KR100456959B1 - 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치에 관한 것으로서, 질량 측정시의 온도, 압력, 습도를 측정하기 위한 수단을 구비하여 측정정확도의 향상을 위한 분위기를 기본적으로 조성할 수 있도록 하고, 밀도구와 표준분동의 교환을 수동이 아닌 자동으로 수행할 수 있는 수단을 구비하여 밀도구와 표준분동의 교환시 발생되는 질량차이의 표준편차 및 부력보정을 위한 공기밀도의 측정정확도를 높일 수 있도록 함으로써, 국제적 수준에 접근하는 측정결과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 밀도측정표준의 정확도 수준을 향상시킬 수 있도록 한 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치{Automatic weighing system for mass measurement of DSB}
본 발명은 1kg 실리콘구의 질량을 정밀하게 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도 측정장치, 압력 측정장치, 습도 측정장치, 밀도구와 표준분동의 교환을 자동으로 수행할 수 있는 2축 이송장치 및 콘트롤러 등을 포함하는 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치를 제공함으로써, 밀도구와 표준분동의 교환시 발생되는 질량차이의 표준편차 및 부력보정을 위한 공기밀도의 측정정확도를 높일 수 있으며, 궁극적으로 밀도측정표준의 정확도 수준을 향상시킬 수 있도록 한 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치에 관한 것이다.
일반적으로 밀도측정표준의 정확도 수준을 향상하기 위해 밀도표준구로 사용되는 실리콘구의 질량측정의 기술에 관한 연구가 선진국가의 측정연구기관에서 활발히 진행되고 있는 추세이다.
실리콘구의 국제적 질량측정의 수준은 확장불확도 70㎍ 정도로서 국내 측정연구기관(한국표준과학연구원)의 수준 340㎍에 비하여 5배 정도 앞서가고 있는 실정이다.
이와 같은 실정은 수동으로 밀도구와 표준분동을 교환함으로 인해서 발생되는 질량차이의 표준편차 및 부력보정을 위한 공기밀도의 측정불확도에 기인한다.
기존 밀도구의 질량을 측정하기 위한 장치들은 매우 고가이며, 측정방식이 로테이션 방식으로 되어 있어서 구조적인 측면이나 각 액추에이터 수단을 유기적으로 구성하는 측면에서의 불리함 때문에 쉽게 적용하기 어려운 실정이다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 질량 측정시의 온도, 압력, 습도를 측정하기 위한 수단을 구비하여 측정정확도의 향상을 위한 분위기를 기본적으로 조성할 수 있도록 하고, 밀도구와 표준분동의 교환을 수동이 아닌 자동으로 수행할 수 있는 수단을 구비하여 밀도구와 표준분동의 교환시 발생되는 질량차이의 표준편차 및 부력보정을 위한 공기밀도의 측정정확도를 높일 수 있도록 함으로써, 국제적 수준에 접근하는 측정결과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 밀도측정표준의 정확도 수준을 향상시킬 수 있도록 한 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 질량 측정을 위한 전자저울과, 질량 측정시의 온도, 압력 및 습도를 측정하기 위한 온도 측정장치, 압력 측정장치 및 습도 측정장치와, 밀도구를 이송하기 위한 2축 이송장치 및 콘트롤러와, 장치를 구동하고 측정된 데이터를 수집 및 저장하기 위한 PC를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2축 이송장치는 일정간격으로 나란하게 배치되는 적어도 3개의 구／분동 안착부를 갖고 있으며 전자저울을 사이에 두고 배치되면서 Y축용 스크류 전동체에 스크류 조합되는 2개의 제1전동블럭을 이용하여 X축방향 및 Y축방향으로 이동가능한 구/분동 프레임과, 상기 구/분동 프레임의 X축방향 이동을 가능하게 하는 X축용 스크류 전동체 및 이것의 회전을 위한 제1스텝모터와, 상기 구/분동 프레임의 X축방향 이동시 이를 안내하는 X축용 가이드 블럭 및 가이드 바와, 상기 구/분동 프레임의 Y축방향 이동을 가능하게 하는 Y축용 스크류 전동체, 이것에 스크류 조합되는 제2전동블럭 및 Y축 스크류 전동체의 회전을 위한 제2스텝모터와, 상기 구/분동 프레임의 Y축방향 이동시의 전체를 