KR0138623B1 - 힘측정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정해야할 질량이나 하중 또는 압력에 대항하도록 전자력을 발생하여 자동적으로 이들을 평형시키고, 그 평형상태에서 발생하고 있는 전자력의 크기로 피측정물리량을 측정하는, 이른바 전자력자동평형형 힘측정기에 관한 것으로, 비례검출기(3)에 의한 변위검출치를 비례 및 미분연산하는 아날로그연산기(8), 변위검출치를 그 크기에 따른 주파수를 갖는 펄스신호로 변환하는 변환수단(7), 그 변환수단으로부터의 펄스신호를 변위검출치의 극성에 따라서 업/다운 카운트하는 카운터(11a), 그 카운터(11a)에 의한 계수결과를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환수단(12a)을 구비하여 D/A변환수단(12a)과 아날로그연산기(8)의 각 출력을 가산하여 포오스 코일(5a)에 피드백하고, 카운터(11a)의 출력을 측정표시값의 결정에 이용하는 구성으로 고속 A/D변환기를 사용하는 일 없이 저가격, 고성능, 고응답 특성을 얻을 수 있는 힘측정기이다.

Description

힘측정기

제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예인 천칭의 구성도로, 기계적 구성의 모식도와 전기회로구성의 블록도를 병기하여 나타낸 도면,

제 2 도는 본 발명의 제 2 실시예인 천칭의 구성도로, 기계적 구성의 모식도와 전기회로구성의 블록도를 병기하여 나타낸 도면,

제 3도는 본 발명의 제 3 실시예인 공기압 측정기의 구성도로, 기계적 구성의 모식도와 전기회로구성의 블록도를 병기하여 나타낸 도면이다.

본 발명은 측정해야할 질량이나 하중 또는 압력에 대항하도록 전자력을 발생하여 자동적으로 이들을 평형시키고, 그 평형상태에서 발생하고 있는 전자력의 크기로 피측정물리량을 측정하는, 이른바 전자력자동평형형 힘측정기에 관한 것이다.

전자천칭이나 공/전(空/電)변환기와 같은 전자력자동평형형 힘측정기에서는 일반적으로 정자장중에 배치된 포오스 코일(force coil)에 전류를 흐르게 함으로써 전자력을 발생하는 전자력 발생장치에 의해 피측정질량, 하중 또는 압력(피측정물리량이라 함)에 대항한 전자력을 발생하고, 그 전자력과 피측정물리량과의 평형상태를 변위검출부에서 검출하여 그 결과를 PID(비례, 적분, 미분)연산한 후에 포오스 코일(force coil)로 피드백함으로써 피측정물리량과 전자력을 평형을 이루게 한다. 그리고 이 평형상태에서의 피드백량으로부터 피측정물리량의 측정치를 얻고 있다.

이와 같은 전자력평형형 힘측정기에서는 통상적으로 아날로그량인 변위검출결과를 아날로그연산에 의해 PID연산한다. 이 연산후의 신호를 포오스 코일로 보내고 이 포오스 코일에 흐르는 전류를 저항을 통하여 아날로그전압신호로 변환한 후 A/D변환기에서 디지탈화하여 마이크로컴퓨터에 입력하고 평균화처리 등의 연산 후에 측정표시값을 결정하고 있다.

그런데 이와 같은 아날로그 서보방식의 전자력자동평형형 힘측정기에서는 다이나믹 레인지를 저하시키는 일 없이 고정밀도화를 도모하기 위해서는 A/D변환기의 비트수를 크게 할 필요가 있으나, 비교적 비트수가 큰 A/D변환기이고 더구나 표시의 고응답성을 실현하기 위해 고속 A/D변환기를 사용한 경우에는 장치가 매우 고가로 된다고 하는 문제가 있다.

또한 포오스 코일에 흐르는 전류를 저항을 통하여 아날로그 전압신호로 변환할 때, 이 저항의 자기발열에 의해 저항치가 변하여 스팬(span)값이 변화되어 가는 문제가 있다. 또 포오스 코일의 발열에 의해 정자장을 만들기 위한 영구자석의 온도가 상승하여 정자장이 변화된 결과, 측정치의 드리프트(drift)가 발생한다고 하는 문제도 있다.

