KR101061100B1 - 정밀 웨이팅 벨런스 - Google Patents

정밀 웨이팅 벨런스 Download PDF

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KR101061100B1
KR101061100B1 KR1020110057170A KR20110057170A KR101061100B1 KR 101061100 B1 KR101061100 B1 KR 101061100B1 KR 1020110057170 A KR1020110057170 A KR 1020110057170A KR 20110057170 A KR20110057170 A KR 20110057170A KR 101061100 B1 KR101061100 B1 KR 101061100B1
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Abstract

본 발명은 정밀측정 기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 아주 정밀하게 무게를 측정할 수 있는 정밀 웨이팅 밸런스에 관한 것이다.
본 발명의 웨이팅 밸런스는 외형을 형성하는 프레임(1), 측정하고자 하는 물체를 올려두는 계량대(2), 상기 계량대(2)를 지지하는 스프링(3)과 댐퍼(4), 상기 계량대(2)의 자루에 회전가능하도록 결합되어 계량대의 수직 변위를 증폭시키는 증폭레버(5), 상기 증폭레버(5)에 결합되어 증폭레버(5)의 수평을 유지하는 힘을 제공하는 전기액추에이터(6), 상기 프레임(1)에 부착되어 상기 증폭레버(5) 끝단의 위치를 감지하는 위치감지기(7), 그리고 전저저울의 작동에 필요한 조작을 하고 전기액추에이터(6)를 구동하여 증폭레버(5) 끝단이 위치감지기(7)의 영점에 있게 하고 전기액추에이터(6)에 공급되는 전류를 측정하여 이를 무게로 환산하고 환산된 무게를 표시하는 기능을 하는 컨트롤러(8)로 구성된다.
본 발명의 웨이팅 밸런스는 통상의 전자저울과 같이 사용이 편리하면서도 아주 작은 무게를 측정할 수 있고, 또한 아주 정밀하게 무게를 측정할 수 있다.

Description

정밀 웨이팅 벨런스{Precise Weighing Balance}
본 발명은 정밀측정 기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 아주 정밀하게 무게를 측정할 수 있는 웨이팅 벨런스에 관한 것이다.
무게를 계량하는 도구를 저울이라고 하는데, 고래로부터 여러 종류의 저울들이 개발되어 사용되고 있다. 최근에는 전자저울이 개발되어 아주 편리하게 사용되고 있는데, 이러한 전자저울은 무게를 감지하는 수단으로 압전소자를 사용하고 있다.
압전소자는 일종의 세라믹으로서 가해지는 힘에 비례하여 전기가 발생된다. 이와 같이 힘 또는 변형이 가해지면 전기가 발생하는 재료를 통칭하여 피에조 재료라고 하는데, 압전소자도 일종의 피에조 재료이다. 피에조 재료는 압축력을 받아 전기가 발생하는 압축형, 전단력을 받아 전기가 발생하는 전단형 등 여러 가지가 있다.
피에조 재료는 가해지는 힘에 비례하여 전기가 발생하므로, 무게를 계량하고자 하는 물체를 그 위에 올려 두었을 때 발생하는 전기량(주로 전류)을 측정하여 이를 무게로 환산한다.
현재 많이 사용되는 전자저울은 모두 상기와 같은 전기적 특성을 가진 피에조 재료를 이용하여 제작되는데, 피에조 재료는 상당히 큰 힘이 작용하여야 비로소 측정가능한 정도의 전기가 발생하고, 피에조 재료의 전기적 특성이 선형성이 좋지 않아 발생하는 전기량이 무게에 정확히 비례하지 않고, 또한 피에조 재료는 온도 습도 등 주변 환경에 따라 전기적 특성이 변하는 등의 특성으로 인하여 아주 작은 무게를 측정하는 것이 불가능하고 또한 아주 정밀한 무게의 측정이 어려운 등의 문제점이 있다.
상기와 같이 현재 편리하게 사용되고 있는 압전소자를 이용한 통상의 전자저울은 사용이 편리하기는 하지만, 아주 작은 무게를 계량하는 것이 불가능하고 또한 아주 정밀한 무게의 측정이 어려운 등의 문제점이 있는바, 통상의 전자저울과 같이 사용이 편리하면서도 아주 작은 무게를 계량할 수 있고, 또한 아주 정밀하게 무게를 계량할 수 있는 새로운 개념의 일종의 전자저울인 웨이팅 밸런스가 필요하다.
