1. 압력의 개념과 단위

가. 압력의 개념
물체(고체,액체,기체)내부 임의의 면에서 단위면적당 서로 다른 부분이서로 미치는 힘을 어느 일면을 중심으로 다른쪽에 힘을 응력이라 하고,응력은 면에 수직방향의 응력성분인 법선응력과 면에 접선 방향의 응력성분인 접선응력이 있고 공학적인 측면에서 응력은 방향성을 갖는 벡터량이며 압력이라 하면 현상면의 단위 면적당 작용하는 법선 방향의 무 방향성의 스칼라량적인 힘으로서 정의한다.
또한 임의 그 면을 누르는 방향으로 작용하는 힘을 압력이라 하고,인장시키는 방향으로 작용하는 힘을 장력이라 하는데, 이 압력과 장력을 총칭해서 압력 또는 장력이라 부른다.
아래 그림에서 밀도가 일정한 정치된 액체라고 하면 그 면의 방향에 관계없이 일정한 스칼라 량이다. 밀도가 일정한 정지 액체내에 임의의 어떤 점을 P1이라 하고, 그 점 보다 h 만큼의 낮은 다른점의 압력을 P2 라하면 P2 - P1 =ρ g h 인 관계가 있다.

여기서 동일수면에 어떤 각점의 압력은 동일하다. 아래 그림에서 밀도가 높이에 따라

즉, 기체에서는 P2 - P1 = ρ g dh 가 된다.

P2 - P1 = ρ g h(액체),　
P2 - P1 = ρ g dh(기체)
ρ : 유체밀도
g : 중력가속도
h : 높이의 차
P1, P2 : 서로 다른 압력

※ 중력가속도를 구하는 방법

1) 기체의 압력
기체의 압력은 본질적으로 액체의 압력과 같으나 밀도가 액체에 비해 매우 작으며,부피와 밀도가 절대 온도와 절대 압력에 따라 쉽게 변한다는 특성을 가지고 있다.
일반적으로 기체는 부피(V),절대압력(P),절대온도(T)사이에 PV = nRT 관계식이 성립하는데 이식을 이상기체상태방정식이라 한다.

여기서 n 은 기체의 몰(mol)수이고, R은 8.31 J/mol K 이다.
밀폐된 용기안의 기체는 용기 전체를 차지하며 용기벽에 수직으로 작용한다.

또한 액체와 마찬가지로 기체속의 한 점에 있어서 작용하는 압력은 모든 방향에서 동일하다. 일반적으로 기체의 밀도는 작기 때문에 중력에 의한 힘이 작아 액체의 경우처럼 높이에 따른 압력차를 고려 하지 않아도 된다. 그러나 대기압과 같이 기체의 깊이가 매우 큰 경우에는 높이에 의한 압력효과를 고려해야 한다.

가) 보일샤를의 법칙
완전 기체에서는 온도가 일정할때 일정량 기체의 체적은 압력에 반비례하는 보일(Boyle)법칙으로,기체체적을 V, 절대압력을 P로 하면, 이 법칙은 PV = Const 하다. 여기서 기체의 밀도를 ρ 라 하면ρ=m/v 이다.

( m은 기체의 질량으로 일정 )
따라서 P/ρ=Const 또는 P = Const/ρ 가된다.

기체의 열팽창도 압력에 관계가 있다.고체 및 액체의 경우에도 팽창계수는 물질 또는 온도에 따라 다르다. 기체의 경우에는 압력이 일정할때 그 팽창계수는 온도 및 물질에 관계없고, 온도 1 ℃ 올라감에 따라 체적의1/273.15만큼 기체의 체적이 증가한다.

어떤 기체의 0 ℃때의 체적을 V0라 하고,　t ℃때의 체적을 Vt라 하면 P = Const 에서 　
Vt = V0 (1 + 1/273.15.t) = V0( 1+ β.t)가 되는데 이식을 샤를(Charles)법칙이라 한다.

나) 토리체리 실험
이탈리아 물리학자 토리체리는 1643년 토리체리 실험이라고 불리는 실험을 처음하여 대기의 압력을 눈으로 측정할 수 있도록 하였다. 즉, 관내에 진공인 상태에서 수은조에 꺼꾸로 세우면 관내의 수은주는 수은조보다 76 cm 위로 올라가는데 이는 대기압이 수은조의 단면을 누르는 압력과 동일한 것으로써 수은조의 수은면에 작용하는 대기의 압력은 관내에 상승되는 수은주 무게에 의한 압력이 같다는 것을 나타낸 것이다.
이 경우 시험관 상부에는 토리체리 진공이 되어서 압력이 존재하지 않는 관계로 시험관이 수은조 면에 압력이 작용하지 않는 것과 동일한 것이다.
이 실험에서 알 수 있듯이 대기의 압력을 액의 높이로 나타낼 수 있으며, 이때의 압력의 크기 P는 P = ρ g h 가 된다.
여기서 P는 대기압력, ρ는 수은주밀도 13.595 g/㎤ ), g는 중력가속도 (9.80665 m/s2), h 는 수은주 높이 이다.

