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스포크형 로드셀(휠 스포크 센서)은 휠 스포크 형태의 탄성체 구조와 전단 응력 원리를 이용해 제작된 힘 센서입니다. 주요 특징은 다음과 같습니다:

• 구조: 휠 모양을 닮았으며, 허브와 림 사이에 4개, 6개, 8개의 스포크가 대칭으로 배치됨.
• 장점:
  • 낮은 높이(프로파일)와 우수한 안정성
  • 편심 하중과 측면 하중에 대한 강한 저항력
  • 좋은 선형성(linearity)과 반복성(repeatability)
  • 높은 과부하 허용 능력 (허브와 지지대 간 간격 조절로 최대 300%)
  • 대칭 구조의 탄성 요소로 모든 방향에서 균일한 열팽창과 낮은 온도 계수
  • 상하 원형 다이어프램을 용접하여 밀봉 가능, IP68 방수/방진 등급 달성
• 단점:
  • 비교적 큰 지연 오차(lag error) 발생, 구조 설계와 제작 공정으로 개선 필요

적용 분야: 안정성, 과부하 저항, 콤팩트한 설계가 요구되는 고정밀 계량 장치 및 산업 자동화 시스템

압력 저항 및 폭발 방지 구조
액체, 가스, 의약품, 석유화학 등 폭발 위험이 높은 산업에 적용 가능.
폭발 방지 로드셀의 가장 두드러진 특징은 압력과 폭발 방지 구조를 갖추고 있다는 것이다. 일반 로드셀과 비교할 때 폭발 방지 로드셀은 압력 저항성이 더 강하며, 폭발 위험이 높은 액체, 가스, 의약품, 석유화학 등 산업에 매우 적합하다. 이러한 산업에서는 폭발 방지 로드셀이 우선적으로 선택된다.

폭발 방지 등급: Ex d Ⅱ B T4 Gb
폭발 방지 로드셀의 백금 재질은 물리적·화학적 성질이 매우 안정적이며, 현재 열저항 제조에 가장 적합한 재료이다. 폭발 방지 로드셀의 재질을 보면, 폭발 방지 등급이 매우 높으며, 가연성 및 폭발성 물질에 대한 폭발 방지 효과가 뚜렷하여 작업자의 안전을 잘 보장한다.

가연성 및 폭발성 환경에서는 폭발 방지 센서의 사용이 우선시됩니다. 폭발을 방지하기 위해 일반적으로 폭발 방지 요구 사항이 있는 제품을 선택합니다. 센서의 폭발 방지 방법은 주로 폭발성 가스 제어, 폭발 제어 및 점화원 제어로 나뉩니다. 폭발 방지 센서의 작동 원리를 간단히 소개하면 다음과 같습니다.

1. 폭발성 가스 제어
작동 원리는 밀폐된 폭발 방지 박스를 깨끗한 가스 또는 폭발성 가스가 없는 불활성 가스로 채우는 것입니다. 박스 내부의 공기압은 외부보다 약간 높습니다. 센서는 박스 내부에 설치되며, 이를 통해 폭발성 가스의 폭발을 방지하고 우수한 폭발 방지 역할을 합니다.

2. 폭발 제어
작동 원리는 Exd 기준에 따라 센서 하우징을 폭발 방지 표준 하우징으로 설계하는 것입니다. 기기는 폭발 방지 표준 하우징에 맞게 설계되고, 모든 관리 방법은 규격에 따라 엄격히 설계, 제조, 조립됩니다. 하우징 내부의 폭발이 외부의 위험 가스를 폭발시키지 않도록 합니다. 화염 방지 및 폭발 방지 방식의 설계와 제조 기준은 매우 엄격하며, 조립, 배선 및 유지보수 절차도 엄격하게 준수됩니다. 이 방법은 폭발 방지 전기 장비 및 계측기가 종종 엄격하며 작동 시 전원을 차단해야 하는 경우가 많지만, 많은 경우 유용한 방법입니다.

3. 점화원 제어
작동 원리는 격리 배선을 사용하고 센서의 전력 분배를 처리하여 현장 센서에 공급되는 전기 에너지가 스파크를 발생시키거나 계측기 표면의 온도를 충분히 상승시켜 점화를 일으키지 않도록 제한하는 것입니다. 표준에 따라 안전 장치와 연결된 장비가 고장날 경우, 실제 폭발 방지 조치를 수행하여 위험 구역에서 폭발 방지를 보장해야 합니다. 애플리케이션과 구성에 따라 내재 안전형 및 화염 방지형 센서와 계측기를 선택하고, 공급업체로부터 폭발 방지 인증을 받아야 합니다.

