KR20140035060A - 로드셀 정밀도 증가장치 - Google Patents

로드셀 정밀도 증가장치 Download PDF

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KR20140035060A
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송준엽
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이재학
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Abstract

본 발명은 로드셀 정밀도 증가장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레버의 양단 사이가 힌지로 지지되고 일측에 기준하중을 작용시키고 타측에 측정하중을 작용하며 힌지와 측정하중 사이에 로드셀을 설치하여 측정하고자 하는 하중보다 작은 용량의 로드셀을 사용할 수 있도록 함으로써, 측정하중을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 로드셀 정밀도 증가장치에 관한 것이다.

Description

로드셀 정밀도 증가장치 {Apparatus for improving resolution of load cell}
본 발명은 로드셀 정밀도 증가장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기준하중을 이용하여 측정하고자 하는 하중보다 작은 용량의 로드셀을 사용함으로써, 측정하중을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 로드셀 정밀도 증가장치에 관한 것이다.
일반적으로 로드셀(load cell)은 외력에 의해 비례적으로 변하는 탄성체와 이를 전기적인 신호로 바꾸어주는 스트레인게이지를 이용한 하중감지센서로써, 상업용 전자저울에서부터 산업용 대용량 전자식 계량기에 이르기까지 각종 산업분야의 공장제어 및 자동화 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있다.
이러한 로드셀은 도 1과 같이 스트레인 게이지(10)를 부착한 탄성 소재(20)로 구성되어 있으며, 하중이 가해지면 소재(20)는 탄성한계 내에서 변형을 일으키고 이 변형에 의해 스트레인 게이지(10)는 가해진 하중에 직접적으로 상응하는 저항변화를 일으킨다. 결국 로드셀은 하중 변화를 저항의 변화로 변화 시켜주는 전기적인 장치이다.
그런데 이러한 로드셀을 이용한 하중 측정 시 로드셀은 탄성 소재의 탄성을 변경시킬 수 없으므로 측정하고자 하는 하중의 크기에 따라 적절한 용량의 로드셀을 선택하여 사용해야 하는데, 측정하는 하중이 커지면 로드셀의 용량도 커져야 하며 이에 따라 로드셀의 용량이 커지면 측정하고자 하는 하중에 대한 분해능(측정할 수 있는 최소 측정 단위)이 저하되는 단점이 있다. 또한, 일반적인 로드셀은 분해능이 1/1000 이며, 분해능이 1/10000 내지 1/20000 인 고분해능의 로드셀은 매우 고가이다. 즉, 분해능에 따라 가격차이가 크고 분해능이 높을수록 로드셀의 가격이 증가하므로, 높은 분해능의 로드셀을 사용하기 위해서는 비용이 증가되는 단점이 있다.
이와 관련된 종래기술로는 한국등록특허(10-0191261)인 "로드셀 유닛"이 있다.
KR 10-0191261 B1 (1999.01.23.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 측정하고자 하는 하중보다 작은 용량의 로드셀을 사용할 수 있도록 하여 분해능을 향상시킬 수 있어 측정하중을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 로드셀 정밀도 증가장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로드셀 정밀도 증가장치는, 길이 방향으로 길게 형성되는 레버(100); 상기 레버(100)의 양단 사이에 고정되어 레버(100)를 지지하는 힌지(200); 상기 힌지(200)를 기준으로 상기 레버(100)의 일측에 작용하는 기준하중(300); 상기 힌지(200)를 기준으로 상기 레버(100)의 타측에 작용하는 측정하중(400); 및 상기 레버(100)에 일측이 접촉 또는 결합되고 타측이 고정되는 로드셀(500); 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 힌지(200)를 기준으로 상기 기준하중(300)과 거리(X)의 곱은 상기 측정하중(400)과 거리(Z)의 곱보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 힌지(200)는 상기 레버(100)의 길이 방향으로 위치가 가변될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 로드셀(500)은 상기 레버(100)의 길이 방향으로 위치가 가변될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 힌지(200)로부터 로드셀(500)까지의 거리(Y)가 상기 힌지(200)로부터 측정하중(400)까지의 거리(Z)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 로드셀 정밀도 증가장치는, 기준하중을 이용하여 측정하고자 하는 하중보다 작은 용량의 로드셀을 사용할 수 있도록 하여 분해능을 향상시켜 측정하중을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 로드셀을 나타낸 개략도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드셀 정밀도 증가장치를 나타낸 구성도 및 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 로드셀의 용량선정 및 측정하중 계산의 일례를 나타낸 개략도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로드셀 정밀도 증가장치를 나타낸 구성도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 로드셀 정밀도 증가장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 로드셀 정밀도 증가장치를 나타낸 구성도 및 개념도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 로드셀 정밀도 증가장치(1000)는, 길이 방향으로 길게 형성되는 레버(100); 상기 레버(100)의 양단 사이에 고정되어 레버(100)를 지지하는 힌지(200); 상기 힌지(200)를 기준으로 상기 레버(100)의 일측에 작용하는 기준하중(300); 상기 힌지(200)를 기준으로 상기 레버(100)의 타측에 작용하는 측정하중(400); 및 상기 레버(100)에 일측이 접촉 또는 결합되고 타측이 고정되는 로드셀(500); 을 포함하여 이루어진다.
우선, 상기 레버(100)는 길이 방향으로 길게 형성되며, 충분한 강성을 갖고 굽힘에 대한 변형이 없는 강체로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 레버(100)의 양단 사이에 힌지(200)가 설치된다. 이때, 상기 힌지(200)는 하측이 고정되고 상측은 레버(100)가 회전 가능하도록 고정된다.