<그림 5-2 토리체리 실험>

다) 대기압력
기체의 압력중에서 대기압은 우리의 일상생활과 매우 밀접한 관계가 있다
지구주위는 중력의 영향으로 대단히 두꺼운 공기층을 형성하고 있다.
공기의 밀도는 매우 작지만 공기층의 두께가 대단히 두껍기 때문에 공기층의 중력에 의한 대기의 무게는 지구 표면에 큰 대기압을 나타낸다.
토리체리 실험에 의해 최초로 대기압을 측정하였다. 단면적이 1 ㎠이고, 길이가 1 m인 한쪽끝이 막힌 유리관 속에 수은을 가득 채우고 이것을 수은 이 가득 들어있는 그릇에 거꾸로 세우면 관 속의 수은은 76 cm까지 내려와서 정지한다. 이때 유리관의 윗부분은 진공을 이루므로 공기의 압력이 없으므로 대기압이 존재하지 않는데 이것을 토리체리 진공이라 한다.
유리관을 조금 기울이거나 또는 단면의 넓이가 변하여도 유리관이 담긴 그릇의 수은면에 대한 수은기둥의 높이 h는 항상 76 cm로 일정하다. 그릇의 수은면을 기준으로 하여,유리관 안의 압력은 진공부분에서는 없고,단지 76 cm 수은기둥의 수은무게에 의한 것이며,관 밖의 압력은 대기압 Pa이다.
이것이 수은의 수평면을 기준으로 평행상태에 이를때 수은이 더이상 내려오지 않고 정지하므로 Pa = ρHg. g. h 와 같으며 이것이 대기압의 크기이다.
따라서 1 atm = (0 ℃에서 수은 밀도) X (중력가속도) X (수은주 높이)
= 13.595 x 103 (kg/㎡) x 9.80665 (m/s2) x 0.76 m
= 1.01325 x 105 (N/㎡) = 1.01325 x 105 Pa = 1013.25 hPa

1기압은 단면적이 1 ㎠이고,높이가 76 cm인 수은주의 무게에 해당하므로 이것을, 같은 단면적의 물기둥으로 환산하면 수은 밀도가 물보다 13.595 배인 13.595 x76 = 1033.23cm가 된다.　

따라서 한쪽이 막힌 판에 물을 채우고 거꾸로 세울때 관의 높이가 10.33 m 이상이 되지 않으면 물은 물은 내려오지 않는다.반대로 모타가 없는 펌프로 물을 끌어 올릴　수 있는 깊이는 10 m 이내이다.
다음으로 대기압은 지표로 부터의 높이에 따라 어떻게 변하는가를 보면은 지상으로 부터의 높이 올라가면 대기압은 점차 감소한다.
압력과 밀도와의 관계는 서로 비례관계가 있으므로 다음식이 성립한다

여기서 와 P0 는?지표면에서의 공기밀도와 대기압이고 와 P 는 임의 높이 에서 공기밀도와 대기압을 나타낸다. 대기압은 높이에 따라 변하고 대기압 높이에 대한 변화율이 기체의 밀도, 즉 기체무게에 비례하므로 ΔP/Δy = -ρg가 된다. -부호는 지구표면을 기준으로 높이 올라감에 따라 압력이 낮아지기 때문에 붙게 된 것이다.

앞에서의 공기밀도와 대기압, 압력과 밀도와의 관계식을 정리하면 위의 좌측식과 같고 식을 미분방정식에 의해 풀면은 윗식의 오른쪽 식과 같다.
즉, 지상에서 대기압은 다음 그림과 같이 높이에 따라 지수 함수적으로 감소한다. 약 6 km 상공에서 대기압은 지상 대기압의 1/2로 감소한다.

나. 압력의 단위
압력은 공업프로세스의 계장에서 중요한 검출량으로 그 표현법이나 단위는 여러가지가 있으며, 그 의미와 사용법을 충분히 이해해야 한다. 압력의 표현법에는 시간적 변화에 따른 분류와 기준점인 0을 취하는 방법에 따라 게이지 압력과 절대압력으로 표현한다.
국제도량형 총회에서 1960년 승인 채택된 SI 국제단위계 중 압력 단위는 뉴톤 매 평방미터( N/㎡)를 채택하였으나, 1971년 파스칼(Pa)을 압력의 단위로 국제단위계로 현행 사용하고 있다. 따라서 1 Pa의 크기는 1기압의 1/ 101.325로서 정의되어 있다. 이 크기는 공기중 약 8.5 cm의 압력차에 상당하는 작은 값이므로 실용상 단위가 복잡하여 아직도 파스칼을 98066.5 배해서 kg/㎠ 단위계로 환산, 종래의 단위계와 관계 사용하고 있다.
1 kg/㎠ = 98066.5Pa = 98.0665kPa = 0.0980665 MPa ≒100kPa ≒0.1 MPa
또한 관계상 종래로 부터 사용 되어온 압력　단위 및 단위 관계들은 아래표와 같으며, 표를 읽는 방법은 가로축(→)을 먼저 읽고,세로축(↑)을 읽는다.

단위 환산표

① 1 bar = 105 N/㎡ = 105 kg.m/s2 = 105 Pa
② mmH2O = mmAQ = mmWG = mmWs = mmWC
③ Psi = Lb/in2 = 0.07030 kg/㎠ (1kg/㎠ = 14.2233 Psi)
④ Torr = mmHg = 1.35951 x 10-3 kg/㎠ = 13.595 mmH2O

1) 압력의 분류
압력은 시간적 변화의 유무에 따른 분류로 정압, 변동압, 맥동압 등으로 나눌 수 있으며, 그 기준점 0을 어떻게 정하느냐에 따라 절대압(Absolute Pressure), 상대압(Gauge Pressure), 차압(DifferentialPressure)　등으로 분류한다.

