KR20090055884A - 차동형 수중 압력 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차동형 수중 압력 측정 장치를 개시한다. 본 발명은 압력 측정을 위한 제 1 센서와 오차 보상을 위한 제 2 센서를 동일한 사양의 것으로 압력 측정 장치에 설치하고, 외부의 환경 변화나 시간의 흐름에 따라서 센서 자체에 발생하는 오차를 서로 상쇄하도록 구성함으로써 저가의 센서를 이용하여 정확한 측정이 가능한 효과가 나타난다. 또한, 본 발명은 오차 보상용 센서에 실제 측정지점의 압력과 비슷한 압력을 미리 인가하여 센서 측정값을 초기값을 설정함으로써, 압력이 걸린 상태에서 장기간 사용할 때 나타나는 기간 드리프트의 영향을 자연스럽게 상쇄할 수 있는 효과가 있다.

Description

차동형 수중 압력 측정 장치{Apparatus for measuring water pressure in differential form}

본 발명은 수중 압력 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 차동형으로 압력 센서를 배치하여 수압을 측정할 수 있는 압력 측정 장치에 관한 것이다.

해일은 해수 표면이 상승하여 연안환경에 피해를 입히는 현상으로, 본 발명에서는 해수 표면의 높이를 말하며, 보다 정확하게는 특정 지점의 물기둥의 높이를 말한다. 해일 즉, 해수 표면의 높이를 측정하는 방법에는 물기둥 높이를 측정하는 직접적인 방법과 수중 압력을 측정하는 간접적 방법이 있다.

직접적인 방법에는 조위 관측소를 설치하거나 표척을 세워 망원경으로 읽거나 부표를 띄워 정밀한 GPS로 고도를 측정하는 것인데, 조위 관측소는 해안선에서만 설치가 가능하며, 표척과 부표 방식은 파도가 늘 존재하는 해양에서는 적용하기가 어렵고 측정하는데 많은 비용이 요구된다.

따라서, 해양에서의 해일은 간접적인 수압 측정법으로 측정하는 것이 보통이다. 그러나, 수압을 정확하게 측정하기 위해서는 정확한 압력센서를 사용하여야 하는데, 정확한 압력센서는 매우 고가이므로 범용으로 적용하기 어려운 단점이 있다. 기존의 정확한 압력센서는 석영크리스탈의 진동수를 측정하고 센서 온도도 별도로 측정하여 압력을 보정하는 압력센서로써, 본 발명이 적용하고자 하는 반도체 압력센서에 비하여 오십 배에서 백 배 정도로 가격이 고가이다.

이렇듯, 지금까지는 기존의 직접적인 측정방법이나, 간접적인 측정방법 모두 비용 및 여건상의 문제로 인하여 넓은 해역에 걸쳐서 많은 지점에 설치하여 해일자료를 취득하는 것이 어려운 단점이 존재하였다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 범용으로 이용할 수 있는 저가의 압력 센서를 이용하여 액체의 압력을 정확하게 측정할 수 있는 압력 측정 장치를 제공하는 것이다.

특히, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 최근 산업용으로 대량 생산되는 저가의 반도체 압력센서를 이용하여 해일의 높이와 같은 수압의 측정이 가능한 수중 압력 측정장치를 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 수중 압력 측정 장치는, 다이어프램에 인가되는 상부 압력과 하부 압력간의 차를 측정하는 제 1 센서부 및 제 2 센서부; 상면과 하면이 개방되고 그 내부에 제 1 센서부를 수용하는 제 1 수용부, 및 하면이 개방되고 그 내부에 제 2 센서부를 수용하는 제 2 수용부가 형성된 상부 하우징; 및 상면이 개방되어 내부에 수용된 공기가 제 1 수용부 및 제 2 수용부의 하면을 통해서 제 1 센서부 및 제 2 센서부의 다이어프램의 하부에 공기압을 인가하도록 상부 하우징과 결합되는 하부 하우징을 포함한다.