또한, 상기 힌지(200)를 기준으로 레버(100)의 일측에는 기준하중(300)이 작용하고, 타측에는 측정하중(400)이 작용한다. 이때, 상기 기준하중(300)과 측정하중(400)은 모두 하측으로 작용하며, 힌지(200)를 중심으로 서로 반대 방향으로 회전시키려는 하중이 작용한다.
여기에서 상기 기준하중(300)은 미리 정해놓은 하중이며, 상기 측정하중(400)은 실제로 측정하고자 하는 무게 또는 하중이다. 그리고 상기 측정하중(400)은 용기(410)와 그 내부에 수용되는 시료(420)를 포함할 수 있다.
그리고 상기 로드셀(500)은 상기 레버(100)에 일측이 접촉 또는 결합되고 타측이 고정되도록 설치된다. 이때, 상기 로드셀(500)은 힌지(200)와 같이 레버(100)의 하측에 설치되며, 측정하중(400)이 작용하는 레버(100)의 반대측(하측)에 설치된다. 즉, 측정하중(400)에 의해 로드셀(500)에 압축력이 작용하도록 설치되어, 힌지(200)를 중심으로 측정하중(400)과 로드셀(500)에 의한 반력에 의해 레버(100)가 회전되려는 방향이 반대가 되도록 구성된다. 그리고 상기 로드셀(500)이 힌지(200)와 측정하중(400) 사이의 레버(100)의 상측에 설치될 수 있으며, 이때에는 로드셀(500)의 상측이 고정되고 하측이 레버에 결합되도록 설치되어 로드셀(500)에 인장력이 작용하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 로드셀(500)이 힌지(200)와 기준하중(300) 사이에 설치될 수도 있으며, 이때에는 레버(100)의 상측에 로드셀(500)이 설치될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 로드셀 정밀도 증가장치(1000)는, 도 3과 같이 레버(100)의 우측 단부에 실제로 측정하고자 하는 시료(420)의 무게와 시료가 수용되는 용기(410) 무게의 합이 측정하중(400)이 되도록 작용시키면, 기준하중(300)에 의해 측정하중(400)의 대부분이 상쇄되고 남은 작은 하중만이 로드셀(500)에 작용하게 된다. 즉, 용기(410)의 무게와 같은 기준하중(300)을 설치하면, 기준하중(300)에 의해 용기(410)의 무게는 상쇄되고, 실제로 로드셀(500)에는 시료(420)의 무게만이 작용하게 된다. 그러므로 로드셀(100)의 용량은 시료(420)의 무게에 해당하는 용량으로 선정하면 되므로, 로드셀의 용량을 줄일 수 있다.
예를 들면 시료(1g)를 용기(10g)에 담아 직접 로드셀(500)로 하중을 측정하는 경우, 총 11g의 무게를 측정해야 하므로 로드셀(500)의 용량이 11g 이상이 되어야 한다. 이때, 사용되는 로드셀(500)의 용량이 11g 이고 분해능이 1/1000 이라고 가정하면, 로드셀(500)로 측정할 수 있는 최소 측정 단위는 0.011g(=11g*1/1000)이 된다. 반면 도 2 및 도 3과 같은 본 발명의 로드셀 정밀도 증가장치를 사용하면 로드셀(500)에 작용하는 하중이 1g 이므로 로드셀(500)의 용량이 1g 이면 되므로, 사용되는 로드셀(500)의 용량이 1g 이고 분해능이 1/1000 이라고 가정하면, 로드셀(500)로 측정할 수 있는 최소 측정 단위는 0.001g(=1g*1/1000)이 된다.
이와 같이 본 발명의 로드셀 정밀도 증가장치를 사용하면 작은 용량의 로드셀을 사용할 수 있어 분해능을 향상시킬 수 있어 실제로 측정하고자 하는 하중을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있으며, 기준하중을 이용하여 용기의 무게를 상쇄시킬 수 있어 특히 소량의 시료 무게를 측정하는데 있어서 분해능을 향상시킬 수 있다.
그리고 로드셀(500)에 실제로 작용하는 하중은 힌지(200)를 중심으로 작용하는 하중과 거리의 곱에 따라 달라지며, 이는 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
즉, 식(1),(2)는 힌지(200)를 중심으로 한 회전 모멘트의 평형을 나타낸 것으로, 도 4와 같이 기준하중을 FS, 로드셀의 반력을 FL, 측정하중을 FM, 이라고 할 때, 각 하중과 로드셀의 반력이 작용하는 각 지점까지의 거리(X,Y,Z)의 곱으로 나타낼 수 있는 식(1)을 식(2)와 같이 나타낼 수 있으며, 여기에서 로드셀의 반력(FL)은 로드셀(300)에 작용하는 하중과 같다.
그러므로 기준하중(300)과 각 거리들 및 측정하중(400)을 알면 식(2)를 이용하여 로드셀(500)에 작용하는 하중을 구할 수 있으며, 마찬가지로 실제로 측정하고자 하는 하중을 측정하중(400)의 위치에 가하여 로드셀(500)에 하중이 측정되면 이 값을 이용하여 측정하고자 하는 하중을 구할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 로드셀 정밀도 증가장치의 실시 예에 대해 설명한다.
우선, 상기 힌지(200)를 기준으로 상기 기준하중(300)과 거리(X)의 곱은 상기 측정하중(400)과 거리(Z)의 곱보다 작은 것을 특징으로 한다. 이는 측정하중(400)에 의해 레버(100)가 시계방향으로 회전되려는 힘이 작용하여 로드셀(500)이 눌리며 압축력을 측정할 수 있도록 구성되는 것이다.
그리고 상기 힌지(200)는 상기 레버(100)의 길이 방향으로 위치가 가변되도록 형성될 수 있다. 이는 힌지(200)의 위치를 조절함으로써 기준하중(300)을 변경하지 않고도 다양한 측정하중(400)에 대해 측정할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 상기 로드셀(500)은 상기 레버(100)의 길이 방향으로 위치가 가변될 수 있다. 즉, 로드셀(500)의 위치가 측정하중(400)에 가까울수록 로드셀(500)에 작용하는 하중이 작아지므로, 로드셀(500)의 용량을 보다 작은 것을 선정할 수 있다. 반대로 도 5와 같이 로드셀(500)이 힌지(300)에 가까울수록 로드셀(500)에 작용하는 하중이 커지므로 로드셀(500)의 용량이 큰 것을 사용해야 한다. 여기에서 도시된 바와 같이 기준하중(300)이 10g, 측정하중(400)이 11g(용기 10g, 시료 1g)이고, 힌지(200)로부터 기준하중(300)과 측정하중(400)의 거리가 L 로 같고 힌지(200)로부터 로드셀(500)의 거리가 L/10 이면, 로드셀(500)에 작용하는 하중은 10g 이 된다. 그러므로 용량이 10g 인 로드셀(500)을 사용할 수 있으며, 용량이 1g 인 로드셀(100)이 없는 경우 상기와 같이 로드셀(500)의 위치를 조절하여 사용자가 보유하고 있는 용량의 로드셀을 사용할 수도 있다.
또한, 도 6과 같이 힌지(200)로부터 기준하중(300)과 측정하중(400)의 거리가 L 로 같고 힌지(200)로부터 로드셀(500)의 거리를 10L 로 하면, 로드셀(500)에 작용하는 하중은 0.1g 이 된다. 그러므로 용량이 0.1g 인 로드셀(500)을 사용할 수 있어 분해능이 더욱 향상되므로 시료(420)의 무게를 더욱 정밀하게 측정할 수 있다. 이때, 기준하중(300)은 레버(100)의 길이와 무게를 고려하여 보다 큰 하중이 작용하도록 선정할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : (본 발명의) 로드셀 정밀도 증가장치
100 : 레버
200 : 힌지
300 : 기준하중
400 : 측정하중
410 : 용기 420 : 시료
500 : 로드셀
600 : 지지대
X : 기준하중과 힌지 사이의 거리
Y : 로드셀과 힌지 사이의 거리
Z : 측정하중과 힌지 사이의 거리