가) 시간적 변화
① 정압
변화가 없는 압력 또는 1초당 압력계의 최대 압력의 1 ％를 넘지 않는
변화의 순시 속도를 가지는 압력이거나 1분당 최대 압력의 5 ％를 넘지
않는 압력을 말한다.
② 변동압
1초당의 시간적 변화가 정압의 한계를 넘거나, 압력계의 최대 압력의
1 ∼ 10 ％ 사이에서 변동하는 압력으로 주기성이 없이 불연속적으로
증감되는 압력이다.
③ 맥동압
1초당의 시간적 변화가 정압 한계를 넘는 것으로,압력계의 최대 압력의
1 ∼ 10 ％ 사이에서 변동하는 압력으로 주기성이 있는 압력이다.

나) 압력 기준치
① 절대압
지구 위도 45°해면상에서 온도 0 ℃ 조건으로 수은주 0 mmHg에 해당
되는 압력 상태를 즉,진공을 완전 진공 또는 절대진공 이라 하며,이 완전
진공을 기점으로 해서 측정되는 압력이다. 여기서 완전 진공은 밀폐되어
있는 용기안에 기체 분자가 하나도 없거나 기체분자의 운동에너지가 0인
상태를 말한다.
절대단위로 압력을 표현할 때에는 Absolute Pressure의 약자로 량을
표현하는 수치와 단위 끝에 반드시 "abs" 를 붙여 주어야 한다.

② 게이지압 (상대압)
표준대기압을 기준점 0으로 하여 측정되는 압력으로써,공업적으로 측정
되는 압력은 주로 게이지압으로 표시되고 있다. 즉, 지구위도 45°해면상
에서 온도 0 ℃ 조건으로 수은주 760 mmHg에 해당되는 압력상태를 기점
으로 해서 측정되는 압력이다. 게이지압을 표현 할때에는 절대압과 달리
Gauge Pressure의 약자의 " G"를 생략한다.

③ 차압
임의 서로 다른 압력중 어느 한쪽을 기준으로 다른 압력과 차이 압력을
차압이라고 한다. 주로 사용이 되는 것은 차압식 조리기구에 의해 발생된
차압으로 유량을 검출시 많이 이용된다.

차압을 표시하는 방법으로 ΔP (P2 - P1)로 표시한다.

<그림 5-4 게이지압력과 절대압력, 차압의 관계도>

2) 압력계 선정
압력계라 하면 압력을 측정기로서 그 정도에 따라 1차 및 2차 압력계가 있고, 압력단위의 정의에 따라서 직접 계기눈금이 정해진 압력계로 액주형 1차 압력계가 있으며, 액주형 압력계는 실험실에서 현장용 2차 압력계를 교정하는 표준급이다.
① 측정압력의 종류(정압,동압,맥동입,진공압,차압등) 확인
② 측정유체의 물리적(온도,점도,농도등)및 화학적(부식성,독성,폭발성등) 성질을 확인
③ 목적 또는 용도(표준용,현장용,지시,기록,원격 전송등)을 확인
④ 측정위치 및 주위조건
⑤ 측정정도(현장용은 주로 1.0급(±1.0 ％)이상, 표준급은 1.0급 미만 으로 0.5, 0.3, 0.2, 0.1급 등) 확인
⑥ 측정시간 즉, 공정변수 변화에 따른 계기의 추종, 응답속도 또는 지연 시간등을 확인
⑦ 측정 범위의 확인
㉮ 사용 압력이 100 kg/㎠ 이상의 고압인 경우에는 사용 압력의 2배 사용 압력이 100 kg/㎠ 이하인 경우에는

사용압력 의 1.5배의 계기를 선택한다.
㉯ 사용압이 맥동압또는 변동압일때는 2배,정압인 경우는 사용압력의 1.5배의 계기를 선정하여야 한다.
⑧ 식품공학또는 산소용은 반드시 "USE NO OIL"이 명시된 것을 선택한다.

2. 압력 측정 방법

가. 측정 방법
압력계라고 하는 것은 주로 유체 압력을 측정하는 것에 사용되어지는 계기의 총칭으로서 대기의 압력 측정에 사용되는 기압계외에 여러 종류의 압력계 즉, 액체 압력계 탄성 압력계, 분동식 압력계등 특히 고압에 대해서는 기체압력계, 전기저항 압력계등이 있으며, 저압에는 진공계,압력차를 검출하는 차압계, 미압에 대해서는 미압계등이 있다.
그러나 초기 압력계로는 U자관형 압력계(액주형 압력계)가 이용되었으며, 압력의 절대 기준으로는 지금도 사용되고 있는 수은주형이 대부분이었다.
액주형 압력계은 제작상 문제점인 압력의 변화에는 민감하나, 원거리간 전송기구의 부착에 어려움, 측정치의 원격 지시, 전송의 문제, 기계적으로 약하고 취급상 문제로 기계적 기구가 부착된 압력계가 19세기부터 연구되기 시작하여 19세기 중엽 부르돈과 샤퍼에 의해 고안한 압력계는 현재의 압력계 기본형식을 결정한 것이다. 부르돈의 압력계는 금속관굴곡을 이용하였고, 샤퍼의 압력계는 금속박판의 변형을 이용한 것이었다.
최근의 압력계를 크게 구분하면,압력을 측정하는 장치,예를들면 액주형 마노메타, 분동식 압력계, 탄성식 압력계등을 들수 있으며, 또다른 하나는 압력변환기로서 역학적 변환요소로 쓰는 부르돈관, 다이야프램, 벨로우즈 등이 있고, 전기적 변환요소인 스트레인게이지, 전기용량형, 압전형, 인덕턴스형, 전위 차계형 등이 있다.(표참조)