또한, 상술한 수중 압력 측정 장치는 관통공에 결합되고, 내부에 삽입된 튜브를 통해서 제 1 수용부의 상면과 제 1 센서부의 다이어프램의 상면 사이에 압력 측정 대상 액체를 유입시키는 연결부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상술한 제 2 수용부의 상면과 제 2 센서부의 다이어프램의 상면 사이 에 액체가 채워지고, 상술한 수중 압력 측정 장치는 제 2 수용부의 상면과 제 2 센서부간의 거리를 조절하여 액체가 제 2 센서부의 다이어프램에 인가하는 초기 압력값을 조절하는 조절부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상술한 수중 압력 측정 장치는, 제 1 센서부의 측정값을 제 2 센서부의 측정값과 초기 압력값으로 보정하여, 관통공을 통해서 압력 측정 장치의 외부로부터 인가되는 측정 대상 액체의 압력을 측정할 수 있다.

또한, 상술한 수중 압력 측정 장치는, 제 1 센서부의 측정값에서 제 2 센서값을 차감하고, 초기 압력값을 가산하여 압력 측정 장치의 외부로부터 인가되는 액체의 압력을 측정할 수 있다.

또한, 상술한 초기 압력값은 튜브를 통해서 측정 대상 액체가 인가된 상태에서 제 1 센서부의 측정값과 제 2 센서부의 측정값이 동일할 때, 튜브에 채워진 액체의 높이를 측정하여 구해질 수 있다.

또한, 상술한 수중 압력 측정 장치는 물속에 침수되어, 수면으로부터 압력 측정 장치로 인가되는 수압을 측정할 수 있다.

본 발명은 압력 측정을 위한 제 1 센서와 오차 보상을 위한 제 2 센서를 동일한 사양의 것으로 압력 측정 장치에 설치하고, 외부의 환경 변화나 시간의 흐름에 따라서 센서 자체에 발생하는 오차를 서로 상쇄하도록 구성함으로써 저가의 센서를 이용하여 정확한 측정이 가능한 효과가 나타난다.

또한, 본 발명은 오차 보상용 센서에 실제 측정지점의 압력과 비슷한 압력을 미리 인가하여 센서 측정값을 초기값을 설정함으로써, 압력이 걸린 상태에서 장기간 사용할 때 나타나는 기간 드리프트의 영향을 자연스럽게 상쇄할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시예에 이용되는 반도체 압력센서에 대해서 설명한다.

반도체식 압력센서는 최근에 실용화가 가속되고 있는 센서로써 히스테리시스(hysteresis) 현상이 없고 직선성이 우수하며, 소형ㅇ경량으로 진동에도 매우 강한 것이 특징이다. 또한 기계식보다 고감도, 고신뢰성이며 양산성이 좋다. 이것은 외부압력을 응력으로 변환하는 다이어프램과 다이어프램에서 발생하는 동력을 전기 신호로 변환하는 두 부분으로 구성되어 있다.

다이어프램은 단결정 실리콘을 화학적으로 에칭(etching)하여 형성하며, 다이어프램에서 발생하는 응력을 전기적 신호로 변환하는 방법으로 진동자의 고유진동수 변화와 표면 탄성파를 이용하는 것도 있으나 주로 압저항식과 정전용량식의 두 종류가 가장 많이 사용되고 있다.

압저항식은 저항확산식 또는 확산식이라고도 하며 저항소자를 형성시킬 때에 반도체의 불순물 확산공정이 이용되기 때문이다. 압저항형 압력센서는 범용으로 엔진제어, 공업계측, 의료 등에 많이 쓰이며 모든 분야에 응용이 가능하다.

