KR20040087348A

KR20040087348A - 표준분동 자동교정장치

Info

Publication number: KR20040087348A
Application number: KR1020030021527A
Authority: KR
Inventors: 이용재; 이우갑
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-10-14
Also published as: KR100542229B1

Abstract

본 발명은 질량 표준의 교정 설계시 이용되는 표준분동 자동교정장치에 관한 것으로서, 제어부의 구동 제어하에 선택된 각 분동들을 개별적으로 해당 계량팬 위에 로딩시키는 분동로딩장치를 구비하여, 컴퓨터 상에서 사용자(측정자)가 질량 합 측정이 요구되는 분동조합을 선택하여 로딩 조작하게 되면, 이 분동조합에 포함된 분동들을 전자저울과 연결된 해당 계량팬 위로 자동으로 로딩시켜 주고, 상기 전자저울을 통해 측정된 질량데이터를 컴퓨터 상에 저장 및 디스플레이 가능하도록 구성한 표준분동 자동교정장치에 관한 것이다.

Description

표준분동 자동교정장치{Automatic weighing system for standard weight set}

본 발명은 질량 표준의 교정 설계시 이용되는 표준분동 자동교정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제어부의 구동 제어하에 선택된 각 분동들을 개별적으로 해당 계량팬 위에 로딩시키는 분동로딩장치를 구비하여, 컴퓨터 상에서 사용자(측정자)가 질량 합 측정이 요구되는 분동조합을 선택하여 로딩 조작하게 되면, 이 분동조합에 포함된 분동들을 전자저울과 연결된 해당 계량팬 위로 자동으로 로딩시켜 주고, 상기 전자저울을 통해 측정된 질량데이터를 컴퓨터 상에 저장 및 디스플레이 가능하도록 구성한 표준분동 자동교정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 질량은 관성(inertia)과 중력(gravitation)의 성질을 가지고 있으므로 이러한 역학적 성질의 척도로 설명되는 기본 물리량이며, 물질을 구성하는 요소입자의 시각에서 보면 물질량의 척도가 되기도 한다.

물리의 세계에 소개되어 있는 질량의 크기들을 보면 전자의 질량(약 10^-30kg)으로부터 태양의 질량(약 10³⁰kg)에 이르기까지 거대한 범위에 걸쳐 다양한 측정방법으로 질량이 결정되어 있다.

이 가운데 무게의 크기를 비교하여 질량을 측정하는 범위는 대략 10^-13∼ 10⁶kg이고, 여기서 무게측정(weighing)이라 함은 저울이나 어떤 측정기를 사용하여모르는 질량(unknown mass)을 질량 표준인 국제킬로그램원기의 질량 1kg과 비교함을 의미하며, 지구와 같이 거대한 질량들은 간접적인 방법으로 국제킬로그램원기와 비교해서 결정된다.

현재 국제 단위계의 7개 기본 단위 중 하나인 질량단위의 표준으로서 프랑스 파리의 국제도량형국(BIPM)에 보관되어 있는 국제킬로그램원기에 의하여 1kg이 정의되어 있으며, 1901년 제3차 국제도량형총회(CGPM)에서 선포된 질량 표준의 정의에 의하면 "킬로그램(kg)은 질량의 단위이며 국제킬로그램원기의 질량과 같다"라고 되어 있다.

따라서, 각 나라에서는 국제킬로그램원기와 동일한 규격으로 만들어진 킬로그램국가원기를 국제도량형국으로부터 제공받아, 이를 이용하여 질량의 국가 표준을 유지하고 있다.

한국에서는 한국표준과학연구원에 보관된 킬로그램국가원기 No.72(숫자는 국제도량형국에서 정한 국제적 일련 고유번호임)를 주원기로, 그리고 No.39를 부원기로 정하여 질량의 국가표준을 유지하고 있으며, 스테인레스강 등으로 만든 여러 등급의 킬로그램 표준분동을 통하여 질량 표준을 보급하고 있다.

따라서, 상기한 분동은 질량 표준의 보급에 있어 그 핵심 매개체이면서 "하나의 질량척도의 물체로서 물리적 및 화학적으로 규정에 맞춰진 것"으로 정의되고 있으며, 저울은 분동의 질량과 비교해 주는 역할을 한다.

여기서, 질량 측정을 목적으로 만들어진 저울, 예를 들면 물체의 양을 질량으로 계산하기 위한 상거래용 저울, 사람이나 동물의 질량을 측정하는 체중계, 실험실 등에서 표준분동과의 직접 비교를 통해 질량을 측정하는 정밀 저울 등은 그 지시값이 표준분동의 질량 값에 맞추어 교정되어 있거나 표준분동의 질량과 직접 비교되기 때문에 지시값의 단위가 질량의 단위 "kg"으로 되어 있다.

이와 같이 질량 표준 보급상 사용되는 분동은 하나의 분동 자체가 고유한 질량인 하나의 질량 값을 가지므로 모든 질량 값을 나타내기 위해서는 통상 질량이 다른 여러 종류의 분동을 복수개로 만들고 이들을 서로 조합함으로써 원하는 분동의 질량 값을 만들도록 되어 있으며, 분동의 조합에 적합한 분동의 세트는 표준 보급 및 제작에 적합하도록 분동의 표기값을 시리즈(series)로 구성하여 최소의 분동 수로 모든 질량 값을 나타내도록 제작되고 있다.

질량 표준 보급의 기본 매개체인 분동이 국제적 보편성을 가지도록 하기 위하여, 국제법정계량기구(OIML)에서는 분동과 관련한 국제권고사항을 정해놓고 있으며[OIML Draft of an IR on Weights of Classes E1,E2,F1,F2,M1,M2,M3(1993)], 이를 토대로 각국의 표준기관에서는 보급되는 표준분동의 교정 설계나 검정을 수행하고 있다.

