로드셀

로드셀의 기원

스트레인 게이지기반 로드셀이 산업용 측정 분야에서의 선택사항이 되기 전에는 기계식 산업용 저울이 폭넓게 사용되었습니다. 기계식 산업용 저울은 알약부터 철도차량까지 모든 것의 무게를 잴 수 있으며 제대로 교정 및 유지관리가 이루어지는 경우 상당히 정확하고 신뢰할 만 합니다. 작동 방식은 평형추 또는 지렛대 원리로, 이를 이용해 힘을 감지할 수 있습니다.
기록 상 가장 오래된 것은 스트레인 게이지의 초기 형태 힘 센서였는데 이는 유압식 및 공압식 설계를 포함하였습니다. 1843년 영국의 물리학자인 찰스 휘트스톤 경은 전기 저항을 측정할 수 있는 브리지 회로를 고안하였습니다. 휘트스톤의 브리지 회로는 변형 게이지 내에서의 저항 변화를 측정하는데 이상적입니다. 첫 번째 결속형 저항선 변형 게이지는 1940년대에 개발되었지만 현대 전자기기가 개발된 이후에나 이 새로운 기술이 기술적으로나 가격적으로 활용 가능하게 되었습니다.
로드셀은 이러한 스트레인 게이지를 기반으로 설계 한 압력센서 입니다. 현재 스트레인 게이지는 기계식 저울의 부품으로 이용하거나, 보상 절차를 더하여 전자식 압력센서인 압력변환기나 로드셀과 같은 압력센서에 가장 많이 이용됩니다.

로드셀 원리

로드셀의 설계는 생성되는 출력 신호의 유형(공압, 유압, 전기) 또는 로드셀이 무게를 감지하는 방식 (벤딩bending, 전단shear, 압축compression, 인장tension 등)에 따라 구분될 수 있습니다. 각 로드셀에 따른 원리와 특징을 알아보겠습니다.

유압식 로드셀(Hydraulic load cell)은 힘-균형 압력 센서로 내부를 채운 유체의 압력 변화로 무게를 측정하는 원리가 적용되었습니다. 롤링 다이어프램형 유압식 로드셀에서는 로드 헤드에 작용하는 로드 또는 힘이 피스톤으로 전달되어 그 결과 안을 채우고 있는 유체를 탄성 다이어프램 챔버 내부로 제한되도록 압축합니다. 힘이 증가함에 따라 유압식 유체의 압력도 증가합니다. 이러한 압력은 로컬 표시가 되거나 원격 표시 또는 제어가 되도록 전송됩니다. 로드셀이 제대로 설치 및 교정되면 정확도는 전체 범위의 0.25% 이내이거나 그 보다 더 정확할 수도 있으며 대부분의 프로세스 무게측정 분야에서 허용 가능합니다.
유압식 로드셀은 전기 부품이 사용되지 않기 때문에 위험한 지역에서의 사용에도 이상적입니다. 전형적인 유압식 로드셀의 적용분야는 탱크, 통 그리고 호퍼의 무게측정입니다. 최대의 정확도를 위하여 탱크의 무게는 하나의 로드셀을 지지대의 각 지점에 위치시키고 그 출력을 더하여 얻어야 합니다.

공압식 로드셀(Pneumatic load cell)또한 힘-균형의 원리로 작동됩니다. 이러한 장비는 유압식 장비보다 더 높은 정확도를 제공하기 위하여 다수의 완충 챔버를 사용합니다. 일부 설계에서는 첫 번째 완충 챔버가 용기 무게용 챔버로 사용됩니다.
공압식 로드셀은 청결과 안전이 주된 관심사인 산업분야에서 종종 상대적으로 작은 무게를 측정하는데 사용됩니다. 이러한 유형의 로드셀이 가진 장점은 본질적인 방폭특성 그리고 온도 변화에 민감하지 않다는 점입니다. 추가적으로 이러한 로드셀은 다이어프램이 파괴되는 경우에 프로세스를 오염시킬 수 있는 유체를 포함하지 않습니다. 단점은 상대적으로 느린 반응 속도와 공기 또는 질소를 세정, 건조 및 조절할 필요가 있다는 점입니다.

스트레인 게이지 로드셀(Strain-gage load cell)은 셀에 작용하는 로드를 전기 신호로 전환합니다. 스트레인 게이지의 원리로 힘을 측정하고, 스트레인 게이지를 무게가 가해지면 형태가 변하는 빔이나 구조부재에 결합시켜 사용합니다.
대부분의 경우 최대의 감도와 온도 보상을 얻기 위하여 네 가지 변형 게이지가 사용됩니다. 두 개의 게이지는 보통 인장에 사용되고 두 개는 비교에 사용되며 그림 7-2에 나타난 것처럼 보상 조정과 함께 연결됩니다. 무게가 가해지면 변형은 게이지의 전기 저항을 로드에 비례하도록 변화시킵니다. 스트레인 게이지 로드셀이 지속적으로 정확도가 개선되고 단위 가격이 내려감에 따라 기타 로드셀은 시장에서 점차 사라지고 있습니다.