본 발명의 웨이팅 밸런스는 외형을 형성하는 프레임(1), 측정하고자 하는 물체를 올려두는 계량대(2), 상기 계량대(2)를 지지하는 스프링(3)과 댐퍼(4), 상기 계량대(2)의 자루에 회전가능하도록 결합되어 계량대의 수직 변위를 증폭시키는 증폭레버(5), 상기 중폭레버(5)에 결합되어 증폭레버(5)의 수평을 유지하는 힘을 제공하는 전기액추에이터(6), 상기 프레임(1)에 부착되어 상기 증폭레버(5) 지시침의 위치를 감지하는 위치감지기(7), 그리고 전저저울의 작동에 필요한 조작을 하고 전기액추에이터(6)를 구동하여 증폭레버(5) 끝단이 위치감지기(7)의 영점에 있게 하고 전기액추에이터(6)에 공급되는 전류를 측정하여 이를 무게로 환산하고 환산된 무게를 표시하는 기능을 하는 컨트롤러(8)로 구성된다.
컨트롤러(8)는 웨이팅 밸런스의 작동에 필요한 조작을 입력할 수 있게 하는 입력부(81), 중량측정 결과와 웨이팅 밸런스의 작동상태를 표시하는 표시부(82), 중량측정에 필요한 기초 데이터 및 연산과 제어에 필요한 프로그램이 저장되어 있는 메모리부(83), 전기액추에이터(6)에 인가되는 전류를 측정하는 전류계(84), 외부 전기를 공급받아 전기액추에이터(6)에 전기를 공급하는 전원공급기(85), 그리고 위치감지기(7)가 감지한 증폭레버(5) 지시침(51)의 위치정보를 받아들여 증폭레버(5)의 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 지시하도록 전기액추에이터(6)에 공급되는 전류를 연산하여 상기 전원공급기(85)로 송출하고 상기 전류계(84)에서 수신한 전류정보로부터 측정대상물의 중량을 환산하여 상기 표시부(82)로 송출하는 기능을 가진 제어연산부(86)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 웨이팅 밸런스는 계량대(2)의 접시(1)에 측정대상물을 올리지 않은 상태에서 증폭레버(5)의 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 지시하도록 전기액추에이터(6)를 구동하는데 소요되는 초기인가전류(I0)와 계량대(2)의 접시(21)에 측정대상물을 올려두고 증폭레버(5)의 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 지시하도록 전기액추에이터(6)를 구동하는데 소요되는 측정인가전류(I1)의 차이를 계산하여 측정대상물의 중량을 측정한다.
전류의 세기는 아주 정밀하게 측정할 수 있고, 측정대상물의 중량 이외에 중량의 측정에 영향을 주는 모든 요인들의 영향은 상기한 초기화 과정에서 모두 배제되므로, 본 발명의 웨이팅 밸런스는 측정대상물의 중량을 아주 정밀하게 측정할 수 있다.
따라서 본 발명의 웨이팅 밸런스는 통상의 전자저울과 같이 사용이 편리하면서도 아주 작은 무게를 측정할 수 있고, 또한 아주 정밀하게 무게를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 웨이팅 밸런스의 전체구성도이다.
도 2는 스토퍼를 사용한 웨이팅 밸런스의 전체구성도이다.
도 3은 판스프링을 사용한 웨이팅 밸런스의 전체구성도이다.
도 4는 두겹의 판스프링을 사용한 웨이팅 밸런스의 전체구성도이다.
도 5는 두겹의 판스프링 끝단에 작용하는 힘과 모멘트를 도시한 것이다.
도 6은 컨트롤러의 구성도이다.
도 7은 증폭레버에 작용하는 힘과 모멘트를 도시한 것이다.