또한 아날로그 서보방식의 제어에서 안정도를 얻으려면 일반적으로 계의 비례게인을 내릴 필요가 있으나, 측정 분해능을 향상시키기 위해서는 비례게인을 올릴 필요가 있어 이들은 서로 모순된 대책을 요구하는 결과로 되어 고분해능이면서 안정된 힘측정기를 얻는 것은 매우 어려운 일이었다.

그래서 PID연산 전부를 디지탈연산으로 하는 것도 생각할 수 있으나, 단지 전부를 디지탈화하는 경우에는 고속도이면서 비트가 큰 A/D변환기의 사용은 피할 수 없음과 아울러 상당한 비용상승을 초래하게 된다.

본 발명의 목적은 고속 A/D변환기를 사용하는 일 없이 염가로 계를 고응답이고 또 외란 등에 대하여 안정된 것으로 할 수 있으며, 더구나 넓은 다이나믹 레인지와 높은 분해능을 얻기 위한 대책에 대해서도 용이한 전자력자동평형형 천칭이나 압력측정기에 사용하는 힘측정기를 제공하는데 있다.

이 목적을 달성하기 위하여 본 발명 전자력자동평형형 힘측정기를 사용한 천칭에서는 평형기구(balance mechanism)의 평형상태를 검출하기 위한 변위검출기에 의해 검출된 아날로그변위검출신호를 비례 및 미분연산을 하는 아날로그연산기와, 당해 아날로그변위검출신호를 그 크기에 따른 주파수를 갖는 펄스신호로 변환하는 변환수단에 인가한다. 또한 그 변환수단으로부터의 펄스신호를 아날로그변위검출신호의 극성에 의거하여 업 또는 다운 카운트입력으로 하는 업다운 카운터에 공급하고, 그 카운터에 의한 디지탈계수결과를 D/A변환수단에 의해 아날로그신호로 변환한다. 그리고 이 D/A변환수단의 출력과 아날로그연산기의 출력을 가산한 신호를 전자력발생장치의 포오스 코일로 피드백함과 동시에 측정치의 결정에는 카운터의 계수결과만을 이용하도록 구성하고 있다.

이와 같은 구성의 천칭에 의하면, 변환수단으로부터의 펄스신호를 카운트하는 카운터의 카운트출력은 각 아날로그변위검출신호의 적분결과와 등가로 된다. 그리고 이 업다운 카운터의 출력을 D/A변환수단에 의해 아날로그화한 신호와 , 아날로그연산기에 의해 아날로그변위검출신호를 비례 및 미분연산한 신호를 가산한 신호를 포오스 코일로 피드백하면 이 포오스 코일에는 변위검출신호의 PID연산결과가 피드백됨으로써 통상의 아날로그제어와 동등한 전자력과 피측정하중 내지는 질량과의 자동평행제어가 행해진다.

여기에서 이와 같은 PID제어를 사용한 영위법에 의거한 측정기에 있어서는 외란 내지는 측정치의 변동시에 계를 변형을 이루게 하기 위하여 P(비례) 및 D(미분) 연산을 한 신호의 피드백이 필요하고, 통상의 측정기에서는 P+I+D신호를 측정치로 하고 있다. 그러나 서보계가 안정된 상태에서는 P=Ø, D=Ø로 되므로 하중 또는 질량의 측정표시값에 필요한 것은 I(적분) 연산결과만이고 P 및 D연산결과는 불필요하다. 그래서 아날로그화하기 전의 업다운 카운터의 계수결과, 즉 디지탈적분결과만을 측정표시의 결정에 이용하는 것으로, A/D변환기를 사용하는 일 없이, 따라서 그 변환시간을 필요로 하는 일 없이 안정된 측정표시값이 얻어진다.

