KR20110105301A - 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀에 관한 것으로서, 한 쌍의 변형률계를 포함하고, 외력의 영향을 받는 외력 측정부 및 외력이 가해지지 않는 부분에 형성되고, 다른 한 쌍의 변형률계를 포함하는 온도 보상부를 포함하고, 한 쌍의 변형률계와 다른 한 쌍의 변형률계로 휘트스톤 브리지 회로를 구성하여 외력에 의한 변형량 측정시에 온도를 보상하는 것을 특징으로 하며, 로드 셀을 이용하여 탄성체의 스트레인(인가 하중)을 측정하는 경우, 온도에 의한 영향을 제거할 수 있으므로 스트레인 측정의 정확성을 제고 내지는 담보할 수 있다.

Description

변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀{Temperature compensated load cell comprising strain gauges}
본 발명은 로드 셀(Load cell)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 저항식 변형률계(strain gauge with electrical resistance)를 구비한 로드 셀을 이용하여 탄성체에 인가되는 하중에 의한 탄성체의 스트레인(strain, 변형량)을 측정하는 경우, 그 측정 오차(estimation error)를 보상(compensation)할 수 있는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀에 관한 것이다.
로드 셀(Load cell), 특히 전기 저항식 변형률계를 가진 로드 셀은 탄성체에 가해진 힘(응력 또는 인가 하중, load)에 의한 탄성체의 스트레인이 탄성체의 고유 저항(specific resistance)값의 변화로 나타난다는 원리에 기반하여 인가 하중에 의한 탄성체의 스트레인을 측정하는 장비이다. 전기 저항식 변형률계에 의해 측정된 고유 저항값의 변화는 외력의 크기로 환산되어 인가 하중에 의한 스트레인, 더 나아가 인가 하중의 크기도 파악할 수 있게 한다. 로드 셀은 캔틸레버 보(Cantilever beam) 형태, 사각형 형태 그리고 원형 형태 등 계측의 용도에 맞는 크기와 치수로 제작되어 사용되고 있다.
전기저항식 변형률계는 흔히 스트레인 게이지(strain gauge)라고 불리는 전기저항 측정 센서로서, 1953년 Jackson에 의해 개발된 포일(foil) 변형률계를 시작으로 현재 다양한 형태의 센서로 개발되어 사용되고 있다. 전기저항식 변형률계는 탄성체에 작용하는 외력에 의해 변형률계의 저항선이 수축 또는 팽창되어 나타나는 탄성체의 스트레인을 고유 저항의 변화로 나타낸다.
변형률계는 일반적으로 격자형 방식으로 정렬된 금속 포일(metal foil)로 구성되어 있으며, 이는 평행 방향으로 구성된 금속 포일의 변형량을 극대화시켜 탄성체의 미세한 변형도 정확하게 예측하도록 제작되어 있다. 변형률계에 의해 측정된 값은 다양한 식을 이용하여 탄성체에 작용한 인가 하중 및 변형률 등으로 환산하여 탄성체의 거동을 예측할 수 있다.
로드 셀은 주변으로부터 전달된 하중으로 인한 변형량을 측정하는 계측 장비로서, 정확한 하중센서로서 탄성체의 스트레인을 정확히 측정하기 위해서는 인가 하중 이외의 다른 변수에 의해 영향을 받지 않아야 한다. 그러나 실제로는 인가 하중뿐만 아니라 여러 팩터(factor)가 스트레인(인가 하중) 측정에 영향을 미치는데, 변형률계를 구비한 로드 셀을 이용하여 스트레인을 측정함에 있어서는 특히 변형률계 자체 및 탄성체에서의 발열로 인한 온도가 미치는 영향이 매우 크다.
이와 같은 이유로 최근의 전기저항식 변형률계는 저항체의 열팽창계수와 저항의 온도계수를 이용하여 일정 온도까지 자체적으로 보상이 되도록 구성되고 있지만, 겉보기 변형도(apparent strain)와 게이지 상수(gauge factor)의 변화로 인하여 아직까지도 부정확한 출력값을 나타내는 것으로 알려졌다.
온도에 의한 영향을 최소화시켜주기 위하여 기존의 온도 보상에 관한 연구는 대부분 변형률계 브릿지(Bridge) 구성시 여분의 보상회로를 연결하여 회로를 재구성하는 형태이거나, 온도에 민감한 저항 모듈러스를 연결하여 온도증가에 의한 전압증가를 상쇄해주는 것이다.
