Month: June 2020

로드셀은 모든 저울 시스템의 핵심 부품으로, 현대적인 무게 데이터를 가능하게 합니다.
로드셀은 용도에 따라 다양한 유형, 크기, 용량, 형태가 존재하기 때문에 처음 로드셀을 배우는 사람에게는 다소 복잡하게 느껴질 수 있습니다.
하지만 로드셀을 이해하는 것은 모든 종류와 모델의 저울을 이해하기 위한 필수적인 첫 단계입니다.

먼저 로드셀이 어떻게 작동하는지 간략히 살펴보고, 그 다음 10가지 핵심 사항을 알아보면 좋습니다.

10가지 핵심 지식

1. 저울의 핵심
   로드셀은 저울 시스템에서 가장 중요한 구성 요소입니다.
   로드셀이 없으면 하중이나 무게로 인해 발생하는 힘의 변화를 측정할 수 없습니다.
   로드셀은 모든 저울의 심장입니다.
2. 오래된 기원
   로드셀 기술은 1843년으로 거슬러 올라갑니다.
   영국의 물리학자 찰스 휘트스톤(Charles Wheatstone)이 저항을 측정하기 위해 브리지 회로를 만들었고, 이를 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)라 명명했습니다.
   오늘날 스트레인 게이지 로드셀의 기초로 여전히 사용되고 있습니다.
3. 저항 활용
   스트레인 게이지(strain gauge)는 저항 이론을 이용합니다.
   스트레인 게이지는 매우 얇은 전선을 지그재그 패턴으로 배치하여 힘이 가해졌을 때 전선의 유효 길이를 늘립니다.
   이 전선은 일정한 저항을 가지며, 하중이 가해지면 전선이 늘어나거나 압축되어 저항이 증가하거나 감소합니다.
   이 저항 변화를 측정하여 무게를 계산합니다.
4. 다양한 측정 가능
   로드셀은 단순히 캔틸레버 힘(cantilever force)만 측정하는 것이 아닙니다.
   사실, 로드셀은 수직 압축, 장력(tension), 심지어 매달린 하중(suspended tension)까지도 측정할 수 있습니다.
5. 세 가지 주요 유형
   로드셀은 크게 세 가지로 나뉩니다.
   • Environmental Protection (EP)
   • Weld Seal (WS)
   • Hermetic Seal (HS)
     필요한 유형을 알고 선택하면 애플리케이션에 가장 적합한 로드셀을 매칭할 수 있습니다.
6. 처짐(Deflection)의 중요성
   처짐은 로드셀이 원래 위치에서 얼마나 휘어졌는지를 나타냅니다.
   하중에 의해 발생하며, 스트레인 게이지가 정확히 작동할 수 있도록 합니다.
7. 로드셀 배선
   로드셀 배선에는 전원(Excitation), 신호(Signal), 차폐(Shielding), 센싱(Sensing) 등이 있으며, 색상 조합은 제조사마다 다양합니다.
8. 맞춤형 저울 솔루션
   로드셀은 호퍼(hopper), 탱크, 사일로(silo) 등 기존 구조물에 통합되어 맞춤형 저울 솔루션을 만들 수 있습니다.
   재고 관리, 레시피 도징, 재료 배출 등과 같은 애플리케이션에 적합합니다.
9. 로드셀과 정확도
   • 고정밀 저울 시스템: ±0.25% 이하의 시스템 오차
   • 일반 저울 시스템: ±0.50% 이상
     대부분의 계량 표시기는 ±0.01%의 오차를 가지므로, 저울 오차의 주요 원인은 로드셀과 저울의 기계적 배치입니다.
10. 적합한 로드셀 선택
    높은 정밀도의 저울 시스템을 구축하려면, 애플리케이션에 맞는 적절한 로드셀을 선택하는 것이 가장 효율적입니다.
    각 애플리케이션에 어떤 로드셀이 최적인지 판단하기 쉽지 않으므로, 로드셀 전문가의 시각으로 접근하는 것이 좋습니다.

컬럼형 로드셀 제작 방법

본 실용신안은 계량 센서(weighing sensor) 기술 분야에 속하며, 대형 및 초대형 힘 측정에 적합한 **컬럼형 힘 센서(column-type force sensor)**에 관한 것입니다.

컬럼형 센서는 구조가 간단하고 가공이 편리하며 강성이 우수한 장점이 있습니다. 하지만 기존 구조 센서에는 측면 저항성 부족, 힘 측정 정확도 낮음, 밀폐 성능 부족, 방습 및 내식성 낮음과 같은 단점이 있습니다.