또한 본 발명 전자력자동평형형 힘측정기를 사용한 압력측정기에서는 압력을 측정해야할 유체분위기에 연통하는 다이어프램을 설치하고 다이어프램으로 압력을 힘으로 변환한 후 이것과 대항하도록 전자력을 발생시킨다. 이와 같이 하면 그후의 측정은 천칭의 경우와 완전히 동일하게 하면 된다.

이하에 도면을 참조하면서 본 발명의 가장 적합한 실시예에 대하여 설명한다.

제 1 도는 본 발명 힘측정기를 적용한 전자력자동평형형 천칭을 나타낸 것으로, 이 예에서의 천칭온 코오스 레인지(coarse range)용 포오스 코일(5a)과 파인 레이지(fine range)용 포오스 코일(5b)의 2레인지를 갖고 있다.

피측정하중을 싣기 위한 측정접시(1)는 지점(支点)을 중심으로 하여 자유롭게 경사되도록 되어 있고 또 평형기구의 주체를 이루는 천칭 빔(2)에 지지되어 있다. 천칭 빔(2)의 변위(경사량)는 변위검출기(3)에 의해 검출된다. 변위검출기(3)의 아날로그출력은 프리앰프(4)에 의해 증폭된 후 후술하는 회로로 유도되어 코오스레인지용 포오스 코일(5a)과 파인레인지용 포오스 코일(5b) 각각에 흐르는 전류가 제어되도록 되어 있다.

포오스 코일(5a)(5b)은 각각 정자장중에 배치되어 있으며, 각각으로 전류가 흐르면 그 전류의 크기에 따른 전자력이 발생하고, 그 전자력은 피측정하중에 대향하는 방향으로 천칭 빔(2)에 작용한다.

그리고 프리앰프(4)에 의해 증폭된 변위검출신호는 절대치회로(6), 아날로그PD(비례 및 미분) 연산회로(8) 및 제로 크로싱 검출기(9)에 입력된다. 절대치회로(6)의 출력은 V/F(전압/주파수)변환기(7)와 콤퍼레이터(10)로 유도되고, V/F변환기(7)에 의해 변위검출치의 절대치에 비례한 주파수를 갖는 펄스신호가 생성된다.

V/F변환기(7)로부터의 펄스신호는 코오스레인지용 업다운 카운터(11a)와 파인레인지용 업/다운 카운터(11b)로 유입되고 이으나, 이들 업다운 카운터(11a)(11b)는 상술한 제로 크로싱 검출기(9)에 의한 변위검출치의 극성변화검출신호를 업/다운 컨트롤신호로 하여 검출가 정(+)이면 펄스신호를 가산하고 부(-)이면 펄스신호를 감산하게 되어 있다. 콤퍼레이터(10)에 대해서는 후술한다.

코오스레인지용 및 파인레인지용 업다운 카운터(11a)(11b)로부터의 카운트출력은 각각 PWM(펄스폭 변조)회로 및 로우패스 필터를 사용한 D/A변환기(12a)(12b)로 공급된다. 이 D/A변환기(12a)(12b)는 업다운 카운터(11a)(11b)의 출력을 PWM변조하여 카운트값에 따른 듀티(duty)를 갖는 구형파신호, 즉 PWM신호를 만들고 그 PWM신호를 로우패스 필터로 평활화하여 아날로그 직류신호를 얻도록 구성되어 있다. 여기에서 각 D/A변환기(12a)(12b)에 있어서는 PWM변조회로로의 입력을 일시적으로 래치하는 래치회로(120a)(120b)를 사용하여 카운터(11a)(11b)와 PWM회로의 동기를 얻고 있다. 이 래치회로(120a)(120b)가 없으면 각 카운터(11a)(11b)는 항상 카운트동작을 하고 있는 관계상 변환 ON/OFF사이클이 달라서 충실한 변환을 기대할 수 없다.