정전용량식은 서로 마주보고 있는 전극판의 간격을 외부로부터의 응력에 의 하여 변화되어 전극간의 정전용량이 변화한다. 이 정전용량 변화를 전기신호로 변환시키면 응력이 검출된다. 이 원리를 이용한 것이 정전 용량형 반도체 압력센서이다. 정전 용량식은 압저항식에 비해 고감도이나 전극의 형성, 외부 회로와의 연결이 복잡한 구조로 되어있고 응답성이 나빠 수요는 적다. 그러나 온도 특성이 우수하고 소형이며 고감도인 관계로 생체 등 미압의 영역에서 사용할 때 장점이 많다.

이외에도 다결정 실리콘 압력센서는 변형 게이지가 다결정 실리콘박막으로 되어 있고 다이어프램이 금속 위에 만들어져 있어서 측정압력의 범위를 확대시킬 수 있다. 또 고온과 부식성 분위기 등의 열악한 환경 하에도 사용할 수 있는 SOS(silicon on sapphire) 압력센서가 있다. 이것은 사파이어 기판위에 실리콘박막을 에피텍셜 성장시켜 이 SOS막을 검출소자로 이용하는 센서이다.

반도체 압력센서는 저가인 반면에 정확한 석영크리스탈 압력센서에 비하여 ① 온도에 대한 드리프트가 크고, ② 센서 자체의 내부 오차가 크며, ③ 장기간 사용에 의한 기간 드리프트가 큰 단점이 있다.

반도체 게이지 압력센서는 계기 내부의 압력을 대기압과 같도록 파이프로 연결하지 않으면 내부 압력에 의한 오차가 커서 수중에서 사용하기 어렵다. 본 발명은 계기 내부의 압력을 대기압에 노출하지 않아도 자동으로 보정이 되도록 반도체 압력센서를 2개 사용하여 오차를 상쇄시키도록 구성하였다. 여기서 오차는 온도에 의한 드리프트, 반도체 센서 자체의 내부 오차, 장기간 사용에 의한 기간 드리프트 등인데, 본 발명에서는 이러한 오차들이 서로 상쇄되도록 고안되었다.

본 발명에 따른 차동형 압력 측정장치는, 오차를 상쇄하기 위하여 동일한 반 도체 게이지 압력센서를 2개를 수압 측정용과 오차 보상용으로 각각 사용한다. 수압 측정용 압력센서와 오차 보상용의 압력센서는 각각의 Vent hole을 공유하여 내부의 공기압에 의한 영향을 동일하게 받아서 내부 공기압에 의한 오차를 상쇄시킨다. 이 때, 오차 보상용 압력센서에는 측정지점의 수압과 비슷한 압력을 미리 인가하여, 압력이 걸린 상태에서 장기간 사용할 때 나타나는 기간 드리프트도 상쇄하는 것을 특징으로 한다.

압력센서는 게이지 압력센서와 절대 압력센서 두 종류로 구분되는데, 게이지 압력센서는 대기압(또는 주변 공기압)에 대하여 다이어프램(Diaphragm)에 걸리는 압력을 측정하는 센서이다.

도 1 은 일반적인 게이지 압력 센서의 구성을 간략하게 도시하는 도면이다. 도 1 을 참조하면, 일반적인 게이지 압력센서는 센서 프레임(11)의 중심에 다이어프램(12)이 형성되고, 센서 프레임(11)의 외부에는 센서가 설치될 때 외부와의 공기 내지 액체의 유동을 차단하는 o-ring 이 설치된다. 또한, 다이어프램(12)의 하부에 대기압을 전달하기 위한 관통공(14)이 센서 프레임(11)의 하단에 형성되어, 다이어프램(12)에 인가되는 유체의 압력과 대기압간의 압력차에 따른 전압을 출력한다(반도체 게이지 압력센서의 Sensing element는 압전센서로 구성되지만, 반도체 압력 센서는 이미 당업자에게 익히 알려진 구성이고, 본 발명의 특징은 이러한 Sensing element에 대한 내용이 아니라 종래의 반도체 압력 센서를 복수개 이용하여 측정 오차를 보상하는 압력 측정 장치에 관한 것이므로, Sensing element의 구조에 대한 도시 및 설명은 생략함). 이러한 게이지 압력센서는 대기압에 대한 압력 을 측정하므로 대기 중에서의 출력전압은 0 이 된다.