1. 액주식 압력계

가. 측정원리
일반적으로 투명 Glass 관을 이용하여 Glass관 내부 액체를 충진시키고 미지 압력을 가할때 관내부 액의 Level이 변화하고 이 변화된 액의 위치를 측정함으로 압력을 구하는 압력계이다. 임의 관경 Glass관 내부 단면적 상에 임의 높이의 액주가 있다면, 액주 저면에 작용하는 힘은 단면적당 받는 힘(F)에 의해
P = F/A = W/A = mg/A = ρ.V.g/A. = ρ.A.h.g/A = ρ.h.g [Pa]
위식에서 ρ.g가 측정중에 일정하다면 압력 P와 액주 높이 h와는 비례관계를 가지므로 압력은 액주의 높이를 정확히 측정하므로 가능하다.
일반적으로 실용되어 있는 것으로 U자관형, 단관형, 경사관형이 있다.
구조는 다른 압력계에 비해 간단하고 구조적인 오차 발생적고, 고장이 적으며, 정확성이 높은 장점이 있다. 그러나 온도 영향을 민감하게 받고 액체와 유리관벽의 오염에 따른 오차의 발생, 측정범위의 제약이 있다.
액주형 압력계에 사용할 액체를 선정하고자 할　때，고려 사항은
① 측정범위와 측정 정밀도에 적합한 밀도를 가지는 액체
② 점도가 낮고, 유리관에 달라붙지 않는 액체
③ 증발하기 어려운 액체
④ 온도 변화에 따른 밀도의 변화가 작은 액체
⑤ 냄새나 독성이 없고 관을 부식시키지 않는 액체
⑥ 액면측정이 용이한 액체

표1. 압력계 종류


액주높이를 측정하고자 할때, 액체 물질에 따라 읽는방법이 서로 다르므로 액면을 측정할때 주의를 요한다. 수은은 액면이 위로 볼록하고 물이나 기름은 액면의 경계선이 아래로 오목한 상태가 된다. 따라서 수은을 읽을때는 위를 읽고, 물이나 기름은 아래 오목한 부분을 읽어야 오차를 줄일수 있다.

2. 탄성식 압력계

가. 부르돈관(Bourdon -Tube) 압력계

1) 측정원리
탄성식 압력계는 수압부에 탄성체를 사용해서 측정하고자 하는 압력을 가했을때 가해진 압력에 비례하는 단위 압력당의 변형량을 아는 상태에서, 이에 대응된 변형량만을 측정함으로써 압력을 구하는 방법이다.
탄성변형을 압력계에 이용되는 것으로 부르돈관,다이야프램,벨로우즈등 이 있으며, 이와같은 수압소자를 이용, 압력계 제작시는 압력변화에 따른 극히 미세한 탄성변형을 일반적으로 링크기구,레바,피니언등의 기계적구조로서 확대하여 지시,기록,전송,전기적 변환등을 행하며, 이러한 의미에서 탄성식 압력계는 기계적인 압력계로 2차 압력계이다.
부르돈관은 1852년 프랑스 부르돈에 의해 발명된 것으로 타원형및 평원형을 갖는 튜브를 한쪽에 고정시킨 다음 개방시켜 압력을 가하고,다른쪽은 밀폐자유단으로 하여 압력에 따라 변위를 발생시키도록 한 것이다.
부르돈관의 측정원리는 그림에서와 같이 부르돈관에 압력이 가해지면 부르돈관 단면에 있어서의 가로측 2a는 2a'로서 수축하고, 세로측 2b는 2b'로 팽창하여 즉, 원형에 근사한 변형이 일어나고 이러한 각 단면의 변형 적산치가 길이방향으로 나타나 자유단을 선 팽창시키고 부르돈관이 압력을 가하기 전 권각 θ에서 선팽창은 자유단 중심축 접선 방향과 그 법선 방향 양방향의 벡터의 합으로 압력을 가하면 굴곡변형이 나타난다.
C형 부르돈관은 180∼ 270°의 곡률각을 갖고 있으며, 변형된 것으로 U형 과 J이 있다.나선형(Spiral type)은 보통 4∼8회 감은 것으로 곡률반경은 감은수에 따라 증가하며, 관의 중심선은 한 평면상에 있고 관끝의 이동을 크게한 것이다. 헬리칼형(Helical Type)은 C형을 여러번 감은 것으로 보통

1800∼3600°의 전체각을 갖고 있고, 변형 형상은 C형과 비슷하며 관끝의 이동은 C형보다 크게 나타난다. 헬리칼형의 중심선은 한 평면상에 있지 않지만 곡률반경은 일정하다. 비틀림형은 부르돈관을 길이방향으로 비틀은 것으로 비틀린 회수는 2∼ 6회이며, 관의 중심선은 길이방향으로 직선이다.
압력에 따른 부르돈관 운동의 정확한 해석은 매우 복잡하며, 현재까지 완전한 이론식은 확립되어 있지 않다. 그러나 다음과 같은 실험식을 이용하여 사용하고 있다.