본 발명의 웨이팅 밸런스의 구성은 도 1에 도시한 바와 같은데, 외형을 형성하는 프레임(1), 상기 프레임(1)의 상면으로 노출되어 측정하고자 하는 물체를 올리는 것으로서 측정대상물을 올리는 접시(21)와 상기 접시(21)의 하단에 형성되는 자루(22)로 구성되는 계량대(2), 상기 프레임(1)에 고정되어 상기 계량대(2)의 자루(22)를 받쳐주는 스프링(3)과 댐퍼(4), 한쪽 끝이 상기 계량대(2)의 자루(22)에 회전가능하도록 핀(23)으로 결합되고 다른 쪽 끝은 뾰족한 지시침(51)을 구비하고 상기 계량대(2)의 자루(22)와 결합되는 쪽으로 치우친 곳의 프레임(1)에 고정된 지지대(52)에 회전할 수 있도록 핀(53)으로 결합되고 그리고 지시침(51)이 있는 쪽에 전기액추에이터(6)를 결합할 수 있는 브래킷(54)이 구비된 증폭레버(5), 상기 프레임(1)에 고정되고 로드가 상기 중폭레버(5)의 브래킷(54)에 결합되어 증폭레버(5)에 수평을 유지하는 힘을 제공하는 전기액추에이터(6), 상기 프레임(1)에 부착되어 상기 증폭레버(5) 지시침의 위치를 감지하는 위치감지기(7), 그리고 웨이팅 밸런스의 작동에 필요한 조작을 하고 전기액추에이터(6)를 구동하여 증폭레버(5) 끝단이 위치감지기(7)의 영점에 있게 하고 전기액추에이터(6)에 공급되는 전류를 측정하여 이를 무게로 환산하고 환산된 무게를 표시하는 기능을 하는 컨트롤러(8)로 구성된다.
프레임(1)은 웨이팅 밸런스의 골격을 형성하고, 웨이팅 밸런스의 각 구성품들을 부착하는 기능을 하는 것으로서, 상자형 또는 탁자형으로 제작한다.
계량대(2)는 무게를 측정하고자 하는 물체를 올려두는 곳으로서, 접시(21)와 자루(22)로 구성된다. 자루(22)에는 중폭레버(5)의 끝단이 회전가능한 핀(23)으로 결합된다.
상기 계량대(2)는 상기 프레임(1)에 고정된 스프링(3)에 의하여 지지된다. 스프링(3)은 계량대(2) 자체의 중량과 계량대의 접시(21)에 올려진 측정대상 물체의 중량에 의하여 탄성적으로 수직 하방으로 변형을 한다. 스프링은 변형량(δ)에 비례하여(이때 비례상수를 "스프링상수(k)"라고 한다.) 반력이 생기는 기계요소인데, 측정대상 물체의 중량(W)에 의한 변형량(δ)은 W/k가 된다.
계량대(2)는 스프링(3)과 댐퍼(4)로 지지하는 대신에 도 2에 도시한 바와 같이 스토퍼(3a)로 지지할 수도 있다. 이때 스토퍼(3a)는 중폭레버(5)가 계량대(2) 자체의 중량에 의하여 일정 각도 이상으로 회전할 수 있는 높이로 한다. 계량대를 이와 같이 스프링(3)과 댐퍼(4)로 지지하지 않고 스토퍼(3a)로 지지할 경우, 중량 측정 중에 외부에서 진동이 웨이팅 밸런스로 전달될 경우, 진동이 프레임(1)을 통하여 계량대에 전달되어 측정대상물이 흔들릴 수 있고, 이 경우 대략적인 중량의 측정은 가능 하지만 아주 정밀한 중량의 측정이 불가능할 경우가 있다.
계량대(2)를 스프링(3)으로 지지할 경우, 스프링(3)과 계량대(2)의 질량(m=Ws/g, 여기서 Ws : 계량대의 무게, g : 중력가속도)으로 1 자유도계 진동시스템을 이루는데, 이 경우 외부에서 진동이 웨이팅 밸런스를 통하여 프레임(1)에 전달되더라도 진동시스템이 방진장치 역할을 하여 프레임(1)의 진동이 계량대(2)에 전달되지 않는다. 따라서 계량대(2)를 스프링(3)으로 지지하면 웨이팅 밸런스는 주변진동의 영향을 받지 않고 항상 정밀한 중량측정을 할 수 있다.