상기한 분동세트에 대하여 현재 국제적으로 권고된 사항을 살펴보면, 분동세트는 다음의 시리즈 가운데 하나로 구성될 수 있다.

(ⅰ) (1 ; 1 ; 2 ; 5) ×10ⁿkg

(ⅱ) (1 ; 1 ; 1 ; 2 ; 5) ×10ⁿkg

(ⅲ) (1 ; 2 ; 2 ; 5) ×10ⁿkg

(ⅳ) (1 ; 1 ; 2 ; 2 ; 5) ×10ⁿkg

여기서, n은 + 혹은 -의 정수 혹은 영(zero)을 나타낸다.

예를 들어, (1 ; 1 ; 2 ; 5) ×10ⁿkg 시리즈의 경우에는 (5kg ; 2kg ; 1kg ; 1kg)과 (500g ; 200g ; 100g ; 100g) 등의 분동으로 구성된다.

또한, 시리즈를 구성하고 있는 각 분동의 질량들은 분동의 호칭으로 사용되고 있으며, 예를 들어 1kg 분동이라고 부를 때 이 분동은 1kg용으로 만들어진 분동을 의미하며, 이 1kg을 그 분동의 이름값(nominal value) 혹은 표기량이라고 한다.

통상, 분동세트에서 상기한 바와 같은 분수 혹은 배수의 분동은 소정 방법의 교정 설계를 통해 킬로그램국가원기 또는 질량 값이 미리 검증된 그 밖의 해당 표준분동과 비교하여 그 질량 표준이 보급된다.

즉, 한 세트를 이루는 분동의 질량을 결정하기 위해서는 하나 혹은 그 이상의 표준분동들이 이용되어야 하며, 예컨대 1kg의 분량 또는 배량을 이루는 분동들은 1kg의 표준분동으로부터 질량을 유도하게 된다.

각 나라에서 상기한 질량 표준의 교정 설계 과정은 해당 국가의 표준기관(한국의 경우 한국표준과학연구원)에 의해 소개되어 있으며[도진열, 정진완, 이우갑, 장경우, "질량측정의 기초", 한국표준과학연구원, KRISS-94-049-ET(1994); 이우갑, "질량 표준의 교정 설계", 한국표준과학연구원, KRISS-96-027-ET(1996)], 이러한 교정 설계 과정에서는 각 분동의 모르는 질량 값을 유도하기 위하여 최소자승법의 이용이 제안되고 있다.

상기와 같이 소개된 교정 설계의 요지를 일반적으로 널리 보급되어 있는 분동 5-2-2-1 시리즈의 예를 통해 개략적으로 설명하면, 먼저, 1kg ∼ 100g 사이의 분동세트에서, 이름값(nominal value)이 500g, 200g, 200g', 100g인 미지의 각 분동 질량은 질량을 미리 알고 있는 1kg 표준분동의 질량(m_1kg)과 비교측정을 통해 결정될 수 있으며, 다음과 같은 측정단계를 거친다.

먼저, 표기값의 합들이 같은 분동의 조합끼리 비교하여 다음과 같은 일련의 질량비교측정식을 얻는다.

m_1kg- (m_500g+ m_200g+ m_200g' + m_100g) = y₁

m_500g- (m_200g+ m_200g' + m_100g) = y₂ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(1)

m_200g- m_200g' = y₃

여기서, m_1kg, m_500g, m_200g, m_200g', m_100g은 각 분동의 질량이고, y₁, y₂, y₃는 질량의 차이를 나타낸다.

그러나, 위의 식 (1)에서는 모르는 질량의 수보다 질량비교측정식의 수가 적은데, 여기에 m_100g'의 질량을 갖는 분동을 하나 더 첨가하면 질량비교측정식의 수가 모르는 질량의 수보다 많아진다.

즉, 위의 식들을 포함한 다음의 측정디자인(weighing design)을 만들어 교정에 사용할 수 있다.

모르는 질량(unknown mass)의 시리즈 분동 5개에 대하여 7개의 질량비교측정식을 세운 질량비교 측정디자인(weighing design): 질량비교측정식의 수 = 7, 모르는 질량의 수 = 5

m_1kg- (m_500g+ m_200g+ m_200g' + m_100g) = y₁

m_500g- (m_200g+ m_200g' + m_100g') = y₂

m_200g- m_200g' = y₃ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(2)

m_200g' - (m_100g+ m_100g') = y₄

m_100g- m_100g' = y₅

m_200g- (m_100g+ m_100g') = y₆

m_500g- (m_200g+ m_200g' + m_100g) = y₇

상기와 같은 측정디자인을 교정에 사용하게 되면, 질량비교측정식의 수는 7개, 질량을 모르는 분동의 수는 5개이므로, 상기한 여러 개의 질량비교측정식으로부터 최소자승법을 이용하여 각 분동의 모르는 질량 값을 결정할 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기와 같이 표준분동을 교정하는 과정에서는, 하나의 질량비교측정식을 구하기 위하여, 질량을 모르는 다수개의 분동들을 한꺼번에 고정밀 측정이 가능한 저울팬 위에 올려 놓은 후 그 질량 합을 측정하여야 한다(예를 들면, 질량비교측정식 y₁에서는 500g, 200g, 200g', 100g의 분동을 저울팬 위에 한꺼번에 올려놓고 측정함).

또한, 여러 개의 질량비교측정식을 구하기 위하여, 여러 분동조합을 저울팬 위에 올려 놓은 후 각각의 질량 합을 측정하게 된다.