로드셀 사용 하중 주의
모든 센서에는 한계가 있습니다. 단순히 무게를 증가시키면 측정 데이터가 정확하지 않을 뿐만 아니라 이후 사용에도 영향을 미칠 수 있습니다. 일반적으로 구매 시 하중 제한이 명시되어 있으므로 사용 전에 반드시 사용 설명서를 숙지하고, 방청 및 방부 작업을 신경 써야 합니다. 표면에는 바셀린(Vaseline)과 같은 전문적인 방청 보호제를 적용하는 것이 좋습니다.

취급 주의
내부 구조가 섬세하기 때문에 취급 과정에서 진동이나 충격이 발생하면 내부에 영향을 주어 데이터 오류가 발생할 수 있습니다. 특히 합금 재질로 제작된 소용량 센서는 진동 방지에 더욱 신경 써야 합니다.

하중 가하기
하중을 가할 때는 하중력이 힘의 축(force axis)과 일치하도록 해야 합니다. 그래야 가장 정확한 데이터를 얻을 수 있습니다. 수평 상태에서는 로드셀의 베이스 평면이 균형을 이루어야 하며, 만약 편향(deflection)이 발생하면 힘의 작용점 오류로 인해 벨로우즈 로드셀의 출력 데이터에 오차가 생기게 됩니다.

많은 기계 장비가 산업 현장에서 사용되며 중요한 역할을 합니다. 벨로우스 로드셀과 같은 제품도 산업에서 매우 중요한 위치를 차지하는데, 이는 주로 그 적용 범위가 넓기 때문입니다. 벨로우스 로드셀에는 많은 부속품이 있으며, 이 부속품들을 과소평가하면 안 됩니다. 부속품이 부족하면 벨로우스 로드셀을 제대로 사용할 수 없을 수 있습니다. 이 글에서는 주로 벨로우스 로드셀의 구조에 대해 설명합니다.

벨로우스 로드셀은 캔틸레버 전단 구조, 벨로우스 실링, 질소 충전을 채택했으며, 고정밀, 방진 성능 우수, 안정적인 성능, 설치 용이성 등의 장점을 가지고 있습니다. 또한, 강한 과부하 저항 및 편심 하중 저항을 갖추고 있습니다. 스틸 벨로우스(복동) 파이프는 레이저 용접으로 밀봉되어 신뢰성이 높고, 편심과 측력의 영향이 적으며, 동적 반응이 좋고, 측정 정확도가 높으며, 과부하 저항이 강하고 수명이 깁니다.

이 로드셀은 소형 하중을 측정하는 경우에 적합하며, 특히 전자 벨트 스케일, 선별 스케일, 플랫폼 스케일, 호퍼 스케일, 컨테이너 스케일 제작에 적합합니다. 계측기와 결합하면 측정, 검출, 조정, 자동 제어 등 다양한 분야에서 활용할 수 있습니다.

미래에는 벨로우스 로드셀과 같은 제품이 점점 더 많이 사용될 것으로 예상되며, 이를 통해 더 많은 정보를 접하게 될 것입니다. 사회가 발전함에 따라 관련 기술도 지속적으로 향상되고 있습니다. 앞으로 성능이 더 우수한 제품들이 등장하여 벨로우스 로드셀을 점차 대체할 것으로 예상됩니다.

벨로우스 로드셀은 스테인리스 스틸로 제작되며 용접으로 밀봉되어 IP68 보호 등급을 갖추고 있습니다.

계량 센서는 무게 측정 장치로, 물체의 무게 신호를 전기 신호로 변환하고, 이를 통해 물체의 무게를 사람에게 표시합니다.

계량 과정의 시작에서, 물체가 센서 위에 놓이면, 탄성체(elastomer)가 물체의 압력으로 변형됩니다.

• 탄성체의 변형은 표면에 부착된 저항 스트레인 게이지(resistance strain gauge)의 변형을 일으킵니다.
• 스트레인 게이지의 변형은 저항값 변화를 발생시키고, 이 변화는 검출 회로(detection circuit)를 통해 전기 신호로 변환됩니다.
• 이렇게 변환된 전기 신호를 이용하여 물체의 무게가 표시됩니다.