지지하는 승하강용 플레이트와, 상기 구/분동 프레임의 Y축방향 이동시 이를 안내하는 Y축용 가이드 블럭 및 가이드 레일을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구/분동 프레임의 각 구/분동 안착부는 구/분동 프레임의 Y축방향 하강시 그 내측으로 전자저울의 계량대가 관통되면서 위치될 수 있는 홀구조로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 PC는 X축 및 Y축의 기준 위치설정, 최대 이송범위확인, 3개의 밀도구 및 분동가 놓여질 위치를 결정하는 초기화 프로그램과 밀도구 위치 보정 프로그램을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치를 나타내는 분해 사시도
도 2는 도 1의 결합 사시도
도 3a 내지 3d는 본 발명에 따른 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치의 사용상태를 나타내는 정면도
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 전자저울 11 : 온도 측정장치
12 : 압력 측정장치 13 : 습도 측정장치
14 : 2축 이송장치 15 : 계량대
16 : 가이드 레일 17 : 구/분동 안착부
18 : 구/분동 프레임 19 : X축용 전동체
20 : 제1스텝모터 21 : X축용 가이드 블럭
22 : 가이드 바 23 : Y축용 스크류 전동체
24 : 제2스텝모터 25 : 승하강용 플레이트
26 : Y축용 가이드 블럭 27 : 타이밍 벨트
28 : 케이스 29 : 베이스 플레이트
30 : 타이밍 풀리 31 : 기어장치
32 : 제1전동블럭 33 : 제2전동블럭
34 : 받침대
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치는 질량 측정을 위한 전자저울(10)과, 질량 측정시의 온도, 압력, 습도를 측정하기 위한 온도 측정장치(11), 압력 측정장치(12), 습도 측정장치(13), 밀도구 및 표준분동을 이송하기 위한 2축 이송장치(14) 및 콘트롤러, 그리고 장치를 구동하고 측정된 데이터를 수집 및 저장하기 위한 PC로 구성되어 있다.
전자저울(10), 온도 측정장치(11), 압력 측정장치(12), 습도 측정장치(13)는 GPIB 및 RS-232 포트를 통하여 PC와 연결되어 있으며, 질량 측정이 이루어질 때마다 데이터를 PC에서 읽어 파일로 저장하게 된다.
측정할 밀도구 또는 표준분동을 이송하는 2축 이송장치(14)는 2개의 스탭모터와 가이드 수단 및 동력전달을 위한 타이밍 벨트(27)로 구동된다.
각 축에는 리미트 스위치가 장착되어 각 축의 이송범위를 초과하지 않도록 되어 있다.
구/분동 프레임(18)에는 중앙에 표준분동이 놓여지고 양옆으로 측정하고자 하는 밀도구가 놓일 수 있는 3개의 지점, 즉 3개의 구/분동 안착부(17)가 있다.
장치를 구동하는 콘트롤러에는 마이크로 프로세서가 내장되어 PC로부터 받은 위치와 속도 명령에 따라서 장치를 구동한다.
콘트롤러와 PC의 연결은 RS-232 포트를 이용하도록 되어 있다.
스텝모터는 오픈 루프(Open Loop)로 제어되어 각 축의 위치를 기억하지 않기때문에 장치의 처음 가동시에는 기준위치를 찾기 위한 초기화가 필요하다.
이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 질량 측정을 위한 전자저울(10)은 밀도구 또는 표준분동을 계량하기 위한 계량대(15)를 갖고 있으며, 4개의 다리를 이용하여 소정의 높이를 유지하면서 2축 이송장치(14)의 작동공간 내에 위치된다.
질량 측정시의 온도, 압력, 습도를 측정하기 위한 온도 측정장치(11), 압력 측정장치(12) 및 습도 측정장치(13)는 일종의 센서수단으로서 소정의 질량 측정 분위기 조성을 위해 제공되는 투명한 케이스(28)의 일측 벽면상에 설치되며, 이러한 센서수단을 이용하여 케이스(28)의 각종 조건을 검출한 후, 이때의 검출값을 PC에 제공한다.
밀도구 및 표준분동을 이송하기 위한 2축 이송장치(14)는 밀도구 및 표준분동을 직접 올려 놓을 수 있는 적어도 3개의 구/분동 안착부(17)를 갖는 구/분동 프레임(18)을 포함한다.
상기 구/분동 프레임(18)은 내측으로 배치되는 전자저울(10)의 계량부분과 간섭을 피할 수 있는 사각틀 구조로 되어 있으며, 저면에 있는 좌우 2개의 브라켓을 이용하여 X축방향 운동을 위한 구동수단과 조립된다.