그러나, 교정 설계 과정에서 실시되는 미지 분동의 질량 합 측정이 고정밀도를 요함에도 불구하고 종래에는 이러한 미지 분동의 질량 합 측정이 여러 개의 분동들을 사용자가 직접 저울팬 위에 올려놓는 수작업으로 실시되었는 바, 이러한 수작업에 의한 질량 측정에서는 동일한 분동이라 하더라도 분동을 올려놓는 위치에 따라 편심오차가 발생할 수 있고, 특히 사용자에 따라 측정오차가 크게 발생하는 등의 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 제어부의 구동 제어하에 선택된 각 분동들을 개별적으로 해당 계량팬 위에 로딩시키는 분동로딩장치를 구비하여, 컴퓨터 상에서 사용자가 질량 합 측정이 요구되는 분동조합을 선택하여 로딩 조작하게 되면, 이 분동조합에 포함된 분동들을 전자저울과 연결된 해당 계량팬 위로 자동 로딩시켜 주고, 전자저울을 통해 측정된 데이터를 컴퓨터 상에 저장 및 디스플레이 가능하도록 구성한 표준분동 자동교정장치를 제공함으로써, 기존의 수동측정 과정에서 발생되었던 저울팬 위의 분동 위치에 따른 편심오차와 사용자에 따른 측정오차의 발생을 크게 줄일 수 있고, 궁극적으로는 교정 결과의 정확성을 보다 높이는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자동교정장치의 정면도,

도 2는 본 발명에 따른 자동교정장치의 측면도,

도 3내지 도 5는 본 발명에 따른 자동교정장치의 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 자동교정장치에서 계량대와 지지장치를 확대하여 도시한 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 자동교정장치에서 가변장치부를 나타내는 분해사시도,

도 8은 본 발명에 따른 자동교정장치에서 가변장치부를 나타내는 측면도,

도 9는 본 발명에 따른 자동교정장치에서 분동이 지지리브로부터 계량팬으로 로딩되는 과정을 보인 측면도,

도 10은 본 발명에 따른 자동교정장치의 분동로딩장치에 의해 분동조합이 계량대에 로딩된 상태를 보인 상태도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 분동 10 : 본체

11 : 상부플레이트 12 : 하부플레이트

13 : 사이드플레이트 14 : 도어

20 : 전자저울 21 : 서스펜션로드(suspension rod)

30 : 계량대 31 : 팬로드(pan rod)

32 : 팬빔(pan beam) 33 : 계량팬

34 : 관통부 34a : 관통홀

35 : 결합부 40 : 분동로딩장치

41 : 가변장치부 410 : 지지장치

411 : 홀더 412 : 지지리브

413 : 지지홀더 414 : 지지판

414a : 중간돌출부 415 : 휠홀더

416 : 롤러 420 : 캠구동장치

421a,b : 스텝모터 422 : 회전축

423 : 구동캠 424 : 포지션휠(position wheel)

424a : 홈 425 : 센서부

430 : 연결장치 431 : 'T'자형 아암(arm)

432 : 변형부재 433 : 고정부재

434 : 고정로드

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 표준분동 자동교정장치는 질량에 대한 측정오차를 극소화하기 위해 내부공간이 폐쇄된 폐쇄구조의 본체(10)와, 상기 본체(10)의 상부에 설치된 전자저울(20)에 서스펜션로드(21)를 매개로 하여 매달려 있으며 각각의 분동(1)이 각각의 계량팬(33) 위에 로딩 또는 언로딩되는 계량대(30)와, 컴퓨터의 제어부의 구동 제어하에 선택된 각 분동들을 개별적으로 해당 계량팬(33) 위에 로딩 또는 언로딩시키는 각각의 가변장치부(41)로 이루어진 분동로딩장치(40)를 포함하여 구성되되, 이 가변장치부(41)는 본체(10) 양측의 사이드플레이트(13)에 지지되어 회전하는 회전축(422)의 축선상에 고정된 구동캠(423)이 일측의 스텝모터(421b)의 구동에 의해 지지장치(410)를 승하강시키는 캠구동장치(420)와, 일측이 홀더(411)에 지지된 상태로 상기 캠구동장치(420)에 의해 수직 안내되면서 분동(1)을 로딩 또는 언로딩시키는 지지장치(410)와, 변형부재(432)를 매개수단으로 상기 홀더(411)와 고정부재(433)에 연결된 'T'자형 아암(arm)(431)으로 이루어져 상기 지지장치(410)의 승하강 작용을 후부의 고정로드(434)에까지 전달하는 연결장치(430)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 계량대(30)는 상기 서스펜션로드(21)와 수직 결합된 팬빔(32)에수직으로 평행하게 하방으로 연결된 한 쌍의 팬로드(31) 및 이 팬로드(31)에 일정한 간격으로 고정 설치되어 계량을 필요로 하는 분동(1)이 하나씩 로딩되는 다수의 계량팬(33)으로 형성되되, 이 계량팬(33)은 좌우 길이방향으로 길게 적어도 2개 이상의 관통홀(34a)이 형성되어 그 관통홀(34a)로 지지리브(412)가 안내되도록 형성된 관통부(34) 및 이것을 사이에 두고 대향 배치되면서 이 관통부(34)의 양측으로 연장 형성되어 상기 한 쌍의 팬로드(31)에 끼워져 고정 결합되는 결합부(35)를 일체로 하여 이루어진 구조인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 지지장치(410)는 구동캠(423)에 의해 회전하는 롤러(416)가 장착된 휠홀더(415)를 구비하는 사각판 형상의 홀더(411)와, 상기 홀더(411)의 선단에 고정 결합되면서 좌우 양측에서 전방으로 연장되는 'ㄷ'자 형태의 지지홀더(413)와, 상기 지지홀더(413)의 하단에 겹쳐진 형태로, 그 중간돌출부(414a)에 지지리브(412)가 장착되는 지지판(414)과, 상기 지지판(414)의 중간돌출부(414a)에 수직으로 세워진채 고정되어 상기 계량팬(33)의 관통부(34)에 형성된 관통홀(34a) 사이로 승하강 이동하도록 되어 그 계량팬(33)에 분동(1)을 로딩 또는 언로딩하는 다수개의 사각판 형태로 이루어진 지지리브(412)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캠구동장치(420)는 본체(10) 양측에 지지되어 있는 사이드플레이트(13)에 각각 지지되어 스텝모터(421b)의 구동에 의해 회전 가능하도록 형성된 회전축(422)과, 상기 회전축(422)의 중간부에 고정되어 롤러(416)를 회전시켜 지지장치(410)를 상하로 승하강 이동시키는 중심이 편심된 구동캠(423)과, 상하 위치에맞게 본체(10) 외측에 장착되어 제어부의 구동제어를 받으면서 상기 회전축(422)의 회전구동을 발생시키는 스텝모터(421b)와, 상기 스텝모터(421b)의 타측에 장착되어 회전축(422)의 회전과 함께 회전하면서 그 회전횟수를 정확하게 검출할 수 있도록 형성된 포지션휠(424) 및 센서부(425)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 연결장치(430)는 상기 홀더(411) 후부의 상측과 하측에 변형부재(432)를 매개로 각각 연결되어 있는 동시에, 상기 고정로드(434)의 선단에 고정된 고정부재(433)에 변형부재(432)를 매개로 각각 연결되어 있는 한 쌍의 'T'자형 아암(431)과, 체결수단에 의해 체결되어 있으면서 상기 지지장치(410)의 승하강 작용 시 변형 가능하도록 상기 'T'자형 아암(431)의 전후 양단을 사이에 두고 홀더(411)와 고정부재(433)에 장착되어 있는 변형부재(432)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 변형부재(432)는 그 형태가 원상태로 유지될 수 있는 얇은 사각판 형상의 고무재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 자동교정장치의 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자동교정장치의 측면도이며, 도 3내지 도 5는 본 발명에 따른 자동교정장치의 사시도이다.