그러나 이러한 보상 방안들은 계측 목적에 맞도록 휘트스톤 브리지 회로를 재구성해야 하며, 저항 모듈러스를 휘트스톤 브리지 회로에 부가적으로 연결하는 것은 온도 센서의 부착 공간이 부족한 문제를 야기하기 때문에 로드 셀의 활용성 곤란 문제를 유발시킨다. 아울러 이러한 보상 방안들에 의하더라도 겉보기 변형도(apparent strain)와 변형률계의 계수(gauge factor)의 변화를 야기하므로 스트레인 측정의 정확성을 담보하지 못한다. 이는 무엇보다도 변형률계(휘트스톤 브리지 회로)의 기본 구성을 변형시켜 스트레인 측정의 오차 보상을 하기 때문에 발생하는 문제이다.
따라서 변형률계를 구비한 로드 셀을 이용하여 스트레인을 측정하는 경우에, 온도는 측정치의 오차를 매우 크게 하는(측정치의 정확성을 현저히 떨어뜨리는) 요소이며, 온도에 의한 오차를 보상 내지는 제거할 수 있는 방안이 필요하다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 로드 셀을 이용하여 탄성체의 스트레인을 측정하는 경우, 온도에 의한 영향을 제거하여 스트레인 측정의 정확성을 제고 내지는 담보할 수 있는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 한 쌍의 변형률계를 포함하고, 외력의 영향을 받는 외력 측정부; 및 상기 외력이 가해지지 않는 부분에 형성되고, 다른 한 쌍의 변형률계를 포함하는 온도 보상부를 포함하고, 상기 한 쌍의 변형률계와 상기 다른 한 쌍의 변형률계로 휘트스톤 브리지 회로를 구성하여 상기 외력에 의한 변형량 측정시에 온도를 보상하는 것을 특징으로 하는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 외력 측정부에 연결되어, 상기 외력 측정부에 가해지는 외력의 영향을 받는 외력 전달부를 더 포함하고, 상기 온도 보상부는 상기 외력 측정부에 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 외력 전달부는 중공관(中空管)을 갖는 탄성체이고, 상기 온도 보상부를 둘러싸면서 상기 외력 측정부에 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 온도 보상부는 상기 외력 측정부의 표면에 홈을 파서 형성될 수 있다.
또한, 상기 외력 측정부의 한 쌍의 변형률계 각각에 대응하는 "ㄷ"자 홈이 상기 외력 측정부 표면에 형성되며, 상기 한 쌍의 변형률계는 각각 대응하는 "ㄷ"자의 안쪽에 위치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 외력 측정부에 포함된 한 쌍의 변형률계로부터 측정된 값과 상기 온도 보상부에 포함된 한 쌍의 변형률계로부터 측정된 값의 차이를 이용하여 상기 외력에 의한 변형량이 측정이 되는 것이 바람직하다.
상기 변형률계는 전기 저항식 변형률계이고, 상기 휘트스톤 브릿지는 쿼터 브리지 (Quarter-bridge), 하프 브리지 (Half-bridge), 또는 풀 브리지 (Full- bridge) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 로드 셀을 이용하여 탄성체의 스트레인(인가 하중)을 측정하는 경우, 온도에 의한 영향을 제거할 수 있으므로 스트레인 측정의 정확성을 제고 내지는 담보할 수 있다.
도 1은 전기 저항식 변형률계를 이용하여 구성되는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회로 연결 방식을 나타낸 것이다.
도 2는 종래에 사용되는 로드 셀의 형상 및 종래의 로드 셀에 변형률계가 부착된 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기저항식 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀을 나타낸 것이다.
도 5는 종래의 액티브-더미법의 일반적인 온도 보상 로드 셀과 본 발명의 실시예에 따른 전기저항식 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀을 이용하여 온도에 따른 변화값을 관찰한 그래프를 도시한 것이다.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀은 한 쌍의 변형률계를 포함하고, 외력의 영향을 받는 외력 측정부; 및 상기 외력이 가해지지 않는 부분에 형성되고, 다른 한 쌍의 변형률계를 포함하는 온도 보상부를 포함하고, 상기 한 쌍의 변형률계와 상기 다른 한 쌍의 변형률계로 휘트스톤 브리지 회로를 구성하여 상기 외력에 의한 변형량 측정시에 온도를 보상한다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 전기 저항식 변형률계를 이용하여 구성되는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회로 연결 방식을 나타낸 것이다. 도 1(a)는 풀-브릿지(Full-bridge), 도 1(b)는 하프-브릿지(Half-bridge), 도 1(c)에 도시된 쿼터-브릿지(Quarter-bridge)를 나타낸다.
휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)는 주로 미지의 전압값을 측정하기 위하여 사용되거나, 미세한 전압변화를 증폭시키기 위하여 사용된다.
회로는 4개의 변형률계(R1, R2, R3, R4)를 이용하여 구성되며, 변형률계의 부착 공간의 여유나 사용자의 계측 목적에 따라 쿼터 브리지 (Quarter-bridge), 하프 브리지 (Half-bridge) 그리고 풀 브리지 (Full- bridge)로 구성된다. 또한, 변형률계의 부착 방향 및 회로 연결방식은 압축력, 인장력, 전단력 그리고 온도 등과 같이 사용자의 측정 목적에 의하여 다양한 연결방식으로 응용되어 사용하고 있다.
한편 변형률계는 휘트스톤 브리지(Wheatstone's bridge) 회로로 구현되어 탄성체의 스트레인을 상기한 고유 저항의 변화로 나타낸다. 즉, 휘트스톤 브리지(Wheatstone's bridge) 회로에서는 스트레인이 고유 저항의 변화로 나타나는데, 풀-브릿지 형태의 경우 탄성체의 변형률(ε)에 따른 고유 저항의 변화(ΔR)는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서 k는 변형률계의 계수(gauge factor)로서 실험적으로 도출되는 값이며, 인가 하중을 받는 탄성체가 금속인 경우 k는 대략 2의 값인 것으로 알려져 있다. 그리고 RO는 탄성체에 인가 하중이 없을 경우의 고유 저항치에 해당한다.
하기에 제시되는 각 저항간의 연결 관계는 도 1에 제시된 저항의 연결 관계와 동일하다. 그리고 입력(Input)은 인가 하중을, 출력(Output)은 스트레인 측정치를 의미한다.
도 2는 종래에 사용되는 로드 셀의 형상 및 종래의 로드 셀에 변형률계가 부착된 상태를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 로드 셀에 변형률계(R1, R2, R3, R4)가 부착된 방식은 입력전압이나 하중에 의해 발생한 온도를 보상하기 위해 보편적으로 사용되고 있는 액티브-더미법(active-dummy method) 변형률계 부착 방식이다.
압축력이 작용할 경우 변형률계 R1과 R3은 압축력과 온도에 의한 변화값을 반영하며, 변형률계 R2와 R4는 압축력에는 영향을 받지 않고 온도에 대한 변화만 반영하게 된다. 따라서 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 계산식을 이용하면 이론적으로 온도에 대한 보상이 이루어질 것이다.
본 발명은 변형률계(휘트스톤 브리지 회로)의 기본 구성을 그대로 유지하면서 측정 오차를 보상하는 방안을 제안하는 것이다. 기본 구성의 유지는 로드 셀의 이론적인(바람직한) 특성을 최대한 유지시킬 수 있는 가장 큰 관건(crucial point)이다. 즉, 본 발명은 휘트스톤 브리지 회로를 변형하여 구성할 필요가 없이 또는 저항 모듈러스를 추가적으로 부착할 필요가 없이 변형률계가 가진 기본 구성 즉, 4개의 변형률계의 휘트스톤 브리지 회로 구성을 유지시킨 상태에서 온도에 의해 영향을 받는 측정 오차를 보상할 수 있도록 하는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀은 외력 측정부(310), 온도 보상부(320), 및 하중 전달부(330)를 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀은 기존의 온도보상 방법과는 다르게 장비 자체를 이용하여 온도를 보상하는 방법이다.
외력 측정부(310)의 휘트스톤 브리지 회로의 기본 구성(즉, 도 1에 제시된 구성)을 변형시키지 않고 그대로 이용하되, 다만 로드 셀에 부착되는 4개의 변형률계(R1, R2, R3, R4) 중 (R1, R3)쌍 또는 (R2, R4)쌍에만 인가 하중이 전달되도록 하여 온도의 영향에 의한 측정 오차를 보상한다. 이하에서는 도 3에 도시된 것과 같이 (R1, R3)쌍에만 인가 하중이 전달되도록 하는 것을 전제로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀은 외력 측정부(310)를 짧게 연장하여(변형률계가 부착될 수 있는 정도의 크기) 하중을 계측하는 부분 이외에 온도에만 영향을 받는 부분인 온도 보상부(320)에 변형률계를 부착하여 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회로를 구성하는 것이다.