각 D/A변환기(12a)(12b)의 아날로그출력신호는 각각 파워 앰프(13a)(13b)에 의해 전압/전류변환된 후, 각각 코오스레인지용 및 파인레인지용의 포오스 코일(5a)(5b)로 흐르게 되나, 코오스레인지용 포오스 코일(5a)에는 파워앰프(13a)로부터의 신호에 아날로그PD연산기(8)의 출력을 파워 앰프(13c)에 의해 전류변환된 신호를 가산한 신호가 흐르게 된다.

상술한 콤퍼레이터(10)는 변위검출치의 절대치를 미리 설정한 미소한 드레시홀드(threshold)와 비교하고 그 비교결과는 레인지절환모니터신호로서 사용된다. 즉 절대치회로(6)의 출력이 드레시홀드(threshold)보다도 클 경우에는 V/F변환기(7)로부터의 펄스신호는 코오스레인지용 업다운 카운터(11a)에만 공급된다. 이 경우, 그 카운트출력을 D/A변환기(12a) 및 파워 앰프(13a)를 통하여 전류변환한 신호와, 아날로그PD연산기(8)의 출력을 파워 앰프(13c)로 전류변환한 신호와의 합계인 전류가 코오스레인지용 포오스 코일(5a)에만 흐르게 되고, 이것에 의해 발생하는 전자력과 피측정하중과의 평형상태에 의거한 천칭 빔(2)의 변위검출치를 절대치회로(6)로 되돌려서 된 코오스레인지용 피드백 루프만이 형성된다. 이 상태에서 계가 안정되어가면 변위검출치가 점차 0에 접근하게 되나, 이 때 변위검출치의 절대치가 콤퍼레이터(10)의 드레시홀드 이하로 되면 그 비교출력에 의해 절대치회로(6)의 출력이 파인레인지용 업다운 카운터(11b)에 공급되고, 그 이후 파인레인지용 업다운 카운터(11b), D/A변환기(12b) 및 파워 앰프(13b)를 포함하는 코오스레인지용 피드백 루프도 동작하여 상기한 코오스레인지용 피드백 루프와 아울러 코오스레인지·파인레인지 2개의 루프에 의한 제어가 행해진다.

이 코오스레인지·파인레인지 2개의 루프가 동작하고 있는 상태에서는 파인레인지용 업다운 카운터(11b)가 오버플로했을 때 캐리오버신호를 발생하여 코오스레인지용 업다운 카운터(11a)에 공급하고 그 업다운 카운터(11a)의 카운트 업을 하도록 되어 있다.

여기에서 코오스레인지용 업다운 카운터(11a)의 LSB(최하위 비트)와 파인레인지용 업다운 카운터(11b)의 MSB(최상위 비트)와의 관계는 이들 양자에 의해 각각의 포오스 코일(5a)(5b)에 있어서의 발생전자력이 일치된 것으로 해도 되고, 또 수비트분을 오버랩한 것으로 해도 되며, 이 경우 상술한 캐리오버신호에 의해 그 오버랩량에 상당하는 분을 코오스레인지용 업다운 카운터에 가산하도록 하면 된다.

코오스레인지용 및 파인레인지용 업다운 카운터(11a)(11b)의 각 카운트출력은 마이크로컴퓨터(14)에 입력되어 양 출력이 상기한 관계하에 서로 가중가산되고, 그 가산결과를 예를 들면 평균화처리등의 적당한 연산처리를 함으로써 표시기(15)에 표시해야할 측정치가 결정된다.

한편, 아날로그PD연산기(8)는 천칭 빔(2)이 기준위치(변위 0인 위치)의 근방에서 정상상태에 도달할 때까지의 과도상태에서 계를 최적유도하는 외란제어역할을 하여 계가 안정되면 그 출력은 0이 되므로 측정치의 결정에 관여시키고 있지 않다.

여기에서 마이크로컴퓨터(14)에 있어서의 가중가산결과를 사용한 전산처리에 있어서, 상술한 콤퍼레이터(10)에 의한 비교결과를 주위환경, 특히 주변진동의 모니터결과로서 사용하고 그것에 따라 연산처리의 내용을 변경하는 것이 바람직하다.