본 발명은 질량 표준의 교정 설계시 분동조합의 질량 합 측정을 위한 장치에 관한 것으로서, 컴퓨터 상에서 사용자가 질량 합 측정이 요구되는 분동조합을 선택하여 로딩(loading) 조작하게 되면, 이 분동조합에 포함된 분동들을 전자저울과 연결된 해당 계량팬 위로 자동으로 로딩시켜 주고, 전자저울을 통해 분동들의 질량 합을 측정함과 동시에 측정된 질량데이터를 컴퓨터 상에 저장 및 디스플레이 가능하도록 구성된 표준분동 자동교정장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 구성을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 표준분동 자동교정장치는 박스형태의 플레이트로 이루어진 본체(10)를 포함하며, 질량에 대한 측정오차를 최소화하기 위해 내부 공간을 폐쇄하여 일정한 온도 및 습도를 유지할 수 있도록 그 전면에는 유리재질의 도어(14)가 설치되어 있다.

이러한 본체(10)의 상측에는 질량 측정을 위한 전자저울(20)이 장착되고, 이 전자저울(20)은 측정된 질량데이터가 저장 및 디스플레이될 수 있도록 RS-232포트를 통하여 컴퓨터와 연결되어 있다.

또한, 상기 전자저울(20)은 그 하측으로 길게 연결 설치되며 본체(10)의 상부플레이트(11)을 통과하여 계량대(30)에 연결되는 서스펜션로드(21)를 갖는다.

이와 같이, 본체(10) 내부에 삽입된 서스펜션로드(21)의 하단에는 계량대(30)가 연결되어 설치되는데, 이 계량대(30)는 질량 측정을 위하여 선택된 분동(1)들이 개별적으로 로딩 가능하도록 다수의 계량팬(33)을 갖는다.

상기 계량대(30)는 선택된 분동(1)들이 해당 계량팬(33) 위에 하나씩 로딩될 수 있도록 되어 있으며, 그 구성을 좀 더 살펴보면 다음과 같다.

상기 계량대(30)에는 상기 서스펜션로드(21)와 수직 결합된 팬빔(32)에 수직으로 평행하게 하방으로 연결된 한 쌍의 팬로드(31)가 형성되어 있으며, 상기 팬로드(31)에 일정한 간격으로 고정 설치되어 계량을 필요로 하는 분동(1)이 하나씩 로딩되는 다수의 계량팬(33)이 형성되어 있다.

상기한 계량대(30)의 구성 중, 상기 팬빔(32)은 전자저울(20)과 연결된 서스펜션로드(21)의 하단과 연결되는데, 이와 같이 팬빔(32)이 서스펜션로드(21)와 연결됨으로써, 계량대(30) 전체는 본체(10) 내부에서 전자저울(20)에 연결된 서스펜션로드(21)에 의해 매달린 현수(懸垂)구조가 되며, 이에 따라 해당 계량팬(33) 위에 로딩된 분동(1)들의 질량 합이 전자저울(20)을 통해 측정될 수 있게 된다.

또한, 상기한 계량대(30)의 구성 중, 계량팬(33)은 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이, 좌우 길이방향으로 길게 적어도 2개 이상의 관통홀(34a)이 형성되어 그 관통홀(34a)로 지지리브(412)가 안내되도록 형성된 관통부(34)와, 상기 관통부(34)를 사이에 두고 대향 배치되면서 이 관통부(34)의 양측으로 연장 형성되어 상기 한 쌍의 팬로드(31)에 끼워져 고정 결합되는 결합부(35)를 일체로 구성하여서 된 것이다.