이를 위하여, 구/분동 프레임(18)을 포함하는 구동수단 전체를 지지하는 승하강용 플레이트(25)가 제공되는데, 이 승하강용 플레이트(15)의 좌우 벽체에 길이방향으로 나란한 2개의 가이드 바(22)와 그 사이의 X축용 스크류 전동체(19) 및 이석의 한쪽 끝에 연결되는 제1스텝모터(20)가 설치되고, X축용 스크류 전동체(19)에는 가이드 바(22)에 의해 양단 안내를 받는 X축용 가이드 블럭(21)이 설치된다.
상기 구/분동 프레임(18)은 저면의 2개의 제1전동블럭(32)이 X축용 스크류 전동체(19)에 스크류 조합되고, 저면의 중간이 X축용 가이드 블럭(21)에 조립되므로서, 제1스텝모터(20)의 구동에 따라 X축방향으로 이동가능한 구조를 갖게 된다.
상기 구/분동 프레임(18)이 갖는 구/분동 안착부(17)는 관통홀 구조로 되어 있으며, 이에 따라 프레임의 Y축방향 이동시 전자저울(10)이 상대적으로 상승되면서 이것의 계량대(15)가 프레임 윗면 보다 윗쪽으로 올라올 수 있게 되고, 그 위에 밀도구나 표준분동이 얹혀질 수 있게 된다.
특히, 상기 구/분동 안착부(17)의 홀 주변에는 3점 지지방식의 받침대(34)가 구비되어 있어서 구(救)형의 밀도구를 용이하게 받쳐줄 수 있게 된다.
또한, 상기 2축 이송장치(14)는 구/분동 프레임(18)을 포함하는 승하강용 플레이트(25) 전체를 Y축방향으로 이동시켜줄 수 있는 수단을 제공한다.
이를 위하여, 베이스 플레이트(29)상에는 대각선 방향으로 2개의 타이밍 풀리(30)가 회전가능한 구조로 설치되는 동시에 그 사이에는 타이밍 벨트(27)가 연결되고, 각각의 타이밍 풀리(30)는 Y축용 스크류 전동체(23)를 중심축으로 하여 회전가능하게 되며, 한쪽의 Y축용 스크류 전동체(23)는 90°동력 전환이 가능한 기어장치(31)를 매개로 하여 제2스텝모터(24)와 연결되므로서, 제2스텝모터(24)의 구동력이 타이밍 벨트(27)를 통해 전달되어 2개의 Y축용 스크류 전동체(23)가 동시에 회전될 수 있게 된다.
상기 제2스텝모터(24)는 베이스 플레이트(29)상의 수직형 브라켓에 의해 지지되고, 기어장치(31)와 모터의 축과는 통상의 커플링 수단에 의해 직결된다.
실질적으로 구/분동 프레임(18)을 포함하는 승하강용 플레이트(25) 전체의 Y축방향 이동은 Y축용 스크류 전동체(23)와 제2전동블럭(33) 간의 스크류 조합에 의해 이루어진다.
상기 제2전동블럭(33)은 승하강용 플레이트(25)의 앞단과 뒷단에 각각 1개씩 장착되어 Y축용 스크류 전동체(23)와 조합되며, Y축방향 이동시 안내를 위한 수단으로는 각각의 타이밍 풀리(30) 및 Y축용 스크류 전동체(23)의 설치위치에 대해 교차하는 방향으로 대칭위치에 설치되는 2세트의 Y축용 가이드 블럭(26) 및 가이드 레일(16)이 제공된다.
상기 가이드 블럭(26)과 가이드 레일(16)은 일종의 리니어 가이드 수단으로서, 각각은 승하강용 플레이트(25)와 베이스 플레이트(29)에 1개씩 설치된다.
한편, 본 발명에서는 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화 프로그램을 제공하게 되며, 이를 위하여 장치를 구동하고 측정된 데이터를 수집 및 저장하기 위한 PC가 구비된다.
밀도구의 질량 측정의 불확도 항목 중에서 공기의 밀도 측정에 대한 불확도를 줄이는 것이 매우 중요하다.
왜냐하면, 밀도구와 표준분동의 밀도 차이가 3배 이상으로 크기 때문에 공기부력의 측정 정확도가 밀도구의 질량 측정의 수준을 결정하기 때문이다.
공기밀도의 불확도 수준을 10㎍ 정도로 개선하기 위해서는 모든 측정순서들이 완전 자동화되어야 한다.
본 발명에서 제공하는 프로그램은 초기화, 밀도구 위치보정 그리고 질량 측정 및 데이터 수집의 3개의 독립된 프로그램으로 구성되어 있다.