이 실용신안의 목적은 100T~1000T, 혹은 그 이상 범위의 컬럼형 로드셀을 제공하는 것입니다. 이 로드셀은 크기가 비교적 작고, 밀폐 성능과 측정 정확도가 우수합니다. 또한 유지보수 편리성, 작동 신뢰성, 안전성, 민감도, 보호 능력, 하중과 부피의 범위, 자동화 수준 등에서도 우수합니다.

센서가 없으면 현대의 자동 측정 및 제어가 불가능하며, 과학과 기술의 급속한 발전도 이루어질 수 없습니다. 일반적으로 로드셀은 측정된 비전기량(물리량)을 전기 신호(정보)로 변환하여 출력하는 장치입니다. 다시 말해, 측정 대상에서 유용한 정보를 변환하고 전달하는 장치라고 할 수 있습니다. 로드셀은 민감 요소(sensitive elements), 변환 요소(conversion elements), 측정 회로(measurement circuits), 기타 보조 부품으로 구성됩니다.

컬럼형 로드셀의 작동 원리

현재 국내 소형 계량 기구에 사용되는 로드셀에는 주로 컬럼형, 브리지형, 더블 시어빔(Double shear beam) 리프팅 링, 축대칭 토션 링(Axisymmetric torsion ring), 스포크형(spoke-type) 로드셀 등이 있습니다.

컬럼형 로드셀은 강한 과부하(overload) 능력, 높은 자연 진동수, 빠른 동적 응답, 설치 용이성, 낮은 제조 비용 등의 장점이 있습니다. 하지만 측면 및 편심 하중 저항 부족(이중 다이어프램 구조가 더 우수), 선형성 부족, 고정이 어려움, 회전 가능성 등의 단점도 존재합니다.

이러한 장점과 단점 때문에 컬럼형 로드셀은 트럭 저울(truck scales) 등에서 매우 자주 사용됩니다. 측면 편심 하중 저항 문제를 해결하기 위해, 많은 회사에서는 측정 성능에 영향을 주지 않는 편심 하중 각도를 제품 사양으로 권장하고, 제한 구조를 장착하여 로드셀을 기본적으로 수평 상태에서 이동하지 않도록 설계합니다. 이를 통해 수직력 작용(vertical force action)이 측정에 영향을 주지 않도록 보장합니다.

트럭 저울에서 컬럼형 로드셀은 길이가 길기 때문에, 제한 장치는 로드셀을 수평 상태에서만 움직이도록 허용합니다. 만약 제한되지 않으면 로드셀이 흔들릴 수 있으며, 케이블이 날카롭게 감겨 손상될 수 있습니다. 또한, 편심 하중(eccentric load) 문제는 저울의 하중 값이 클수록 편심 오차도 커지게 됩니다.

컬럼형 장력 센서(column tension sensor)

컬럼형 장력 센서는 최신 로드셀 응용 제품으로, 현재 표준 규격이 형성되어 있습니다. 최근 연구에 따르면, 일부 사용자들은 선형성(linearity)의 한계를 단점으로 느끼지만, 실제로는 처리 응용(force measurement)에 매우 적합합니다.

컬럼형 장력 센서의 특징을 요약하면 다음과 같습니다.

1. 구조가 단순하고 컴팩트
2. 소형, 경량, 견고하며 내구성이 뛰어남
3. 긴 사용 수명
4. 대형 힘 측정에 적합하며 처리 응용에서 우수

이러한 이유로 컬럼형 로드셀은 대형 산업용 계량 및 힘 측정 분야에서 널리 사용됩니다.

로드셀의 정확도 등급(accuracy grade)은 다음과 같은 기술 지표를 포함합니다.

• 비선형성(nonlinearity)
• 크리프(creep)
• 크리프 회복(creep recovery)
• 히스테리시스(hysteresis)
• 반복성(repeatability)
• 감도(sensitivity)

로드셀을 선택할 때 단순히 고급(high-grade) 제품만을 추구할 것이 아니라, 전자 저울의 정확도 요구 사항과 비용을 동시에 고려해야 합니다.

로드셀은 다양한 산업에서 사용되며, 산업별 요구 사항을 충족하기 위해 여러 형태의 로드셀이 존재합니다. 예를 들어:

• S형 로드셀(S-type load cell)
• 단일점 로드셀(Single-point load cell)
• 캐리버(cantilever) 빔 로드셀
• 스포크형(spoked) 로드셀
• 더블 쉬어 빔(Double shear beam) 로드셀
• 디스크형(disc) 로드셀
• 컬럼형(column) 로드셀

로드셀의 범위(range) 선택

로드셀의 측정 범위는 다음 요소를 종합하여 결정할 수 있습니다.

