KR930002723B1

KR930002723B1 - 계측기의 크리이프(Creep)등의 경시오차를 보상하는 장치

Info

Publication number: KR930002723B1
Application number: KR1019900009284A
Authority: KR
Inventors: 신이찌 이노우에; 아키오 히로세
Original assignee: 야마도 세이고오 가부시기가이샤; 가와니시 다쓰야
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1993-04-09
Also published as: KR920001177A

Abstract

내용 없음.

Description

계측기의 크리이프(Creep)등의 경시오차를 보상하는 장치

제 1 도는 굽힘부재에 특정하중의 인가시에 하중검출 장치의 굽힘부재에 나타나는 변위와 변형의 경시변화를 나타내는 그래프.

제 2 도 및 제 3 도는 계량유닛으로 부터 본발명에 의한 보상장치로의 계량신호전송시스템의 두가지 형태를 나타내는 블록도.

제 4 도는 본발명에 의한 보상장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도.

제 5 도 및 제 6 도는 본발명에 의한 보상장치의 두가지 실시예를 나타내는 블록도.

제 7 도는 공지의 스트레인게이지 로드셀형 계량유닛의 한가지 예를 나타내는 측면도.

제 8 도는 제 7 도의 계량유닛에 있어서 스트레인게이지의 부착상태를 나타내는 확대단면도.

제 9 도는 제 7 도의 계량유닛에 본발명의 보상장치가 적용된 경우의 신호전송시스템을 나타내는 블록도.

제10도는 변위의 경시변화에 미치는 크리이프와 응력완화의 영향을 나타내는 그래프.

제11도는 응력완화의 전달함수를 나타내는 그래프.

제12도 및 제13도는 제 7 도의 계량유닛에 적용할 수 있는, 본발명에 의한 보상장치의 두가지 실시예를 나타내는 블록도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 계량장치 2 : 계량유닛

3 : 변위-전기신호 변환기 4 : A/D변환기

5 : 변위-펄스율변환기 6 : 이상 하중변환기

7 : 경시오차발생시스템 10 : 보상장치

11 : 크리이프계수연산회로 11' : 응력완화계수연산회로

12 : 온도측정회로 13 : 온도검출기

50 : 굽힘부재 52 : 굴곡부

54 : 계량접시 55 : 하중

56 : 스트레인게이지 57 : 절연재

58 : 절연코우팅

본발명은 힘 또는 질량을 디지탈값으로 측정하는데 사용되는 계량기, 풍동저울, 또는 압력계 등과 같은 장치에 관한 것으로, 상세하게는 이와 같은 장치에 사용되는 힘검출기의 굽힘부재(flexural member)의 크리이프(creep)에 의해 발생되는 경시오차(經時誤差)를 보상하는 장치에 관한 것이다.

예를들어, 계량기내에 포함되는 하중검출기는, 레버(lever)나 Roberval기구 또는 스프링과 함께 작동하는 이들 기구(이하, "제 1 형"이라 함), 혹은 스트레인게이지에 의해 변형을 전기적으로 검출하는 굽힘부재(이하 "제 2 형"이라 함)를 사용하여 하중에 의해 발생되는 또는 변형(strain)을 전기신호를 변환시키기 위해 적용된다. 이와 같은 검출기는 통상 하중이 인가되자마자 출력신호를 산출하는데, 그 신호값이 시간의 경과에 따라 경미하게 변화하여 표시가 잘못될 수 있다. 이 영향을 "크리이프"라고 하는데, 이와같은 크리이프오차를 보상하기 위한 기술이 예를들어 미국특허공보 제4,412,298호 및 제4,691,290호에 개시되어 있다.

그러나, 상기한 제 1 형의 검출기에 있어서는 검출기의 크리이프특성이 주위온도에 따라 자주 변화하므로, 표시정도(精度)를 개선하기 위하여 보상량에 온도보정을 가할 필요가 있다. 한편, 굽힘부재에 부착 또는 점착된 기계-전기변환기를 포함하는 스트레인게이지로드셀 등과 같은 제 2 형 검출기에 있어서는, 굽힘부재 및 변환기 양자의 변형사이에 시간이 경과 중에 미세한 차이가 나타날 수 있는데, 이것은 후술하는 바와 같이 "응력완화"에 기인한다.

그러므로, 이와같은 형태의 검출기에 있어서는, 제 1 형의 검출기에서와 같은 보상량의 온도보정 뿐아니라 공지의 크리이프오차 및 상기한 응력완화 모두에 대한 보상을 해야할 필요가 있다.

그러나, 상기한 참고문헌에는 상술한 문제점에 대한 설명이나 제안이 없으므로, 상기한 종래기술의 장치는 그와 같은 경시표시오차의 보상이 불완전하다고 생각된다.

따라서, 본발명의 제 1 목적은, 검출기의 크리이프에 기인한 경시표시오차의 보상량에 온도보정을 가할 수 있는 개선된 보상장치를 제공하고자 하는 것이다. 본발명의 제 2 목적은, 검출기의 크리이프에 기인한 경시표시오차의 보상량에 응력완화오차의 보정을 가할 수 있는 개선된 보상장치를 제공하는 것이다. 또, 본발명의 제 3 목적은, 검출기의 크리이프 및 응력완화에 기인한 경시오차의 보상량에 온도보정을 필요시에 가할 수 있는 개선된 보상장치를 제공하는 것이다.

