이 논문에서는 Stefan Schmidt가 로드셀의 작동 방식을 설명합니다. :
"늘 새롭고 재미있는 과제입니다. 결코 지루해지는 법이 없습니다."
로드셀의 디자인과 기능
로드셀은 중량 측정용 기구입니다. 일상 생활에서 꼭 필요한 것입니다. HBM 제품 관리자인 Stefan Schmidt는 "로드셀은 자동차 안이나 수퍼마켓의 야채코너 저울을 비롯해 어디에나 있다"고 말했습니다. 기기 내부에 숨어 있기 때문에 바로 확인할 수는 없습니다.
로드셀 은 보통 스트레인 게이지 가 있는 스프링 요소로 구성됩니다.
스프링의 재질은 대부분 스틸 또는 알루미늄입니다. 따라서 매우 견고하면서 약간의 탄성이 있습니다. "스프링 재질"이라는 이름에서 알 수 있듯이 스틸은 부하를 받으면 약간 변형되지만 모든 부하에 탄력적으로 반응하여 처음 위치로 돌아갑니다. 스트레인 게이지로 이렇게 아주 작은 변화를 포착할 수 있습니다. 이후 분석용 전자장치가 스트레인 게이지의 변형을 분석하여 중량을 계산합니다.
마지막 부분을 이해할 수 있도록 스트레인 게이지를 좀더 자세히 살펴보겠습니다. 스트레인 게이지는 필름에 지그재그 패턴으로 단단히 부착되어 있는 전기 전도체입니다. 이 필름을 당기면 필름이 전도체와 함께 길어집니다. 반대로, 수축시키면 짧아집니다. 이에 따라 전기 전도체의 저항이 달라집니다. 이에 따라 변형(스트레인)을 판단할 수 있습니다. 저항은 늘어나면 증가하고 수축하면 감소하기 때문입니다.
스트레인 게이지는 스프링 요소에 단단히 부착되어 있어 스프링 요소의 동작을 그대로 하게 됩니다. 스트레인 게이지는 브리지 회로, 좀더 정확히는 휫스톤 브리지 회로로 배열됩니다(그림 참조). 따라서 SG 4개가 하나의 원 모양으로 연결되어 있고, 힘을 측정하는 측정용 그리드가 그에 맞게 정렬되어 있습니다.
물체를 로드셀 위에 얹거나 매달아 물체의 중량을 측정할 수 있습니다. 로드셀의 의도 부하(intended load)는 항상 지구의 중심 방향, 즉 중력 방향으로 정렬됩니다. 부하에 작용하는 힘 요소만 포착됩니다. 하지만 로드셀과 디자인이 비슷하여 로드셀로 자주 명시되는 힘 센서 는 명백히 다른 센서 입니다.일반적으로 힘 센서는 모든 방향에서 발생하는 부하를 포착하도록 설계됩니다. 따라서, 지구의 중력 방향은 힘 센서의 설치 방식과 관련이 없습니다.
로드셀 유형
용도마다 사용되는 로드셀 유형이 다양합니다. 흔히 사용되는 로드셀은 다음과 같습니다.:
- 싱글포인트 로드셀: 무게추가 달린 플랫폼 밑에 로드셀이 위치합니다.
- 벤딩 빔 로드셀: 무게추가 달린 스틸 구조물 밑에 여러 개의 로드셀이 배치되어 있습니다.
- 압축형 로드셀: 무게추가 달린 스틸 구조물 밑에 여러 개의 고용량 로드셀이 배치되어 있습니다.
- 인장 로드셀: 하나 이상의 로드셀에 무게추가 달려 있습니다.
로드셀은 그 용도에 따라 디자인 및 재질이 다르게 제작됩니다.
로드셀은 신호의 전송 유형에 따라 분류할 수도 있습니다. 디지털 로드셀에는 측정 결과를 처리하여 지정된 형식으로 표시하는 전자장치가 내장되어 있습니다. 아날로그 로드셀은 측정용 증폭기도 필요합니다.
로드셀 밑에서 힘이 가해질 때 가장 큰 변형이 발생하는 위치에 스트레인 게이지 4개가 배치되어 있습니다. 화살표는 힘이 가해지는 방향을 가리킵니다.
로드셀이 받는 환경적 영향
로드셀의 특징 중 하나는 주변 사용 환경이 로드셀에 결정적인 영향을 미친다는 점 입니다.
주변 온도
모든 물질은 온도에 따라 변합니다. 즉, 고온에서는 팽창하고 저온에서는 수축합니다. 로드셀과 로드셀의 스트레인 게이지도 마찬가지입니다. 전도체의 전기 저항도 온도에 따라 변합니다. 그렇지만 로드셀은 주변 온도와 상관없이 전세계 어디서나 중량을 정확히 측정해야 합니다. 장소에 관계 없는 정확한 측정을 위해 모든 HBM 로드셀에는 정교한 온도 보상 장치가 내장되어 있습니다.
로드셀은 다양한 영향 요소를 견딜 수 있어야 합니다. "트럭 스케일의 경우, 비, 먼지, 열 등에 노출되기 때문에 옥외 주변 조건을 견딜 수 있어야 합니다. 그리고 전세계 지역과 관련하여 말해보면 시베리아에 있는 트럭 스케일이 받는 영향과 남아프리카 공화국에 있는 트럭 스케일이 받는 영향이 다릅니다. 그렇지만 공통점이 하나 있습니다. 혹독한 기후 환경에 맞게 설계되어야 하며, 따라서 그에 맞게 견고해야 합니다"라고 Stefan Schmidt는 말했습니다.