도 2 는 반도체 게이지 압력 센서로 수압을 측정하는 일예를 도시하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명이 측정 오차를 개선하고자 하는 종래의 압력 측정 장치는 주로 도 2 에 도시된 바와 같이, 도 1 에 도시된 압력 센서가 하우징(20)에 수용되도록 설치되어 수중에 배치된다. 도 2 에 도시된 압력 측정 장치의 측정 결과는 다음의 수학식 1 에 기재된 바와 같다.

P = P_air + P_water - P_inside

여기서, P_air는 대기압을 나타내고, P_water는 수면에서 다이어프램(12)까지의 압력, 즉, 물기둥의 높이를 나타내며, P_inside는 압력 측정 장치 내부의 공기압을 나타낸다.

P_water가 도 2 에 도시된 압력 측정 장치를 이용하여 측정하려고 하는 값이고, P_air 와 P_inside 값을 정확하게 알면 P_water 값을 정확하게 측정할 수 있다. 그런데, P_air는 대기중에서 쉽고 정확하게 측정할 수 있으며, 기상청에서 그 자료가 공개되는 값이지만, P_inside는 측정 장치 내부의 온도와 특성에 따라서 변하므로 P_inside를 정확하게 측정하기 위해서는 압력 측정 장치 내부의 공기압을 측정하는 센서를 추가로 설치해야하는 문제점이 있고, 현실적으로 이러한 센서를 추가로 설치하는 것은 어려운 문제점이 존재한다.

도 3 은 반도체 게이지 압력 센서로 수압을 측정하는 다른 예를 도시하는 도면이다. 도 3 의 압력 측정 장치는 상술한 도 2 의 압력 측정 장치의 문제점을 해 결하기 위해서 Vent tube(30)를 대기 중에 노출하도록 구성되었다.

도 3 에 도시된 압력 측정 장치의 경우에는, 압력 측정 장치의 내부 압력 P_inside가 대기압 P_air와 같아져서 다이아프램에서 상쇄되므로, 측정하고자 하는 수압 P_water 는 반도체 압력 센서의 측정값이 되므로 정확한 수압 측정이 가능해진다. 이러한, 도 3 에 도시된 압력 측정 장치의 경우에는, 해일이 일어날 수도 있는 해양 등의 환경에서 Vent tube(30)를 수중으로 설치하여 대기압과 측정 장치 내부의 압력을 동일하게 유지하는 것은 거의 불가능한 문제점이 존재한다.

도 4 는 도 1 에 도시된 반도체 게이지 압력 센서를 이용하는 대신에, 반도체 절대 압력센서로 수압을 측정하는 압력 측정 장치의 예를 도시하는 도면이다.

도 4 에 도시된 절대 압력센서는 센서 프레임(41)의 중심에 다이어프램(42)이 설치되고, 다이어프램(42)과 센서 프레임(41) 사이의 공간이 진공처리되어 내부 압력이 0 인 상태가 된다. 따라서, 절대 압력 센서의 측정값은 수학식 2 에 기재된 바와 같이, 다이어프램(42)의 상부에 인가되는 모든 압력을 합한 것과 같다.

P = P_air + P_water

이러한 절대 압력센서를 사용하면 일견 상기와 같은 문제들이 간단하게 해결되는 것처럼 보이나, 절대 압력센서는 최대측정범위(Full scale)가 대기압만 큼 더 넓으므로 분해능이 게이지 압력센서에 비하여 나쁜 단점이 있다.

게이지 압력센서는 대기 중에서의 출력전압이 0 이지만, 절대 압력센서는 대기 중에서 대기압에 해당하는 출력전압을 출력한다. 이는 물기둥 높이 약 10m에 해 당하는 것이다.