본발명에 의하면, 검출기로부터의 검출신호를 디지탈이산신호로 송출하는 측정장치와 함께 사용되어, 이 이산신호를 입력으로 수신하여 그 출력으로서 보상신호를 송출하고, 스텝입력의 인가시에 그 출력특성에 경시변화를 나타내는 검출기 전달함수의 기본역전달함수를 산출하는 장치를 포함하며, 역전달함수를 그 자체의 전달함수로서 포함하는 특징이 있는 보상장치가 제공된다.

이러한 본발명의 목적과 다른 목적 및 특징에 대하여 몇가지 바람직한 실시예에 관한 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이하, 본발명의 실시예를 설명하기 전에, 우선 크리이프특성과 계량기의 구조사이의 일반적인 관계에 대하여 고려하여 본다. 계량기에는, 굽힘부재의 변위 또는 변형을 전기적신호로 변환하기 위해 적응되는 여러종류의 하중 또는 힘검출장치가 사용된다. 제 1 도에 표시된 바와 같이, 굽힘부재는 시점(t_o)에서 인가된 하중에 반응하여 초기변위(δ(0))를 일으킨다.

그러나, 그 변이는 아직 불안정하여 시간의 경과에 따라 곡선(I)으로 표시된 바와 같이 약간 더 증가하며, 상당한 시간후에 그 변동량은 "최종변위"라고 불리는 일정안정치(δ(∞))에 도달한다. 또한, 변이는 시점(t₁)에서 인가된 하중이 제거될 때 완전하게 0으로 복귀하지 않고, 도시된 바와 같이 잔류효과가 나타나는데, 이것은 굽힘부재의 변위 또는 변형에 의한 크리이프특성에 기인하는 것이며, 또한 인가된 하중이 작을 경우에는 곡선(II)으로 표시된다. δ_c(t), δ_cc및 β를 각각 "변이크리이프", "최종크리이프", 및 "크리이프계수"라고 하며, 다음과 같이 정의된다.

여기서, δ(t)는 하중의 인가후, 시간(t)에서의 변위이다. 굽힘부재의 변위와 변형은 상호 비례적이므로, (t)=K·ε(t), δ(0)=K·ε(0), δ_cc=K·ε_cc이며, 여기서 ε(t), ε(0) 및 ε_cc는 변위 δ(t), δ(0), δ_cc에 각각 대응하는 변형이다. 따라서,

그러므로, 변형(ε) 또는 변위(δ)에 관한 크리이프특성은 제 1 도에 표시된 바와 같은 무차원모우드의 형태이다. 굽힘부재에 인가되어 상당한 시간후에 안정하게 되는 고정하중(w)의 스텝형입력(w.u(t))의 응답 모델은 "포이트(Voigt)모델"이라고 불리며 다음 식으로 근사화될 수 있다.

여기서, τ_ι은 후술하는 크리이프의 시정수(時定數)이다.

윗식에서,

라고 놓으면, 식(3)은 다음과 같이 될 수 있다.

식(2a)를 윗식에 대입하면, 다음과 같다.

윗식에서 변형을 변위의 항으로 고쳐 쓰면,

이 된다.

계량기의 하중검출굽힘부재의 재질로서는, 고탄성비례한계와 저크리이프계수 B를 보유하는, 강(鋼)합금, 알루미늄합금, 또는 Co-Elinver나 Ni-Span C 등과 같은 고급등탄성(iso-elastic) 재질 등이 바람직하다.

β값은 재질에 따라 다르지만, 대부분 20℃에서 1/500-1/20000이다. 이 값은 일반적으로 20℃ 이상의 온도에서는 증가하고, 20℃ 이하의 온도에서는 약간 감소하는 경향이 있고, 크리이프에 기인하는 오차의 보상정도(精度)를 그다지 고려할 필요가 없는 경우에는 상수로서 고려될 수 있다.

본발명에 의한 보상장치의 입력무게신호는 전술한 바와 같이 디지탈이산신호이어야 하지만, 계량장치는 아날로그출력형 또는 디지탈출력형으로 분류되므로, 계량장치와의 접속방식은 다음과 같이 2형태로 분류될 수 있다. 제 2 도에 표시된 바와같이 제 1 형에 있어서, 계량장치(1)는 계량유닛(2)과 변위-신호변환기(3)를 포함한다. 계량장치(1)에 인가된 하중(w(t))은 굽힘부재의 변위(δ(t))를 발생하며, 그 변위는 변위-전압 또는 전류변환기(3)에 의해 전압 또는 전류의 아날로그 전기신호(e(t))로 변환된다.

따라서, 계량장치(1)의 출력(e(t))는 아날로그-디지탈변환기(A/D변환기)(4)에 의해 디지탈이산신호(f(nT))로 변환된 후에, 보상 디지탈신호(y(nT))가 되도록 본발명의 보상장치(10)에 공급되는데, 여기서 T는 샘플링간격(Sampling interval)은 샘플링수(sampling number)이다.

제 3 도에 표시된 바와같은 제 2 형에서, 계량장치(1)는 계량유닛(2)과 변위-펄스율변환기(5)로 포함한다. 이 제 2 형에서, 펄스는 계량유닛(2)의 변위(δ(t))에 상당하는 주파수에서 발생되며, 소정회수이내의 펄스수가 계수된다. 이 계수는, 전기한 동작이 소정시간간격으로 반복되어 디지탈이산신호(f(nT))를 형성하므로 본발명의 보상장치(10)에 직접 공급될 수 있다. 크리이프특성을 나타내는 계량기구(mechanism)의 제 1 예는 일본특공소 50-33428호에 개시되어 있는데, 그것은 상술한 제 1 형에 속하는 것으로 계량장치(2)는 굽힘부재로서 스프링을 사용하는 기구를 포함하며, 차동변압기가 변환기(3)로서 사용된다.

