어 있어,상기 전기회로(14)는 상기 변화된 정전용량을 측정하여 증폭기(141)에서 증폭하고 아날로그-디지털 변환기(142)에서 디지털 신호로 변환한 후 중앙처리장치(143)에서 그 신호를 연산 처리한다. 이렇게 처리된 데이터는 메모리(144)에 저장되거나, 전류 및 전압 신호로 변환되어 유선으로 전송되거나, 무선통신 모듈(145)을 거쳐서 무선으로 전송될 수 있다. 다이아프램식 압력계와 벨로우즈식 압력계의 경우도 각각의 탄성 구조물이 압력에 따라 이동할 때 정전용량 변화를 측정하기 위한 센서를 부착하여 전기적인 신호를 얻을 수 있으며, 이 경우는 동심형 전극을 사용하여 정전용량 변화를 측정한다.
본 실시예에서 상기 필름형 센서(13)는,도8에 도시된 바와 같이, 플렉시블 피씨비기판상에 3개의 + 전극(131)과 2개의 - 전극(132)을 설치하고 접지전극(133) 을 설치한 구조이다.
이와 같은 필름형 센서(13)는 버든관형 압력계(10)의 상기 버든관(11)에서 일정거리 이격되게 배치되어 있다. 본 실시예에서는 필름형 센서(13)와 같은 플렉시블한 피씨비기판이 이용되었으나 이에 한정되는 것은 아니고, 하드보드의 피씨비기판이 사용될 수 있음은 물론이다.
도6a는 종래의 정전용량식 센서의 측정원리를 나타내는 설명도로서, 기존의 정전용량 측정방식은 서로 마주보는 두 전극간의 정전용량 변화를 측정하는 것으로서, 압력계에 적용하는 경우 압력계의 탄성 구조물이 한 개의 전극이 되므로 압력계 외부에 노이즈가 가해지면 센서의 출력특성에 영향을 주게 되므로 사용이 곤란하다. 반면, 도6b와 같은 본 발명에 따른 평면형 정전용량 측정방식은 전극이 모두 한쪽에 위치하며 압력계의 탄성 구조물은 전극으로 사용되지 않고 접지가 된 노이즈 차폐물이 되기 때문에 노이즈가 센서의 출력 특성에 영향을 주지 않는다. 또한, 도6c와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 평면형 정전용량 센서의 일종인 필름형 센서는 필름형으로 쉽고 저렴하게 제작할 수 있기 때문에 제작비용을 절감할 수 있다. 이러한 방식의 측정은 외부 노이즈의 영향을 최소화할 수 있기 때문에 제품의 정밀도를 높일 수 있게 된다.
도7은 본 발명의 일실시예에 따른 평면형 정전용량 센서를 이용한 복합형 압력/온도 전송기의 유무선 통신 네트워크를 나타낸 개략도로서, 본 발명은 기계식 압력계를 이용한 것이기 때문에 외부에서 전기가 공급되지 않는 경우에도 압력계(10)에서 기계식으로 압력을 지시할 수 있으며, 회로 내부에 있는 메모리(144)에 일정량의 데이터를 저장할 수 있기 때문에 정기적으로 전용 단말기를 통해 그 값을 전송받음으로서 기록계로서의 기능을 부여할 수 있다. 또한, 복합형 압력 전송기에서 유선으로 전송되는 출력을 이용하여 디지털 표시장치(19)로 압력을 지시할 수 있다. 그리고, 참조부호 20은 복합형 압력 전송기에서 유선 또는 무선으로 전송되는 출력을 개인용 컴퓨터 또는 중앙 제어실에서 원격으로 감시하거나 조정하는 방법을 나타낸 것으로서 본 발명의 복합형 압력/온도 전송기를 배터리로 구동하는 경우 유선 가설비를 절감하면서도 사용자가 쉽게 원격으로 압력을 감시할 수 있다. 또한 만약에 네트워크를 구성하고 있는 단말 압력 전송기 한 대에 문제가 발생하여 연결이 끊어지거나, 추가의 단말 압력 전송기가 생기더라도 스스로 네트워크를 재정비하여 연결 노드를 찾아낼 수 있다. 참조부호 21은 전용 단말기를 이용하여 본 발명의 복합형 압력/온도 전송기의 값을 전송받거나 원격으로 조정하는 방법을 나타낸 것으로서, 산업현장에서 운영자는 자신이 관리하는 현장에 설치된 압력계의 값을 매일 확인하도록 되어 있는데 단말기를 이용하면 멀리 떨어진 곳이나 관찰하기 어려운 부분의 압력 값을 손쉽게 감시할 수 있게 된다.