θ = 압력을 가하기 전의 전체각도
Ε = 재질의 영율
Δa = 변형된 각도
P = 관 안 밖의 압력차 (단위: Psi)
2a,2b = 관의 장축 및 단축(단위; inch)
t = 관의 두께, R = 관의 곡률 반경을 나타낸다.

2) 압력계 원리

부르돈관의 측정원리는 Linearity Link와 Span Link에서 확대된 변위 즉, 압력계 Link 구조의 선형 변위가 Sector 와 Pinion이 동축으로 연결된 지점의 위치를 변위시켜 눈금판 상에 그 지시치를 판독함으로써, Inlet hole에 가해진 미지의 압력을 구하게 되는 것이다. Hair spring은 압력 소거시 지침이 zero 위치로의 복원을 위한 복원력을 주고 있다.
헬리칼형 부르돈관은 끝　단에 거울이 부착되어 있어 압력을 받은 관이 θ 각도만큼 돌아가면 미세전류가 0이 될때까지 광 센서가 움직이고, 이때의량은 기어를 통하여 카운터에서 측정된다. 부르돈관은 저압보다는 고압용 압력계 제작에 사용되며, 장단점 비교는 다음과 같다.

3) 부르돈관의 구조
부르돈관의 단면형상은 여러　가지가 고안되어 지고 있다. 아래 그림의 (a) ∼ (d)형은 　저압(30 kgｆ/㎠) 또는 중압(200 ∼300 kgｆ/㎠)용 이고, (e)∼(g)형은 　고압(500 kgｆ/㎠)용으로 사용되어 지며, 실제로 사용되고 있는 평원형 부르돈관의 단면크기 및 두께에 따른 측정범위는 관　단면적과 측정범위는 비례관계를 가진다..

나. 다이아프램 (Diaphragm) 압력계

1) 측정원리

다이야프램 압력계는 고정시킨 환산형 주위단과 동일 평면을 이루고 있는 얇은 막의 형태(평판형,파형, Capsule형)로서, 가해진 미소 압력의 변화에도 대응된 수직방향으로 팽창 수축하는 압력 소자이다.
또한 그 압체를 분리하는 역할 및 가압체를 용기로 부터의 외부로 밀봉시켜 주는 역할을 행한다. Diaphragm은 자신의 압력 변형특성을 이용하는 금속 다이야프램과 스프링 같은 탄성요소에 의해 지지되는 비금속 다이야프램으로 크게 구분한다,
아래 그림과 같이 용도에 따른 다야프램의 종류를 나타낸 것이다. 평판형은 비교적 저압용으로 사용되며 다이야프램의 강도를 높이기 위하여 동심원 물결모양을 만든다. 이 물결모양 무늬는 유압이나 기계적인 압축으로 성형시킨다. 강도는 물결 무늬의 수를 증가시키고 깊이를 감소 시킴으로서 높일 수 있다.
압력을 받았을때 다이야프램의 변형은 다이야프램의 직경,두께,물결무늬의 형태와 수, 재질의 탄성 계수등에 의해 달라진다. 변형에 대하여 이론적으로 확실하게 정립된 것은 없고, 다음은 Capsule형의 실험에서 결정되어진 식이다.

여기서 Δd 는 다이야프램 중심에서 변형, κ는 Capsule 상수, Ν은 Capsule의 수, Ρ는 Capsule에 가한 압력, Ρ0는 처음 압력 , D는 다이야프램의 실제 직경, t는 다이야프램 두께이다. 위의 식에서 다이야프램의 직경을 2배로 하면 변형은 16배로 증가됨을 알 수 있다.

2) Diaphragm 종류 및 응용

가) 비금속 Diaphragm 응용

이상적인 비금속 Diaphragm 은 두께가 Zero이면서 다만 형상이 있는 막 으로서, 유한의 인장강성은 존재하며,전단감성 및 굴곡성은 Zero인 것이다
실제 사용시는 얇은 고무판상으로 사용하거나 그 표면에 포를 입혀서 사용하며, 이때의 기포는 가압시 강도를 고무는 기밀을 유지하는 역할을 한다.
Diaphragm에 압력이 가해지면 Disc는 금속판이므로 그 면적에 작용된 압력은 곧 힘으로 나타나고 고무막 부분에서는 팽창구를 형성하게 되며,이때 형성된 구로 인해 나타나는 힘은 구부를 중심으로부터 임의각 θ만큼 떨어진 미소부분 dθ를 취했을때, dθ 1계의 응력 σ,구부 팽창각을 φ라고 하면 수직 방향으로 나타나는 미소 힘의 원주방향으로 적산치가 발생된 힘이된다. 즉 힘 F는 다음과 같이 구해지며, 사용하는 Diapragm의 두께는 0.2∼0.3 mm 전후의 발신기용으로 부터,　3∼4 mm 전후의 Control Valve용 까지 이용된다.


나) 금속 Diaprhagm
금속 Diaphragm 이 기본적 성분은 비금속 Diaphragm에 비해 유한의 인장강성을 갖음과 동시에 전단성과 굴곡성을 인정하고 있는점이 다르다. 금속 Diaphragm의 형상은 여러 가지가 있으며, 보강판부 Diaphragm 의 개략적 유효면적 Ae는 e = ? (D2 + Dd + d2)/ 12 이고, d/D는 일반적으로 ≒0.7 정도이다.