또한, 본 예에서는 굽힘부재로서 환상 또는 루우프형상의 탄성부재가 사용된다. 제 2 예는 일본특공소59-27849호에 개시되어 있는데, 그것은 제 1 예의 굽힘부재와 유사한 굽힘부재를 사용하고 있지만, 전기한 제 2 형에 속한다. 변환기(5)는 변위에 따라 그 정전용량이 변화하는 콘덴서를 보유하는 가변주파수 펄스발생기와 정시(定時)펄스계수기를 포함하며, 계수기의 계수는 디지탈신호(f(nT))를 형성한다. 제 3 예는 일본특공소 59-131131호에 개시되어 있는데, 그것은 현(string)의 장력에 따라서 주파수가 변화하는 진동현의 특징을 이용하는 가변주파수 펄스발생기와, 정시펄스계수기를 포함하여, 상기한 것과 유사한 이산디지탈신호(f(nT))를 발생한다. 이러한 형태의 힘검출기는, 예를들어 크리이프계수가 약 1/5000정도인 매우 작은 크리이프를 나타낸다.

제 4 예는 일본특공소 60-32127호에 개시된 바와 같은 전자(電磁)평형형으로, 하중에 의한 변위를 상쇄시키기 위한 전자력(電磁生)을 산출하기 위하여 솔레노이드에 전류가 공급되어, 전류에 비례하는 전압이 제 2 도의 아날로그신호(e(t))로서 유도되는데, 이 아날로그신호는 흔히 크리이프특성을 나타낸다. 평형전류가 증가되면 동력소비가 증가되고 온도가 상승되지만, 무게신호의 합성오차(resultant error)는 정상적으로 온도보상된다.

그러나, 열평형상태로 되도록 하기 위해 질량이 큰 전자석을 통해 솔레노이드로부터 열을 전도시키는데에는 상당한 기간이 소요되며, 자속이 온도에 따라 변화한다. 이러한 것이 크리이프특성의 주요 원인으로서 고려될 수 있다. 상기한 예들의 경우에 있어서, 크리이프를 포함하는 제 2 도 또는 제 3 도의 출력신호(f(nT))는, 샘플링간격(T)의 이산디지탈 신호로 구성된다. 초기신호가 단일한 크기의 단위신호이면, 신호(f(nT))는 다음 식으로 주어진다.

초기변형(ε(0)) 또는 변위(δ(0)) 및 초기신호(f(0))는, 식(3b) 또는 (5) 및 식(6)의 변형(ε(t)) 또는 변위(δ(t)) 및 신호(f(nT))의 대응관계에 비례적으로 대응한다. 단위입력(u(nT))의 Z-변환(Fu(Z))는 다음과 같이 주어진다.

크리이프가 발생하지 않고 단위스텝입력(u(uT))이 인가되었다고 가정하면, 입력신호는 다음식으로 주어진다.

식(8)의 Z-변환(U(z))는 다음과 같다.

크리이프의 전달함수(G₁(z))는, 크리이프를 포함하는 신호의 Z-변환(Fu(z))과 크리이프를 포함하지 않는 신호의 Z-변환(U(z))의 비(ratio)로서 표시되므로, 식(7)(9)으로 부터 다음 식이 유도된다.

식(10)의 분자를 분모로 나누면, 다음 식이 얻어진다.

다음과 치환하면,

G₁(z)은 n〉1일때 다음식으로 주어진다.

상기한 인자(B)는 식(10a)의 인접항의 계수비, 즉 z^-(n+1)과 z^-n의 계수이고, 식(10c)은 크리이프의 변화속도(time rate of change)를 나타낸다. 식(10)은 하중상태를 모델링하고 단위스텝신호(u(nt))의 인가를 가정하여 유도되었다.

그러나, 상기한 바와같이, 입력과 출력사이에 선형관계가 가정될때에는, 하중이 시간에 대하여 임의함수로서 인가되더라도, 크리이프를 포함하지 않는 모델링된 이상(理想)입력(f₁(nT))과 크리이프를 포함하는 실제입력(f(nT))사이에는 유사한 관계가 성립된다. 그러므로, 각 신호의 Z-변환이 F₁(z)과 F(z)으로 표시되면, 다음의 관계가 성립된다.

따라서, 제 2 도 및 제 3 도의 보상장치(10)의 전달함수(H₁(z))가 역전달함수(G₁(z))로서 가정되면, 선형 시스템의 전달함수로서 다음식으로 주어진다.

식(12)의 시스템은 안정적이므로, 이식에 의한 전달함수를 보유하는 보상회로가 실현될 수 있다. 보상장치(10)의 출력신호의 Z-변환을

으로 표시하면, 식(11)으로부터 다음 식이 구해진다.

즉, 모델링된 이상신호(F₁(z))와 거의 동일한 신호가 신호(

로서 얻어질 수 있으므로, 그 신호로부터 변환된 신호

는 크리이프에 대한 신호보상된다. 크리이프계수(β)는, 고정도(高精度)의 보상이 요구될 때, 온도에 대해 보정될 것이 필요하다. 크리이프계수(β)는 온도에 의한 영향을 받기 쉽다. 크리이프계수(β)는 온도(θ)의 함수로서의 2차다항식으로 표현될 수 있다. 예를들어, 20℃에서 β의 값이 β(20)으로서 표시되면, 다음식이 성립된다.