계량대(2)를 스프링(3)으로 지지한 웨이팅 밸런스에 별도의 댐퍼가 없을 경우 계량대(2)에 물체를 올릴 때, 웨이팅 밸런스가 설치된 건물의 바닥에 진동이 가해질 때, 웨이팅 밸런스의 프레임(1)에 예상치 못한 충격이 가해질 때 등과 같이 일시적으로 가해지는 비정상적인 외력에 의하여 진동시스템이 그 고유진동수와 같은 주파수로 자유진동을 하므로 질량 역할을 하는 계량대(2)가 장시간 진동하고, 이와 같이 계량대(2)가 진동할 경우 웨이팅 밸런스가 안정되지 않아 중량측정이 어려운 문제가 있다. 경우에 따라서는 진동시스템의 고유진동수와 동일한 주파수의 진동이 외부에서 유입할 경우, 스프링(3)과 계량대(2)가 이루는 진동시스템이 공진을 하여 측정이 아예 불가능한 경우가 발생할 수도 있다.
별도의 댐퍼를 사용하지 않더라도 중폭레버(5)의 핀 결합 부위 등에서 마찰에 의한 진동의 감쇠가 일어나기는 하지만, 진동이 완전히 정지하는데 장시간이 소요되어 능률적인 측정을 할 수 없으므로, 별도의 댐퍼(4)를 스프링(3)과 함께 사용하는 것이 좋다. 이와 같이 댐퍼를 구비하면, 계량대(2)와 스프링(3) 그리고 댐퍼(4)가 진동 감쇠기능이 있는 1자유도계 진동시스템을 이룬다.
통상적으로 댐퍼(4)는 진동 속도에 비례하는 반력(Fd = Cv, 여기서 C : 댐핑계수, v : 진동속도)을 진동체인 질량에 가하여 진동을 억제하는데, 이와 같은 특성을 가진 댐퍼로는 마찰댐퍼, 유체댐퍼 등이 개발되어 진동제어장치로 사용되고 있다. 댐퍼(4)의 댐핑계수는 임계댐핑계수(
Figure 112011044572907-pat00001
)로 하는 것이 진동을 가장 빨리 멈추도록 진동계를 안정시킬 수 있어 좋다.
상기와 같이 계량대(2)를 스프링(3)으로 지지하거나 스토퍼(3a)로 지지할 경우, 계량대(2)가 기울어지는 것을 방지하고 또한 계량대(2)의 상하운동을 방해하지 않도록 프레임(1)의 상면에서 계량대(2)의 자루(22)가 통과하는 부위에 베어링(11)을 구비하는 것이 좋다. 이와 같이 프레임(1)에 베어링(11)을 구비하면, 측정대상물의 중량을 대략적으로 측정할 경우에는 문제가 없으나, 베어링(11)의 마찰력에 의하여 측정대상물의 중량을 아주 정확히 측정할 때 측정오차가 발생한다.
베어링(11)의 마찰력에 의한 측정오차를 방지하려면, 웨이팅 밸런스에 도 3에 도시한 바와 같이 스프링(3)으로 코일스프링을 사용하는 대신에 판스프링(31)을 사용하면 된다. 이 경우 판스프링인 스프링(2)의 한쪽 끝은 프레임(1)에 고정되고, 다른 쪽 끝에는 상기 계량대(2)의 자루(22)가 결합되는데, 이 경우 판스프링(31)은 외팔보(Cantilever)가 된다. 수평 외팔보의 끝단에 수직 하중(P)이 가해지면 끝단의 변형 δ는 PL3/3EI이 되고, 스프링상수 k(=P/δ)는 3EI/L3이된다.(여기서, L : 외팔보 길이, E : 외팔보 재료의 영률, I : 외팔보의 단면관성모멘트).
즉, 외팔보인 판스프링(31)은 스프링상수가 3EI/L3인 스프링(3)인데, 길이(L)를 길게 하고 두께가 얇은 스프링강판으로 제작할 경우, 스프링상수가 아주 낮은 스프링이 되므로 작을 중량에도 스프링(3)이 지지하는 계량대(2)에 큰 변형이 일어나게 되어 웨이팅 밸런스의 중량 분해능(Resolution)이 좋아진다. 이와 같이 작은 측정 중량에도 계량대(2)에 큰 변형이 일어나는 스프링이 작은 중량을 정밀하게 측정하는 웨이팅 밸런스의 스프링으로 적합하다. 그리고 스프링(3)으로 판스프링을 사용할 경우 판스프링(31) 자체가 계량대(2)가 기울어지는 것을 방지하므로, 베어링(11)과 같은 구성품을 사용할 필요가 없고, 따라서 베어링의 마찰에 의한 측정오차가 발생하지 않는다.