초기화 프로그램은 이송장치를 초기화하는 역할을 하는 것으로 각 축의 기준 위치 설정, 최대 이송 범위 확인 및 3개의 밀도구 및 표준분동이 놓여질 위치를 결정하여 이 정보를 밀도구 위치 보정 프로그램과 질량 측정 및 데이터 수집 프로그램이 사용할 수 있도록 파일로 저장한다.
장치 초기화는 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치가 처음 가동되었을 때 한번만 해주면 장치의 전원을 차단하기 이전에는 장치에 이상이 없는 한 반복할 필요는 없다.
밀도구 위치 보정 프로그램은 질량 측정장치에 밀도구가 편심되어 놓일 경우 정확한 측정이 이루어지지 않기 때문에 정확한 위치에 올려지도록 이송장치 위의 밀도구 위치를 보정한다.
보정방법은 자유롭게 흔들리도록 제작된 질량 측정장치의 계량부분에 지정된 횟수만큼 밀도구를 올렸다 내렸다를 반복하여 중력에 의해 자연스럽게 위치가 결정되도록 하였다.
밀도구의 위치 보정은 밀도구가 처음 이송장치 위에 놓인 후 반드시 실행하여 정확한 위치에 놓여졌는지 확인하고 보정하여야 하고, 이때 질량 측정장치의 계량부분과 이송장치의 구/분동 프레임 사이에 접촉이 일어나는지 확인하여야 한다.
질량 측정 및 데이터 수집 프로그램은 실질적으로 질량을 측정하는 부분으로 밀도구 질량측정의 상태를 나타내는 부분과 온도, 압력, 습도, 측정된 질량을 표시하는 부분과, 질량 측정방법을 선택하고 측정횟수를 지정하는 부분과, 측정이 끝난 후 최종 데이터를 표시하고 저장하는 부분으로 구성되어 있다.
온도, 압력, 습도는 매번 질량 측정이 이루어질 때마다 측정되며, 질량 측정은 지정된 횟수만큼 반복 측정하여 오차를 줄이도록 되어 있다.
측정된 데이터는 지정된 위치에 파일로 저장되며, 질량 계산식에 의하여 질략을 계산하게 된다.
도 3a 내지 3d에서는 질량 측정의 기준이 되는 표준분동을 이용하여 질량 측정의 대상이 되는 밀도구에 대한 질량 측정작업을 개략적으로 보여주고 있다.
위의 측정작업은 콘트롤러 및 PC에 의해 완전 자동으로 진행되며, 질량 측정과 함께 측정 공간에 대한 분위기도 적절하게 조성된다.
액추에이터 수단으로는 스텝모터 등이 제공되며, 분위기 조성에 대한 데이터의 제공은 온도, 습도, 압력 측정을 위한 센서 수단이 담당한다.
초기화 프로그램과 밀도구 위치 보정 프로그램에 의해 이송장치의 초기화와 밀도구의 위치가 보정된 후, 질량 측정 및 데이터 수집 프로그램이 가동된다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 구/분동 프레임(18) 위에는 1개의 표준분동과 2개의 밀도구, 또는 1개의 표준분동, 1개의 밀도구 및 1개의 보정구와 같이 임의의 밀도구 조합을 선택하여 놓을 수 있으며, 이때의 보정구는 표준분동에 대한 질량 보정을 위해 사용된다.
제1스텝모터(20)의 작동에 따라 구/분동 프레임(18)이 X축방향으로 이동하고, 표준분동이 전자저울(10)의 계량부분에 위치된다.
도 3b에 도시한 바와 같이, 제2스텝모터(미도시)의 작동에 따라 구/분동 프레임(18) 및 3개의 구를 포함하는 승하강용 플레이트(25)가 Y축방향으로 하향 이동하고, 표준분동이 전자저울(10)의 계량대(15) 위에 놓여지면서 질량이 측정된다.
이때의 질량 측정값은 질량 측정 및 데이터 수집 프로그램에 저장된다.
표준분동에 대한 질량 측정이 완료되면, 제2스텝모터(미도시)의 작동에 따라 구/분동 프레임(18)을 포함하는 승하강용 플레이트(25)가 Y축방향으로 상향 이동하고, 표준분동은 재차 구/분동 프레임(18)의 구/분동 받침대(34) 위에 놓여진다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 제1스텝모터(20)의 작동에 따라 구/분동 프레임(18)이 X축방향으로 이동하고, 질량을 측정하고자 하는 밀도구가 전자저울(10)의 계량부분에 위치된다.
