로드셀(load cell)은 흔히 계측기의 심장이라고 불립니다. 로드셀은 질량(하중) 신호를 측정 가능한 전기 신호로 변환하는 장치로, 그 성능은 전자식 계측기의 정확도와 안정성을 크게 좌우합니다.
로드셀 선택의 4가지 핵심 요소
1. 안정성(Stability)의 선택
센서가 일정 기간 동안 성능 변화를 일으키지 않고 동일한 특성을 유지하는 능력을 안정성이라 합니다.
센서의 장기 안정성은 구조적인 요인뿐만 아니라 사용 환경의 영향을 크게 받습니다.
따라서 로드셀을 선택하기 전에는 반드시 현장 사용 환경을 충분히 검토하고, 환경에 적합한 센서를 선택하거나 환경 영향을 최소화할 수 있는 대책을 마련해야 합니다.
환경이 로드셀에 미치는 주요 영향은 다음과 같습니다.
- 고온 환경
- 센서 코팅 재료의 용융
- 납땜부 손상
- 탄성체의 구조 변화 및 응력 변화
- 야외 환경
- 먼지 및 습기로 인한 센서 단락 발생
- 부식성 환경
- 습기, 산성 물질 등에 의한 탄성체 손상
- 전기적 단락 발생
- 전자기 환경
- 전자기장으로 인해 출력 신호에 잡음 발생
- 가연성·폭발성 환경
- 반드시 방폭형 센서 사용 필요
센서의 안정성은 정량적인 지표로 평가되며, 수명이 경과한 후에는 재교정을 통해 성능 변화 여부를 확인해야 합니다.
교체나 재교정이 어려운 장기 사용 환경에서는 안정성에 대한 요구 조건이 더욱 엄격해야 하며, 장시간 테스트를 견딜 수 있는 센서를 선택해야 합니다.
2. 감도(Sensitivity)의 선택
일반적으로 센서의 선형 범위 내에서는 감도가 높을수록 유리합니다.
감도가 높으면 측정 대상에 대한 출력 신호가 커져 신호 처리에 유리하기 때문입니다.
그러나 감도가 너무 높으면 측정과 무관한 외부 잡음(노이즈) 또한 함께 증폭되어 측정 정확도를 저하시킬 수 있습니다.
따라서 센서는 다음 조건을 만족해야 합니다.
- 높은 감도
- 우수한 신호 대 잡음비(S/N 비) 확보
- 외부 간섭 신호 최소화
3. 센서 개수 및 정격 용량(Range) 선택
① 센서 개수 선정
센서 개수는 전자저울의 구조와 지지점 수에 따라 결정됩니다.
지지점은 저울 구조상 기하학적 중심과 실제 하중 중심이 일치하도록 배치해야 합니다.
② 센서 용량 선정
다음 요소들을 종합적으로 고려하여 센서 정격 용량을 결정해야 합니다.
- 최대 계량 중량
- 센서 개수
- 저울 자체 중량
- 최대 편하중
- 동적 하중
일반적인 경험 기준:
- 센서는 정격 용량의 30~70% 범위에서 사용하는 것이 이상적
- 충격이 크거나 변동 하중이 있는 경우에는
정격 용량의 20~30% 범위에서 사용하도록 선택
→ 센서의 수명과 안전성 확보
4. 정확도(Accuracy)의 선택
정확도는 센서의 핵심 성능 중 하나로, 전체 계측 시스템의 측정 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다.
정확도가 높을수록 가격도 높아지므로, 필요 이상으로 높은 정확도의 센서를 선택할 필요는 없습니다.
즉, 전체 측정 시스템의 정확도 요구사항을 만족하는 범위 내에서 가장 경제적인 센서를 선택하는 것이 바람직합니다.
- 정성 분석(비교 목적)
→ 반복성이 좋은 센서 선택, 절대 정확도는 중요하지 않음 - 정량 분석(정확한 수치 필요)
→ 요구 정확도를 충족하는 센서 선택 필수
정확도 선택 시 충족해야 할 조건
- 계측기 입력 요구 충족
- 센서 출력 신호는 계측기가 요구하는 최소 입력 신호 이상이어야 함
- 전체 전자저울 정확도 충족
- 전자저울은 저울대, 로드셀, 계측기(인디케이터)로 구성