1. 저울의 최대 계량 값(max weighing value)
2. 선택한 로드셀 수
3. 저울 자체의 자중(self-weight)
4. 발생 가능한 최대 편심 하중(max eccentric load)
5. 동적 하중 요인(dynamic load factor)의 종합 평가

일반적으로, 로드셀 범위가 각 로드셀에 할당되는 하중과 가까울수록 계량 정확도가 높아집니다.

하지만 실제 사용에서는 로드셀에 작용하는 하중이 계량 대상 외에도 자중, 용기 중량(tare weight), 편심 하중, 진동 충격(vibration/shock) 등 여러 요인을 포함하므로, 로드셀을 선택할 때는 이러한 모든 요소를 고려하여 안전성과 장수명을 확보해야 합니다.

로드셀 등급 선택 조건

로드셀 등급 선택 시 다음 두 가지 조건을 충족해야 합니다.

1. 계측기 입력 요구 사항 충족
   • 저울 표시기는 로드셀 출력 신호를 증폭(amplification)하고 A/D 변환 후 계량 결과를 표시합니다.
   • 따라서 로드셀의 출력 신호는 표시기가 요구하는 입력 신호 크기 이상이어야 합니다.
   • 로드셀의 출력 감도(output sensitivity)를 계측기와 로드셀 매칭 공식에 대입하여 계산한 값이 계측기 입력 감도(input sensitivity) 이상이어야 합니다.
   • 이를 만족하는 로드셀은 계측기와 호환 가능하며 정확한 계량 결과를 표시할 수 있습니다.
2. 전자 저울 전체 정확도 요구 사항 충족
   • 전자 저울은 크게 **저울 본체, 로드셀, 표시기(display instrument)**로 구성됩니다.
   • 로드셀 정확도를 선택할 때는 이론 계산값보다 약간 높은 정확도의 로드셀을 선택하는 것이 좋습니다.
   • 이는 저울 본체 강도, 표시기 성능, 사용 환경 등 다양한 객관적 제한 조건이 이론값에 영향을 주기 때문입니다.
   • 따라서 여러 요인을 고려하여 정확도 요구 사항을 상향 조정하고, 경제적 이익과 계량 목적 달성을 함께 고려해야 합니다.

와이어 로프 인장 로드셀은 케이블이나 와이어 로프의 인장을 실시간으로 측정하는 센서로, 수동형과 자동형으로 나뉩니다.

1. 제어 방식에 따른 분류

① 수동형(Manual Control)

• 클러치(clutch)와 브레이크(brake)의 자극 전류(excitation current)를 단계별로 수동 조정하여, 권취/해제 과정에서 코일 직경 변화에 따른 인장을 얻음
• 외부 제어 전압(0–10V)을 수동 컨트롤러에 연결하면 프로그래머블 컨트롤러(D/A 변환기)를 통한 자동 제어도 가능

② 완전 자동형(Fully Automatic Control)

• 폐루프(Closed-loop) 제어로 tension detector(인장 센서)를 사용
• 다축 스위칭 제어, 입력 신호 기반 축 사전 제어(preset) 가능
• 특징:
  • 전용 마이크로프로세서 사용
  • 고속 18비트 A/D 변환기
  • 간섭 방지 자동 복구 기술
  • PID 무오버슈트(overshoot) 알고리즘 적용 → 일정 인장 유지
• 적용 산업: 인쇄, 포장, 제지, 섬유, 케이블 산업 등 정밀 인장 제어 필요 분야

2. 와이어 로프 인장 로드셀 개요

• 강선 케이블(steel wire rope)은 굴착, 운송, 항만, 철강 등 다양한 산업에서 사용
• 작업 중 하중 변화로 로프가 끊어질 수 있음 → 경제적 손실, 안전 사고 발생
• 따라서 설치, 설계, 유지보수 단계에서 실제 인장과 변화량 측정이 매우 중요

3. 주요 특징

1. 삼롤러 방식(Three-roller / 3-point bending)
   • 3점 굽힘 측정 원리로 정확한 인장 측정
2. 저항 스트레인 방식(Resistance strain type load cell)
   • 측정 정확도 높고 반복성(repeatability) 우수
3. 이동식 설치(Movable installation)
   • 로프를 풀지 않고도 원하는 위치에서 직접 클램핑 가능
   • 정적 및 동적 인장 모두 측정 가능
   • 설치, 제거, 유지보수 간편
4. 고강도 밀폐 베어링 사용
   • 환경 적응력 높음
   • 로프 라우팅(route)에 영향 없이 온라인 측정 가능