2중 Diaphragm은 금속 Diaphragm으로서 대표적인 차압　전송기의 수압 소자이다. 내부 구조는 원형 파상관 2매를 고주파 가열 또는 아크 용접시켜 기밀시킨 것으로 외경이 30∼50 mm, 판두께 0.1∼0.2 mm 정도이다.
감도를 높이기 위하여 두께를　 얇게하고 면적을 증대시키는 반면 그 만큼 압력에 따른 파손　및 왜곡이 쉽게되는 이유로, Diaphragm 과 특성이 동일한 특성을 갖는 변형　정지판을 설치하여 변형정지판 사이공간에 Silicon oil을 충진시킨다.
Silicon Oil의 역할은
① 비압축성이므로 압력전달 지연을 적게한다.
② 고주파 잡음에 대한 완충역할을 한다.
③ 순간과대 차압또는 압력발생시 고점성이므로 고압측에서 저압측으로
세공을 통한 Oil 이동시 시간지연을 줌으로서 파손을 방지한다.
④ 열팽창계수가 작으므로 온도에 의한 팽창오차를 감소시켜 준다

다)격막식 압력계
특수화학적, 물리적 성질을 갖는 측정유체가 직접 부르돈관 내부에 가해 졌을때 부식등 부르돈관에 손상이 발생하는 경우 격막식을 사용한다.
격막식 Diaphragm의 사용이 필요한 유체로는

①부식성이 강한 유체

②고온도의 유체

③고점도의 유체

④고형 부유물 포함된 유체

⑤응고하기 쉬운 유체이다.
격막식 압력계는 건식과 습식으로 분류하고, 건식은 격막으로 부터 지시부까지 기계적인 Link 기구를 이용 사용압력 변화에 따른 Diaphragm의 변위를 확대 지시하는 형이고, 습식은 Diaphragm의 압력 변화에 따르는 변위를 비압축성 액체로 전달, 부르돈 Tube에서 지시하도록한 형이다.
또한 건식 수압소자는 2중 Diaphragm을 사용하기도 한다.
습식에 있어서 사용봉입액 종류로는 물, 크리세린,에틸렌 크리세린,케로신 실리콘 오일,수은, 다이후로 오일등이다.
봉입액의 낙차는 격막부와 부르돈관과의 사이 수직 높이차와 봉입액밀도와의 곱으로써 이때 낙차값은 가하는 압력에 관계없이 Zero점 교정을 행하면 된다.

P' - P" = h . ρ

3) Diaphragm 압력계의 장,단점

가) 장점
① 수압면적이 커서 감도가 높고 저압측정이 용이하다.
② 가압구의 크기조정이 용이하고 점도가 높은 액체 및 고형물질을 함유한 압력측정에 적당하다.
③ 막의 형태이므로 비금속 재질에 있어서는 내식성 재질선택이 용이하고, 금속재질에 있어서는

코팅등 내식표면처리가 가능하다.
④ 막의 고유진동수가 높으므로 응답이 신속하다.
⑤ 서로다른 액체사이 격막 역할을 행함과 동시에 소자로서 역할가능
⑥ 전기적 변환부를 사용 변위 변환을 전기적 출력으로 얻는다.
나) 단점
① 다른 탄성소자에 비해 변위가 작아 확대기구가 필요하다.
② 다른 탄성소자에 비해 히스테리시스, Creep 현상이 크다.

다. 벨로우즈식 압력계

1) 측정원리

벨로우즈(Bellows)는 그 외주에 주름상자형의 주름을 갖고있는 금속박판 원통상으로 그 내부 또는 외부에 압력을 받으면 중심축 방향으로 팽창 및 수축을 일으키는 압력계의 일종이다.
벨로우즈는 압력에 따른 길이의 변화가 부르돈관이나 다이야프램 보다 커서 보통 저압측정에 많이 사용된다. 벨로우즈의 사용한도는 내압에 의해서 결정되며, 내압증가를 위해 벨로우즈의 벽 두께를 증가 하여야 하나,이것은 강성도의 증가를 가져와 선형도가 나빠지므로 보통 10 kg/㎠가 한도이다. 그러나 선형도가 문제가 되지 않는 경우에는 내압을 200 kg/㎠ 까지도 사용가능하다.
벨로우즈의 재질로는 황동,인청동,베릴륨동,스테인레스 스틸,모넬,니켈 등이 있으나, 황동이 가장 많이 쓰이는 재질이며, 인청동은 양호한 기계적 특성이 요구될때 사용한다. 부식성 유체를 사용할 때에는 모넬(Monel)이나 Silver를 사용한다.
벨로우즈는 주름,깊이,끝모양이 서로 다른 다양한 종류가 있으며, S형과 C형은 주로 고압에 사용하고, U형은 저압에 쓰인다. 벨로우즈의 내경과 외경의 비는 1.3 ∼1.5 정도이나, 1.6 ∼ 1.9 정도의 깊은 주름도 있다.
벨로우즈의 유효단면적 Ae는 벨로우즈에 압력을 가했을때 발생하는 힘을 그때 압력으로 나눈것으로 정의되는데, 여러 가지 이론식이 있지만 다음의 식을 사용해도 된다.

a : 벨로우즈의 외측 반지름
b : 내측 반지름
c : a/b
L : 벨로우즈 전장

벨로우즈의 선형성을 증가하기 위해서 스프링과 결합하여 제작한다.이때
벨로우즈의 변위 d는 다음식으로 구한다.