한편, 본 발명에 따른 표준분동 자동교정장치에서는 컴퓨터(미도시)와 연결된 제어부(미도시)의 구동 제어하에 선택된 각 분동(1)들을 해당 계량팬(33) 위에 개별적으로 로딩시키는 분동로딩장치(40)가 제공된다.

상기 분동로딩장치(40)는 선택된 분동(1)들을 개별적으로 수직 이동시킴으로써 각 분동(1)들을 선택적으로 해당 계량팬(33) 위에 로딩시키거나 또는 계량되지 않게 완전히 들어 올리는, 즉 언로딩(unloading)시키는 그러한 장치이다.

상기 분동로딩장치(40)는 제어부의 구동 제어를 받으면서 각각의 분동(1)을 독립적으로 수직 이동시키는 다수의 가변장치부(41)로 구성되며, 각 분동(1)들은 해당 가변장치부(41)의 구동에 따라 승하강되어 계량팬(33)에 로딩되거나 계량팬(33)으로부터 이격된 상태가 되도록 들어 올려지게 된다.

즉, 본 발명에서 상기 각 분동(1)들은, 제어부에 의해 구동 제어되는 해당 가변장치부(41)의 구동상태에 따라 질량 측정이 가능하도록 계량팬(33)에 로딩되거나, 질량 측정이 이루어지지 않도록 계량팬(33)으로부터 완전히 들어 올려지는 것이며, 이에 따라 제어부와 연결된 컴퓨터 조작만으로도 선택된 분동(1)들만의 질량 합을 전자저울(20)을 통해 측정할 수 있게 되는 것이다.

상기한 각 가변장치부(41)를 좀 더 상세히 설명하면, 첨부한 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본체(10) 양측의 사이드플레이트(13)에 지지되어 회전하는 회전축(422)의 축선상에 고정된 구동캠(423)이 일측의 스텝모터(421b)의 구동에 의해 지지장치(410)를 승하강시키는 캠구동장치(420)와, 일측이 홀더(411)에 지지된 상태로 상기 캠구동장치(420)에 의해 수직 안내되면서 분동(1)을 로딩 또는 언로딩시키는 지지장치(410)와, 변형부재(432)를 매개수단으로 상기 홀더(411)와 고정부재(433)에 연결된 'T'자형 아암(arm)(431)으로 이루어져 상기 지지장치(410)의 승하강 작용을 후부의 고정로드(434)에까지 전달하는 연결장치(430)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 캠구동장치(420)는 본체(10) 양측에 지지되어 있는 사이드플레이트(13)에 각각 지지되어 회전 가능하도록 형성된 회전축(422)과, 상기회전축(422)의 중간부에 고정되어 후술하는 롤러(416)를 회전시켜 지지장치(410)를 상하로 승하강 이동시키는 중심이 편심된 구동캠(423)과, 상하 위치에 맞게 본체(10) 외측에 장착되어 제어부의 구동제어를 받으면서 상기 회전축(422)의 회전구동을 발생시키는 스텝모터(421b)와, 상기 스텝모터(421b)의 타측에 장착되어 회전축(422)의 회전과 함께 회전하면서 그 회전횟수를 정확하게 검출할 수 있도록 형성된 포지션휠(424)을 포함하여 이루어져 있다.

이때, 상기 포지션휠(424)의 외주면에서 그 중심방향으로 일정 길이를 가진 홈(424a)이 형성되어 있는 바, 상기 홈(424a)은 상기 포지션휠(424)이 센서부(425)에 일정부분 삽입되어 회전 시에 상기 센서부(425)에 감지되어 포지션휠(424)의 회전횟수를 검출 가능하도록 하는 기능을 하게 된다.

또한, 상기 각 지지장치(410)는 후부에 구동캠(423)에 의해 회전하는 롤러(416)가 장착된 휠홀더(415)를 구비하는 사각판 형상의 홀더(411)와, 상기 홀더(411)의 선단에 고정 결합되면서 좌우 양측에서 전방으로 연장되는 'ㄷ'자 형태의 지지홀더(413)와, 상기 지지홀더(413)의 하단에 겹쳐진 형태로, 그 중간돌출부(414a)에 지지리브(412)가 장착되는 지지판(414)과, 상기 지지판(414)의 중간돌출부(414a)에 수직으로 세워진채 고정되어 상기 계량팬(33)의 관통부(34)에 형성된 관통홀(34a) 사이로 승하강 이동하도록 되어 그 계량팬(33)에 분동(1)을 로딩 또는 언로딩하는 사각판 형태로 이루어진 다수개의 지지리브(412)로 이루어진다.

상기 연결장치(430)는 상기 홀더(411)의 후부의 상측과 하측에변형부재(432)를 매개로 각각 연결되어 있는 동시에, 상기 고정로드(434)의 선단에 고정된 고정부재(433)에 변형부재(432)를 매개로 각각 연결되어 있는 한 쌍의 'T'자형 아암(431)과, 체결수단에 의해 체결되어 있으면서 상기 지지장치(410)의 승하강 작용 시 변형 가능하도록 상기 'T'자형 아암(431)의 전후 양단을 사이에 두고 홀더(411)와 고정부재(433)에 장착되어 있는 변형부재(432)를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 변형부재(432)는 얇은 판형상으로서, 반복적으로 가변되어도 그 형태가 원상태대로 유지될 수 있는 고무재질로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 지지리브(412)는 지지장치(410)의 승하강 작동시 계량팬(33)의 관통홀(34a) 사이로 승하강 이동하도록 되어 있고, 지지장치(410)가 캠구동장치(420)에 의해 일정 높이 이상으로 상승된 상태에서는 지지리브(412)의 상단이 계량팬(33)보다 높은 위치로 돌출되게 되어 있는 반면에, 지지장치(410)가 일정 높이 아래로 하강된 상태에서는 지지리브(412)의 상단이 계량팬(33) 보다 낮은 위치가 되도록 되어 있다.

