로드셀(load cell)은 중력(하중)을 전기 신호로 변환하는 장치로, 전자식 계량기에서 가장 핵심적인 구성 요소입니다.
힘을 전기 신호로 변환할 수 있는 센서에는 여러 종류가 있으며, 대표적으로 저항 스트레인 방식, 전자기력 방식, 정전용량 방식이 있습니다.
- 전자기력 방식: 주로 전자 저울(전자 분석저울)에 사용
- 정전용량 방식: 일부 전자 크레인 저울에 사용
- 저항 스트레인 방식: 대부분의 계량 제품에 사용
저항 스트레인 로드셀은 구조가 비교적 단순하고, 정확도가 높으며, 적용 범위가 넓고, 비교적 열악한 환경에서도 사용이 가능하다는 장점이 있습니다. 이러한 이유로 저항 스트레인 로드셀은 계량기 분야에서 가장 널리 사용되고 있습니다.
로드셀은 어떻게 작동하는가?
산업 현장에서 가장 많이 사용되는 저울은 저항 스트레인 게이지 방식 로드셀입니다.
스트레인 게이지 로드셀은 스트레인 게이지가 부착된 **고체 금속 본체(또는 스프링 요소)**로 구성되어 있습니다.
하중이 가해지면 로드셀 본체는 아주 미세하게 변형(굴곡)됩니다. 이 변형은 하중이 가해질 때 로드셀의 주축 방향으로 길이가 변화하는 현상을 의미합니다.
- 인장·압축 로드셀: 변형 시 게이지가 짧아지고 두꺼워짐
- 인장 전용 로드셀: 변형 시 게이지가 늘어나 길어지고 얇아짐
로드셀 본체의 형태 변화에 따라 스트레인 게이지 역시 변형되며, 이로 인해 전기 저항값이 변화합니다. 이 저항 변화는 전압 변화로 측정할 수 있으며, 전압 변화량은 가해진 하중(무게)에 비례하므로, 이를 통해 물체의 무게를 계산할 수 있습니다.
고정 중량 소포장 자동 제어 시스템 전체에서 로드셀은 전자저울의 측정 정확도에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 부품입니다.
이 시스템에서는 GYL-3 스트레인형 로드셀이 사용되며, 네 개의 저항 스트레인 게이지가 풀 브리지 회로를 구성합니다.
브리지에 인가되는 전압 U가 일정할 경우, 센서 출력 신호는 로드셀에 작용하는 중력과 브리지 공급 전압에 비례합니다. 따라서 브리지 전압의 안정성은 계량 정확도에 매우 중요합니다.
밀리볼트(mV) 단위의 센서 출력 신호는 증폭되어 0~10V 전압 신호로 변환되며, 이후 V/F 변환기를 통해 A/D 변환됩니다. 변환된 주파수 신호는 마이크로컨트롤러(8031)의 타이머 입력으로 전달되어 무게를 계산합니다.
마이크로컴퓨터는 설정값과 측정값을 비교하여 PID 제어를 수행합니다.
- 무게가 부족하면 계속 투입
- 설정값에 도달하거나 초과하면 투입 중단
- 최종 무게 표시 후 포장 완료 신호 출력
그림 2는 자동 계량 및 충전 장치를 보여줍니다.
컨베이어 벨트를 따라 이동하던 박스나 포대가 계량 위치에 도달하면 벨트가 멈추고, 전자저울의 호퍼가 열리며 내용물이 투입됩니다. 투입이 완료되면 컨베이어가 다시 작동하여 다음 공정을 진행합니다. 이 과정은 충분한 원료와 포장 용기가 있는 한 연속적으로 자동 운전이 가능합니다.
로드셀은 어디에 사용되는가?
로드셀은 매우 다양한 산업 분야에서 사용됩니다.
전통 산업 분야
- 계량기 제조
- 금속, 석유화학
- 식품 생산
- 기계 제조
- 제지, 철강
- 운송, 광산
- 시멘트, 섬유 산업 등
적용 예
- 탱크 및 호퍼 계량
- 반응기(반응조)
- 플랫폼 저울
- 전자 저울
- 벨트 스케일
- 바닥 저울
- 크레인 저울
- 분류기
- 포장 저울
- TMR 사료 혼합기
- 배합 계량 시스템 등
신산업 및 IoT 분야
최근에는 사물인터넷(IoT) 기반 계량 시스템에도 널리 활용되고 있습니다.
- 스마트 쓰레기통 계량
- 무인 자판기
- 물류 보관 선반
- 무인 슈퍼마켓
- 자동 캔 충전
- 스마트 계량 쇼핑카트
- 급식 계량 시스템
- 차량 탑재 계량 시스템
- 의료용 침대 계량 시스템 등