예를 들어, 해일을 측정하기 위한 압력 측정 장치를 수심 5m에 설치할 경우에, 게이지 압력센서의 경우에는 Full scale 10m인 센서이면 충분하지만, 절대 압력센서의 경우에는 Full scale이 그 보다 10m 더 큰 값, 즉 20m는 되어야 하는 것이다. 따라서 이 경우에는 분해능 및 정확도가 2배로 나빠지는 문제점이 존재한다.

본 발명은 도 2 와 같이 반도체 게이지 압력센서를 사용하는 것이 분해능과 정확도 측면에서 좋으므로, 환경과 시간에 따라서 변화하는 압력 측정 장치 내부의 공기압(P_inside)을 보정할 수 있는 방법을 고안한 것이다.

도 5 는 본 발명에 따른 차동형 압력측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다.

본 발명의 차동형 압력 측정 장치는 모든 유체의 압력 측정에 이용될 수 있으나, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 본 발명의 차동형 압력 측정 장치를 이용하여 수압을 측정하는 경우를 예시적으로 설명한다.

먼저, 본 발명의 차동형 압력 측정 장치는 서로 결합되는 상부 하우징(530)과 하부 하우징(550)을 포함하여 구성되고, 상부 하우징(530)에는 2개의 반도체 게이지 압력 센서가 설치된다.

2개의 반도체 압력 센서들 중 도면의 좌측에 도시된 제 1 센서(510)는 수압을 측정하기 위한 것이고, 도면의 우측에 도시된 제 2 센서(520)는 오차를 보정하기 위한 센서로서, 제 1 센서(510)와 제 2 센서(520)는 동일한 센서 모델 즉, 동일한 시기에 제작된 Full scale이 동일한 것을 사용한다. 동일 모델이라도 제 1 센서(510)와 제 2 센서(520)의 특성이 완전히 같을 수는 없지만, 서로의 특성이 가장 비슷한 압력센서 2개를 선별하여 이용한다.

제 1 센서(510) 및 제 2 센서(520)는 도 1 에 도시된 바와 마찬가지로 센서 프레임(511,521)의 중심에 다이어프램(512,522)이 설치되고, 제 1 수용부 및 제 2 수용부에 설치되었을 때 유체의 흐름을 차단하는 O-ring(513,523) 이 센서 프레임(511,521) 둘레에 설치되어 있다.

상부 하우징(530)에는 상면과 하면이 개방되고 그 내부에 상기 제 1 센서(510)를 수용하는 제 1 수용부가 형성되어 있는데, 제 1 수용부의 상면은 관통공(534)에 의해서 개방되고, 압력 측정 장치가 수중에 배치되면 관통공(534)을 통해서 수압이 제 1 센서(510)의 다이어프램(512)에 인가된다.

또한, 후술하는 제 2 센서(520)의 초기값을 설정하기 위해서 이용되는 연결부(540)는 관통공(534)을 통해서 제 1 수용부와 연결되는데, 관통공(534)의 내면에는 연결부(540)의 외면에 형성된 나사선과 결합될 수 있도록 나사선이 형성될 수 있다.

한편, 제 1 수용부의 우측에는 제 2 센서(520)를 수용하는 제 2 수용부가 형성되어 있다. 제 2 수용부의 하면은 개방되어 있으나 상면은 밀폐되어 있고, 제 2 수용부의 상면과 제 2 센서(520)의 다이어프램(522)의 상면 사이에는 액체가 충진되어 있다.

또한, 제 2 수용부의 상면과 제 2 센서(520)간의 거리를 조절하여 상기 액체가 제 2 센서(520)의 다이어프램(522)에 인가하는 압력을 조절하는 조절부(560)가 제 2 수용부의 하면에 설치되어 있다. 조절부(560)는 제 2 센서(520)의 센서 프레 임(521)을 상부로 밀려올려 액체가 다이어프램(512 522)에 인가하는 압력을 조절하는데, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조절부(560)는 그 외면에 나사선이 형성되어 제 2 수용부의 내면에 형성된 나사선과 결합되어 제 2 센서(520)와 제 2 수용부의 상면간의 거리를 조절함으로써 다이어프램(522)에 인가되는 액체의 압력을 조절한다.