스프링(3)으로 한 겹의 판스프링(31)을 사용할 경우 측정대상물이 계량대(2)의 접시(21)의 중심에 놓이지 않고 한쪽으로 치우쳐 편심(e)을 가지고 놓일 경우 스프링의 끝단에는 계량대(2)와 측정대상물의 중량(W)을 합한 중량이 스프링(3)의 끝에 작용함과 동시에 측정대상물의 편심에 의한 모멘트(M = We)가 작용하게 된다. 이 모멘트(M)에 의한 외팔보의 변형(δe)은 ML2/2EI가 되는데, 편심(e)이 작고 외팔보의 길이가 충분히 길 경우 측정에 큰 오차를 유발하지 않으므로 측정대상물의 중량을 대략적으로 측정하는 데는 문제가 없으나, 측정대상물의 중량을 아주 정확히 측정할 때 상당한 측정오차가 발생한다.
웨이팅 밸런스에서 상기와 같이 측정대상물의 편심에 의한 측정오차를 없애려면, 도 4에 도시한 바와 같이 스프링(3)으로 두 겹의 판스프링(31)을 사용하고 두 판스프링의 끝단을 연결판(32)로 연결하면 된다. 측정대상물이 가벼울 경우 판스프링이 거의 수평인 상태에서 중량의 측정이 이루어지므로 연결판(32)을 두 판스프링(31)의 끝단에 강체결합을 하여도 큰 측정오차를 유발하지 않는다. 그러나 계량대(2) 또는 측정대상물의 중량이 상당할 경우 판스프링(31)에 큰 굽힘 변형이 발생하여 연결판(32)이 각 판스프링(31)의 자유로운 변형을 방해하게 되므로, 연결판(32)이 두 판스프링에서 자유롭게 회전하도록 핀(33)으로 결합하는 것이 좋다.
상기와 같이 스프링(3)으로 두 겹의 판스프링(31)을 사용할 경우 스프링(3)은 두 개의 스프링이 병렬로 연결된 것과 같고, 그 스프링상수는 두 판스프링(31)의 스프링상수를 합한 것과 같다. 만약 두 겹의 판스프링(31)이 동일한 것이라면, 스프링상수는 하나의 판스프링 스프링상수의 두 배가 된다.
상기와 같이 연결판(32)을 핀(33)으로 연결할 경우, 도 5에 도시한 바와 같이, 측정대상물이 계량대(2) 접시(21)의 중심에 놓이지 않고 한쪽으로 치우쳐 편심(e)을 가지고 놓일 경우에 발생하는 모멘트(M = We)는 두 판스프링에서 발생하는 저항력(P)에 에 의하여 발생하는 역모멘트(Mc = Ph, 여기서 h : 두 판스프링의 간격)에 의하여 상쇄된다. 따라서 스프링(3)으로 두 겹의 판스프링(31)을 사용하고, 이 두 판스프링의 끝단을 핀(33)을 이용하여 연결판(32)로 연결할 경우, 판스프링(31)에는 항상 계량대(2)와 측정대상물의 중량에 의한 수직하중만 작용하여, 측정대상물이 계량대(2) 접시(21)의 중심에 올려지지 않더라도 항상 정확한 중량측정이 이루어진다.
증폭레버(5)는 한쪽 끝이 상기 계량대(2)의 자루(22)에 회전가능하도록 핀(23)으로 결합되고, 다른 쪽 끝은 뾰족한 지시침(51)을 구비하여 위치감지기(7)의 눈금을 지시할 수 있게 하고, 계량대(2)의 자루(22)와 결합되는 쪽으로 치우친 곳의 프레임(1)에 고정된 지지대(52)에 회전할 수 있도록 핀(53)으로 결합된다. 그리고 증폭레버(5)의 지시침(51)이 있는 쪽에는 전기액추에이터(6)를 결합할 수 있는 브래킷(54)이 구비된다.
