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로드셀은 많은 계량 시스템에서 필수 부품으로, 중력(무게)을 전기 신호로 변환하는 변환 장치입니다. 로드셀의 정확도는 전체 계량 시스템에 큰 영향을 미칩니다. 만약 계량 센서에 문제가 생기면 전체 계량 시스템의 정상적인 계량이 어려워집니다. 특히 마이크로프로세서의 등장과 산업 자동화 기술의 지속적인 발전으로, 로드셀은 공정 제어에서 없어서는 안 될 장비가 되었습니다.

현재 계량 센서는 전자 저울, 산업 제어, 온라인 제어, 과부하 알람 설치, 재료 시험기 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 전자 트럭 저울, 전자 플랫폼 저울, 전자 지게차, 동적 축중량 저울, 전자 호이스트 저울, 전자 가격 저울, 전자 트랙 저울, 철강 호퍼 저울, 배칭 저울, 충진 범위 등입니다.

로드셀의 유형 선택은 계량 방식과 설치 공간을 고려하여 적절하게 설치하고 안전하고 신뢰성 있는 계량을 보장해야 합니다. 또한 제조사의 권장 사항도 고려해야 합니다. 제조사는 일반적으로 센서의 응력, 성능 지표, 설치 형태, 구조 유형, 탄성체 재질 등 센서의 특성에 따라 적용 범위를 지정합니다.

예시:

• 알루미늄 캔틸레버 센서: 가격 저울, 플랫폼 저울, 케이스 저울
• 강철 캔틸레버 빔 센서: 호퍼 저울, 전자 벨트 저울, 분류 저울
• 강철 브리지 센서: 트랙 저울, 트럭 저울, 오버헤드 크레인 저울
• 컬럼 센서: 트럭 저울, 동적 레일 저울, 대용량 호퍼 저울

센서를 선택할 때 실제 작업 환경도 반드시 고려해야 하며, 이는 센서의 정상 작동, 안전성, 수명과 직결됩니다. 해당 환경 요인에 맞는 로드셀을 선택하여 특정 계량 요구 사항을 충족해야 합니다.

로드셀 선택 시 고려 요소는 주로 4가지입니다.

1. 민감도 (Sensitivity)

민감도가 높을수록 좋습니다. 민감도가 높아야 물체의 무게를 측정할 때 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있습니다. 그러나 민감도가 높을수록 외부 환경의 영향을 더 많이 받게 되며, 외부 잡음이 센서 판단에 간섭할 수 있습니다. 따라서 센서의 노이즈 방지 성능이 중요하며, 노이즈가 센서에 미치는 영향을 최소화해야 합니다.

2. 정확도 (Precision)

계량 센서는 매우 높은 정확도를 요구하며, 계량 시스템에서 매우 중요한 역할을 합니다. 정확도가 높을수록 가격도 올라갑니다. 그러나 계량 시스템 출력 요구를 조금만 초과하는 수준의 정확도를 만족하면 충분하며, 지나치게 높은 정확도를 선택하면 불필요한 비용이 발생합니다.

3. 안정성 (Stability)

안정성은 센서가 장기간 사용 후에도 정상 작동할 수 있는 능력을 의미합니다. 안정성이 높은 센서는 수명이 길어집니다. 안정성에 영향을 미치는 요인은 센서 자체 품질뿐만 아니라 작업 환경도 포함됩니다. 적절한 환경에서는 센서에 미치는 영향이 거의 없습니다.

따라서 로드셀 선택 시 적용 환경을 고려해야 합니다. 예를 들어, 인화성·폭발성 환경에서는 방폭 기능이 있는 로드셀을 선택해야 합니다. 적절한 환경에서 사용하면 센서 수명을 연장할 수 있습니다.

4. 센서 수량 및 범위 (Number and Range of Sensors)

• 경험적으로, 센서는 일반적으로 범위의 30%~70% 내에서 작동하는 것이 적절합니다.
• 충격이 큰 계량기(예: 동적 트랙 저울, 동적 트럭 저울, 철강 저울)에서는 센서 범위를 확장하여 20%~30% 범위 내에서 작동하도록 설정해 계량 여유를 확보해야 합니다.
• 센서의 적용 범위는 측정 대상의 무게와 유형에 따라 달라집니다. 일반적으로 실제 계량 물체의 무게는 최대 70%를 넘지 않도록 하여, 대칭 센서 손실을 줄이고 수명을 연장합니다.
• 센서 수량 선택: 계량기 목적과 지지점 수에 따라 결정합니다. 지지점 수는 계량기 기하학적 무게중심과 실제 무게중심이 일치하도록 선택합니다. 일반적으로 계량기 지지점마다 하나의 센서를 사용하지만, 전자 훅 저울과 같은 특수 저울은 하나만 사용할 수도 있습니다.
• 센서 범위 선택: 계량기의 최대 계량 값, 선택된 센서 수, 계량기 자체 무게, 최대 편하중, 동적 하중을 종합적으로 평가하여 결정합니다. 센서 범위가 분배된 하중과 가까울수록 계량 정확도가 높습니다. 실제 사용에서는 센서에 작용하는 하중이 계량 대상뿐 아니라, 자중, 영점 무게, 편하중, 진동 및 충격도 포함되므로, 이러한 요인을 모두 고려하여 범위를 결정합니다.
• 센서 범위 계산 공식은 다수의 실험을 통해, 계량기 본체에 영향을 미치는 모든 요인을 충분히 고려하여 결정됩니다.