외력 측정부(310)은 하중을 받으면 압축되거나 늘어나는 등 변형되는 소자로서, 변형률계 R1과 R3가 부착된다. 외력 측정부(310)는 기존의 로드 셀로 대체될 수 있다. 로드 셀은 탄성체에 가해진 힘이 탄성체의 고유저항을 변화시키는 원리에 기초한다. 고유저항의 변화는 외력 측정부(310)에 부착된 전기저항식 변형률계를 사용하여 측정되며, 측정된 저항은 외력의 크기로 환산되어 외력 측정부(310)에 작용한 하중의 크기를 파악할 수 있다. 외력 측정부(310)의 모양은 캔틸레버보 형태, 사각형 형태 그리고 원형 형태 등 공업계측의 용도에 알맞은 크기와 치수로 제작되어 사용되고 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀도 다양한 크기와 형상의 로드 셀에 적용할 수 있다.
온도 보상부(320)는 외력 측정부(310)를 연장하여 구성된 부분으로 변형률계 R2와 R4가 부착되며, 인가 하중을 받지 않는다. 온도 보상부(320)는 하중을 받는 외력 측정부(310)의 후면에 원래의 외력 측정부(310)보다 내경 혹은 크기는 작고 길이가 짧은 탄성체를 외력 측정부(310)에 연장하여 구성된다. 길이가 짧게 연장된 탄성체인 온도 보상부(320)는 중공관 형태의 탄성체인 하중 전달부(330) 안에 위치하게 되며, 작용한 하중은 원래의 외력 측정부(310)과 하중 전달부(330)에만 영향을 주어 온도 보상부(320)는 온도에 대한 영향만을 받게 된다.
하중 전달부(330)는 외력 측정부(310)의 중앙이나 후면에 외부하중을 분산시킬 수 있는 여분의 금속 장비로 구성되며, 하중에는 무관하고 온도만 영향받는 구역인 온도 보상부(320)를 형성하도록 한다. 하중 전달부(330)는 중공관(中空管) 형태의 금속 물질의 탄성체로서, 온도 보상부(320)를 둘러싸면서, 외력 측정부(310)과 연결된다. 따라서 연장 부착된 탄성체인 온도 보상부(320)는 하중 전달부(330) 안에 위치하게 된다. 한편, 본 실시에에서는 중공관 형태의 하중 전달부(330)를 예시로 들었으나 하중 전달부(330)는 다양한 크기 및 형상이 가능하다.
이와 같은 구성의 결과로서, 하중이 작용되는 외력 측정부(310)의 변형률계(R1, R3)는 하중과 온도가 동시에 반영된 값을 나타내지만, 온도 보상부(320)에 부착된 변형률계(R2, R4)는 하중이 모두 하중 전달부(330)로 분산되어 온도만을 반영한다.
보다 상세하게 살펴보면, 인가 하중은 외력 측정부(310)과 하중 전달부(330)에만 영향을 주기 때문에 인가 하중의 영향을 받는 부분 즉, 외력 측정부(310)에 부착된 변형률계(R1, R3)는 인가 하중과 온도가 모두 영향을 미치는 측정치를 나타내지만, 연장 부착된 탄성체인 온도 보상부(320)의 변형률계(R2, R4)의 경우에는 인가 하중이 모두 하중 전달부(330)로만 전달되기 때문에 온도에 의한 영향만을 반영한다. 즉 인가 하중은 외력 측정부(310)의 표면과 하중 전달부(330)의 표면만을 통해 전달되기 때문에 연장 부착된 온도 보상부(320)의 변형률계(R2, R4)에는 온도에 의한 영향만이 반영된 측정치가 나타난다. 도 3의 하단부 그림은 인가 하중 전달에 관한 이해의 편의를 위해 도 3의 상단부 그림을 윗 방향에서 바라본 것이다.
이와 같은 전기저항식 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀을 휘트스톤 브리지 (Wheatstone bridge) 회로로 구성하면 온도에 대한 영향은 상쇄되고 외부하중에 의하여 반응한 값만 나타나기 때문에 정확한 온도보상을 할 수 있다. 따라서, 추가적인 변형률계의 부착 및 복잡한 회로 구성없이 기존과 동일하게 4개의 변형률계만을 이용하여 휘트스톤 브리지 (Wheatstone bridge) 회로로 온도를 보상할 수 있다.