따라서, 지지장치(410)가 상승된 상태에서 지지리브(412) 위에 올려진 분동(1)은, 첨부한 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 지지장치(410)가 일정 높이 아래로 하강된 상태에서 계량팬(33) 위로 로딩되며, 반대로 지지장치(410)가 다시 일정 높이 이상으로 상승될 경우 질량 측정이 이루어지지 않도록 계량팬(33)으로부터 완전히 이격되게 들어 올려진다.

물론, 로딩된 분동(1)의 정확한 계량을 위하여, 계량팬(33) 위에 로딩된 분동(1)은 그 하측의 지지리브(412)의 상단과 접촉되지 않게 함이 마땅하다.

다음으로, 각각의 가변장치부(41)를 구성하는 각각의 스텝모터(421b)는 본체(10)를 구성하는 사이드플레이트(13)에 설치되어 제어부의 구동 제어를 받게 되어 있고, 이 제어부는 응용 프로그램이 내장된 컴퓨터에 연결되어 있는 바, 이에 따라 컴퓨터 조작에 의해 각 스텝모터(421b)의 구동이 제어될 수 있게 되어 있다.

예를 들어, 사용자가 컴퓨터를 조작하여 질량 측정에 필요한 분동(1)들을 선택한 후 로딩 조작하게 되면, 선택된 분동(1)이 놓여진 지지장치(410)를 하강시키기 위하여 해당 스텝모터(421b)가 구동되며, 이때 각각의 지지 장치(410)에 놓여 있던 각 분동(1)들이 해당 계량팬(33) 위에 로딩되면서 전자저울(20)에서는 선택된 분동(1)들만의 질량 합이 측정되어지는 것이다.

상기 각 스텝모터(421b)의 회전축 상에는 회전력을 전달받아 지지장치(410)를 승하강시키는 구동캠(423)이 설치되는데, 이 구동캠(423)은 회전운동을 직선운동(지지장치의 승하강 이동)으로 변환 가능하도록 중심이 편심된 확동캠 형태로 구성되어 있으며, 이 구동캠(423)은 전술한 바와 같이 롤러(416)를 통해 해당 지지장치(410)를 지지한다.

이때, 상기 지지장치(410)에 장착된 롤러(416)는 구동캠(423)면에 접촉 지지되어 있는 바, 결국 스텝모터(421b)에 의해 구동캠(423)이 회전될 때 롤러(416)는 구동캠(423)면에서 회전되면서 위 또는 아래로 움직이게 되고, 이러한 롤러(416)의 움직임으로 지지장치(410)가 승하강 이동하게 된다.

한편, 상기 구동캠(423)은 그 축중심점과 외경까지의 거리가 최대인 점에서상기 롤러(416)의 접촉면과 점접촉 시, 이때의 상태를 분동이 계량대(30) 위에 언로딩(unloading)된 상태라고 하고, 그 축중심점과 외경까지의 거리가 최소인 점에서 상기 롤러(416)의 접촉면과 점접촉 시, 이때의 상태를 분동이 계량대(30) 위에 로딩(loading)된 상태라고 한다.

한편, 본 발명에서 제어부는 마이크로 프로세서를 내장하고 상기 컴퓨터와 연결되어서 컴퓨터로부터 받은 명령에 따라 각 스텝모터(421b)를 구동 제어한다.

또한, 컴퓨터에는 응용 프로그램이 내장되는데, 이 응용 프로그램은 컴퓨터 상에서 사용자로 하여금 간단한 조작을 통해 질량 합 측정을 필요로 하는 분동조합을 선택할 수 있게 하는 동시에 사용자의 로딩 조작에 따라 선택된 분동(1)들을 해당 계량팬(33) 위에 로딩시키도록 하는 명령을 제어부에 전달한다.

아울러, 상기 응용 프로그램은 전자저울(20)에 의해 측정되어 컴퓨터로 입력된 질량 값을 모니터 상으로 디스플레이 함은 물론 수집된 질량데이터를 파일로 저장할 수 있게 제공된다.

한편, 미설명부호 421a는 전자저울(20)의 측정범위를 변경시킬 수 있도록 하는 작동수단으로서, 기존의 수동의 조작레버로 조작하여 측정범위를 변경하던 것을 컴퓨터에서 자동으로 조작하기 위해 장착한 스텝모터를 나타낸다.

이하, 본 발명에 따른 자동교정장치를 이용한 분동조합의 질량 합 측정 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본체(10) 내부의 모든 지지장치(410)가 상승된 상태에서 각 지지리브(412) 위에는 교정 검사를 필요로 하는 미지 분동들과 질량을 알고 있는비교 대상의 표준분동이 미리 놓여진다.

즉, 예시한 도면 1에서 보여주고 있는 바와 같이, 미지 분동인 100g, 100g', 200g, 200g', 500g 분동과, 표준분동인 1kg 분동을 위에서부터 차례로 해당 지지리브(412) 위에 올려놓는다.

다음으로, 사용자는 컴퓨터에 내장된 응용 프로그램을 실행시켜 질량 합 측정이 요구되는 분동들을 선택한다.

이후, 선택된 분동들을 계량팬(33) 위에 로딩시키기 위하여, 사용자가 응용 프로그램을 조작하여 로딩을 개시하면, 컴퓨터로부터 명령을 받은 제어부가 선택된 분동들에 관계된 각각의 가변장치부(41)들을 구동 제어한다.

