로드셀과 계량기기에 대한자료

로드셀의 원리

 일반적으로 로드셀이라 함은 하중을 가하면 그 크기에 비례하여 전기적 출력이 발생되는 힘 변환 기의 총칭으로 Strain Guage식 로드셀을 의미한다.

 따라서 Strin Guage를 금속 탄성체에 점착하고 그 탄성체에 하중을 가했을 때 탄성체의 Strain을 Strain gauge의 저항값의 변화로서 가해진 하중의 크기에 비례한 전기적 출력신호를 얻을 수 있다

스트레인 게이지의 측정 원리

 스트레인(Strain)이란 어떤 탄성체를 당기거나 밀면 변형이 일어나고 이때 줄거나 느는 양을 스트레인이라 하며, 이 미세한 변형량을 측정하기 위해 스트레인 게이지를 사용하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 변형량을 하중으로 변환하여 측정하는 것이 바로 로드셀의 원리이다.

 이러한 미세한 변화를 검출하기 위해 전기적으로 브릿지 회로라는 회로를 사용하게 된다. 즉, 평상시에는 전기적으로 평형이 유지되어 (물의 수면이 동일한 경우와 같은 경우) 극히 미세한 전류를 흘려 보내다가, 어느 한쪽의 불균형이 발생하면(저항값이 변하면) 그쪽으로 전류가 흘러 이 전류의 흐름이 전압의 변화로 나타나 검출된다. 이때 저항값의 변화는 스트레인에 의해서만 나타나지 않고 온도나 습도에 따라 변할 수도 있으므로 이에 대한 보상이 반드시 필요하며, 로드셀의 좋고 나쁨의 기준이 된다.

로드셀의 종류

•기둥형 (Column Type)원통형으로 생겼으며, 위에서 아래로 하중을 가하는 종류로 2장의 스트레인 게이지를 종,횡으로 부착하여 즉정하는 방식으로 대용량의 로드셀제작에 용이하는 장점이 있으나, 정밀도가 낮으며, 비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다.

•환상형(Ring Type)둥근 원형의 내면에 4장의 스트레인 게이지를 부착한 형태로 원통형보다 정밀도가 높은 장점이 있고 방향도 인장,압축형 모두 사용이 가능한 장점이 있으나, 대용량 및 소용량의 제작이 어렵다는 단점이 있다.

•휨형(Bending Type)사각 막대를 한쪽이나 양쪽을 지지하여 휘어지는 양을 측정하는 방식으로 부착하기가 용 이하고, 정밀도가 높은 장점이 있는 반면 대용량의 제작이 어렵고 구조상 밀봉하기 어려워 사용 환경의 제약을 받는 단점이 있다. 

•전단형 (Shear type)스트레인 게이지를 45도 방향으로 부착하여 전단응력을 측정하여 측정하는 방식으로 횡 하중측정이 좋고 내력이 강한 반면, 가공이 어렵다는 단점이 있다.

로드셀 선택요령

- 하중선택방법 측정하고 싶은 하중이 정해지고, 저울 자체무게등이 정해지면 로드셀을 얼마나 큰 용량을 써야하는지 선택하기가 쉽지 않다, 무작정 큰 용량을 사용하면 미세한 측정이 어렵고 용량에 딱 맞는 로드셀을 선택하면, 예기치 않은 충격에 로드셀이 파괴되는 경우가 자주 있으므로 선택에 주의해야 한다.

일반적으로 다음과 같은 공식을 이용해서 선택한다.

L >= ((F1 x W1 + W2) * F2 x F3 ) / N

F1 : 충격계수 (1.1 - 1.5) 일반적으로 1.2 F2 : 하중편심계수 (1.1 - 1.3) 일반적으로 1.2F3 : 하중불균형 계수 (1점,3점지지식 : 1 , 4점지지식 : 1.2)W1 : 부가 하중 (측정할 대상물의 최대 하중)W2 : 초기하중(자중,저울 자체 무게)N :사용할 로드셀 개수

예로 총 5톤의 물건을 자둥 1톤인 저울로 측정하려하고, 4개의 로드셀을 사용할 경우는 ((11.3 * 5 + 1) *1.2 *1.2) / 4 = 2.7 톤 2,7톤 로드셀은 나오지 않으므로 3톤짜리 로드셀 4개를 사용하면 무난하다.

로드셀을 몇 개 사용할것인가?

 로드셀의 사용 개수는 구조물의 형태와 관련이 많으며, 많이 사용한다고 좋지는 않다.즉, 1개나 3개가 가장 안정되고 정확한 계량을 할 수 있는 반면 4개나 6개를 사용할 경우는 중심 점을 조정하기가 쉽지 않아 오차 발생 확률이 높으므로 설계시 유의 하여야 한다.