이와 같은 구성의 증폭레버(5)는 계량대(2)만의 중량에 의하여 스프링이 변형했을 때 수평을 유지하도록 지지대(52)의 높이를 정하는 것이 좋다. 이 경우 계량대(2)의 접시(21)에 측정대상물이 올려지면, 스프링(3)이 변형되면서 계량대(2)의 자루(22)가 수직 하방으로 움직이면서 핀(23)으로 결합된 증폭레버(5)의 끝을 누르게 되고, 증폭레버(5)는 지지대(52)의 핀(53) 결합 부위를 중심으로 회전하여 지시침(51)이 수직으로 상승한다. 이때 지지대(52)가 계량대(2)의 자루(22)와 결합되는 쪽으로 치우쳐 있으면, 계량대(2)의 자루(22)의 작은 변형에도 증폭레버(5)의 지시침(51)은 크게 이동하게 된다. 이와 같이 지시침(51)은 크게 이동하면, 지시침(51)을 위치감지기(7)의 영점을 지시하도록 전기액추에이터(6)를 제어하는 것이 용이하다.
전기액추에이터(6)는 외부에 힘을 가하는 로드가 상기 증폭레버(5)의 브래킷(54)에 결합되는데, 계량대(2)와 측정대상물의 중량에 의하여 회전하는 증폭레버(5)를 아래 방향으로 잡아당겨 증폭레버(5)가 수평을 유지하게 한다. 전기액추에이터(6)는 인가되는 전류량에 비례하는 힘을 내므로, 전기액추에이터에 인가되는 전류의 크기를 측정하면 전기액추에이터(6)가 증폭레버(5)의 브래킷(54) 부위에 가하는 힘의 크기를 알 수 있다.
위치감지기(7)는 상기 프레임(1)에 부착되어 상기 증폭레버(5)의 지시침(51)의 위치를 감지한다.
컨트롤러(8)는 도 6에 도시한 바와 같이, 웨이팅 밸런스의 작동에 필요한 조작을 입력할 수 있게 하는 입력부(81), 중량측정 결과와 웨이팅 밸런스의 작동상태를 표시하는 표시부(82), 중량측정에 필요한 기초 데이터 및 연산과 제어에 필요한 프로그램이 저장되어 있는 메모리부(83), 전기액추에이터(6)에 인가되는 전류를 측정하는 전류계(84), 외부 전기를 공급받아 전기액추에이터(6)에 전기를 공급하는 전원공급기(85), 그리고 위치감지기(7)가 감지한 증폭레버(5) 지시침(51)의 위치정보를 받아들여 증폭레버(5)의 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 지시하도록 전기액추에이터(6)에 공급되는 전류를 연산하여 상기 전원공급기(85)로 송출하고 상기 전류계(84)에서 수신한 정류정보로부터 측정대상물의 중량을 환산하여 상기 표시부(82)로 송출하는 기능을 가진 제어연산부(86)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 웨이팅 밸런스는 다음과 같이 측정대상물의 중량을 측정한다.
먼저 계량대(2)의 접시(1)에 측정대상물을 올리지 않은 상태에서 컨트롤러(8)가 증폭레버(5)의 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 지시하도록 전기액추에이터(6)를 구동하고, 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 안정적으로 지시하면 이때 전류계(84)가 측정한 전기액추에이터 초기인가전류(I0)를 기억한다. 이때 컨트롤러(6)의 입력부(81)의 초기화 버튼("리셋", "시작" 등의 버튼명칭이 주로 사용된다.)을 눌러 초기화하면, 표시부(82)는 중량 "0(Zero)"을 표시한다.
상기와 같이 증폭레버(5)의 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 안정적으로 지시하면, 계량대(2)의 접시(1)에 측정대상물을 올리는데, 이 경우 스프링(3)이 탄성적으로 변형되면서 계량대(2)의 자루(22)가 증폭레버(5)의 한쪽 끝을 눌러서 증폭레버(5)를 회전시키고, 지시침(51)은 위치감지기(7)의 영점을 벗어나서 위로 올라가게 된다.
그 다음으로 컨트롤러(8)가 다시 증폭레버(5)의 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 지시하도록 전기액추에이터(6)를 구동하고, 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 안정적으로 지시하면 이때 전류계(84)가 측정한 측정인가전류(I1)를 기억한다.