식(14)에서 계수 β(20), C₁및 C₂를 결정하기 위해서, 초기변위(δ(0))에 대응하는 출력신호(f(0, θ))와 최종변위(δ(∞))에 대응하는 출력신호(f(∞, θ))가 3개의 온도점, 예를들어 -10℃, 20℃, 40℃에서 측정된다. 최종변위는 실용상 하중이 가해진후 적어도 2시간후에 측정되어야 한다. 측정치는 β(-10), β(20), 및 β(40)을 계산하기 위하여 식(2a)로 부터 유도식 다음 식(2b)에 적용된다.

이들 3쌍의 β 및 θ값들은 3개의 연립방정식을 얻기 위해 식(14)에 사용되어, β(20), C₁및 C₂의 값을 얻기 위해 해가 구해진다. 이와같이 식별된 식(14)으로부터 계산된 크리이프계수(β)는 상기한 보상장치의 전달함수(H₁(z))의 식(12)에 사용될 수 있으며, 식의 시정수(τ₁)는 다음과 같이 결정된다. 잘 알려진 바와같이, 시정수(τ₁)는 제 1 도에 표시된 바와같은 크리이프특성의 초기미분계수에 관계된다. 크리이프를 포함하는 출력신호(f(nT))의 초기미분계수는 다음과 같이 식(6)으로부터 직접 구해진다.

따라서, 시정수(τ₁)는 정상온도에서 측정된 f(nT)의 연속데이터에 이 식의 관계를 사용하여 결정될 수 있다.

또한 시정수(τ₁)는 희귀분석(regression analysis)을 위한 개인용컴퓨터프로그램을 사용해서도 결정될 수 있다. 이와같이, 전달함수(H₁(z))의 식은 완전하게 식별된다. 제 4 도와 제 5 도는 보상장치(10)의 실시예를 나타낸다. 보상장치(10)는, 입력디진탈신호(f(nT))에 식(12)에 의한 전달함수(H₁(z))를 가중하여 출력신호

를 산출하는 보상연산회로(20)와, 식(14)을 사용하여 식(12)의 크리이프계수(β)의 온도보상치(β(θ))를 계산하여 그 값을 보상연산회로(20)에 공급하는 크리이프계수 연산회로(11)를 포함한다. 크리이프계수연산회로(11)는 개량유닛(2)(제 2 도 및 제 3 도)의 굽힘부재 부근의 온도를 검출하기 위한 온도검출기(13)가 설치된 온도측정회로(12)로 부터 온도신호(θ)를 수신하기 위해 적응된다. 식(13)과 관련하여 설명된 바와같이, 보상연산회로(20)의 출력

은 원래 크리이프보상개량신호이지만, 크리이프계수연산회로(12)의 가산의 결과로서 온도에 무관한 보상신호가 된다. 제 5 도는 보상연산회로(20)의 실시예를 나타낸다. 이 회로는 기본적으로 비순환형(non-recursive type) 및 순환형의 회로를 포함하는 디지탈필터로 구성되며, 식(12)의 우변의 산술연산을 수행하도록 적응된다.

상세하게 설명하면, 점선으로 둘러싸인 비순환회로로 구성된 부분(21)은 우변의 분모(또는 제 1 항)의 연산을 수행하고 순환회로로 구성된 부분(22)은 분자(또는 제 2 항)의 연산을 수행한다. 부분(21)은 지연소자(delay element)(23), 계수승산기(24)(25) 및 가산기(26)를 포함하고, 부분(22)은 가산기(27), 지연소자(28) 및 계수승간기(29)를 포함한다. 입력신호(f(nT))는 지연소자(23)에 의해 1샘플링시간(T)만큼 지연되어, 계수승산기(24)에 의해 계수 -e^-T/τι가 승산된다. 또한, 입력신호(f(nT))는 계수승산기(25)에 의한 계수 1에 승산된 후에 가산기(26)에 의해 계수승산기(24)의 출력에 가산된다. 가산기(26)의 출력은 보상연산회로(20) 또는 보상장치(10)의 출력

을 제공하는 가산기(27)의 한쪽 입력에 접속되고, 가산기(27)의 출력은 지연소자(28)에 의해 1샘플링시간 만큼 지연된 후에 계수승산기(29)에 의해 계수 -e^-T/τι-β(1-e^-T/τι)가 승산된다. 계수승산기(29)의 출력은 가산기(26)의 출력에 가산되도록 가산기(27)의 다른쪽 입력에 피이드백(feed back)된다. 계수승산기(29)는, 제 4 도의 크리이프계수연산회로(11)의 출력(β(θ))을 수신하여 전기한 계수의 값을 계산하는 기능을 수행한다.

이하, 입력(f(nT))이 임의 시점(n)에서 인가되는 보상산술연산에 대하여 상세하게 설명한다. 시점(n)에서의 입력(f(nT))과 계수승산기(25)의 계수 1의 곱과, 지연소자(23)내에 기억된 시점(n)의 바로 앞의 시점(n-1)에서의 입력(f((n-1)T)) 데이터와 계수승산기(24)의 계수 -e^-T/τι의 곱은 가산기(26)에 의해 가산되며, 그 합성출력과, 지연소자(28)내에 기억된 시점(n)의 바로앞의 시점(n-1)에서의 출력

데이터와 계수승산기(29)의 계수 -e^-T/τι-β1-e^-T/τι)의 곱은 가산기(27)에 의해 가산된다. 그 합성치는 시점(n)에서의 출력

으로서 산출된다. 이와같은 보상산술연산은 새로운 입력모두에 대해 반복된다. 식(12)의 우변은 z에 대해 전개하여, 그것을 식(10a) 내지 식(10e)에 따라서 변환하면, 다음과 같은 식이 얻어진다.