여기서, 상기 제어부는 해당된 가변장치부(41)들의 스텝모터(421b)들을 구동시켜 각 지지장치(410)를 일정 높이 아래로 하강시키는데, 각 지지장치(410)가 일정 높이 아래로 하강된 상태에서 분동들은, 첨부한 도 10에 도시된 바와 같이, 전자저울(20)과 연결된 계량대(30)의 해당 계량팬(33) 위로 각각 로딩되며, 동시에 각 분동들을 지지하고 있던 해당 지지리브(412)의 지지력은 모두 제거된다.

이후, 계량대(30)가 완전히 수직을 이룬 상태에서 전자저울(20)에 의해 측정된 질량데이터를 교정 설계에 이용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 이러한 질량 합 측정을 지정된 횟수만큼 반복 측정하여 측정오차를 줄이는 것이 좋다.

한편, 상기와 같은 질량값의 분동세트로 측정 과정이 완료된 후, 측정하고자 하는 분동세트의 질량값 측정 범위가 달라질 경우, 예를 들어 미지 분동인 10g, 10g', 20g, 20g', 50g 분동과, 표준분동인 100g 분동으로 구성될 경우에는 스텝모터(421a)를 구동하여 전자저울(20)의 측정범위를 변경시킬 수 있도록 한다.

이때, 측정범위 결정과 스텝모터(421a) 구동은 컴퓨터에서 자동으로 이루어지도록 되어 있다.

다음으로, 본 발명의 자동교정장치로 측정된 질량 합을 이용하여 표준분동으로부터 미지의 각 분동 질량을 유도하는 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다.

측정디자인

100g의 표준분동으로부터 미지 분동인 50g, 20g, 20g', 10g, 10g' 분동의 질량 값들을 유도해 내는 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.

m_100g- (m_50g+ m_20g+ m_20g' + m_10g) = y₁

m_50g- (m_20g+ m_20g' + m_10g) = y₂ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(3)

m_20g- (m_20g') = y₃

위의 세 측정결과로부터 4개 분동의 질량 값들을 결정해야 하나, 독립된 방정식은 3개이고 미지수가 4개이므로 이는 불가하다. 따라서, 여기에 m_10g'의 질량 값을 갖는 분동 하나를 더 첨가하면 다음과 같다. 단, 아래 식에서 y의 아래첨자는 다시 정하여 표기하였다.

m_100g- (m_50g+ m_20g+ m_20g' + m_10g) = y₁

m_100g- (m_50g+ m_20g+ m_20g' + m_10g') = y₂

m_50g- (m_20g+ m_20g' + m_10g) = y₃

m_50g- (m_20g+ m_20g' + m_10g') = y₄

(m_20g+ m_10g) - (m_20g' + m_10g') = y₅ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(4)

(m_20g+ m_10g') - (m_20g' + m_10g) = y₆

m_20g- m_20g' = y₇

m_20g- (m_10g+ m_10g') = y₈

m_20g' - (m_10g+ m_10g') = y₉

m_10g- m_10g' = y₁₀

위 10개의 측정 중 5개의 독립된 비교를 택하면 5개 분동의 질량 값 결정은 가능하다. 그러나, 이 경우에는 각 분동을 한번씩만 측정한 것과 같아 표준편차의 자유도 f가 0이므로 통계적 지식은 전혀 얻을 수 없게 된다(f = n - K + 1; f:자유도, n:비교측정횟수, k:비교측정에 사용된 전체 분동의 수).

따라서, 표준편차의 자유도를 늘려 통계적 지식을 얻고 측정의 신뢰도를 높이기 위해서는 몇 개의 비교측정을 더 행하여 5개 분동의 질량 값의 최적치를 구한다. 최적치는 최소자승법(least square method)을 사용하여 구한다.

예를 들어, 위의 식 (4) 중 y₁, y₃, y₅, y₆, y₇, y₈, y₉와 y₁₀의 8개 비교측정을 취한다고 할 때, 보기 쉬운 디자인으로 표시하면 다음의 표 1과 같다. 단, y의 아래첨자는 다시 정하여 표기하였다.

위의 표 1에서 y₁, y₂, y₃, y₄, y₅, y₆, y₇, y₈은 해당 칸의 '+' 분동조합의 질량 합과 '-' 분동조합의 질량 합과의 차이를 측정한 결과치이며, r은 이미 알고 있는 질량 값으로 취한다는 뜻이다.

상기 r은 각 측정의 초기조건(restraint)으로서 y₁, y₂, y₃, y₄, y₅, y₆, y₇, y₈이 모두 비교측정이므로 r이 없이는상호간의 상대 값만을 알 수 있을 뿐 절대 질량 값을 알 수가 없다.

또한, 상기 r은 본 예의 경우와 같이 한 표준분동의 질량 값일 수도 있고 또는 여러 개 표준분동의 질량 합일 수도 있다.

각 분동의 질량 값을라 다시 표기하면, 상기 표 1은

_ㆍ

_ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(5)

_ㆍ

의 9개 방정식을 의미한다. 이때 자유도 f는 n = 8, k = 6이므로 3이다.

의 최적치를 식 (5)에 다시 대입하면,

_ㆍ

_ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(6)

_ㆍ

과 같으며, 이들는와 차이가 나게 되는데, 이 차이는 다음의 식으로 표현될 수 있다.

_ㆍ

_ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(7)

_ㆍ

결국, 최적치들은 이들들의 합이 최소가 되도록 취하는 최소자승법을 이용하여 구할 수 있다.

측정디자인은 위에서 예로 든 것만을 취할 필요는 없으며, 저울의 용량이나개입된 분동들의 개수, 표기값 등에 따라 또는 측정의 자유도나 분산에의 영향을 고려하여 사용자가 적당한 디자인을 고르게 된다.