도 3d에 도시한 바와 같이, 제2스텝모터(미도시)의 작동에 따라 구/분동 프레임(18) 및 3개의 구를 포함하는 승하강용 플레이트(25)가 Y축방향으로 하향 이동하고, 밀도구가 전자저울(10)의 계량대(15) 위에 놓여지면서 질량이 측정된다.
이때의 질량 측정값은 질량 측정 및 데이터 수집 프로그램에 저장된다.
밀도구에 대한 질량 측정이 완료되면, 제2스텝모터(미도시)의 작동에 따라 구/분동 프레임(18)을 포함하는 승하강용 플레이트(25)가 Y축방향으로 상향 이동하고, 밀도구는 재차 구/분동 프레임(18)의 구/분동 받침대(34) 위에 놓여진다.
측정하고자 하는 밀도구가 1개 더 있는 경우, 또는 보정구가 존재하는 경우에도 위의 과정을 반복 수행하여 질량을 측정하거나 표준분동에 대한 보정을 실시할 수 있다.
질량 측정시 온도, 압력, 습도는 매번 질량 측정이 이루어질 때마다 측정하는 것이 바람직하고, 질량 측정은 지정된 횟수만큼 반복 측정하여 오차를 줄이는 것이 바람직하다.
따라서, 밀도구 및 표준분동의 질량 측정에 대한 데이터는 PC의 지정된 위치에 파일로 저장되며, 질량 계산식에 의하여 질량을 계산할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서 제공하고 있는 측정장치를 상용 제품인 1kg 질량비교기에 설치한 후, 실리콘구의 질량을 측정하여 성능을 평가하였다.
위의 성능평가에서 본 발명의 측정장치는 질량 측정의 표준편차가 56㎍이고 확장불확도가 94㎍(k=2, 95%)인 국제적 수준에 근접하는 측정결과를 얻을 수 있는 높은 정확도를 가지고 있음을 보여준다.
이상에서와 같이 본 발명은 밀도구 및 표준분동의 질량 측정과 관련한 모든 측정순서에 완전 자동화 개념을 도입하여 공기의 밀도측정에 대한 정확도 수준을 획기적으로 높일 수 있는 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치를 제공함으로써, 국제적 수준에 접근하는 측정결과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 밀도측정표준의 정확도 수준을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 질량 측정을 위한 전자저울(10);
    질량 측정시의 온도, 압력 및 습도를 측정하기 위한 온도 측정장치(11), 압력 측정장치(12) 및 습도 측정장치(13);
    밀도구를 이송하기 위하여 일정간격으로 나란하게 배치되는 적어도 3개의 구/분동 안착부(17)를 갖고 있으며 전자저울(10)을 사이에 두고 배치되면서 Y축용 스크류 전동체(23)에 스크류 조합되는 2개의 제1전동블럭(32)을 이용하여 X축방향 및 Y축방향으로 이동가능한 구／분동 프레임(18)과, 상기 구／분동 프레임(18)의 X축방향 이동을 가능하게 하는 X축용 스크류 전동체(19) 및 이것의 회전을 위한 제1스텝모터(20)와, 상기 구／분동 프레임(18)의 X축방향 이동시 이를 안내하는 X축용 가이드 블럭(21) 및 가이드 바(22)와, 상기 구／분동 프레임(18)의 Y축방향 이동을 가능하게 하는 Y축용 스크류 전동체(23), 이것에 스크류 조합되는 제2전동블럭(33) 및 Y축 스크류 전동체(23)의 회전을 위한 제2스텝모터(24)와, 상기 구/분동 프레임(18)의 Y축방향 이동시의 전체를 지지하는 승하강용 플레이트(25)와, 상기 구/분동 프레임(18)의 Y축방향 이동시 이를 안내하는 Y축용 가이드 블럭(26) 및 가이드 레일(16)을 포함하여 구성되는 2축 이송장치(14) 및 콘트롤러;
    장치를 구동하고 측정된 데이터를 수집 및 저장하기 위하여 X축 및 Y축의 기준 위치설정, 최대 이송범위확인, 3개의 밀도구 및 분동가 놓여질 위치를 결정하는 초기화 프로그램과 밀도구 위치 보정 프로그램을 포함하여 구성되는 PC;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 구/분동 프레임(18)의 각 구/분동 안착부(17)는 구/분동 프레임(18)의 Y축방향 하강시 그 내측으로 전자저울(10)의 계량대(15)가 관통되면서 위치될 수 있는 홀구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 밀도구의 질량 측정을 위한 자동화장치.
  4. 삭제
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