여기서,

이다.

또한, 식(12a)의 전달함수도 안정시스템으로서 실현가능하며, 제 6 도는 그것이 보상연산회로(20)의 다른 실시예로서 신현된 회로를 나타낸다. 이 회로(20)은 비순환회로부분(30)과 순환회로부분(40)으로 구성되어 있다. 부분(30)은 계수승산기(31)(32)와 간산기(33)를 포함하며, 부분(40)은 가산기(41), 지연소자(42) 및 계수승산기(43)를 포함한다. 입력신호(f(nT))는 계수승산기(31)(32)에 의해 계수 1+A/B₁과 -A/B₁으로 각각 승산된 후에, 가산기(33)(41)에 각각 공급된다. 가산기(41)의 출력은 지연소자(42)에 의해 1샘플링시간만큼 지연되어, 계수승산기(43)에 의해 계수 B₁으로 승산된 후에, 계수승산기(32)의 출력에 가산되도록 가산기(41)로 피이드백된다. 간산기(41)의 합성출력은 출력

을 산출하기 위해 가산기(33)에 의해 계수승산기(31)의 출력과 합해진다. 이 회로에서, 파라미터(A)(B₁)는 식(10b)(12b)에 표시된 바와같이 크리이프계수(β)를 포함하고 있으므로, 계수승산기(31)(32)는 각각 그들 자신의 계수를 계산하기 위해 크리이프계수연산회로(11)(제 4 도)의 출력(β)를 수신하는 기능을 수행한다.

따라서, 실제의 회로형태는 제 5 도의 실시예보다 더 복잡하게 된다. 이 회로의 작동에 대해서는, 제 5 도의 작동설명으로부터 용이하게 이해될 수 있으므로, 설명을 생략한다. 제 7 도는 소위 스프레인게이지로드셀형 개량유닛의 구조를 나타낸다. 이 개량유닛은, 도시한 바와같이, 굴곡부(52)를 형성하기 위해 구석부분이 특별히 기기계가공된 대략 장방형의 개방부(51) 및 균일한 두께를 보유하는 장방향의 탄성재후판인 굽힘부재(50)를 포함한다. 굽힘부재(50)가 그 한쪽끝이 베이스(53)에 고정되고, 하중축블록(59)위에 설치된 개량접시(54)에 하중(55)이 가해지면, 굽힘부재(50)는 굴곡부(52)에서 휘어져서, 하중에 대응하는 개량접시(54)의 변위(δ)를 산출하기 위해 Roberval 기구에 의해 표시되는 바와같이 평행 4변형 변형을 야기한다.

이 변위를 측정하기 위하여, 제 8 도에 상세히 표시된 바와같이 절연재(57) 및 절연코우팅(58)에 의하여 각 굴곡부(52)의 표면에 스트레인게이지(56)가 부착 또는 점착된다. 4개의 스트레인지게이지는 휘이트스토운브리지(Wheatstone bridge) 형태로 접속되고, 브리지의 출력전압은 제 2 도의 아날로그개량신호(e(t))로 증폭된후에 디지탈개량신호(f(nT))로 변환된다. 신호(f(nT))의 초기치는 하중이 이 개량장치에 인가되면 즉시 나타나지만, 그 값은 상기한 실시예와 마찬가지로 미소한 경시변화를 나타낸다. 그러나, 그 경시변화는 때때로 식(6)과 일치하지 않는데, 이것은 다음과 같은 이유 때문이다. 굽힘부재에 부착 또는 점착되는 스트레인게이지등과 같은 변위/전기신호 변환기를 사용하는 경우에 있어서, 골곡부(52)의 표면에 발생하는 변형(이하, "굴곡부변형"이라 한다)은 식(3b)과 일치하지만, 상기한 절연재(57)와 절연코우팅(58)에 의해 영향을 받으므로 스트레인게이지내에 발생하는 변형(ε_g(t))과는 동일하지 않다. 이러한 영향을 그들 사이의 "응력완화"라고 말한다.

이하, 입력과 출력으로서 변형(ε(t)) 및 변형(ε_g(t))을 각각 보유하는 응력완화시스템을 고려하여, 그것의 전달함수를 구한다. 입력변형(ε(t))가 단위스텝신호(u(nT))로서 주어지면, 다음식이 성립된다.

Z -변환은 다음과 같이 주어진다.

대응출력신호(w(nT))는 다음식으로 주어지는데, 여기서 τ_g는 응력완화의 시정수이고 γ는 응력완화계수이다.

식(17)의 Z-변환은 다음과 같이 주어진다.

따라서, 응력완화의 전달함수(G₂(z))는 다음과 같다.

식(19)의 응력완화계수(γ)는, 식(14)는 크리이프계수(β)와 마찬가지로 20℃에 관한 온도(θ)의 2차함수로서 아래식으로 표현될 수 있다.

이하, 제 9 도에 표시된 바와같은 등가모델(eguivalent model)로서 하중-응답출력에 있어서의 경시변화를 포함하는 로드셀의 스트레인게이지에 대해 고찰한다.