압축 로드셀 Compression Load Cell
압축 로드셀 은 주로 내장 버튼 설계 (integral button design) 입니다. 이러한 로드셀은 공간이 제한된 장소에서 장착 시에 이상적이며 매우 뛰어난 장기 안정성을 제공합니다.

압축 인장 로드셀 Compression/Tension Load Cell
압축 인장 로드셀 은 로드가 인장으로부터 압축으로 이동하거나 그 반대인 경우의 적용분야에서 사용 가능합니다. 공간이 제한된 환경에 적합하며 나사로 결속 되는 끝 부분은 설치를 간편하게 해줍니다.

S빔 로드셀 S-Beam Load Cell
S빔 로드셀S자 모양으로 인하여 그러한 명칭을 얻었습니다. S빔 로드셀은 인장 또는 압축 하에서 출력을 제공할 수 있습니다. S빔 로드셀은 탱크 레벨, 호퍼Hopper 및 트럭Truck 측정 분야까지 적용 가능 합니다. S빔 로드셀은 뛰어난 측면 부하 감발(Load Rejection) 기능을 제공합니다.

빔 로드셀 Bending Beam / Shear Beam Load Cells
빔형 로드셀은 다수의 로드셀이 적용되는 환경, 탱크 무게측정 그리고 산업 프로세스 관리에서 사용 가능합니다. 빔형 로드셀은 제한된 영역으로의 통합을 위한 저 프로파일 구조를 특징으로 합니다.

싱글 포인트 로드셀 Platform and Single Point Load Cell
싱글 포인트 로드셀은 상업 및 산업 무게측정 시스템에 사용됩니다. 이러한 로드셀은 플랫폼 상 로드의 위치와 관계 없이 정확한 측정값을 제공합니다.

캐니스터 로드셀 Canister Load Cell
캐니스터 로드셀 은 단일 및 다중 무게측정 적용 환경에서 사용됩니다. 다수의 캐니스터 로드셀은 통형으로 전체가 스테인리스 강으로 설계되며 물이나 습기에 대비하여 밀폐되어 있습니다.

로우 프로파일 로드셀 Low Profile Load Cell
로우 프로파일 로드셀은 기본적으로 압축 및 인장 압축 로드셀입니다. 장착 구멍과 암놈 나사는 간편한 설치를 제공합니다. 무게측정 연구와 인라인 힘 모니터링에 자주 사용됩니다.

로드셀 종류 별 특징과 성능

종류	측정 범위	정밀도 (FS)	적용 분야	장점	단점
기계식 로드셀
유압식 로드셀	최대 10,000,000 lb	0.25%	탱크, 빈, 호퍼, 위험 환경	큰 하중 측정, 온도에 민감하지 않음.	높은 가격대, 복잡한 설계.
공압식 로드셀	넓음	높음	식품, 위험환경,	본질안전(Intrinsically safe) 액체/유체 포함하지 않음	반응속도가 느리고 사용 환경 제약 있음 (건조하고 깨끗한 기체 매질)
전자식 (스트레인 게이지) 로드셀
벤딩 빔 로드셀	10-5k lbs.	0.03%	탱크, 플랫폼 측량	저비용, 간단한 설계	스트레인 게이지가 노출 된 구조로 보호장치 필요
시어 빔 로드셀	10-5k lbs.	0.03%	탱크, 플랫폼 측량 편심(off-center) 부하 측정	High side Load rejection 씰링과 보호처리가 잘 됨
캐니스터 로드셀	최대 500k lbs.	0.05%	트럭, 탱크, 트랙, 호퍼 측량	부하의 이동을 처리할 수 있음	수평 부하 보호가 안 됨
팬케이크 로드셀 /홀 타입 로드셀	5- 500k lbs.		탱크, 빈, 저울	전체 스테인레스 스틸 구조	부하 이동이 없어야 함
로드셀 세척기 /로드 버튼	0-50k lbs 0-200 lbs.(일반적)	1%	낮은 압력, 비교적 가벼운 무게 측량	저비용, 소형	부하가 중심에 가해져야 함 부하 이동이 없어야 함
기타 로드셀
나선형 로드셀 Helical	0-40k lbs.	0.2%	플랫폼, 지게차, 휠 로드 wheel load, 자동차 좌석 무게	측외 부하(off-axis load) 처리 가능, 오버로드, 충격에 비교적 강한 편
광섬유 로드셀 Fiber optic		0.1%	케이블 연결로 전기적 전송 가능 케이블, 볼트, 스터드 설치	전기적 잡음(RFI/EMI)에 강함 고온에 강하고, 본질안전 규격(IS)
피에조 저항 로드셀 Piezo-resistive		0.03%		굉장히 민감함 신호 출력 레벨이 높음	가격대가 높고 출력이 비선형적임