계장

로드셀 & Weighing Indicator 기술자료

로드셀의 원리

 일반적으로 로드셀이라 함은 하중을 가하면 그 크기에 비례하여 전기적 출력이 발생되는 힘 변환 기의 총
칭으로 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 스트레인이
라 하며, 이 미세한 변형량을 측정하기 위해 스트레인 게이지를 사용하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 변
형량을 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 수
도 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 가해지
는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다.

환상형(Ring Type)
둥근 원형의 내면에 4장의 스트레인 게이지를 부착한 형태로 원통형보다 정밀도가 높은 장점이 있고 방향
도 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 로드
셀을 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 1.2
F3 : 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 조정
하기가 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

 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 공급 전원과 로드셀에서 나오는 3 - 30 mV의 미세한 신호를 증폭하는 고정밀 DC Amplifier가 내장
되어 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-232C방식으로 제어되며, Indicator의 경
우는 주기적으로 현재 계량치를 일방적으로 보내오거나( Streem) 특정 명령어에 의해 보내오는 방식
(Command)방식으로 값을 읽을 수 있고 Controller의 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 있으

나 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 Controller
를 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 교환기능

Weighing control 방법

 Feeder 를 작동해서 원료를 저울위에 쏟아가며 특정 계량지가 되면 정확히 정지시켜 정밀도를 맞추기 위
해 다음과 같은 단계의 제어가 필요하다.

원료공급 신호
대공급 - 대량으로 원료를 공급해서 계량 속도를 높히기 위한 신호
중공급 - 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 따
라 더 달리게 된다. 이는 계량중 저울표면 과 공급Feeder출구 사이에(공중에) 있는 계량물이 나중에 떨어
져 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 중량
이 조금씩 올라가는 경우도 있다. 이때 저울 용기무게를 0으로 만들어 줘야 정확한 계량이 된다.

로드셀의
정밀도 문제

 통상 로드셀의 정밀도는 1/5,000을 넘지 못한다. Weighing Controller의 정밀도가 1/20,000 이라고 해봐
도 로드셀의 정밀도가 1/2,000- 1/3,000이므로 별 의미가 없으며, 로드셀의 정밀도가 1/5,000이라고 해도
기계 구조상 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 원료
를 저울로 공급하는 역할을 수행하는데, 한바퀴 회전하는데 10Kg의 원료를 공급하고, 회전날개가 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 불가능
하다. 이 경우는 기계를 수정해서 Feeder의 종류는 정밀계량이 가능한 바이브레이션 휘다 등으로 교체
해야 한다.

생산량과
정밀도와의 관계

 새로 기계를 설치해놓으면 설치 전과 후의 생산량을 반드시 비교해 보게 된다. 아스팔트 배치프랜트기계
와 같이 게이트를 실린더로 활짝 열어 자갈을 쏟아 붇는 기계의 경우 생산량이 높은 반면 정밀도는 떨어지
게 마련이다. 그렇다고 높은 정밀도를 위해 자갈을 한 개씩 투입할 수도 없는 일이다. 대체로 정밀도와 생
산량은 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.