4. 활용 분야(Application)

• 동적/정적 인장 온라인 자동 측정
  • 로프 구조를 변경하지 않고 설치 가능
• 주요 사용처:
  • 크레인 그룹(crane group)
  • 공중 송전선(aerial transmission line) 설치
  • 윈치 케이블(windlass cable)
  • 와이어 로프 현수(suspension)

정리하면, 와이어 로프 인장 로드셀은 강선 로프의 인장을 안전하고 정확하게 모니터링할 수 있으며, 수동형/자동형 선택 가능, 설치가 간단하고 유지보수가 쉬운 산업용 계측 장치입니다.

와이어 로프 인장 로드셀은 케이블 로드셀(cable load cell)이라고도 불리며, 길이 기반 인장 측정 장치로 설계된 새로운 센서입니다.

특징

• 구조가 콤팩트(compact)함
• 측정 스트로크가 길다
• 설치 공간이 작음
• 측정 정확도가 높음
• 신뢰성이 좋음
• 수명이 김
• 유지보수가 적음

사용 시 주의사항

1. 정밀 장치이므로 설치 중에 두드리거나 충격을 가하면 안 됨
   • 부적절한 설치나 사용은 성능과 수명에 영향을 줌
2. 케이블 헤드 설치 시 수직 유지
   • 와이어 로프가 로드셀 출구에 수직에 가깝도록 (3도 이하) 설치
   • 이동 부품과 측정 스트로크 거리도 허용 범위 내로 유지
3. 배선 확인
   • 배선이 잘못되면 내부 회로 손상
4. 외부 손상 주의
   • 로프 인장 로드셀 표면은 플라스틱 코팅
   • 절단, 화상, 충격 등 외부 손상 금지
5. 출력선과 전원선 분리
   • 같은 배관에서 전달 금지
   • 배선판 근처 사용 불가 → 간섭 방지

원리 및 주요 구조

와이어 로프 인장 로드셀은 기계적 운동을 전기 신호로 변환하여 측정, 기록, 전송 가능하게 합니다.

• 구성:
  • 신축 가능한 스테인리스 와이어 로프
  • 나사형 허브(threaded hub)
  • 정밀 회전식 로드셀(precision rotary load cell)
    • 증분 엔코더(incremental encoder)
    • 절대 엔코더(absolute encoder)
    • 하이브리드 또는 전도성 플라스틱 로터리 포텐셔미터, 동기기, 레졸버 등
• 작동:
  1. 로드셀을 고정 위치에 설치
  2. 로프를 이동 물체에 연결
  3. 로프가 이동 시 신축 → 내부 스프링이 일정한 인장 유지
  4. 나사형 허브가 회전 → 회전식 로드셀을 구동
  5. 출력 신호 측정을 통해 인장, 이동 방향, 속도 확인 가능

주요 파라미터

• 측정 스트로크(measurement stroke)
• 출력 신호 모드(output signal mode)
• 선형성(linearity)
• 반복성(repeatability)
• 분해능(resolution)
• 와이어 직경
• 출구 인장(outlet tension)
• 최대 왕복 속도(maximum round-trip speed)
• 무게(weight)
• 입력 저항(input resistance)
• 전원, 동작 전압
• 동작 온도
• 진동(vibration)
• 보호 수준(IP 등급)

신호 출력 모드

1. 디지털 출력(Digital Output)
   • 증분 회전 엔코더, 절대 엔코더 등 선택 가능
   • 출력 신호: ABZ 신호, Gray 코드
   • 최대 스트로크: 10,000 mm
   • 선형 정확도: 0.01%
   • 해상도: 최대 0.001 mm/pulse
2. 아날로그 출력(Analog Output)
   • 정밀 포텐셔미터, 홀(Hall) 엔코더, 절대 엔코더 선택 가능
   • 출력 신호: 4-20mA, 0-5V, 0-10V, SSI, 저항 신호 등
   • 최대 스트로크: 12,500 mm
   • 보호 수준: IP65
   • 사용 온도 범위: -45℃ ~ +105℃

정리하면, 와이어 로프 인장 로드셀은 케이블이나 로프의 인장을 정밀하게 측정하며, 디지털/아날로그 출력 모두 가능하고 설치 공간이 작으며, 내구성과 신뢰성이 높은 산업용 센서입니다.