또한, 상부 하우징(530)의 측면에는 하부 하우징(550)과 볼트에 의해서 결합될 수 있도록 볼트 홀(532)이 형성되어 있다.

한편, 하부 하우징(550)은 상면이 개방되어 내부에 수용된 공기가 제 1 수용부의 하면과 제 2 수용부의 하면을 통해서 제 1 센서(510)와 제 2 센서(520)의 다이어프램(512,522) 하면에 동일한 공기압을 인가하도록 구성된다. 하부 하우징(550)의 상면에는 상부 하우징(530)과의 결합시에 외부로부터 액체가 유입되는 것을 차단하도록 o-ring(554)이 설치되어 있고, 상부 하우징(530)과 볼트에 의해서 결합될 수 있도록 볼트 홀(552)이 형성되어 있다.

이하, 본 발명의 압력 측정 장치를 이용하여 압력을 측정하는 방법을 설명한다.

제 2 수용부의 상면과 제 2 센서(520)의 다이어프램(522) 사이에 충진된 액체에 의해서 소정의 압력이 인가된 상태에서 상부 하우징(530)과 하부 하우징(550)을 결합한 후, 수압을 측정하기 위해서 수중에 배치하여 수압을 측정한다. 이 때, 제 1 센서(510)에서 측정되는 압력은 다음의 수학식 3 과 같고, 오차 보정을 위한 제 2 센서(520)에서 측정되는 압력은 다음의 수학식 4 와 같다.

P1 = P_air + P_water - P_inside

P2 = P_liquid - P_inside

이 때, 제 1 센서(510)와 제 2 센서(520)에 인가되는 내부 공기압은 P_inside 으로 동일하므로, 수학식 3 과 수학식 4에서 P_inside를 서로 소거하고, 측정하고자 하는 수압인 P_water에 대해서 풀면 다음의 수학식 5 가 얻어진다.

P_water = P1 - P2 - P_air + P_liquid

따라서, 제 1 센서(510)의 측정값(P1), 제 2 센서(520)의 측정값(P2), 대기압(P_air), 및 제 2 센서(520)에 초기에 인가되도록 설정된 압력(P_liquid)을 알면 압력 측정 장치가 설치된 위치의 수압을 정확하게 측정할 수 있다.

여기서, 제 1 센서(510)의 측정값(P1) 및 제 2 센서(520)의 측정값(P2)은 각각 센서로부터 알 수 있고, 대기압(P_air) 또한 기상청의 자료로부터 용이하게 알 수 있으며, 제 2 센서(520)에 초기에 인가되도록 설정된 압력(P_liquid)은 상수와 같은 값이므로, 수압의 측정이 가능하다.

이렇게 수학식 5 에 따라서 수압을 측정하는 경우에 외부 환경의 변화에 의해서 측정 장치 내부의 공기압(P_inside)이 변경되거나, 센서 자체의 노화에 의해서 센서 오차가 발생한다 하더라도 이러한 오차는 제 1 센서(510)와 제 2 센서(520)에 공통적으로 발생하므로 수학식 5 의 "P1 - P2" 부분에 의해서 서로 상쇄 된다.

또한, 본 발명은 P_liquid를 실제 측정지점의 수압과 비슷한 압력으로 미리 인가하여, 압력이 걸린 상태에서 장기간 사용할 때 나타나는 기간 드리프트도 2개 센서에 비슷하게 작용하므로 이 또한 서로 상쇄된다.

이하에서는, 상술한 수학식 5에서 상수로서 작용하는 제 2 센서(520)의 초기 압력을 설정하는 방법에 대해서 설명한다.

