로드셀은 전자 계량기에서 핵심 부품으로 불립니다.
과학기술의 급속한 발전과 함께, 계량 센서를 적용한 전자 계량기는 각 산업 분야에서 널리 사용되며, 재료를 빠르고 정확하게 계량할 수 있게 되었습니다.

특히 마이크로프로세서의 등장과 산업 생산 공정 자동화의 지속적 개선으로, 계량 센서는 공정 제어에서 필수적인 장치가 되었습니다.

• 이전에는 계량이 어려웠던 대형 탱크와 호퍼의 무게 측정
• 크레인 저울 및 트럭 저울의 측정 및 제어 시스템
• 다양한 원재료를 혼합·분배하는 배칭 시스템
• 생산 공정에서의 자동 검출 및 분말 입자 투입량 제어

등 모든 분야에서 계량 센서가 활용되고 있습니다. 2022년 기준, 로드셀은 거의 모든 계량 분야에 적용되고 있습니다.

로드셀은 센서 계열 중 가장 오랜 역사, 가장 넓은 적용 범위, 그리고 상대적으로 성숙한 기술을 가진 분야입니다.

특히 지난 10년 동안, 적용 분야의 지속적 확대와 적용 수의 증가가 로드셀 제조 산업의 강력한 산업 집단 형성을 이끌었으며, 이는 계량기 산업과 나아가 산업 자동화 분야에 지대한 긍정적 영향을 미쳤습니다.

이 글에서는 계량 센서 제조 기업의 독특한 산업 특성을 바탕으로, 주로 생산, 공급, 판매 (즉, 제조, 공급 및 판매)에 대한 분석과 논의를 진행합니다.

1. 모니터링(Monitoring)

(1) 로드셀이 장착된 공저울 상태 모니터링

실제 계량 조건에서 하중 지지 장치(차체 또는 하중 지지 프레임)가 정상적으로 설치되고, 모든 기계 부품이 제자리에 있는 상태에서 계량을 수행한다.
여기서 각 센서의 출력을 여기 전압 조건하에서 측정하고, 위치별로 번호를 부여하여 정확히 기록한다. 이 값이 센서의 공저울 출력 값이다.

(2) 로드셀 무부하 모니터링

실제 계량 조건에서 저울에 장착된 각 센서를 완전 무부하 상태로 만든 후, 여기 전압 하에서 각 센서의 출력 값을 측정한다.
위치에 따라 번호를 부여하고 기록하며, 이 값은 센서의 무부하 출력 값이다.
동시에 센서의 입력 임피던스를 측정하고, 출력 임피던스 및 무부하 출력 값이 제조사 출하 시 제공한 기술 사양과 일치하는지 비교한다.

(3) 표준 분동 하중 출력 측정

저울을 표준 분동으로 하중을 가해 교정한 후, 가능하다면 각 센서에 대해 동일한 표준 분동 하중 조건에서 센서 출력 값을 측정한다.
센서 위치별로 번호를 매기고 표준 분동 값과 함께 기록한다. 이 값은 센서의 표준 분동 출력 값이다.

2. 추적(Tracking)

사용 장소, 사용 환경, 계량 조건 등을 고려하여 다음 측정 시점의 시간 간격을 결정하고, 각 센서에 대해 공저울 출력(또는 표준 분동 출력)과 무부하 출력을 지속적으로 추적 측정한다.

(1)

생산 공정의 공백 시간을 이용해 각 센서의 공저울 출력과 무부하 출력을 정기적으로 측정한다.
조건이 허락한다면 동일한 표준 분동 하에서 각 센서의 표준 분동 출력도 측정하여 기록하고, 최초 기록 값과 비교한다.

(2)

센서의 공저울 출력(또는 표준 분동 출력)과 무부하 출력 변화가 클 경우에는 추적 측정 간격을 단축하고 측정 빈도를 높여야 한다.
반대로 출력이 장기간 안정적일 경우에는 추적 간격을 적절히 늘릴 수 있다.

(3)

동일한 하중을 저울의 서로 다른 위치(구간)에 가하여 비교했을 때 허용 오차를 초과하는 경우, 각 센서의 공저울 출력과 무부하 출력을 측정하여 기록하고, 초기 기록 값과 비교한다.
이 방법은 고속 계량 환경에서 저울의 운전 상태를 파악하는 데 자주 사용된다.

(4)

센서에서 “서브헬스” 현상이 나타나면, 각 센서의 공저울 출력(또는 표준 분동 출력)과 무부하 출력에 대한 추적 측정 밀도를 높여 기록하고, 기존 데이터와 비교해야 한다.

(5)

디지털 센서의 경우에도 동일한 방법을 적용하여 공저울 내부 코드 값, 무부하 내부 코드 값, 표준 분동 내부 코드 값을 입력·모니터링·추적하고, 철저히 기록한다.

3. 분석 및 진단

측정 결과를 비교한 후에는 계량 조건을 면밀히 분석하여 허위 요인을 제거하고 사실을 규명해야 한다.
현장 기계 부품의 상태(패드 들뜸, 충격 등)를 점검하여 기계적 문제인지, 다른 요인에 의한 문제인지를 판단한다.
기계적 문제라면 즉시 수정·해결해야 한다.

센서의 “서브헬스” 상태는 대체로 특정한 현상과 함께 나타나며, 이 시점에서 얻은 데이터는 분석의 핵심 자료가 된다.
비교 분석을 통해 공통적인 규칙을 발견·확인하고, 반복 검증을 거쳐 진단 지표를 형성함으로써 향후 유지보수 작업을 지도할 수 있다.