1. 고강도 합성 나일론 휠 사용
   • 건설 기계 전용으로 제작된 고강도 합성 나일론 휠을 사용
   • 대형 크레인, 유인 엘리베이터 등에 널리 사용
   • 와이어 로프 적응력 강함
   • 마모율 낮음
   • 설치 및 유지보수 편리
   • 일반 철제 풀리보다 기계적 성능 우수
2. 풀리 전단력 기반 측정
   • 와이어 로프에 발생하는 장력을 풀리의 전단력으로 반응시켜 들어 올린 물체의 무게 측정
   • 정확도 신뢰성 높음
   • 측정 범위 넓음
   • 와이어 로프 텐션 센서의 보호 등급 IP67, 외부 열악 환경에서도 사용 가능
3. 유니버셜 조인트 고정 방식
   • 설치 편리, 경량
   • 와이어 로프의 이동 중 흔들림에도 적응
   • 뛰어난 힘 측정 효과
4. 적용 분야
   • 트럭 크레인, 크롤러 크레인 등 로프 끝이 고정되지 않은 리프팅 장비
5. 속도 센서 설치 가능
   • 힘과 속도 측정을 동시에 만족시키기 위해 3롤 센서에 속도 센서 장착 가능

3롤 텐션 센서는 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.

• 3롤 구조(three roller structure) 채택
• 롤 재질 선택 가능(optional roller material):
  • 경질 양극산화 알루미늄 합금(hard anodized aluminum alloy)
  • 크롬 도금 합금강(chrome plated alloy steel)
  • 플라스틱(plastic)
  • 세라믹(ceramics) 등
• 측정 정확도 높음(high measurement accuracy)
• 구조가 컴팩트(compact structure)
• 설치가 편리(convenient installation)
• 안정성 우수(good stability)
• 선형 전압 신호 출력(linear voltage signal output) 1.5mV/V
  • 트랜스미터(transmitter)와 매칭 시 0-10V 또는 4-20mA 출력 가능
• 휴대용(portable) 또는 장비 장착 가능(installed on equipment)
• 온라인 장력 측정 및 제어 가능(online tension detection and control)
• 적용 분야:
  • 광섬유, 실, 화학 섬유 등의 장력 측정
  • 전자, 화학, 섬유, 제지, 기계, 산업 자동화 계측 및 제어 분야에서 광범위하게 사용

3롤 텐션 센서는 실용적인 장치입니다.

구성 요소:

• 3롤 조립체(three pulley assembly)
• 강선(steel wire rope)
• 센싱 장치(sensing device)

3롤 조립체 구조:

• 앞·뒤 측판 2개(front and rear side plates)
• 측판 사이에 설치된 2개의 가이드 풀리(guide pulleys)
• 장력 풀리(stressed pulley)

세부 구조:

• 두 개의 가이드 풀리는 **측판 양 끝에 고정축(fixed shaft)**을 통해 회전 가능하게 고정됨
• 장력 풀리는 앞·뒤 측판 사이에 회전 가능하게 배치됨
• 장력 풀리는 **측판 중앙에 분리 가능(detachable)**하게 설치 가능
• 센싱 장치는 장력 풀리와 연결됨

장점:

• 장력 풀리는 고정 풀리 측판과 핀(pin)만 뽑으면 쉽게 분리 가능하여 강선 설치가 편리함
• 가이드 풀리의 중앙 축은 장력 풀리보다 낮게 배치되어 강선을 쉽게 통과시킬 수 있음

텐션 센서는 권취된 소재의 장력 값을 측정하는 장치로, 장력 제어 과정에서 사용됩니다.
외부 구조에 따라 크게 3롤형, 액슬 테이블형, 샤프트 스레딩형, 캔틸레버형 등으로 구분할 수 있습니다.

• 적용 분야: 광섬유, 실, 화학 섬유, 금속선, 와이어, 케이블 등 다양한 재료 및 산업 분야에서 사용됩니다.