그 다음으로 컨트롤러(8)의 제어연산부(86)는 측정인가전류(I1)와 초기인가전류(I0)의 차이를 계산하여 측정대상물의 중량을 환산한다. 측정인가전류(I1)와 초기인가전류(I0)의 차이인 전류차(ΔI)는 전기액추에이터(6)가 증폭레버(5)에 오직 측정대상물의 중량 만에 의하여 증폭레버(5)가 회전한 것을 원위치시키는데 소요되는 힘을 가하는데 소요되는 전류이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 인가되는 전류에 비례하여 힘을 내는 선형 전기액추에이터에서 비례상수(이를 본 명세서에서는 "액추에이터상수"라 칭한다.)를 C라고 하면, 증폭레버(5)에 전기액추에이터(6)가 추가로 가한 힘(F)은 액추에이터상수와 전류차의 곱인 C·ΔI가 된다. 액추에이터상수(C)는 본 발명의 웨이팅 밸런스와 중량을 알고 있는 물체인 표준 분동을 이용하여 실험적으로 구할 수도 있다.
증폭레버(5)는 수평을 유지하므로, 증폭레버(5)에서 전기액추에이터(6)가 추가로 가한 힘(F)에 의한 모멘트(F·b = C·ΔI·b, 여기서 b : 전기액추에이터 쪽 팔의 길이)는 측정대상물의 중량에 의한 모멘트(W·a = kδ·a, 여기서 a : 중량 쪽 팔의 길이)와 같다. 따라서 측정물의 중량(W)은 전기액추에이터(6)가 추가로 가한 힘(F)에 의한 모멘트를 중량 측 팔의 길이로 나눈 것으로서, W = C·ΔI·b/a)로 계산된다.
통상적으로 전류의 세기는 아주 정밀하게 측정할 수 있고, 측정대상물의 중량 이외에 중량의 측정에 영향을 주는 모든 요인들에 의한 영향은 상기한 초기화 과정에서 모두 배제되므로, 본 발명의 웨이팅 밸런스는 측정대상물의 중량을 아주 정밀하게 측정할 수 있다.
1 : 프레임, 11 : 베어링,
2 : 계량대, 21 : 접시, 22 : 자루, 23 : 핀,
3 : 스프링, 3a : 스토퍼, 31 : 판스프링, 32 : 연결판, 33 : 핀.
4 :댐퍼,
5 : 증폭레버, 51 : 지시침, 52 : 지지대, 53 : 핀, 54 : 브래킷,
6 : 전기액추에이터, 7 : 위치감지기,
8: 컨트롤러, 81 : 입력부, 82 : 표시부, 83 : 메모리부, 84 : 전류계,
85 : 전원공급기, 86 : 제어연산부.

Claims (7)

  1. 외형을 형성하는 프레임(1);
    상기 프레임(1)의 상면으로 노출되어 측정하고자 하는 물체를 올리는 것으로서, 측정대상물을 올리는 접시(21), 그리고 상기 접시(21)의 하단에 형성되는 자루(22)로 구성되는 계량대(2);
    상기 프레임(1)에 고정되어 상기 계량대(2)의 자루(22)를 받쳐주는 스토퍼(3a);
    한쪽 끝이 상기 계량대(2)의 자루(22)에 회전가능하도록 핀(23)으로 결합되고, 다른 쪽 끝은 뾰족한 지시침(51)을 구비하고, 상기 계량대(2)의 자루(22)와 결합되는 쪽으로 치우친 곳의 프레임(1)에 고정된 지지대(52)에 회전할 수 있도록 핀(53)으로 결합되고, 그리고 지시침(51)이 있는 쪽에 전기액추에이터(6)를 결합할 수 있는 브래킷(54)이 구비된 증폭레버(5);
    상기 프레임(1)에 고정되고, 로드가 상기 증폭레버(5)의 브래킷(54)에 결합되어, 증폭레버(5)에 수평을 유지하는 힘을 제공하는 전기액추에이터(6);
    상기 프레임(1)에 부착되어 상기 증폭레버(5) 끝단의 위치를 감지하는 위치감지기(7);
    그리고, 웨이팅 밸런스의 작동에 필요한 조작을 입력할 수 있게 하는 입력부(81), 중량측정 결과와 웨이팅 밸런스의 작동상태를 표시하는 표시부(82), 중량측정에 필요한 기초 데이터 및 연산과 제어에 필요한 프로그램이 저장되어 있는 메모리부(83), 상기 전기액추에이터(6)에 인가되는 전류를 측정하는 전류계(84), 외부 전기를 공급받아 상기 액추에이터(6)에 전기를 공급하는 전원공급기(85), 그리고 상기 위치감지기(7)가 감지한 증폭레버(5) 지시침(51)의 위치정보를 받아들여 증폭레버(5)의 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 지시하도록 전기액추에이터(6)에 공급되는 전류를 연산하여 상기 전원공급기(85)로 송출하고 상기 전류계(84)에서 수신한 전류정보로부터 측정대상물의 중량을 환산하여 상기 표시부(82)로 송출하는 기능을 가진 제어연산부(86)로 구성되는 컨트롤러(8);
    를 포함하여 구성되는, 웨이팅 밸런스.