상세하게 설명하면, 부호(6)는 하중이 인가될 때 하중의 경시변화에 상당히 유사한 경시변화를 나타내는 출력을 산출하는 "이상(ideal) 하중변환기"를 나타내며, 부호(7)는 그 이상하중변환기에 직렬로 접속되어 경시오차를 보유하는 출력을 산출하는 "경시오차발생시스템"을 나타낸다. 경시오차는 경시오차발생시스템에 의해 스트레인게이지의 출력내에 발생되는 것으로 생각되며, 여기서 이 경시오차발생시스템은 전술한 크리이프발생시스템과 응력완화시스템으로 구성되어 있다. 그러므로, 경시오차발생시스템의 입력(ε_g1(t))은 이상모델신호(경시오차를 포함하지 않는 변형)이 되고, 그것의출력(ε_g(t))은 실제신호출력(경시오차를 포함하는 변형)이 된다. 경시오차발생시스템의 전달함수(G(z))는, 크리이프의 전달함수(G₁(z))와 응력완화의 전달함수(G₂(z))의 곱으로서 표현될 수 있다.

윗식의 우변은 제 1 항과 제 2 항의 제산(除算)을 각각 수행하고 그 결과를 서로 승산하여 전개되며, 무시할 수 있는 βγ의 항은 제거된다. 따라서, 다음식이 얻어진다.

이와같은 전달함수를 보유하는 시스템에 단위입력신호(u(nT))가 적용되어 출력신호(ε_gu(nT))를 산출한다고 가정하면, 출력신호의 Z-변환은,

전술한 출력신호(ε_gu(nT))는, 단위하중의 스텝입력을 수신할 때 로드셀의 스트레인게이지내에 나타나는 변형(ε_g)의 경시변화를 나타낸다. Z-변환의 최종치정리(theorem of final value)를 식(22)에 적용하고, 식(21)을 G(z)에 적용하면, 곱의 항인 βγ의 항을 제거하여 다음식이 얻어진다.

식(23)은 단위스텝하중의 인가후 장시간후에 출력을 나타낸다. Z-변환의 초기치정리가 적용되어 유사한 처리가 수행되면, 다음식이 얻어진다.

이 식은 단위하중이 인가될 때 초기출력을 나타낸다. 식(3)은 다음과 같이 다시 쓸 수가 있다.

ε_gu(∞)-1=β-γ

식(24)(14)(20)이 염의 온도(θ)에 관련하여 윗식에 적용되면, 다음의 관계가 성립된다.

윗식을 다음과 같이 다시 쓰면,

α(θ)의 값은 스트레인게이지로드셀의 스트레인게이지변형의 경시변화 계수이며, 다음과 같이 표현될 수 있다.

식(24)(25)(26)을 (θ-20)에 대한 다항식이라고 생각하여 각 항의 계수를 비교하면, 다음과 같은 관계가 성립된다.

계수(γ(20)과 파라미터(C₃)(C₄)는 상기한 식(27a)(27b)(27c)으로부터 결정될 수 있다.

이하, 식(3b)에 따라서 스트레인게이지로드셀 굴곡부내 변형의 크리이프계수(β(θ))를 실제로 구하는 순서와, 로드셀의 출력신호의 경시변화계수(α(θ))를 측정하여 응력완화계수(γ(θ))를 계산하는 식(7)과 연관하여 이미 설명한 바와같이, 식(32)의 Fu(Z)는 단위스탭하중이 가해진 로드셀 굴곡부의 변형을 나타내는 출력신호의 Z-변환으로, 크리이프에 기인한 경시변화만을 포함한다.

이 함수를 구하기 위하여 스트레인게이지 상의 응력완화로부터의 영향이 없으므로 제 7 도의 하중측블록(59)의 임의 변위(δ(t))가 초정밀 변위 검출기에 의해 측정된다.

식(5)의 초기변위(δ(o))를 1이라고 가정하여 변위(δ(t))를 무차원모우드로 변환하면, 변위(δ(t))는 제10도의 곡선(I)으로 표시된다.

식(32)의 U(z)는 스텝입력의 z-변환으로서, 제10도에 수평점선으로 표시된다. 따라서 식(32)의 Er(z)는 제10도에 화살표로 표시된 바와같이 크리이프에 기인한 오차를 나타내는 함수로서, 크리이프오차함수라고 한다.

식(33)의 Egu(z)는 제 8 도의 스트레인게이지(56) 개량출력(fu(nt))의 z-변환으로서, 크리이프와 응력완화에 기인한 오차를 포함한다.

계량출력(fu(nT))은 스트레인게이지의 변형(εgu(nT))에 비례한다. 그러므 로, 초기치(F_u(o))를 1로 가정하여 무차원모우드로 변환하면, 함수(Egu(z))는 계량출력(fu(nT))을 측정하여 제10도의 곡선(II)로써 표시될 수 있다.

따라서, 응력완화에 기인한 오차만을 나타내는 식(33)의 함수(

(z))는 곡선(II)으로부터 화살표된 부분을 삼산하여 얻어진 곡선(III)으로 표시된다.

상기한 설명은 스트레인게이지 로드셀에 스텝입력을 적용하였을 때에 응력완화함수(

(z))를 구하는 과정에 대해 이론적으로 기술하였지만 실제로 각 파라미터의 정확한 값을 얻기 위해서 모든 측정오차를 감소시키는 각 측정에 주의를 기울일 필요가 있다.