벨로우즈 압력계 압력 측정범위 사양은 0.05 kg/㎠ 까지 이며,미소 압력 차압,절대 압력등의 측정 및 지시용 공기식 회로의 요소에 사용되고 있다.
그밖에 벨로우즈중 온도보상형 벨로우즈 차압계는 높은 정압하에서 미세한 압력차를 측정하도록 설게된 것도 공업용으로 사용되고 있다.

3. 전기식 압력계

가. 스트레인 게이지(Strain Gauge) 압력센서
1) 개요
스트레인게이지는 1856년 Load kelvin에 의해 발견된 것으로 압력측정에 이용되는 변환기는 접착형, 비접착형으로 두가지가 있으며, 그 원리는 동일하다. 즉,도선이 탄성적으로 늘어나면 그 길이와 직경이 변하여 도선 전체의 전기저항이 변화하는데, 스트레인 게이지는 이 원리를 이용한다.
따라서 다이야프램, 벨로우즈,부르돈관 같은 길이 변환장치와 스트레인 게이지를 결합하면 압력을 전기적인 신호로 감지할 수 있어 아래와 같은 특징이 있다
① 검출단,변환기,지시,기록계등과 측정장치와 분리
② 원격측정이 가능하다.
③ 정도 신뢰성이 양호
④ 소형이며, 응답성이 빠르다.
⑤ 출력치의 연산이 가능하다.
아래 그림은 다야프램에 많이 사용되는 스트레인 게이지이다.
그 밖에도 형태에 따라 스트레인 게이지를 가로 및 세로로 교차시켜 측정하는 다축 저항선 게이지와 반도체형에 많이 사용되며, 두께가 얇은 박형 게이지도 있다.

2) 반도체 스트레인게이지
가) 개요
반도체 스트레인 게이지는 반도체 단결정으로 부터 일반적인 다이야몬드 절단 또는 초음파 절단을 통해,축 길이 1.2∼12 mm, 폭 0.1∼0.125 mm, 두께 0.01∼0.0125 mm의 광축에 대해서 절출시킨 것인다. 즉,게루마늄 및 실리콘 반도체에 존재하는 피에조저항효과를 이용한 벌크 게이지와 실리콘을 적당한 내열성의 베이스 상에 박막상으로 진공 증착시켜 사용하는 2종류가있다. 일반적으로 사용하는 벌크게이지는 현재 IC 제조방법의 진보에 따라 그것과 동일한 방법으로 제조되는 것이며, 열확산에 의한 것임으로 확산형이라고 칭한다.
이와 같은 반도체형 스트레인게이지는 저항선을 이용한 스트레인 게이지와 비교할때, 장단점 보면은 장점으로는 게이지율이 50∼70배 정도 높다. 또한 게이지율을 ±값으로 얻을 수 있다.
단점으로는 저항 온도계수가 크고, 변형의 폭이 좁으며, 작은 반경의 곡면에 접착시키기가 곤란하다.
반도체형 스트레인게이지는 용도에 따라 두가지로 분류한다.
① 측정하려는 장소에 게이지를 부착시켜 그 장소의 외력에 의해 발생하는 변위를 측정,

그것에 가해진 응력,변형등을 알기 위한 수단으로 사용하 는것.

예를들어 중량의 구조물, 기계등의 응력또는 강도를 측정,안정성 및 경제성을 고려한 설계시
② 기지의 정해진 치수 재료에 부착시켜 힘,하중,압력,가속도,변위　등의 물리량을 측정하는 검출단으로서 응용

스트레인게이지 종류별 특성

나. 정전 용량형 압력센서
정전용량형 압력센서는 정압이나 동압 측정에 널리 쓰이며 크게 두가지 형식이 있다. 평판 용량형에 의한 압력검출은 주로 다이야프램이 이용되며 이는 또한 캐폐시티의 한쪽 전극으로도 사용된다. 다야프램이 압력을 받으면, 이에 상응하는 위치의 변화가 일어나며, 이로 인해 전기용량의 변화가 생기게 된다.
변환기 자체의 가격은 싸며, 만들기 쉽고 유지가 편리한 장점이 있지만 이의 출력값을 받아 전기적인 신호로 바꾸어 주는 신호변환기는 비교적 고가이다. 용량향 변환기로 측정 가능한 변위는 2.5 x 10-6 cm 이다. 평판 캐페시티는 그림에서 보는것과 같이 쌍곡선으로 나타난다.
그러나 평판 사이의 간격보다 사용변위를 작게하고 적당한 두께의 유전체를 삽입하면 거의직선에 가까운 식을 얻을 수 있다.
또한 유전체의 삽입은 유전상수를 변화시킴으로 변환기 감도를 증가 시킬 수 있다. 실제 운모의 경우는 공기보다 7배 큰 유전상수를 가지고 있다
두 평판 사이의 전기용량은 다음식으로 주어진다.