  2. 외형을 형성하는 프레임(1);
    상기 프레임(1)의 상면으로 노출되어 측정하고자 하는 물체를 올리는 것으로서, 측정대상물을 올리는 접시(21), 그리고 상기 접시(21)의 하단에 형성되는 자루(22)로 구성되는 계량대(2);
    상기 프레임(1)에 고정되어 상기 계량대(2)의 자루(22)를 받쳐주는 스프링(3);
    한쪽 끝이 상기 계량대(2)의 자루(22)에 회전가능하도록 핀(23)으로 결합되고, 다른 쪽 끝은 뾰족한 지시침(51)을 구비하고, 상기 계량대(2)의 자루(22)와 결합되는 쪽으로 치우친 곳의 프레임(1)에 고정된 지지대(52)에 회전할 수 있도록 핀(53)으로 결합되고, 그리고 지시침(51)이 있는 쪽에 전기액추에이터(6)를 결합할 수 있는 브래킷(54)이 구비된 증폭레버(5);
    상기 프레임(1)에 고정되어, 로드가 상기 중폭레버(5)의 브래킷(54)에 결합되어, 증폭레버(5)의 수평을 유지하는 힘을 제공하는 전기액추에이터(6);
    상기 프레임(1)에 부착되어 상기 증폭레버(5) 끝단의 위치를 감지하는 위치감지기(7);
    그리고, 웨이팅 밸런스의 작동에 필요한 조작을 입력할 수 있게 하는 입력부(81), 중량측정 결과와 웨이팅 밸런스의 작동상태를 표시하는 표시부(82), 중량측정에 필요한 기초 데이터 및 연산과 제어에 필요한 프로그램이 저장되어 있는 메모리부(83), 상기 전기액추에이터(6)에 인가되는 전류를 측정하는 전류계(84), 외부 전기를 공급받아 상기 전기액추에이터(6)에 전기를 공급하는 전원공급기(85), 그리고 상기 위치감지기(7)가 감지한 증폭레버(5)의 지시침(51)의 위치정보를 받아들여 증폭레버(5)의 지시침(51)이 위치감지기(7)의 영점을 지시하도록 전기액추에이터(6)에 공급되는 전류를 연산하여 상기 전원공급기(85)로 송출하고 상기 전류계(84)에서 수신한 전류정보로부터 측정대상물의 중량을 환산하여 상기 표시부(82)로 송출하는 기능을 가진 제어연산부(86)로 구성되는 컨트롤러(8);
    를 포함하여 구성되어, 계량대(2)와 스프링(3)이 1자유도계 진동시스템을 이루는, 웨이팅 밸런스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스프링(3)은 판스프링(31)인 것을 특징으로 하는, 웨이팅 밸런스.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스프링(3)은 두 겹의 판스프링(31)을 사용하고, 두 판스프링(31)의 끝단을 연결판(32)로 연결하여 구성한 것을 특징으로 하는, 웨이팅 밸런스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스프링(3)은 두 판스프링(31) 끝단과 연결판(32)이 회전가능하도록 핀(33)으로 연결한 것을 특징으로 하는, 웨이팅 밸런스.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이팅 밸런스는, 프레임에 고정되어 계량대(2)의 자루(22)를 받쳐주는 댐퍼(4)를 추가로 구비여, 계량대(2)와 스프링(3) 그리고 댐퍼(4)가 1자유도계 진동시스템을 이루는 것을 특징으로 하는, 웨이팅 밸런스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 댐퍼(4)는 댐핑계수가 임계댐핑계수인 것을 특징으로 하는, 웨이팅 밸런스.
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