먼저, 대기중에서 상부 하우징(530)과 하부 하우징(550)이 결합되지 않은 상태에서, 제 2 수용부의 상면에 액체를 충진하고 제 2 센서(520)를 제 2 수용부에 수용시킨 후, 조절부(560)를 이용하여 제 2 센서(520)와 제 2 수용부 상단간의 거리를 조절하여 제 2 센서(520)에 액체에 의한 압력(P_liquid)이 걸리게 한다.

그 후, 연결부(540)를 제 1 수용부에 형성된 관통공(534)과 결합하고, 연결부(540)에 삽입된 투명 재질의 튜브를 통해서 압력 측정 대상 액체(예컨대, "물")를 제 1 수용부와 제 1 센서(510)의 다이어프램(512 522) 사이의 공간에 충진한다.

그러면, 제 1 센서(510)는 연결부(540)를 통해서 유입된 물에 의한 압력(P_water)과 대기압(P_air)을 합한 압력과 공기압(P_inside) 간의 차에 해당하는 센서값을 출력하게 되는데, 이 경우 대기압과 공기압은 동일한 값이므로 제 1 센서(510)의 출력값은 P1 은 P_water 가 된다.

한편, 제 2 센서(520)는 내부에 수용된 액체에 의한 압력 P_liquid 와 공기압 P_inside 간의 차에 해당하는 센서값을 출력하게 된다. 이러한, 과정은 대기중에서 수행되는 것이므로 P_inside 는 대기압인 P_air 와 같은 값을 나타낸다.

그 후, 제 2 센서(520)의 측정값이 제 1 센서(510)의 측정값과 동일해지도록 조절부(560)를 조절하고, 제 1 센서(510) 및 제 2 센서(520)의 출력값이 동일해지면 그 때의 연결부(540)에 설치된 튜브상의 물기둥의 높이(H_water)를 측정한다.

이 때, 물기둥의 높이(H_water)는 P_water 와 같고, 이는 P_liquid - P_inside 와 동일한 압력을 나타내며, 제 2 센서(520)의 초기값 설정에 이용된 압력 P_liquid 는 제 2 센서(520)의 초기값이 다시 설정될 때까지는 일정한 값을 유지된다.

이 때, 제 1 센서(510)의 출력값(P1) 및 제 2 센서(520)의 출력값(P2)은 각각 다음의 수학식 6 과 같다.

P1 = P_water = H_water

P2 = P_liquid - P_air

수학식 6에서 P1 과 P2 는 동일한 값이므로, 다음의 수학식 7 이 성립한다.

P_liquid = P_water + P_air = H_water + P_air

상술한 수학식 7에서 H_water 는 연결부(540)에 설치된 튜브의 물기둥의 높이를 재서 그 값을 얻을 수 있고, P_air 는 기상청의 자료를 통해서 정확한 값을 얻을 수 있으므로, 제 1 센서(510)의 오차 보정을 위해서 제 2 센서(520)에 설정된 압력 P_liquid 는 용이하게 그 값을 얻을 수 있다.

한편, 오차를 보상하기 위한 제 2 센서(520)의 초기값(P_liquid)이 설정되 고, 상부 하우징(530)과 하부 하우징(550)을 결합하면 P_inside는 내부 공기 압력이 증가하면서 변하게 된다. 그러나, 이 경우 P_inside는 제 1 센서(510) 및 제 2 센서(520)에 동일하게 작용하므로 서로 상쇄되어 측정 결과에는 영향이 없다.

결국, 본 발명의 압력 측정 장치는 수학식 5 에 기재된 바와 같이, 제 1 센서(510)의 측정값에서 제 2 센서(520)의 측정값을 차감하고, 제 2 센서(520)의 초기 설정 압력인 P_liquid 값을 가산하고, 측정시의 대기압(P_air)을 감산함으로써 수압을 정확하게 측정할 수 있다.