이와 같이, 본 발명의 표준분동 자동교정장치는 제어부의 구동 제어하에 선택된 각 분동들을 개별적으로 해당 계량팬 위에 로딩시키는 분동로딩장치를 구비하고 있으며, 이러한 본 발명의 장치를 이용하면 분동 로딩 과정의 자동화가 가능하고, 결국 기존의 수작업에 의한 측정오차 발생 문제를 해소할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 표준 질량의 교정 설계시, 본 발명의 표준분동 자동교정장치를 이용하게 되면, 기존의 수동측정 과정에서 발생되었던 저울팬 위의 분동 위치에 따른 편심오차와 사용자에 따른 측정오차 발생을 크게 줄일 수 있고, 궁극적으로는 교정 결과의 정확성을 보다 높일 수 있는 장점이 있게 된다.

Claims

질량에 대한 측정오차를 극소화하기 위해 내부공간이 폐쇄된 폐쇄구조의 본체(10)와, 상기 본체(10)의 상부에 설치된 전자저울(20)에 서스펜션로드(21)를 매개로 하여 매달려 있으며 각각의 분동(1)이 각각의 계량팬(33) 위에 로딩 또는 언로딩되는 계량대(30)와, 컴퓨터의 제어부의 구동 제어하에 선택된 각 분동들을 개별적으로 해당 계량팬(33) 위에 로딩 또는 언로딩시키는 각각의 가변장치부(41)로 이루어진 분동로딩장치(40)를 포함하여 구성되되, 이 가변장치부(41)는 본체(10) 양측의 사이드플레이트(13)에 지지되어 회전하는 회전축(422)의 축선상에 고정된 구동캠(423)이 일측의 스텝모터(421b)의 구동에 의해 지지장치(410)를 승하강시키는 캠구동장치(420)와, 일측이 홀더(411)에 지지된 상태로 상기 캠구동장치(420)에 의해 수직 안내되면서 분동(1)을 로딩 또는 언로딩시키는 지지장치(410)와, 변형부재(432)를 매개수단으로 상기 홀더(411)와 고정부재(433)에 연결된 'T'자형 아암(431)으로 이루어져 상기 지지장치(410)의 승하강 작용을 후부의 고정로드(434)에까지 전달하는 연결장치(430)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 표준분동 자동교정장치.
제1항에 있어서, 상기 계량대(30)는 상기 서스펜션로드(21)와 수직 결합된 팬빔(32)에 수직으로 평행하게 하방으로 연결된 한 쌍의 팬로드(31) 및 이팬로드(31)에 일정한 간격으로 고정 설치되어 계량을 필요로 하는 분동(1)이 하나씩 로딩되는 다수의 계량팬(33)으로 형성되되, 이 계량팬(33)은 좌우 길이방향으로 길게 적어도 2개 이상의 관통홀(34a)이 형성되어 그 관통홀(34a)로 지지리브(412)가 안내되도록 형성된 관통부(34) 및 이것을 사이에 두고 대향 배치되면서 이 관통부(34)의 양측으로 연장 형성되어 상기 한 쌍의 팬로드(31)에 끼워져 고정 결합되는 결합부(35)를 일체로 하여 이루어진 구조인 것을 특징으로 하는 표준분동 자동교정장치.
제1항에 있어서, 상기 지지장치(410)는 구동캠(423)에 의해 회전하는 롤러(416)가 장착된 휠홀더(415)를 구비하는 사각판 형상의 홀더(411)와, 상기 홀더(411)의 선단에 고정 결합되면서 좌우 양측에서 전방으로 연장되는 'ㄷ'자 형태의 지지홀더(413)와, 상기 지지홀더(413)의 하단에 겹쳐진 형태로, 그 중간돌출부(414a)에 지지리브(412)가 장착되는 지지판(414)과, 상기 지지판(414)의 중간돌출부(414a)에 수직으로 세워진채 고정되어 상기 계량팬(33)의 관통부(34)에 형성된 관통홀(34a) 사이로 승하강 이동하도록 되어 그 계량팬(33)에 분동(1)을 로딩 또는 언로딩하는 다수개의 사각판 형태로 이루어진 지지리브(412)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 표준분동 자동교정장치.
제1항에 있어서, 상기 캠구동장치(420)는 본체(10) 양측에 지지되어 있는 사이드플레이트(13)에 각각 지지되어 스텝모터(421b)의 구동에 의해 회전 가능하도록 형성된 회전축(422)과, 상기 회전축(422)의 중간부에 고정되어 롤러(416)를 회전시켜 지지장치(410)를 상하로 승하강 이동시키는 중심이 편심된 구동캠(423)과, 상하 위치에 맞게 본체(10) 외측에 장착되어 제어부의 구동제어를 받으면서 상기 회전축(422)의 회전구동을 발생시키는 스텝모터(421b)와, 상기 스텝모터(421b)의 타측에 장착되어 회전축(422)의 회전과 함께 회전하면서 그 회전횟수를 정확하게 검출할 수 있도록 형성된 포지션휠(424) 및 센서부(425)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 표준분동 자동교정장치.
제1항에 있어서, 상기 연결장치(430)는 상기 홀더(411) 후부의 상측과 하측에 변형부재(432)를 매개로 각각 연결되어 있는 동시에, 상기 고정로드(434)의 선단에 고정된 고정부재(433)에 변형부재(432)를 매개로 각각 연결되어 있는 한 쌍의 'T'자형 아암(431)과, 체결수단에 의해 체결되어 있으면서 상기 지지장치(410)의 승하강 작용 시 변형 가능하도록 상기 'T'자형 아암(431)의 전후 양단을 사이에 두고 홀더(411)와 고정부재(433)에 장착되어 있는 변형부재(432)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 표준분동 자동교정장치.
제5항에 있어서, 상기 변형부재(432)는 그 형태가 원상태로 유지될 수 있는 얇은 사각판 형상의 고무재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 표준분동 자동교정장치.