예를들어, 5초 간격으로 샘플링번호(n=1, 2, 3…)에 대응하는 이산데이터로서 변위(δ(nT)) 또는 로드셀출력(f(nT))를 샘플링하는 경우에, 1초 간격으로 원테이터(raw data)가 획득되고, 샘플링점(sampling point)에서의 평균치를 구하기 위해 각 샘플링점 주위의 5개 데이터가 평균된다.

다른 예로서는, 측정치로서 평균을 사용하기 위해 복수의 측정이 수행되어 평균된다. 이 경우에는, 이전의 측정에 의해 발생된 크리치프영향을 완전히 십식별한 후에 각 측정을 개시할 필요가 있다.

제11도의 점선곡선은 상기한 바와같이 얻은 δ(nT) 또는 f(nT)의 측정치로부터 계산된

(z)의 이산신호를 연결하여 그린 단위입력하의 응력완화함수를 나타낸다. 도시된 바와같이, 이 함수는 nT=0일때 0으로부터 1로 상승하고, 그 후에 감소하여 1-r값에 무한히 근접하는데, γ는 식(27a)에 의해 계산된 응력완화계수이다.

크리이프특성의 경우에서와 같이, 시정수(τ_g)와 초기미분계수 사이의 응력완화특성에는 다음과 같은 관계가 있다.

τ_g값은 이 관계를 사용하여 제11도에 표시된 바와같이 결정될 수 있다. 보다 정확한 τ_g의 추정치(estinate value)는 컴퓨터의 희귀분석용 프로그램소프트웨어를 사용하여 얻어진 수 있다. 이 경우에 크리이프의 시정수(τ_g)는 식(14a)과 관련하여 상술한 바와같은 순서에 따라서 20℃에서의 변위(δ(nT))의 측정치를 처리하여 결정된다. 종래의 로드셀에서, τ_g는 τ_ι보다 일반적으로 작다.

이와같이 스트레인게이지 출력의 경시변화 특성의 전달함수식(21)에 포함된 모든 미지 파라미터들이 결정되어 전달함수가 식별된다. 상기한 출력의 경시변화를 보상하기 위한 보상장치(10)(제 2 도)의 전달함수(H(z))는 식(21)의 G(z)의 역전달함수로서 주어진다.

여기서 β와 γ는 전술한 바와같이 온도의 함수로서 다음식으로 주어진다.

식(35)의 우변의 제 1 항과 제 2 항이 각각 제 1 전달함수(H₁(z))와 제 2 전달함수(H₂(z))로 표현되면, 이들 1차 전달함수를 보유하는 시스템을 안정시스템으로서 각각 실현될 수 있다.

따라서 전달함수(H(z))를 보유하는 이 보상회로가 실현될 수 있으며, 도시된 바와같이 이 회로는 각각 비순환회로와 순환회로를 보유하는 직렬로 접속된 2개의 회로부분(20)(20')로 구성되어 있다. 앞의 제 1 회로부(20)는 제 5 도의 회로와 동일하지만, 제 2 회로부(20')는 승산기(24')의 계수가 -e-T/τ_g이며 승산기(29')의 계수가 -e-T/τ_g+(1-e-T/τ_g)인 점이 다르다.

제 1 회로부는, 입력(f(nf))가 어느 시점 "n"에서 적용될 때마다 출력(x(nf))을 산출하기 위해 제 5 도와 연관하여 전술한 순서에 대하여 설명한다.

이 경우, 로드셀 굴곡부의 변형(ε(t))의 크리이프특성을 직접적으로 측정하는 것이 어려우므로, 제 7 도와 관련하여 설명된 바와같이 하중측 불록(59)의 수직변위(δ(t))가 정밀변위측정장치(미도시)에 의해 측정된다.

상세하게 설명하면, 굴곡부(52)내의 변형(ε(t))과 하중측블록(59)의 변위사이에는 직접적인 연관이 있으므로, 식(3b), (5)의 관계가 성립된다.

본 측정에 있어서, 샘플링간격(T)은 3-6초의 범위이내로 선택되는 것이 적당하고, 최종변위(δ(∞))의 측정시험은 하중의 인가후 2-3시간으로 설정된다.

온도계수를 결정하기 위해 사용되는 온도는, 상술한 바와같이, -10℃, 20℃ 및 40℃가 좋다.

우선, 20℃의 온도에서, 제 7 도의 하중측블록(59)위에 단위하중(55)이 신속하게 인가되어, 계량접시(54)의 변위의 이산데이터(δ(nT, θ=20℃)와 샘플링번호(n=1, 2, 3, …)에서의 계량출력(f(nT, θ=20℃)이 획득된다.

그후, 유사한 이산데이터를 획득하기 위해 -10℃ 및 40℃ 온도에서 동일한 측정을 수행된다. δ(0)와 δcc 각각이 상기한 3온도에서의 변위(δ)데이터로부터 구해져서, β(-10), β(20), β(40)의 값들이 식(2b)을 사용하여 계산된다.

이들 계산된 값들은 식(14)에 적용되어 3개의 식을 구성하고, 그후에 식(14)의 미지의 파라미터, β(20), C₁및 C₂를 얻기 위해 해가 구해진다.