이 때, 본 발명은 압력 측정을 위한 제 1 센서(510)와 오차 보상을 위한 제 2 센서(520)를 동일한 것을 이용함으로써, 외부의 환경 변화로 인하여 측정 장치 내부의 공기압이 변화되더라도 이는 2개의 센서 모두의 측정값에 영향을 미치고, 이 두 개의 센서의 측정값은 서로 차감되므로 이러한 영향은 서로 상쇄된다.

또한, 본 발명은 P_liquid를 실제 측정지점의 수압과 비슷한 압력으로 미리 인가하여, 압력이 걸린 상태에서 장기간 사용할 때 나타나는 기간 드리프트도 2개 센서에 비슷하게 작용하므로 이 또한 서로 상쇄된다.

지금까지 수압을 측정하는 방법을 예로 들어, 본 발명의 압력 측정 장치의 구성 및 동작을 설명하였다. 그러나, 본 발명의 압력 측정 장치는 모든 액체의 압력 측정에 이용될 수 있음을 주의하여야 한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1 은 일반적인 게이지 압력 센서의 구성을 간략하게 도시하는 도면이다.

도 2 는 반도체 게이지 압력 센서로 수압을 측정하는 일예를 도시하는 도면이다.

도 3 은 반도체 게이지 압력 센서로 수압을 측정하는 다른 예를 도시하는 도면이다.

도 4 는 반도체 절대 압력센서로 수압을 측정하는 압력 측정 장치의 예를 도시하는 도면이다.

도 5 는 본 발명에 따른 차동형 압력측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다.

Claims (7)

1. 다이어프램에 인가되는 상부 압력과 하부 압력간의 차를 측정하는 제 1 센서부 및 제 2 센서부;

   상면과 하면이 개방되고 그 내부에 상기 제 1 센서부를 수용하는 제 1 수용부, 및 하면이 개방되고 그 내부에 상기 제 2 센서부를 수용하는 제 2 수용부가 형성된 상부 하우징; 및

   상면이 개방되어 내부에 수용된 공기가 상기 제 1 수용부 및 제 2 수용부의 하면을 통해서 상기 제 1 센서부 및 상기 제 2 센서부의 다이어프램의 하부에 공기압을 인가하도록 상기 상부 하우징과 결합되는 하부 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 압력 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 관통공에 결합되고, 내부에 삽입된 튜브를 통해서 상기 제 1 수용부의 상면과 상기 제 1 센서부의 다이어프램의 상면 사이에 압력 측정 대상 액체를 유입시키는 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 압력 측정 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 2 수용부의 상면과 상기 제 2 센서부의 다이어프램의 상면 사이에 액체가 채워지고,

   상기 제 2 수용부의 상면과 상기 제 2 센서부간의 거리를 조절하여 상기 액체가 상기 제 2 센서부의 다이어프램에 인가하는 초기 압력값을 조절하는 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 압력 측정 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 압력 측정 장치는

   상기 제 1 센서부의 측정값을 상기 제 2 센서부의 측정값과 상기 초기 압력값으로 보정하여, 상기 관통공을 통해서 상기 압력 측정 장치의 외부로부터 인가되는 측정 대상 액체의 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 수중 압력 측정 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 압력 측정 장치는

   상기 제 1 센서부의 측정값에서 상기 제 2 센서값을 차감하고, 상기 초기 압력값을 가산하여 상기 압력 측정 장치의 외부로부터 인가되는 액체의 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 수중 압력 측정 장치.
6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초기 압력값은

   상기 튜브를 통해서 측정 대상 액체가 인가된 상태에서 상기 제 1 센서부의 측정값과 상기 제 2 센서부의 측정값이 동일할 때, 상기 튜브에 채워진 액체의 높이를 측정하여 구해지는 것을 특징으로 하는 수중 압력 측정 장치.
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 측정 장치는

   물속에 침수되어, 수면으로부터 상기 압력 측정 장치로 인가되는 수압을 측정하는 것을 특징으로 하는 수중 압력 측정 장치.

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