 특히 직사각형의 벨트 콘베이어에 6개의 로드셀을 사용하여 측정한다면 구조물의 설계시 상당한 기술이 필요하다. 시소와 같이 한쪽이 당겨지면 다른 한쪽은 미는 효과가 있어 많은 고생을 해야 할 것이다.

로드셀과의 인터페이스

 로드셀이 무게를 측정하는데 사용되는 소자라는 것을 알아봤다. 이제 로드셀을 이용하는 대표적인 사례인 계량제어시스템에 대해 간략하게 알아보자.

 로드셀을 부착만 한다고 하중이 측정되지는 않는다. 이 로드셀의 미세신호를 하중 (Kg,Ton)등으로 변환하여야 우리가 비로소 사용할 수 있는 것이다. 이때 사용하는 기기가 바로 Weighing Indicatior나 Weighing Controller 이다. 이 Weighing Indicatior나 Controller에는 로드셀로 공급하는 10볼트 내외의 정밀한 공급전원과 로드셀에서 나오는 3 - 30 mV의 미세한 신호를 증폭하는 고정밀 DC Amplifier 가 내장되어 있으며, 이 변화되는 입력신호를 Digital로 변환하주는 A/D Convertor가 내장되어있으며, 하중값을 표시하여 주기 위해 CPU 등이 내장되어 있다. 컴퓨터와 Weighing Controller(Indicator)와의 통신은 주로 RS-232C나 RS-422방식으로 제어되며, Indicator의 경우는 주기적으로 현재 계량치를 일방적으로 보내오거나( Streem) 특정 명령어에 의해 보내오는 방식(Command)방식으로 값을 읽을 수 있고Controller의 경우는 위 두가지 방식 외에 Zero값 설정/Tare값 전송/계량 목표치/대공급/소공급값/낙차 등을 통신으로 세팅할 수 있도록 되어 있다.PLC와 콘트롤러만으로도 충분히 원하는 계량제어를 할 수 있다.이 경우에는 콘트롤러에서 나오는 디지탈 접점신호를 PLC와 연결하여 제어하면 원하는 제어를 할 수 있으나 설정치 입력등이 불편하기때문에 컴퓨터를 사용하여 처리하는 것이 일반적이다.

Weighing Controller와 Weighing Indicator

기능이 비슷하나 명백한 차이가 있다. 인디케이터는 단순히 하중을 표시하는 역할만을 수행하는 반면, Controller 는 제어기능이 내장되어 있다. 만일 PC를 통해 하중제어를 하고 싶다면 Weighing Controller를 선택해서 사용해야 편리하다. Weighing Controller에는 통상 다음과 같은 기능들이 포함된다.- Calibration 기능 : 미리 알고 있는 중량물(분동)을 저울위에 놓고 이를 조정하는 기능- 하중표시 기능 : 현재의 하중값을 디지탈값으로 표시- 제어기능 : 미리 설정된 설정값이 되면 특정 출력신호를 내줘서 콘트롤하는 기능.- 통신기능 : 컴퓨터 등의 타 장비와 RS-232C 등의 통신으로 자료 교환기능

Weighing Indicatior에는 다음과 같은 기능들이 포함된다.- Calibration 기능 : 미리 알고 있는 중량물(분동)을 저울위에 놓고 이를 조정하는 기능- 하중표시 기능 : 현재의 하중값을 디지탈값으로 표시- 통신기능 : 컴퓨터 등의 타 장비와 RS-232C 등의 통신으로 자료 교환기능Weighing Controller 선택시 주의 사항.국내에선 현재 화인메카트로닉스와 그외 1-2개 업체에서 이를 개발해서 판매하고 있으며, 금용야마도나 한국 A&D등에서 수입판매하고 있으나 원하는 기능이 모두다 있는지 여부를 확인하고 사용해야 한다.

Weighing control 방법

 Feeder 를 작동해서 원료를 저울위에 쏟아가며 특정 계량지가 되면 정확히 정지시켜 정밀도를 맞 추기 위해 다음과 같은 단계의 제어가 필요하다.

•원료공급 신호 대공급 - 대량으로 원료를 공급해서 계량 속도를 높히기 위한 신호중공급 - 어느정도 원하는 양이 되면 정밀도를 위해 공급량을 줄인다.(이 단계는 생략하는 경우가 많다)소공급 - 물성에 따라 목표치의 90%정도가 되면 미량으로 공급해가며 정확한 계량치가 되도록 조절한다.