텐션 센서는 물리적 신호를 측정 가능한 신호로 변환하는 출력 장치입니다.
장력 제어 과정에서 권취 소재의 장력 값을 정확하게 측정하기 위해 사용됩니다.

• 외형과 구조에 따라 다시 정리하면:
  • 3롤형
  • 액슬 테이블형
  • 샤프트 스레딩형
  • 캔틸레버형
• 적용 산업:
  • 광섬유, 실, 화학 섬유, 금속선, 와이어, 케이블
  • 종이, 인쇄, 포장
  • 금속, 고무, 섬유, 케이블, 태양광 등 다양한 분야

• 모든 종류의 센서는 다른 측정 기기와 마찬가지로, 측정 결과의 정확성과 일관성을 보장하기 위해 제조 및 조립 후 원래 설계 지표에 따라 일련의 엄격한 테스트를 수행해야 합니다. 이를 통해 스포크형 로드셀의 실제 성능을 확인합니다(보정, Calibration).
• 스포크형 로드셀이 일정 기간 사용된 후(중국 계량법 기준, 일반적으로 1년) 또는 수리 후에도, 로드셀의 주요 기술 지표를 보정해야 하며, 이를 통해 스포크형 로드셀의 성능이 사용 요구 사항을 충족하는지 확인합니다(검교정, Calibration).
• 보정과 검교정의 내용과 방법은 기본적으로 동일합니다.

센서 보정 방법

• 센서의 보정은 일반 계측기의 보정과 동일합니다.
• 스포크형 로드센서는 보다 높은 정확도의 표준 계측기를 이용하여 출력과 입력 간의 대응 관계를 시험을 통해 확립하는 과정을 거칩니다.
• 스포크형 로드셀의 보정 시스템은 일반적으로 다음 장치들로 구성됩니다:
  • 측정되는 비전기량의 표준 발생기(Standard generator)
  • 측정되는 비전기량의 표준 시험 시스템(Standard test system)
  • 신호 조정기(Signal regulator), 표시기(Display), 기록기(Recorder) 등

보정의 종류

1. 정적 보정(Static calibration)
   • 센서(또는 감지 시스템)의 정적 특성을 결정하는 것이 목적
   • 예: 선형성(Linearity), 감도(Sensitivity), 히스테리시스(Hysteresis), 반복성(Repeatability)
2. 동적 보정(Dynamic calibration)
   • 스포크형 로드셀(또는 감지 시스템)의 동적 특성을 점검 및 시험
   • 예: 주파수 응답(Frequency response), 시정수(Time constant), 고유 진동수(Natural frequency), 감쇠비(Damping ratio)

1 스포크형 센서의 측정 범위

• 일반적으로 센서의 측정 범위가 실제 하중에 가까울수록 계량 정확도가 높습니다.
• 예를 들어, 측정 대상이 가벼운 하중(예: 10T)인데 큰 범위의 센서(예: 50T)를 사용하면 수치 오차가 커집니다.
• 실제 적용에서는 편심 하중, 진동, 충격 등도 고려해야 하며, 센서 범위가 너무 작으면 손상될 수 있습니다.
• 따라서 센서를 선택할 때 다양한 영향을 고려하여 센서가 정상적으로 작동하고 수명이 연장되도록 해야 합니다.
• 또한, 스포크형 센서를 계측기와 함께 사용할 경우, 계측기는 일반적으로 다목적 장치이므로(다중 측정 범위), 서로 다른 하중 용량의 로드셀을 사용할 때 적절한 측정 범위를 선택해야 합니다.
• 선택이 적절하지 않으면, 담당자가 수집된 데이터를 잘못 판단하거나 잘못 조작할 수 있으며, 심한 경우 로드셀이 손상될 수 있습니다.

2 스포크형 센서의 작업 환경

• 스포크형 센서 기술이 발전하면서 작업 환경에 대한 요구가 다소 완화되었습니다.
• 그러나 실제 적용 과정에서는 여전히 작업 환경이 센서에 미치는 영향을 고려해야 합니다.
  • 먼지, 습기 많은 환경에서는 센서가 단락될 수 있음
  • 강한 부식 환경에서는 센서의 탄성체가 손상되거나 단락 발생
• 따라서 센서 정확도를 보장하면서, 나쁜 작업 환경이 센서에 미치는 영향을 인위적으로 줄여야 합니다.
  • 예: 먼지와 습기가 많은 환경에서는 센서를 용접 등으로 완전히 밀폐하고, 상부를 원호형으로 만들어 응력이 균일하게 분포되도록 함
  • 가능하다면 센서 외부에 보호 덮개를 추가하여 외부 환경이 센서에 미치는 영향을 최소화