도 2에서와 같은 조치없이 변형률계(휘트스톤 브리지 회로)의 기본 구성만으로는 위에서 언급한 바와 같이 온도에 의한 영향이 같이 반영되어 탄성체의 스트레인(인가 하중)이 측정되는데, 이 경우 각 변형률계에 의해 측정되는 온도만의 영향에 의한 측정치는 4개 변형률계가 거의 동일한 것으로 알려져 있다.
따라서 본 발명은 연장 부착된 온도 보상부(320)의 변형률계(R2, R4)에서는 온도의 영향에 의한 값만이 측정되도록 하여, 스트레인(인가 하중)이 얼마인지를 정확히 알 수 있도록 한다. 즉, 온도 보상부(320)의 변형률계(R2, R4)에서 측정된 값을 외력 측정부(310)에 부착된 변형률계(R1, R3)에 의해 측정된 값에서 빼주면 스트레인의 정확한 값을 알 수 있는 것이다. 요컨대 본 발명은 변형률계의 한 쌍에는 인가 하중의 전달을 차단시키고, 온도의 영향에 의한 값만이 측정토록 하여 인가 하중의 영향에 의한 스트레인의 진정한 값을 정확히 파악할 수 있도록 하는 것이며, 이는 도 4에 도시된 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기저항식 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀의 경우에도 마찬가지이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기저항식 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀은 외력 측정부(410), 및 온도보상부(420)를 포함하여 구성된다.
도 4에 도시된 온도 보상 로드 셀도 도 3에 도시된 온도 보상 로드 셀과 유사하게 회로연결 방식에서 벗어나 장비를 이용하여 온도를 보상한다.
즉, 하중의 영향에서 벗어나고 탄성체의 온도만 전달되도록 로드 셀 자체에 홈을 형성하여 휘트스톤 브리지 (Wheatstone bridge) 회로를 구성한다.
도 4에 의한 구현예도 도 3에 의한 구현예와 마찬가지로 변형률계(휘트스톤 브리지 회로)의 기본 구성을 변형시키지 않고 그대로 이용하고 있음을 알 수 있다. 다만, 도 3의 구현예와는 달리, 도 4에 의한 구현예는 로드 셀에 탄성체를 연장 부착하거나 중공관을 갖는 탄성체가 필요없이 로드 셀 자체만으로 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 점이다.
외력 측정부(410)은 외부하중에 직접적으로 영향을 받는 영역으로서, 한 쌍의 변형률계(R1, R3)가 설치된다. 외력 측정부(410)는 기존의 로드 셀로 대체될 수 있다. 로드 셀은 탄성체에 가해진 힘이 탄성체의 고유저항을 변화시킨다는 원리에 기초한다. 고유저항의 변화는 외력 측정부(410)에 부착된 전기저항식 변형률계를 사용하여 측정되며, 측정된 저항은 외력의 크기로 환산되어 외력 측정부(410)에 작용한 하중의 크기를 파악할 수 있다.
온도 보상부(420, 421)는 외력 측정부(410)에 “ㄷ” 형태로 홈을 만들어 외부하중과는 분리되도록 한다. 온도 보상부(420, 421)에는 나머지 한 쌍의 변형률계(R2, R4)가 설치된다. 따라서, 온도 보상부(420, 421)에 설치된 나머지 한 쌍의 변형률계(R2, R4)는 온도에만 영향을 받게 된다. 연결된 변형률계(R2, R4)는 도 3에서와 같은 회로연결 방식과 시스템으로 온도에 대한 영향을 배제할 수 있어, 외력 측정부(410)에 가해진 하중 값을 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 홈이 파인 로드 셀은 외력 측정부(410)에 적용되는 외력 방향과는 분리되어 온도에 대한 영향만을 출력하도록 하는 변형률계(R2, R4)를 포함한다. 하중에 대한 영향을 평가할 수 있는 2개의 변형률계(R1, R3)와 온도만을 측정하는 여분의 2개의 변형률계(R2, R4)로 휘트스톤 브리지 (Wheatstone bridge) 회로를 구성하여 정확하게 작용하는 외력을 평가할 수 있다.
따라서, 도 4에 의한 실시예의 동작 원리도 도 3에 의한 실시예의 동작 원리와 동일하다. 즉, 한 쌍의 변형률계(R1, R3)는 인가 하중에 직접적으로 영향을 받도록 하고, 나머지 한 쌍(R2, R4)은 별도의 온도 보상부(320)를 형성하거나 그 주위에 홈(예를 들어 도 4에 제시된 바와 같이 “ㄷ”자 형태의 홈)을 냄으로써 인가 하중의 영향을 차단한다. 따라서 변형률계(R2, R4)는 온도의 영향에 의한 값만이 측정되도록 한다. 스트레인(인가 하중)의 파악 방식(원리)은 도 3의 경우와 동일하다.
