고온용 원통형 나선 스프링 유도 코일 로드셀

개요

이 연구는 원통형 나선 스프링 유도 코일(Cylindrical Spiral Spring Inductance Coil) 고온용 로드셀 설계 방안을 제시합니다.

• 고온 환경에서 기존 저항 스트레인 게이지 기반 로드셀은 저항계, 브리지 회로, 보상 저항, 접착제 등 고온에서 성능 저하 문제가 있음.
• 제안 기술은 저항 스트레인 게이지를 전기 유도 변량 코일로 대체하여, 고온 환경에서도 안정적인 측정 가능.
• 구조:
  1. 원통형 나선 스프링 유도 코일 (탄성 기반 + 측정 코일 역할)
  2. 계량 신호 전송선
  3. 실온 영역의 측정 및 조정 회로

1. 배경 및 필요성

• 고온 산업 공정 자동화 증가 → 고온 전자저울 필요성 증가
• 철강 및 금속 공정에서 고온, 방사열, 롤링 공정 등으로 인해 계량 정확도 저하
• 기존 고온 로드셀 핵심 문제: 저항 스트레인 게이지 고온 내성 부족

목표

• 저항 스트레인 게이지 문제 해결
• 신호 전송 안정화
• 내열성 및 고정밀 계량 가능

2. 동작 원리

• 원통형 나선 스프링 유도 코일이 탄성 요소와 측정 코일을 동시에 담당
• 고온 환경에 코일 배치 → 두 끝을 신호 전송선으로 실온 회로에 연결
• 코일에서 출력되는 펄스 신호를 전송 → 측정 및 조정 회로에서 계량값 산출
• 저항 스트레인 게이지 대신 전기 유도 코일 사용 → 고온 안정성 확보

3. 시스템 구성

1. 원통형 나선 스프링 유도 코일
   • 탄성 기반 + 측정 코일 역할 수행
   • 핵심 설계 요소: 기하학적 형상, 소재, 가공 기술
   • 설계 조건:
     • 강성 충분, 변형 최소화
     • 선형 특성 곡선
     • 고온 범위 내 탄성계수 안정, 열 민감도 최소화
2. 측정 및 조정 회로 칩 (소프트웨어 내장)
   • 구성: 전치 입력 회로, 루프 잠금 회로, 가변 게이트·클럭 회로, 컴퓨터, 소프트웨어
   • 동작:
     • 코일에서 발생한 계량 펄스 → 전송선 → 증폭 → 루프 잠금 회로에서 보정 및 온도 보상 → 가변 게이트·클럭 회로로 계량 처리
   • PCB 사진 및 구성 예시는 원문 Figure 3 참조
3. 기술적 특징
   • 구조 단순: 탄성 금속체 + 유도 코일
   • 장점:
     • 고온 환경에서 안정적
     • 내구성 우수, 수명 길음
     • 생산 및 가공 일관성 높음
   • 응용: 고온 뿐만 아니라 특수 환경 계량 또는 힘 측정에도 활용 가능

4. 핵심 기술 포인트

• 저항 스트레인 게이지 및 브리지 회로 제거 → 고온 신호 안정성 확보
• 유도 코일과 탄성체 통합 → 단순 구조, 고신뢰성
• 신호 전송과 계량 회로 분리 → 실온에서 보정 및 측정 가능
• 고온용 로드셀 설계 시 재료 선택, 강성, 선형성, 열 안정성이 핵심

즉, 이 로드셀은 고온 환경에서도 정확한 계량을 유지하면서 기존 저항 스트레인 방식의 한계를 극복한 혁신적 설계라고 할 수 있습니다.