장점

• 편심 하중 및 측면 하중에 강함: 하중이 중심에서 벗어나거나 측면에서 가해져도 성능 유지
• 과부하 저항 강함: 큰 하중에도 손상 없이 견딤
• 하중점과 지지 경계에 독립적: 하중이 가해지는 위치에 관계없이 일정한 성능
• 응력 분포 균일: 센서 내부 응력이 고르게 분포
• 선형성 우수: 입력과 출력 사이의 관계가 일정
• 회전 없는 고정 로드셀 가능: 설치 후 회전할 필요 없음

단점

• 가공이 어려움: 정밀 구조로 인해 제조 난이도 높음
• 제조 비용이 높음: 복잡한 가공과 재료 사용
• 고유 히스테리시스 오류 큼: 자체적인 지연 오류 존재
• 제어가 어려움: 특성상 정밀 제어가 복잡

스포크형 로드셀의 코일 조립체는 하우징에 고정되고, 영구 자석은 부드러운 스프링에 의해 지지됩니다. 코일과 자석 모두의 감쇠는 금속 골격과 자기장 간 상대 운동으로 인해 발생하는 전자기 감쇠입니다.

무빙 코일형과 무빙 아이언형의 작동 원리는 동일합니다.

• 하우징이 측정 대상 진동체와 함께 진동하면, 스프링이 부드럽기 때문에 무빙 부품의 질량이 상대적으로 커집니다.
• 따라서 진동 주파수가 충분히 높고(센서의 고유 진동수보다 훨씬 높음), 무빙 부품의 관성 때문에 진동체와 동시에 진동하지 않고 거의 정지 상태가 됩니다.
• 진동 에너지는 스프링에 의해 거의 완전히 흡수됩니다.
• 이때, 영구 자석과 코일 사이의 상대 운동 속도는 진동체의 진동 속도에 가깝습니다.
• 코일과 자석 사이의 상대 움직임은 코일이 자기선을 절단하게 만들고, 스포크 로드셀은 움직임 속도에 비례하는 유도 기전력을 발생시킵니다.

주요 개념:

• 작동 공극 자기장 내 코일의 권수 → 작동 권수
• 작동 공극 내 자기 유도 강도
• 코일 1회 권선당 평균 길이

스포크형 로드셀은 힘 측정 센서에 속하며, 정적 측정과 동적 측정에 일반적으로 사용됩니다. 그 원리는 외부 힘이 작용하면 탄성체(탄성 요소, 민감 빔)가 탄성 변형을 일으키고, 표면에 부착된 저항 스트레인 게이지(변환 요소)도 변형되는 것입니다. 저항 스트레인 게이지가 변형되면 저항 값이 증가 또는 감소하며, 이후 측정 회로를 통해 저항 변화가 전기 신호로 변환되어 외부 힘을 전기 신호로 변환하는 과정을 완료합니다.

스포크 로드셀은 강성이 우수합니다. 센서의 작업 상태를 안정적으로 유지하고 외부 진동으로 인한 영향을 줄이기 위해, 하중에서 탄성체의 변위를 가능한 한 줄여 자연 주파수를 높여야 합니다. 단순하고 효과적인 통합 구조를 가져야 하며, 탄성체는 결합 구조를 방지하기 위해 가능한 한 일체형이어야 합니다. 느슨한 체결이나 용접 변형의 영향을 최소화합니다.

스포크 로드셀은 힘 위치 변화와 간섭력의 영향에 둔감합니다. 탄성체의 변형 민감 영역 내 응력 분포는 오직 힘에 따라 변하며, 탄성체의 작업 영역은 가공, 제작, 부착, 밀봉 설치 공정에서 좋은 공정 성능을 갖습니다. 저프로파일 구조로 설치가 용이하고 호환성이 좋습니다. 저프로파일 구조는 편심 하중에 대한 저항력을 향상시키고 안정적인 작동을 제공합니다.

센서마다 설치 방법이 다르지만, 일반적으로 스포크 로드셀은 고정 지점과 하중 지점이 필요합니다. 고정 구간은 안전하고 신뢰할 수 있어야 하며, 하중 구간은 편심 하중이 발생하지 않아야 합니다.

배선 방법은 일반적인 4코어 차폐선으로, 색상은 일반적으로 빨강, 검정, 녹색, 흰색으로 구분됩니다. 빨강과 검정은 공급 전원(Excitation Power)에 연결되며, 일반적으로 공급 전압은 5-10VDC입니다. 빨강은 양극, 검정은 음극에 연결됩니다. 녹색과 흰색은 신호 선으로, 녹색은 Signal+, 흰색은 Signal-에 연결됩니다. 또한 두꺼운 검정색 선이 있는데, 이는 차폐선으로 접지하거나 케이스에 연결할 수 있습니다. 실제로 두꺼운 검정색 선은 차폐 케이블 외부의 차폐층 위에 수축 튜브로 덮여 있습니다.