즉 천칭의 설치장소에 외란진동이 있을 경우, 측정접시(1)에 정하중이 작용하고 있음에도 불구하고 변위검출기(3)의 출력은 변동한다. 이 경우, 코오스레인지용 피드백 루프가 정상상태로 되어도 변위검출치는 변동하여 그 절대치는 안정되어 드레시홀드내로 들어가지 않게 된다. 이 상태는 콤퍼레이터(10)의 출력에 의해 식별할 수 있기 때문에 이와 같은 경우 외란진동을 제거하여 안정된 표시값이 얻어지도록 예를 들면 평균화에 이용되는 데이타수를 증대시키거나 적분용 V/F콤퍼레이터출력 카운트수를 분주하여 카운터에 도입함으로써 적분정수를 변화시켜 안정도를 향상시키는 등 측정표시값의 결정을 위한 연산처리를 변경함으로써 항상 안정된 측정표시값을 얻는 것이 가능해진다.

이상의 실시예에서 특히 주목할 점은 변위검출기(3) 출력의 PID연산중 I연산만이 디지탈연산에 의해 행해지고 PDI연산중 I연산만이 디지탈연산에 의해 행해지고 P 및 D연산은 아날로그연산으로 행해져서 이들 각 연산결과의 합계가 피드백신호로 이용되고 디지탈에 의한 I연산결과가 측정표시값의 결정에 이용되고 있는 점이며, 더구나 I연산을 하기 위한 신호의 디지탈화에 즈음해서는 A/D변환기를 사용하는 일 없이 V/F변환기와 업다운 카운터에 의해 행하고 그 I연산의 결과인 아날로그화에 즈음해서는 업다운 카운터와의 동기를 얻기 위해 사이클 래치회로를 사용한 PWM회로와 로우패스 필터와의 조합회로를 사용하고 있는 점이다.

이것에 의해 고속 A/D변환기를 사용하는 일 없이 I연산의 디지탈화가 가능하게 되고 종래의 아날로그 서보방식을 채용하는 경우에 비해 고속 A/D변환기가 불필요하게 되어 원가절감을 달성할 수 있음과 동시에 A/D변환시간을 불필요하게 하고 PD연산을 아날로그연산으로 하는 것에 의한 과도상태에서의 계의 안정화와 고응답의 실현과 아울러 고안정, 고응답의 측정표시를 할 수 있다.

또한 코오스레인지 및 파인레인지의 2루프를 채용하여 이들을 자동적으로 적당하게 동작시키고 있는 것에 의해 다이나믹 레인지를 분할할 수 있어 코오스레인지용 루프에 대해서는 루프 게인을 대(大)로, 파인레인지용 루프에 대해서는 루프 게인을 소(小)로 하는 것으로, 넓은 다이나믹 레인지이면서 고분해능인 천칭을 얻을 수 있다.

또한 본 발명은 이상의 실시예와 같이 코오스레인지 및 파인레인지의 2루프를 설치하는 점에 한정되는 것이 아니라 디지탈 I 연산을 하는 루프와 아날로그 PD연산을 하는 루프와의 조합으로 해도 되며, 그 예를 제 2 도에 나타낸다.

제 2 도의 예는 제 1 도에 있어서의 코오스레인지 및 파인레인지의 2개의 루프중 실질적으로 파인레인지용 루프를 제거한 것이고, 다른 구성은 제 1 도의 예와 완전히 동일한 것으로서, 제 2 도에 있어서는 양 예에서 공통되는 부재 또는 회로는 제 1 도와 동일한 부호를 붙임과 동시에 그 상세한 설명을 생략한다. 이 제 2 도의 예에서는 파인레인지용 루프를 제거한 결과 콤퍼레이터(10)가 불필요하게 되고 측정표시값의 결정에는 D/A변환기(12a) 출력의 전류변환신호와 아날로그 PD연산기(8) 출력의 전류변환신호의 합계가 하나의 포오스 코일(5a)로 흐르게 되어 표시값의 결정에는 업다운 카운터(11a)의 카운트값만이 이용된다.

