컬럼형 로드셀 제작 방법
본 실용신안은 계량 센서(weighing sensor) 기술 분야에 속하며, 대형 및 초대형 힘 측정에 적합한 **컬럼형 힘 센서(column-type force sensor)**에 관한 것입니다.
컬럼형 센서는 구조가 간단하고 가공이 편리하며 강성이 우수한 장점이 있습니다. 하지만 기존 구조 센서에는 측면 저항성 부족, 힘 측정 정확도 낮음, 밀폐 성능 부족, 방습 및 내식성 낮음과 같은 단점이 있습니다.
이 실용신안의 목적은 100T~1000T, 혹은 그 이상 범위의 컬럼형 로드셀을 제공하는 것입니다. 이 로드셀은 크기가 비교적 작고, 밀폐 성능과 측정 정확도가 우수합니다. 또한 유지보수 편리성, 작동 신뢰성, 안전성, 민감도, 보호 능력, 하중과 부피의 범위, 자동화 수준 등에서도 우수합니다.
센서가 없으면 현대의 자동 측정 및 제어가 불가능하며, 과학과 기술의 급속한 발전도 이루어질 수 없습니다. 일반적으로 로드셀은 측정된 비전기량(물리량)을 전기 신호(정보)로 변환하여 출력하는 장치입니다. 다시 말해, 측정 대상에서 유용한 정보를 변환하고 전달하는 장치라고 할 수 있습니다. 로드셀은 민감 요소(sensitive elements), 변환 요소(conversion elements), 측정 회로(measurement circuits), 기타 보조 부품으로 구성됩니다.
컬럼형 로드셀의 작동 원리
현재 국내 소형 계량 기구에 사용되는 로드셀에는 주로 컬럼형, 브리지형, 더블 시어빔(Double shear beam) 리프팅 링, 축대칭 토션 링(Axisymmetric torsion ring), 스포크형(spoke-type) 로드셀 등이 있습니다.
컬럼형 로드셀은 강한 과부하(overload) 능력, 높은 자연 진동수, 빠른 동적 응답, 설치 용이성, 낮은 제조 비용 등의 장점이 있습니다. 하지만 측면 및 편심 하중 저항 부족(이중 다이어프램 구조가 더 우수), 선형성 부족, 고정이 어려움, 회전 가능성 등의 단점도 존재합니다.
이러한 장점과 단점 때문에 컬럼형 로드셀은 트럭 저울(truck scales) 등에서 매우 자주 사용됩니다. 측면 편심 하중 저항 문제를 해결하기 위해, 많은 회사에서는 측정 성능에 영향을 주지 않는 편심 하중 각도를 제품 사양으로 권장하고, 제한 구조를 장착하여 로드셀을 기본적으로 수평 상태에서 이동하지 않도록 설계합니다. 이를 통해 수직력 작용(vertical force action)이 측정에 영향을 주지 않도록 보장합니다.
트럭 저울에서 컬럼형 로드셀은 길이가 길기 때문에, 제한 장치는 로드셀을 수평 상태에서만 움직이도록 허용합니다. 만약 제한되지 않으면 로드셀이 흔들릴 수 있으며, 케이블이 날카롭게 감겨 손상될 수 있습니다. 또한, 편심 하중(eccentric load) 문제는 저울의 하중 값이 클수록 편심 오차도 커지게 됩니다.
컬럼형 장력 센서(column tension sensor)
컬럼형 장력 센서는 최신 로드셀 응용 제품으로, 현재 표준 규격이 형성되어 있습니다. 최근 연구에 따르면, 일부 사용자들은 선형성(linearity)의 한계를 단점으로 느끼지만, 실제로는 처리 응용(force measurement)에 매우 적합합니다.
컬럼형 장력 센서의 특징을 요약하면 다음과 같습니다.
- 구조가 단순하고 컴팩트
- 소형, 경량, 견고하며 내구성이 뛰어남
- 긴 사용 수명
- 대형 힘 측정에 적합하며 처리 응용에서 우수
이러한 이유로 컬럼형 로드셀은 대형 산업용 계량 및 힘 측정 분야에서 널리 사용됩니다.