[유체역학] 압력계의 종류

Part 1. 압력의 정의와 측정 기준의 분류

물리적 성질: 압력은 유체 표면에 외부에서 내부로 작용하는 압축력이다.
방향성: 압력은 작용하는 단면적($\Delta A$)에 대하여 항상 수직(Normal) 방향으로 힘($F_p$)을 가한다. 유체는 당기는 힘(인장력)을 버티지 못하므로, 압력은 언제나 **’미는 힘’**으로만 정의된다.
수학적 정의: 특정 지점의 압력 $P$는 면적이 한 점으로 수렴할 때의 극한값으로 정의한다.$$P = \lim_{\Delta A \to 0} \frac{F_p}{\Delta A}$$

실무에서 압력은 그 크기에 따라 다양한 단위로 환산되어 사용된다.

SI 단위계: 기본 단위는 **$1\,\text{Pa} = 1\,\text{N/m}^2$**이다.
- $1\,\text{bar} = 10^5\,\text{Pa}$ (약 대기압 수준의 큰 단위)
- $1\,\text{atm}$ (표준대기압): 해수면 평균 기압으로 $101.3\,\text{kPa}$ 또는 **$760\,\text{mmHg}$**와 같다.

압력계가 무엇을 **’0’**으로 잡고 측정하느냐에 따라 크게 세 가지로 나뉜다.

(a) 절대압력계 (Absolute Pressure Gauge):
- 구조: 센서 내부를 완전 진공으로 밀봉한 상태다.
- 기준: 분자가 하나도 없는 절대 0점을 기준으로 측정한다.
- 결과: 지구 어디서나 동일한 물리적 실제값인 **절대압력($P_{abs}$)**을 나타낸다.
(b) 게이지 압력계 (Gauge Pressure Gauge):
- 구조: 센서의 뒷면이 외부 **대기(공기)**로 개방되어 있다.
- 기준: 지금 내가 서 있는 곳의 **국지대기압($P_o$)**을 0으로 잡는다.
- 결과: 주변 공기보다 얼마나 더 센지만 측정한다. 우리가 일상에서 보는 대부분의 압력계(타이어, 가스통 등)가 이 방식이다.
(c) 차압계 (Differential Pressure Gauge):
- 구조: 센서의 양쪽 끝에 각각 다른 두 지점의 압력($P_1, P_2$)을 연결한다.
- 기준: 대기압과는 상관없이 두 지점 사이의 압력 차이만 측정한다.
- 용도: 필터가 얼마나 막혔는지, 혹은 유량이 얼마나 흐르는지(벤투리관) 확인할 때 필수적이다.

압력은 수직이다: 설치 시 벽면에 수직으로 구멍을 뚫어야 흐르는 유체의 속도(동압)에 방해받지 않는 순수한 **정압(Static Pressure)**을 잴 수 있다.
기준의 차이: 똑같은 압력계라도 뒷구멍이 막혀(진공) 있느냐, 뚫려(대기) 있느냐에 따라 읽히는 숫자의 의미가 완전히 달라진다.

우리 주변에서 가장 흔히 볼 수 있는 바늘식 압력계이다.

구조: 단면이 타원형인 금속관을 물음표(?) 모양이나 소용돌이 모양으로 굽혀 놓은 형태다.
작동 방식: 관 내부에 압력이 들어오면, 타원형 단면이 원형으로 펴지려 하면서 말려 있던 관이 밖으로 펴지려는 성질을 이용한다. (돌돌 말린 종이 피리를 불면 앞으로 쭉 펴지는 것과 같습니다.)
증폭 메커니즘: 관 끝의 아주 미세한 움직임을 **지렛대와 기어(Linkage)**로 연결하여, 우리가 눈으로 읽기 편하도록 바늘(Pointer)을 크게 회전시킨다.
특징: 구조가 단순하고 견고하며 전기가 필요 없다. 주로 정지된 상태의 압력인 **정압(Static Pressure)**을 측정하는 데 최적화되어 있다.

현대 유체 시스템이나 스마트 기기에서는 물리적인 변형을 전압이나 저항값으로 바꾸어 디지털 데이터로 읽어낸다.

벨로우즈: 아코디언처럼 주름진 금속관다. 압력을 받으면 주름이 펴지며 길이가 직선으로 늘어난다.
LVDT(선형 가변 차동 변압기): 벨로우즈의 끝에 연결된 철심이 움직이면, 코일 사이의 유도 기전력이 변한다. 이 **길이 변화(변위)**를 정밀한 전기 신호로 읽어내는 방식이다.

원리: 얇은 금속판(다이아프램)에 미세한 전기 저항선을 붙여둔다.
작동: 압력이 판을 휘게 만들면 저항선이 미세하게 늘어나거나 줄어드는데, 이때 발생하는 전기 저항의 변화를 측정하여 압력으로 환산한다. 매우 정밀하고 반응 속도가 빠르다.

최근 스마트폰이나 스마트워치에 들어가는 기압계는 반도체 공정기술을 활용한다.

크기: 약 $2.2 \times 2.6 \, \text{mm}$ 수준의 극소형 칩이다.
메커니즘: 실리콘 칩 내부에 작은 진공 방을 만들고, 그 윗면이 대기압에 의해 눌리는 정도를 정전 용량(Capacitance) 변화로 감지하여 디지털 신호로 출력한다.