정전 용량형 압력센서를 사용한 예를 보면은 현장에서 압력 또는 유량검출을 위한 차압측정용으로 많이 사용되는 측정소자를 보면은 2개의 양측 금속다이야프램은 본체 중심부를 관통한 연결축에 연결되어 있고, 그 연결축 중앙부에는 원판상 금속판인 가동전극이 있으며, 이 가동전극 양쪽에는 세라믹 소제의 고정전극이 있어 양 전극 사이의 정전용량을 발생하고있다.
압력이 다이야프램에 가해지면 양측 압력차에 의해서 이동 전극이 좌로 이동, 양측 고정전극의 좌측 용량은 증가, 우측은 감소됨으로서 이것을 측정하면은 차압 또는 압력이 구해지는 것이다
① 출력비 ΔC/C가 큰 것으로써 감압 다이야프램과 고정전극의 간격은 0.15mm, 전극용량은 120 PF 정도이다.
② 측정범위가 진공압부터 500 kg/㎠ 정도로 광범위하고 사용차압 범위 내에서

다이야프램 변위는 0.1 ∼ 0.02 mm 정도이다.
③ Capsule 내부 고정전극, 가변전극은 평판구조이므로 비직선성 요소가 없고, 따라서 직선화 보정이 필요 없다.
④ 고신뢰성,고내구성을 갖고 있으며, Diaphragm 중심부는 온도보상을 한 설계로 온도변화에 의한

Zero점 이동을 방지한다
⑤ 방폭구조는 일반용, 본질 방폭용, 내압 방폭용이 있다.

다. 압전식 압력 센서
1) 압전효과 개요
수정및 롯셀염등의 결정체는 특정한 방향으로 압력을 받게되면 자체내에 전압이 유기되는 성질을 갖고 있으며. 이와 같이 전압이 유기되는 현상을 압전효과라 한다. 이런 현상의 역상태로 결정체에 전압을 가하면 결정이 신축 기계적인 변형을 이르키는데 이는 압전효과의 반대현상으로 역압전 이라 하고 일반적으로 양 효과를 총칭해서 압전효과라 하고 있다.
압전형 압력 센서는 이러한 압전 효과를 이용하여 입력 압력에 대응된 전기적 출력을 얻을 수 있도록 설계된 것으로,압전체들은 외부의 여기전원없이 사용되기도 하나 이 경우에는 출력신호가 작기 때문에 증폭이 필수적이며 대부분 경우에는 외부전원과 연결하거나 또는 병렬로 압전체를 여러 개 연결하여 이용하고 있다.
측정매질에 따라 결정되는 일정한 주파수에서 압전체들을 동작시켜 압력을 측정할 수 있는 출력은 발생전하인 Q인자에 따라 달라진다. Q 인자는 결정체에 평균적으로 저장되는 에너지의 싸이클당 발산되는 에너지의 비로서 정의되며, 이 값은 결정체의 종류 및 부하 조건에 따라 변한다. 따라서 높은 감도를 갖기 위해서는 내부마찰에 의한 에너지손실이 가장 작은 결정체를 사용하는 것이 필요하다, 실험치에 의하면 수정은 고주파용으로 적합하며 적당한 처리를 하면 진공에서 Q값이 500,000 정도가 된다.

2) 압전형 압력센서의 응용
수정 및 압력 세라믹에 전극을 부착하고 기계적인 압력을 가해서 변형을 일으키면 결정의 표면에 전하가 발생 하는 것이 압전효과이고,역으로 결정체에 전하를 주면 결정이 신축해서 기계적인 변형을 일으키는 것이 역압전 효과이고, 또한 역압전효과와 유사하면서도 가해진 전계의 2승에 비례하는 2차의 효과로서, 변형이 강유전체에서 발생하는 현상을 전왜효과라 한다.
실측시 종래의 계측 방법으로는 전극간의 발생전하를 정확히 측정하기 위해서는 압전체와의 임피던스 매칭에 따라 입력 임피던스가 높은 증폭기를 사용해야 했고,이에 따라 완만한 변동 압력측정은 곤란한 문제가 있어 이를 개선하는 방법으로 발진자로 부터 교번 전압을 압전 세라믹 소자에 가하면 소자는 그 전압의 극성에 따라서 신축운동을 반복한다. 이때 가해진 교번전압의 주파수는 물체가 갖고 있는 고유진동수에 일치하면, 소자는 공진함으로 소자에 흐르는 전류는 급격히 최대를 이루는 것이다.
즉, 외부 영향인 힘,압력에 따라서 가장 민감한 반을을 일으키는 상태에 이르게 되고, 외부로 부터 소자를 신장 및 압축시키는 방향의 압력을 가해 그 크기에 비례하여 출력전압이 증감하므로 이것을 이용하여 특정 압력을 구하게 되는 것이다.
응용되는 것으로서 압력 변환기와 디지탈 압력 측정 센서가 있다. 압력 변환기는 그림에서와 같이 압전소자 크기가 측정압력과 비례되며 출력전압 또한 커짐을 알 수 있다. 압력센서의 중추는 복합음차 진동차로서 압력 접속구를 통해 압력이 가해 지면, 복합 음차 진동자가 일정한 상태로 진동하고 있는 상태에서 내부의 다이야프램 유효면적과 작용힘이 축방향으로 발생，진동수가 변화하게된다．

이때 고유　진동자 변화는 곧 압력에 비례하는 것으로 압력을 주파수의 변화로 측정하는 것이 된다.

압력 변화에 따른 주파수 f는

이다. 압력범위에 따른 Diaphragm의 면적과의 관계는 아래 그림과 같다.

디지탈 압력측정용 압전소자 특징으로서는
① 고정도로서 ± 0.2 ∼ 0.05 ％ 정도이다.
② 고분해능으로 0.0005 ％ 정도이다 .