한편, 도 3과 도 4에 제시된 로드 셀의 크기나 형태는 단순한 일례를 제시한 것으로 로드 셀의 크기(길이)나 형태(사각형, 원형 기타 형태)에 상관없이 상기 언급한 본 발명에 의한 결과가 실현될 수 있다.
도 5는 종래의 액티브-더미법의 일반적인 온도 보상 로드 셀과 본 발명의 실시예에 따른 전기저항식 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀을 이용하여 온도에 따른 변화값을 관찰한 그래프를 도시한 것이다.
도 5(a)는 종래의 액티브-더미법의 일반적인 온도 보상 로드 셀의 온도에 따른 스트레스의 변화를 나타낸 것이고, 도 5(b)는 본 발명의 실시예에 따른 전기저항식 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀을 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 도 5(b)의 온도에 따른 스트레스의 변화 폭이 종래의 액티브-더미법에 따른 도 5(a)의 온도에 따른 스트레스의 변화 폭보다 상대적으로 작으며 시간이 경과할수록 거의 일정한 값으로 나타났다. 그러나 기존의 액티브-더미법의 로드 셀은 온도에 따른 변화폭이 크게 나타났으며 온도가 34˚일 경우는 전혀 온도보상이 이루어지지 않는 것으로 나타났다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서는 시간이 경과 할수록 온도에 따른 스트레스의 변화 폭이 감소하는 경향으로 도출되는 것을 확인하였다.
본 발명에 의하는 경우 예상대로 측정된 인가 하중의 변화폭은 온도와 관계없이 거의 없고 시간이 경과해도 거의 일정한 값으로 나타나는 것을 알 수 있다. 그러나 종래의 액티브-더미법에 의하면 온도에 따른 변화폭이 크게 나타나며 온도가 34o인 경우는 전혀 온도 보상이 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한, 시간이 경과 할수록 측정치의 오차가 많이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 전기저항식 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀은 기존의 로드 셀 보다 온도보상에 대한 효과가 우수하게 나타남을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명은 전기저항식 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀에 관한 내용으로 하중 변화를 측정하기 위한 토목, 건축, 기계, 전기, 항공, 조선 등 공업계측의 전반에서 이용될 수 있다. 유체압력센서, 전자저울, 하중시험기, 프레스 압입하중, 터널 및 교량 등의 압력 측정, 와이어 및 롤의 장력 측정 등 다양한 압축 및 인장력 측정 분야에 적용하여 정확한 계측값을 도출할 수 있다.

Claims (8)

  1. 한 쌍의 변형률계를 포함하고, 외력의 영향을 받는 외력 측정부; 및
    상기 외력이 가해지지 않는 부분에 형성되고, 다른 한 쌍의 변형률계를 포함하는 온도 보상부를 포함하고,
    상기 한 쌍의 변형률계와 상기 다른 한 쌍의 변형률계로 휘트스톤 브리지 회로를 구성하여 상기 외력에 의한 변형량 측정시에 온도를 보상하는 것을 특징으로 하는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외력 측정부에 연결되어, 상기 외력 측정부에 가해지는 외력의 영향을 받는 외력 전달부를 더 포함하고,
    상기 온도 보상부는 상기 외력 측정부에 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외력 전달부는 중공관(中空管)을 갖는 탄성체이고, 상기 온도 보상부를 둘러싸면서 상기 외력 측정부에 연결되는 것을 특징으로 하는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 보상부는 상기 외력 측정부의 표면에 홈을 파서 형성되는 것을 특징으로 하는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 외력 측정부의 한 쌍의 변형률계 각각에 대응하는 "ㄷ"자 홈이 상기 외력 측정부 표면에 형성되며, 상기 한 쌍의 변형률계는 각각 대응하는 "ㄷ"자의 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외력 측정부에 포함된 한 쌍의 변형률계로부터 측정된 값과 상기 온도 보상부에 포함된 한 쌍의 변형률계로부터 측정된 값의 차이를 이용하여 상기 외력에 의한 변형량이 측정이 되는 것을 특징으로 하는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 변형률계는 전기 저항식 변형률계인 것을 특징으로 하는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 휘트스톤 브릿지는 쿼터 브리지 (Quarter-bridge), 하프 브리지 (Half-bridge), 또는 풀 브리지 (Full- bridge) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 변형률계를 구비한 온도 보상 로드 셀.
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