본 발명을 이용하면 외부에서 전원을 공급하지 않는 경우에도 압력을 지시할 수 있으면서, 소비전력이 매우 낮기 때문에 배터리를 이용하여 전원 공급 없이 수년간 압력의 측정이 가능하다. 또한 4~20mA 루프파워를 이용하여 압력수치를 전송하면 중앙관제실에서 원격으로 감시하거나, 무선통신 기술을 이용하여 배선이 없이 그 측정값을 실시간으로 원격 감시가 가능하고, 그 정밀도가 기존의 전자식 압력 전송기보다 높거나 같으면서도, 저가의 필름타입 기판 전극과 간단한 측정회로 추 가만으로 전기적인 신호를 얻을 수 있기 때문에 가격이 저렴하여 기존의 압력 전송기를 대체하거나 새로운 시장을 창출할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 평면형 정전용량 센서를 구비한 복합형 압력/온도 전송기는 기계식 압력/온도계의 탄성 구조물인 버든관, 다이아프램 또는 벨로우즈의 운동량을 측정할 수 있도록 일정거리 떨어진 부분에 정전용량을 측정할 수 있는 필름형의 전극을 설치하고, 정전용량 변화를 전기적인 신호로 변환하고 신호를 처리할 수 있는 전기회로와 무선으로 그 값을 전송할 수 있는 무선회로로 구성되어 있다. 압력 및 온도에 따라 변화되는 기계적 구조물의 이동은 정전용량의 변화로 이어지고, 여기서 발생된 전기적인 신호를 디지털로 변환하여 무선으로 전송함으로서 현장에서는 기계적인 방법에 의해 압력 및 온도를 표시하고 원거리에서는 근거리 무선통신 기술을 이용하여 압력 및 온도를 원격 감시하거나 전송기 내부의 변수를 조정할 수 있고, 전송기의 수명이나 정상 동작유무 판단을 할 수 있도록 한다.
본 발명은 배터리를 이용할 수 있고 무선통신 기술을 적용할 수 있기 때문에 유선 가설비용을 절약할 수 있으면서도, 다수의 압력 및 온도 조정기 간의 상호 통신방식을 통해 효과적으로 압력 및 온도 신호를 감시할 수 있고, 새로운 압력 및 온도 조정기를 추가하거나 제거하여도 스스로 통신망을 재정비 하여 통신이 이루어질 수 있다. 또한 저렴한 비용으로 기계식 압력 및 온도계와 전자식 압력 및 온도 전송기 기능을 동시에 만족하는 복합식 압력 및 온도 전송기를 이용할 수 있기 때문에 경제적인 절감 효과가 크다.

Claims (7)

  1. 기계식으로 압력 및/또는 온도를 측정하는 압력계 및/또는 온도계에 전기신호를 발생시켜 전송가능한 복합형 압력 및 온도 전송기에 있어서,
    상기 기계식 압력/온도계의 탄성 구조물인 버든관, 다이아프램 또는 벨로우즈의 운동량을 측정할 수 있도록 상기 탄성 구조물과 일정거리 떨어진 부분에 최대의 출력을 낼 수 있도록 설계되고 외부의 노이즈에 영향을 받지 않도록 보호된 정전용량을 측정할 수 있는 평면형 정전용량 센서를 설치하고, 상기 평면형 정전용량 센서의 정전용량 변화를 전기적인 신호로 변환하기 위해 브리지 회로 또는 상용 정전용량-디지털 변환기 칩을 설치하며, 변환된 전기신호를 증폭하기 위한 증폭기와 신호처리, 직선화, 보상기능을 부여하기 위한 중앙처리장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 압력 및 온도 전송기
  2. 제1항에 있어서, 전류 및 전압 신호를 출력할 수 있도록 디지털-아나로그 변환기가 설치되어 이 전기적인 신호를 이용하여 압력을 디지털로 표시하거나 원격으로 감시할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 복합형 압력 및 온도 전송기
  3. 제1항에 있어서, 전송기 주변의 환경변화에 의한 신호의 변화를 제거하거나 전송기를 방폭 지역에 사용할 수 있도록 하기 위하여 전송기 내부에 오일을 충진 하는 것을 특징으로 하는 복합형 압력 및 온도 전송기
  4. 제1항에 있어서, 전송기에서 출력되는 전기적인 신호를 무선통신을 이용하여 유선가설 없이 원격으로 감시할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 복합형 압력 및 온도 전송기
  5. 제4항에 있어서, 전용 단말기를 이용하여 무선으로 원격감시, 저장 데이터 수집, 조정, 정상 동작유무 판단을 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 복합형 압력 및 온도 전송기
  6. 제4항에 있어서, 배터리를 이용하여 수년간 압력 및 온도를 전송할 수 있도록 저전력으로 동작할 수 있는 신호처리회로, 통신회로 및 알고리즘을 갖는 것을 특징으로 하는 복합형 압력 및 온도 전송기
  7. 제 4항에 있어서, 새로운 압력 및 온도 조정기를 추가하거나 제거하여도 스스로 통신망을 재정비 하여 통신이 이루어질 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 복합형 압력 및 온도 전송기
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