벨로우즈(주름관) 형태 계량 센서는 벤딩 빔 구조(Bending Beam Structure) 센서라고도 불리며, 금속 주름관을 용접하고 밀봉하여 제작됩니다.

• 관 내부에는불활성 가스(Inert Gas)가 충전되어 있습니다.
• 이 센서는 인장(tension)과 압축(compression) 두 가지 형태의 응력을 견딜 수 있으며, 과부하 저항, 피로 저항, 편심 하중 저항이 강합니다.

벨로우즈 로드셀은 다음과 같은 용도에 적용할 수 있습니다.

• 전자 벨트 스케일(Electronic Belt Scale)
• 호퍼 스케일(Hopper Scale)
• 플랫폼 스케일(Platform Scale)
• 다양한 재료 실험 장치의 전자 변환 및 힘 측정 장치

로드셀과 센서는 산업 경제 발전에서 중요한 역할을 하며, 다음과 같은 측면에서 크게 기여합니다.

1. 신제품 개발 촉진
로드셀과 센서를 사용하면 기계 장비의 내부 상태를 정확히 파악할 수 있습니다. 이를 통해 이전에는 없던 새로운 제품이나 장비를 개발할 수 있으며, 자동화 장비, 고정밀 장비, 전자 의료기기, 농업 기계, 신형 계측기 등 다양한 분야에서 혁신적인 제품 개발이 가능해집니다.

2. 생산 비용 절감
센서를 활용하면 생산 과정에서 비용 절감이 가능합니다. 예를 들어 기계 장비 설계 시, 센서로 기계 각 부품의 상태를 측정하면 많은 경험식이나 안전계수를 줄일 수 있으며, 응력, 변형, 진동 등 파라미터를 분석하여 최적화된 설계를 할 수 있습니다. 이로써 원자재 절약, 불량품 감소, 안전 확보, 정확성 향상 등의 효과를 얻을 수 있습니다. 또한, 자동화 장비 개발 시 인력을 절약하고, 생산 관리, 검사, 포장 등 다양한 공정에서 센서가 활용됩니다.

3. 자동화 촉진
산업 공정을 효율적이고 반복 작업 없이 수행하려면 자동화 장치가 필요합니다. 센서와 마이크로컴퓨터의 발전으로 정보 수집이 용이해졌고, 이를 기반으로 다양한 자동 제어 장비가 개발되어 산업 자동화를 가속화하였습니다. 센서는 산업 자동화 시스템에서 핵심적인 정보 획득 수단으로 작용합니다.

4. 기술 혁신 촉진
산업 제품의 기술 수준과 품질 향상은 계측 기술 발전과 밀접하게 연결되어 있습니다. 예를 들어, 고정밀 기계를 만들기 위해 부품을 높은 정밀도로 가공해야 하며, 농업 기계에서는 온도, 수분, 비료, 광량, 공기 성분 등을 최적화하는 시스템 설계에 센서가 필수적입니다. 센서를 통해 산업 제품의 기술 혁신과 생산 효율이 동시에 향상됩니다.

로드셀은 산업 자동화 및 사물인터넷(Internet of Things, IoT)에서 매우 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 계량 센서는 자동 제어 시스템과 IoT에서 정보를 얻는 핵심 수단으로, 계량 센서의 정확성과 신뢰성은 제어 장치의 정보 처리와 전송에 직접적인 영향을 줍니다. 센서의 안정성, 신뢰성, 응답 속도, 내외부 간섭 방지 성능 등은 산업 자동화 제어 시스템과 IoT 응용 시스템의 성능을 결정짓는 중요한 요소입니다.

1. 설계(Design)
계량 센서 설계는 여러 학문, 다양한 이론, 재료, 공정, 현장 사용 조건을 포함한 복합적인 과정입니다. 설계 과정이 복잡하며 다수의 요소를 고려해야 하므로, 전문 설계 인력 부족이 문제로 작용할 수 있습니다.