다른 방향으로 가해지는 힘("기생력")
로드셀이 설치되는 기술적 환경(예: 중량 계측 컨테이너용 시스템 또는 컨베이어 벨트 아래의 중량 계측용 셀)에 따라 무게 이외의 다른 부하도 발생할 수 있습니다. "기생력(Parasitic forces)"은 원하는 주방향뿐만 아니라 측면이나 아래에서 또는 다른 방식으로 로드셀에 작용하는 힘입니다. 로드셀은 이 용도로 개발된 것이 아니기 때문에 측정 결과가 정확하지 않거나 틀리게 나올 수도 있습니다. 따라서 기생력이 작용하지 않거나 최소화되도록 주의해서 설치해야 합니다. HBM 로드셀 피팅과 중량 계측 모듈을 사용하면 이러한 기생력이 최소화되어 정확한 측정 결과를 얻을 수 있습니다.
로드셀 사용
물론 로드셀은 저울에 주로 설치됩니다. 그러나 다른 용도로도 많이 사용됩니다. 중량별로 병이나 캔에 음료나 생수를 담는 설비나 시스템의 경우 모든 병과 캔 밑에 로드셀이 있습니다. 사탕이나 감자를 봉지에 담는 분류 시스템은 모두 동일한 무게로 담아야 합니다.
"부하 측정이 필요한 용도가 이렇게 많다는 것이 놀랍습니다.
Schmidt는 로드셀이 사용되는 독특한 용도도 언급합니다. "예를 들어, 당사 PW15iA 싱글포인트 로드셀 은 고성능의 철인 3종 경기용 운동복과 수영복 개발에 사용됩니다. 세계적인 수영 선수들이 입을 수영복의 내수성을 측정합니다."
로드셀의 정확도
로드셀이 어느 용도로 사용되든 정확도는 매우 중요한 사안입니다. 로드셀은 다양한 최대 용량(최대 용량은 최대 의도 부하를 의미함)과 정확도 등급으로 제공됩니다. 스트레인 게이지 기술은 주로 C 등급과 D 등급을 달성할 때 사용됩니다. 전자 보정 기능이 있는 스트레인 게이지 로드셀은 정확도 등급이 더 높은 일부 검량 장치(weigher)에 사용됩니다.
"제품이 주로 중량 단위로 판매되기 때문에 중량은 산업에서 중요한 역할을 합니다." - Stefan Schmidt
따라서 중량 계측은 엄격한 규정이 적용됩니다. 제품에 따라 서로 다른 저울이 사용될 수 있습니다. 저가 제품(예: 모래나 자갈)은 검량 장치의 정확도가 그렇게 높을 필요가 없습니다. D 등급이면 충분합니다. 그러나 의약품의 경우 최고 정확도인 A 등급이나 B 등급이 필요합니다. 육류, 과일, 채소 같이 흔한 소비재는 중량 계측 정확도 등급이 C라는 점에서 사용되는 중량 계측 시스템의 정확도에 대한 요구가 큽니다. 정확도 등급 C는 기계 엔지니어링이나 건축 자재 저울에도 요구됩니다.
중량 계측에 대한 엄격한 규정과 기준 확립은 로드셀 개발자들이 계속 풀어야 할 과제입니다. OIML 정확도 등급이 더 높은 로드셀의 경우 로드셀 측정 범위에서 정확도가 몇 ppm 벗어나는 것만 허용됩니다.
Stefan Schmidt는 "한 조각의 스틸과 스트레인 게이지를 붙여 이렇게 정확하게 측정할 수 있다는 것이 놀랍습니다. 그렇지만 그에 필요한 노하우 없이는 불가능합니다. 최근에 HBM은 로드셀을 사용하여 체계적으로 정확도를 높이는 데 성공했습니다. 지속적인 개발 과정의 성과입니다"라고 말했습니다.
조정(Adjustment), 교정(Calibration) 및 공식적인 검증
실제로 로드셀이 현장에서도 제대로 작동하는지 확인하기 위해 공장에서 조정하고 보정하는 것은 물론 설치 위치에서도 검증합니다. 보정과 공식적 검증은 제어용으로 확인된 중량을 로드셀에 가하는 과정입니다. 로드셀 또는 검량 장치에 1kg을 얹으면 정확도 등급에 따라 875그램이 아닌 1kg로 중량이 표시되어야 합니다. 이런 방식으로 기생력 같은 원치 않는 영향을 주는 요소도 발견할 수 있습니다.
로드셀 기술 동향
스트레인 게이지에 기반하는 로드셀은 정확도가 높아 다양한 용도에 사용할 수 있습니다. 이 정확도는 적절한 노하우가 있을 때만 달성할 수 있으며 이 노하우는 경험에 기반합니다. HBM은 65년의 로드셀 개발 역사를 가지고 있으며 미래의 요구사항을 충족할 새로운 솔루션을 지속적으로 연구하고 있습니다.
"스트레인 게이지 기술이 전면적으로 사용되던 10년 전에는 고객들이 이 기술 이후는 어떻게 될지를 물었습니다. 물론 우리도 스스로에게 같은 질문을 던졌습니다. 그렇지만 우리는 조사 과정에서 스트레인 게이지 기술이 아직 완전히 개발된 것이 아니며 당사 센서와 이를 사용하는 고객 제품을 크게 개선할 가능성이 여전히 많다는 사실을 알게 되었다"고 Stefan Schmidt는 말했습니다. 정확성, 견고성, 속도, 지능이 향상되고 있어 어디까지 로드셀의 기술 개발이 가능할지는 그 끝을 예측할 수 없습니다.