또한 이상의 각 예에 있어서의 회로구성은 제 3 도에 나타낸 바와 같이 다이어프램을 사용한 전자력자동평형형 압력측정기에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다.

즉 상기 예의 것은 압력을 측정해야할 유체분위기에 연통하는 압력측정기(31)의 다이어프램(32)에 빔(33)이 접속된다.

그리고 다이어프램(32)에 의해 압력을 힘으로 변환한 후, 이것과 대항하도록 포오스 코일(34)에 의해 전자력을 발생시키는 것으로, 상술한 천칭의 예와 동일한 방법으로 측정을 하면 된다.

압력과 힘의 관계는 다이어프램의 압력, 나아가서는 기체의 압력에 일정한 관계를 가지며, 그 관계는 컴퓨터에 기억되어 있다.

컴퓨터에서는 업다운 카운터(11a)의 계수결과를 받아들여 그 값을 상기한 관계하에 기체의 압력값으로 환산하여 표시기에 표시한다.

이 때 천칭의 경우와 마찬가지로 측정표시값을 결정하는데 필요한 I연산결과의 디지탈화가 고속 A/D변환기를 사용하는 일 없이 달성되어 저가격, 고안정, 고응답의 압력측정기가 얻어진다.

이와 같은 다이어프램을 사용한 전자력자동평형형 압력측정기에 있어서도 천칭의 경우와 마찬가지로 제 1 도에 나타낸 바와 같은 코오스레인지·파인레인지 2개의 피드백 루프를 형성해도 되는 것은 물론이며, 이 경우에도 제 1 도의 실시예에서의 천칭과 같은 효과를 이룰 수 있다.

Claims (3)

1. 포오스 코일(force coil)을 구비한 전자력발생장치에 의해 평형기구(balance mechanism)에 작용하는 피측정력에 대항하는 방향의 전자력을 발생함과 동시에 그 전자력과 피측정력과의 평형상태를 변위검출기로 검출하고, 그 아날로그검출신호에 비례, 적분 및 미분연산처리를 한 후, 그 연산후의 신호를 상기 포오스 코일로 피드백하여 상기 평형기구가 평형을 이루게 하고, 그 평형상태에서의 피드백량에 의거하여 상기 피측정력의 측정치를 결정하는 측정기에 있어서, 상기 변위검출기에 의한 아날로그검출신호를 입력하여 비례 및 미분연산을 하는 아날로그연산기와, 상기 아날로그검출신호를 그 크기에 따른 주파수를 갖는 펄스신호로 변환하는 펄스변환수단과, 그 펄스변환수단으로부터의 펄스신호를 상기 아날로그검출신호의 극성에 의거하여 업 또는 다운 카운트입력으로 하는 업다운 카운터와, 그 카운터에 의한 디지탈계수결과를 아날로그신호로 변환하는 D/A변환수단을 구비하고, 이 D/A변환수단의 출력과 상기 아날로그연산기의 출력을 가산한 신호를 상기 포오스 코일로 피드백함과 동시에 측정치의 결정에는 상기 카운터의 계수결과만을 이용하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자력자동평형형 힘측정기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 평형기구는 피측정하중이 부하되는 측정접시를 포함하는 천칭기구로서, 상기 피측정력은 그 측정접시에 부하되는 피측정하중에 의해 주어지면, 또 상기 측정치는 질량 또는 중량치로 환산된 후에 표시되는 것을 특징으로 하는 전자력자동평형형 힘측정기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 평형기구는 피측정유체의 압력이 작용하는 다이어프램과, 그 다이어프램에 연결된 가동 빔을 포함하고, 그 가동 빔의 변위가 상기 변위검출기에 의해 검출됨과 동시에 상기 피측정력은 상기 다이어프램에 작용하는 피측정유체의 압력에 의해 주어지며, 또 상기 측정치는 압력치로 환산된 후에 표시되는 것을 특징으로 하는 전자력자동평형형 힘측정기.