센서의 종류와 계량 조건이 서로 다르기 때문에, “서브헬스” 상태에서 나타나는 지표 역시 각각 다르다.
예를 들어, 빌렛 롤러 테이블 저울을 대상으로 일정 기간 모니터링 및 추적 분석한 결과, 다음과 같은 센서 “서브헬스” 판단 기준을 도출할 수 있었다.

센서의 공저울 출력 변화량이, 해당 센서 여기 전압에 대응하는 mV 값의 약 50%~70% 수준에 도달하면, 센서 성능이 저하되기 시작하며, 이 상태를 “서브헬스” 상태로 진단할 수 있다.

4. 맺음말

본 방법은 저항 스트레인형 센서와 디지털 센서 모두에 적용할 수 있다.
이를 통해 실제 계량 조건에서 센서가 “서브헬스” 상태에서 고장으로 발전하기까지의 시간 간격을 효과적으로 파악할 수 있다.

모든 온라인 센서를 전면적으로 모니터링함으로써 특정 작업 조건하에서 센서의 수명 주기를 정확히 이해할 수 있으며, 예비 부품 관리의 효율성을 높이고 자원 절약 의식을 반영할 수 있다.
이러한 방식으로 저울에 이상이 발생했을 경우, 고장 지점을 신속하고 정확하게 판단할 수 있어 수리 시간을 크게 단축할 수 있다.

본 방법의 보급과 적용은 “무고장(Zero Failure)” 유지보수 개념을 실질적으로 구현한 사례라 할 수 있다.

스포크형 로드셀(spoke-type force load cell)은 스포크(바퀴 살) 형태의 탄성체 구조를 사용하고 전단 응력 원리를 적용한 힘 측정용 로드셀입니다.
외형이 바퀴의 살(spoke)을 가진 휠과 매우 유사하기 때문에 **휠 스포크 로드셀(wheel-spoke load cell)**이라고도 불리며, 전체 높이가 매우 낮아 로우 프로파일(load profile) 로드셀이라고도 합니다.

이 유형의 로드셀은 공통적으로 낮은 높이, 높은 정확도, 우수한 선형성, 편심 하중에 대한 강한 내성, 큰 측방향 힘 대응 능력을 갖추고 있습니다.
압축력(압력) 측정은 물론 인장력 측정에도 사용할 수 있습니다.

스포크 로드셀의 기본 원리

높이가 매우 낮기 때문에 로우 프로파일 로드셀이라고도 불립니다.
이 로드셀의 두드러진 특징은 다음과 같습니다.

• 낮은 높이
• 높은 정밀도
• 우수한 선형성
• 편심 하중 및 측방향 힘에 대한 강한 내구성

압축력을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 인장력 측정도 가능하여 계량 및 힘 측정 분야에 매우 적합합니다.

스포크 로드셀 구조 설계의 주요 원칙

1. 우수한 강성 확보
   로드셀의 작동 상태를 안정적으로 유지하고 외부 진동의 영향을 줄이기 위해, 하중이 가해졌을 때 탄성체의 탄성 변위를 가능한 한 줄여야 합니다.
   이를 통해 고유 진동수를 높일 수 있습니다.
2. 단순하고 효과적인 일체형 구조
   탄성체는 가능한 한 하나의 일체 구조로 설계하여 조립식 구조를 피해야 합니다.
   이는 체결 풀림, 용접 변형 등으로 인한 영향을 줄이기 위함입니다.
3. 외란력에 둔감한 설계
   탄성 변형이 발생하는 민감 영역의 응력 분포는 가해지는 힘의 크기에만 반응해야 하며, 간섭력의 영향을 최소화해야 합니다.
   또한 가공성, 접착성, 밀봉 성능이 우수해야 하고 설치 공정도 용이해야 합니다.
4. 로우 프로파일 구조의 장점
   낮은 높이의 구조는 설치가 쉽고 호환성이 뛰어나며, 편심 하중에 대한 저항성을 향상시켜 안정적인 작동 상태를 유지할 수 있습니다.

스포크 로드셀의 설치 방식

스포크 로드셀은 정적 측정과 동적 측정 모두에 사용됩니다.
작동 메커니즘은 외력이 가해지면 **탄성체(탄성 요소, 민감 빔)**가 탄성 변형을 일으키고, 그 표면에 부착된 **저항 스트레인 게이지(변환 요소)**도 함께 변형됩니다.

스트레인 게이지가 변형되면 저항값이 증가하거나 감소하며, 이 저항 변화는 측정 회로를 통해 전기 신호로 변환되어 외력을 전기 신호로 바꾸는 과정이 완성됩니다.

휠 스포크 로드셀 설치 방법

로드셀의 설치 방식은 유형마다 다르지만, 일반적으로 다음 원칙을 따릅니다.

• 한쪽은 확실하게 고정되는 부분
• 다른 한쪽은 힘을 받는 부분

고정 부분은 견고해야 하며, 하중이 가해지는 쪽에서는 편심 하중이 발생하지 않도록 해야 합니다.

휠 스포크 로드셀 배선 방법

일반적인 로드셀은 4심 차폐 케이블을 사용합니다.
보통 색상은 빨강, 검정, 초록, 흰색으로 구분됩니다.

• 빨강 / 검정: 여기 전원(Excitation)
  • 일반적으로 DC 5~10V
  • 빨강: 전원(+)
  • 검정: 전원(–)
• 굵은 검정선: 차폐선(Shield)
  • 접지(GND) 또는 하우징에 연결

실제로 이 굵은 검정선은 차폐 케이블 외부의 차폐층이며, 열수축 튜브로 덮여 있습니다.