Claims (5)

  1. 길이 방향으로 길게 형성되는 레버(100);
    상기 레버(100)의 양단 사이에 고정되어 레버(100)를 지지하는 힌지(200);
    상기 힌지(200)를 기준으로 상기 레버(100)의 일측에 작용하는 기준하중(300);
    상기 힌지(200)를 기준으로 상기 레버(100)의 타측에 작용하는 측정하중(400); 및
    상기 레버(100)에 일측이 접촉 또는 결합되고 타측이 고정되는 로드셀(500); 을 포함하여 이루어지는 로드셀 정밀도 증가장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 힌지(200)를 기준으로 상기 기준하중(300)과 거리(X)의 곱은 상기 측정하중(400)과 거리(Z)의 곱보다 작은 것을 특징으로 하는 로드셀 정밀도 증가장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 힌지(200)는 상기 레버(100)의 길이 방향으로 위치가 가변될 수 있는 것을 특징으로 하는 로드셀 정밀도 증가장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 로드셀(500)은 상기 레버(100)의 길이 방향으로 위치가 가변될 수 있는 것을 특징으로 하는 로드셀 정밀도 증가장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 힌지(200)로부터 로드셀(500)까지의 거리(Y)가 상기 힌지(200)로부터 측정하중(400)까지의 거리(Z)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 로드셀 정밀도 증가장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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