•낙차조절 저울표면에 닿아야 계량이 되는데 100Kg을 측정할 때 100Kg에서 소공급 게이트 신호를 끊으면 물성에 따라 더 달리게 된다. 이는 계량중 저울표면 과 공급Feeder출구 사이에(공중에) 있는 계량물이 나중에 떨어져 무게를 더 하게 되므로, 경험에 따라 목표치에 이르기 전에 게이트를 닫아 정확한 계량을 해야 한다.

•Auto Zero 상당히 중요한 개념으로 저울이란 조금씩 영점이 변하기도 하고, 계량시 찌꺼기가 저울 표면에 묻어 중량이 조금씩 올라가는 경우도 있다. 이때 저울 용기무게를 0으로 만들어 줘야 정확한 계량이 된다.

정밀도 문제

 이 정밀도 문제 때문에 원청자와 문제가 생기는 경우가 종종 있다. 이는 미리 계량제어 시스템에 대한 사전지식이 없이 공사를 강행하다 시운전단계에서 나타나서 공기가 지연되고 수금이 안되고 하는 문제로 비화되어 경영상 애로로 나타나므로 엔지니어링 단계에서 잘 고려해야 한다. 정밀도는 계량제어 시스템 전체의 정밀도중 가장 낮은 기기의 정밀도를 따라야 한다.

 통상 로드셀의 정밀도는 1/5,000을 넘지 못한다. Weighing Controller의 정밀도가 1/20,000 이라고 해봐도 로드셀의 정밀도가 1/2,000- 1/3,000이므로 별 의미가 없으며, 로드셀의 정밀도가 1/5,000이라고 해도 기계구조상 1/100의 정밀도밖에 내지 못한다면 이 시스템의 전체 정밀도는 1/100밖에 안된다.  결국은 기계부분의 정밀도가 전체 정밀도를 좌우한다.  한 예로, 로타리휘다(Rotary Feeder)의 경우 물래방아처럼 생긴 회전판이 돌면서 회전판 사이에 낀 원료를 저울로 공급하는 역할을 수행하는데, 한바퀴 회전하는데 10Kg의 원료를 공급하고, 회 전날개가 4개라면 1/4회전에 2.5Kg의 원료를 공급한다고 하자. 이 기계시스템의 경우는 목표치 500Kg을 계량하는데 아무리 회전속도를 낮춰 계량을 해도 2.5Kg단위로 밖에 계량이 안된다. 이런 기계를 설치해놓고 허용오차를 1Kg미만 (1/500정밀도) 을 요구하면 불가능하다. 이 경우는 기계를 수정해서 Feeder의 종류는 정밀계량이 가능한 바이브레이션 휘다 등으로 교체해야 한다.

생산량과 정밀도와의 관계

 새로 기계를 설치해놓으면 설치 전과 후의 생산량을 반드시 비교해 보게 된다. 아스팔트 배치프랜트기계와 같이 게이트를 실린더로 활짝 열어 자갈을 쏟아 붇는 기계의 경우 생산량이 높은 반면 정밀도는 떨어지게 마련이다. 그렇다고 높은 정밀도를 위해 자갈을 한 개씩 투입할 수도 없는 일이다. 대체로 정밀도와 생산량은 반비례하므로 설계시 2종류의 휘다를 설치해 대량 투입용과 소량투입 용으로 나누어 계량을 하면 어느 정도 생산량과 정밀도를 원하는대로 맞출 수 있다.

계량제어방식의 구분

계량제어 시스템의 계량 방식을 크게 구분하여 그 특징을 살펴 보면 아래 도표와 같습니다.  

* 용어 설명

- 단독 계량 : 원료 1가지에 계량기(저울) 1개를 사용하는 계량 방식.

- 누적 계량 : 1개의 계량기에 여러 가지 원료를 누적하여 계량하는 계량 방식

- 중앙 집중제어방식 : 1개의 콘트롤러에서 여러개의 계량기를 제어하는 방식

- 1개의 계량기마다 별도의 콘트롤러를 두고, 중앙에서는 명령과 결과만 받아 처리하는 방식

Feeder 종류

 계량제어에 있어서 계량의 정밀도와 생산량은 서로 반비례한다는 점은 상식적으로 알고 있는 사항이고, 원료를 공급하는 방법에 따라 정밀도가 정해지기도 한다.  

   로드셀 용어의 정의

(1)주위조건:주위조건이라 함은 로드셀을 둘러싸고 있는 매체의 습도,압력,온도 등의 조건을 말한다.

(2)주위온도:로드셀을 둘러싸 있는 매체의 온도를 말한다.