2. 신뢰성(Reliability)
현재 많은 국내 계량 센서 적용에서 가장 큰 문제 중 하나는 신뢰성입니다. 통계에 따르면, 중국 전력 부문에서 사용되는 수입 계량 센서는 일반적으로 2~3년간 유지보수가 필요 없으나, 국내 제품은 3~6개월마다 점검이 필요합니다. 즉, 국내 로드셀의 신뢰성 지수는 외국 제품 대비 1~2단계 낮은 수준입니다.
신뢰성은 계량 센서의 구조 설계, 재료 선택, 공정, 사용 환경(고온, 고압, 강자성, 진동 등), 제조사 품질 관리와 밀접하게 연관됩니다.

3. 장비(Equipment)
계량 센서의 공정 장비는 오랫동안 주목받지 못했습니다. 센서 성능과 공정 혁신은 공정 장비와 깊은 관계가 있으며, 계량 센서 전용 장비는 다른 장비와 본질적으로 다르고 전문화되어 있습니다. 대부분의 로드셀 공정 혁신은 새로운 공정 장비의 도입에 의존하며, R&D와 생산 지원이 부족한 국내 상황은 산업 발전을 제약하고 있습니다.

4. 포장(Packaging)
로드셀의 포장 문제는 산업계에서 점점 중요하게 여겨지고 있습니다. 계량 행위와 시장 감독, 소비자 권익 보호를 위해 계약, 교육, 표준 중량 배치, 자가 점검, 신용 체계 구축 등이 필요합니다. 이를 통해 계량 정확성과 시장 신뢰성을 동시에 확보할 수 있습니다.

1. 역할

• 전자 벨트 저울은 벨트 컨베이어 위를 이동하는 벌크 재료(석탄, 광석, 소금 등)를 연속적으로 자동 측정하는 장치입니다.
• 로드셀은 벨트 위의 재료 하중을 감지하여 전기 신호로 변환하는 측정 핵심 센서 역할을 합니다.
• 이를 통해 순간적 유량(Instantaneous Flow)과 누적 중량(Total Conveyed Weight)을 계산할 수 있습니다.

2. 적용 산업

• 광업, 금속, 화학, 건자재 등 연속적 원자재 이동이 필요한 산업
• 항만, 부두 등 대량 벌크 재료 수송
• 벨트 컨베이어가 전체 수송의 40~90%를 차지하는 곳에서 매우 효율적

3. 기술 발전

• 1950년대 해외 산업 부문에서 전자 벨트 저울 도입
• 마이크로프로세서 도입으로 자동 보정, 속도 보상, 타이밍 프린트, 전원 차단 시 메모리 등 기능 구현 가능
• 자동 배치 제어 시스템과 연계 가능 → 생산 효율 및 품질 향상, 에너지·재료 절약

즉, 로드셀은 전자 벨트 저울에서 재료 무게 측정의 정확도와 연속 자동 제어 기능을 가능하게 하는 핵심 장치라고 할 수 있습니다.

전자 벨트 저울은 컨베이어 벨트 위에서 벌크 재료를 연속적으로 계량하는 자동 계량 장치를 말합니다. 이때 재료를 나누어 계량하거나 컨베이어 벨트의 움직임을 멈출 필요가 없습니다.

분류 기준:

1. 운반 방식별:
   • 계량대형(Weighing bench) 운반형
   • 컨베이어형(Conveyor) 운반형
2. 벨트 속도별:
   • 단일 속도 벨트 저울(Single speed belt scale)
   • 가변 속도 벨트 저울(Variable speed belt scale)

구성 요소

• 저울 프레임(Scale frame)
• 속도 센서(Speed sensor)
• 고정밀 하중 센서(Weight sensor)
• 전자 벨트 저울 제어 및 표시 장치(Control/display instrument)

이 구성 요소를 통해 연속적이고 동적인 고체 재료 계량이 가능합니다.

작동 원리

1. 재료가 계량 브리지(weighing bridge) 위를 통과합니다.
2. 측정 아이들(idler)이 벨트 위 재료의 무게를 감지하고, 레버를 통해 하중 센서에 전달하여 벨트 하중에 비례하는 전압 신호를 생성합니다.
3. 속도 센서는 대형 속도 측정 실린더에 직접 연결되어 일련의 펄스를 제공합니다.
   • 각 펄스는 벨트 이동 단위를 나타내며, 펄스 빈도는 벨트 속도에 비례합니다.
4. 계량 장치는 하중 센서와 속도 센서로부터 신호를 받아, 적분 계산을 통해 순간 유량(instantaneous flow)과 누적 중량(accumulated weight) 값을 계산하고 별도로 표시합니다.