(3)동심정각하중:기본축에 대한 어떤 가도만큼 떨어진 하중점에 있어서 ,

기본축에 동심으로 작용하는 하중을 말한다.

(4)편심정각하중: 기본축에 대한 어떤 가도만큼 떨어진 하중점에 있어서 ,

기본축에 편심으로 작용하는 하중을 말한다.

(5)축방향하중:기본축과 평행하거나,기본축과 함께 작용하는 하중을 말한다.

(6)교정:기본이 되는 하중에 대한 로드셀 출력을 비교하는 것을 말한다.

(7)교정곡선:교정에 의하여 비교된 수치를 기록하거나 그래프화 된 것을 말한다.

(8)정격용량:소정의 규격에 의하여 측정이 가능한 축방향의 최대하중을 말한다.

(9)종합오차:무하중시와 정격하중시 사이에서 출력을 직선으로 연결할 부분에대한,

하중증가와 감소시에 측정된 출력을 백분율로 나타낸 오차를 말한다.

또한 비직진성 또는 히스테리시스라고도한다.

(10)크리이프:하중작용하에서 시간의 경과에 의해서나,외부조건의 변화,

기타 요소들에 의하여 발생하는 로드셀 출력의 변화를 말한다.

일반적으로 정격하중과 제거직후의 일정시간 동안의 정격 출력의 백분율로 측정된다.

통상 20분 또는 30분간의 크리이프 값을 보증한다.

(11)크리이프 회복:일정기간 동안 작용한 하중을 제거한후,

시간의 경과와 함께 나타나는 무하중시의 출력을 말한다.

일반적으로 정격하중과 제거직후의 일정시간 동안의 정격 출력의 백분율로 측정된다.

(12)변위:정격 하중시와 무하중시 사이에 변화를 기본축에 평행한 길이의 변화량으로 나타낸 것을 말한다.

(13)드리프트:일정하중하에서의 출력변화를 말한다.

(14) 편심하중:기본축에 대한 중심 방향은 아니지만,평행하게 작용하는 하중을 말한다.

(15)하중:로드셀에 작용하는 질량이나 힘을 말한다.

(16)오차:측정된 참값과 지시값의 차를 말한다.

(17)여자:로드셀의 압력단자에 인가한 전압 또는 전류를 말한다.

(18)주파수 응답:규정 한도 이내에서의 불규칙적으로 변화하는 기계적 압력을 수반하는 주파수 범위를 말한다.

(19)히스테리시스:동일하중 작용시 로드셀 출력간에 나타나는 최대차를 말한다.

즉 무하중으로부터 하중의 증가시와 정격 하중으로부터 하중의 감소 사이에 얻어진 읽을 양의 차이를 말한다.

 주:동상 정격출력의 1/2에 해당하는 양을 측정하고 ,정격 출력의 백분율로 나타낸다.

측정은 크리이프 현상을 최소화하기 위하여 ,가능한한 빨리 행해져야 한다.

(20)절연저항:로드셀 회로와 로드셀구조 사이에서 측정된 직류저항을 말한다.

주:통상 표준시험 상태하에서 직류 50볼트로 측정한값으로 한다.

(21)고유진동수:무하중에서 자유롭게 진동하는 주파수를 말한다.

(22)비직진성:무하중시와 정격하중 출력사이를 직선으로 한것으로부터

교정곡선의 최대편차를 말하며,하중의 증가시에만 적용되며,또한 정격출력의 백분율로 나타낸다.

(23)정격출력:정격하중과 무하중에 있어서의 출력의 차이를 말한다.

(24)기본축:하중을 가할 수 있도록 설계된 로드셀의 축으로서,통상 기하학적인 중심선을 말한다.

(25)정격용량: 소정의 범위내에서 측정할 수 있도록 설계된 로드셀의 최대 축방향 하중을 말한다.

(26)보상온도범위:소정의 범위내에서 영점 평형 정격 출력을 유지할 수 있게

로드셀이 보상될 수있도록 한 온도 범위를 말한다.

(27)허용온도범위:로드셀이 성능상 영구적인 변화없이 작동할 수 있는 온도 범위를 말한다.

(28)영점평형:무하중 상테에서 정격여자를 갖는 로드셀 출력변화를 말하며,

통상 정격출력의 백분율로 나타낸다.

(29)입력단자간 저항:출력단자를 개회로로 한 상태에서 무부하시,표준온도시의

입력단자 사이의 저항을 말한다.

(30)출력단자간 저항:입력단자를 개회로로 한 상태에서 무부하시,표준온도시의

출력단자 사이의 저항을 말한다.