계량출력(f(nT))은 스트레인게이지내에 발생하는 상기한 변형(ε_g(t))에 비례하는 것으로 생각될 수 있다. 따라서, 단위스텝하중의 인가시에 출력신호를 fu(nT), 그 초기치를 fu(0), 장시간 후에 그것이 수렴하는 안정치를 fu(∞)라고 표시하면, 전기한 ε_gu(nT), ε_gu(0) 및 ε_gu(

)는 각각 fu(nT), fu(0) 및 fu(∞)에 대응한다.

그러므로, 다음과 같이 정의하면,

식(25a)의 스트레인게이지로드셀의 경시변화계수(α(θ))는 다음식으로 표현된다.

전기한 3온도에서의 계수(α(θ))는, 식(29)에 이들 온도에서의 계량신호의 측정치를 적용하여 계산될 수 있다.

따라서, 식(26)의 미지파라미터(α(20)), C₅, C₆는 크리이프계수(β(θ))를 계산하는 전술한 순서와 유사한 순서에 의해 계산될 수 있다.

더우기, γ(20), C₃, C₄의 값들은 식(27a)(27b)(27c)에 β(20), C₁, C₂, α(20), C₅, C₆의 결과치를 적용하여 구해진다.

다음에, 시정수(τ_g)(τ_ι)가 결정된다.

식(19)의 우변의 분자를 분모로 나누면, 다음식이 얻어진다.

한편, 식(10a)(19a)(21a)의 관계로부터 다음식이 성립된다.

단위스텝입력(u(t))가 식(30)에 적용된다고 하면, u(t)의 z-변환은 다음과 같이 주어지므로,

식(30)은, 아래와 같이 된다.

식(19)(22)(10)으로부터, 다음의 3식이 유도될 수 있다.

상기한 식들이 식(31)에 적용되면, 다음식이 얻어진다.

바와 동일한 동작을 수행하고, 제 2 회로부는 출력(X(nT))을 수신하여, 보상신호

를 산출하기 위해 제 5 도의 회로부분과 동일한 동작을 다시 수행하다.

크리이프계수(β(θ))는 제 5 도의 경우처럼 크리이프계수연산회로(11)(제 4 도)로부터 제 1 회로부(20)의 계수승산기(29)로 공급되고, 응력완화계수(γ(θ))는 응력완화계수연산회로(11')로부터 제 2 회로부(20')의 계수승산기(29')로 공급된다.

회로(11')는 회로(11)과 마찬가지로 온도측정회로(12)로부터의 온도신호(θ)를 수신하도록 적응되어, 식(20)에 따라서 온도(θ)에서의 응력완화계수(γ(θ))를 계산한다.

식(35)의 분자와 분모가 z-1에 관하여 전개되면, 다음식이 얻어진다.

이 식의 분모와 분자는 모두 z-1에 관한 2차 다항식이며, 이 전달함수를 보유하는 2차 시스템도 역시 안정시스템으로서 실현될 수 있다. 이 시스템에 의한 보상장치(10)회로의 실시예가 제13도에 표시되어 있다. 도시된 바와 같이 이 회로는 식(35a)의 분자를 산술적으로 연산하는 비순환회로부분(60)와, 식 (35a)의 분모를 산술적으로 연산하는 순환회로부분(70)을 포함한다.

비순환회로부분(60)은, 1샘플링 시간(T)의 지연을 부여하는 각각의 지연소자(61)(62)에 의하여 2차까지의 지연을 산출하는 회로와, 블록내에 계수가 각각 표시되어 있는 계수승산기(63)(64)를 포함한다.

순환회로부분(70)은, 유사한 지연소자(71)(72)에 의해 2차까지의 지연을 산출하는 회로와, 계수승산기(73)(74)를 포함한다. 이들 승산기의 출력은 보상출력

를 제공하기 위해 가산기(75)에 의해 합산된다.

이 회로에 의해 식(35a)의 전달함수를 산술적으로 연산하는 순서는 당업자에 의해 용이하게 이해될 수 있으므로 더 이상의 설명은 생략한다.

제13도의 회로는 순환회로를 포함하며, 이 순환회로는 적어도 하나의 2차지연소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기한 실시예에 있어서, 스트레인게이지로드셀형의 계량유닛에 시간에 관한 임의 함수로서 하중이 인가되는 경우에, 크리이프와 응력완화를 포함하지 않는 모델이상입력신호(f₁(nT))의 z-변환(F₁(z))과 크리이프와 응력완화를 포함하는 실제입력신호(f(nT))의 z-변환(F(z)) 사이에는 다음의 관계가 있다.

여기서, G(z)는 식(21) 또는 식(21a)에 표시된 바와 같이 경시오차발생시스템의 전달함수이다.

보상장치(10)는 그 내부에 G(z)의 역전달함수(H(z))(식(35) 또는 식(35a))를 산출하는 회로를 포함하며, 출력신호

를 산출하기 위해 입력신호(f(nT))를 수신한다.

입력신호의 z-변화(F(z))과 출력신호의 z-변환

사이에는 다음의 관계가 존재한다.

즉, 출력신호

의 z-변환은 모델이상입력신호(f₁(nT))의 z-변환과 거의 동일하다.

상기한 제12 또는 제13도의 보상회로 양자는 그들의 전달함수(H(z))가 이 식을 실현하도록 적응되는데, 이것은 보상장치의 출력이 경시변화를 포함하지 않는 모델이상 입력과 거의 동일하거나, 또는 보상장치의 출력이 온도에 관계없이 크리이프와 응력완화에 대해 보상되는 것을 의미한다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명은 본 발명을 설명하기 위한 목적일뿐이지, 본 발명을 한정하는 것이 아니다.

당업자에게는 첨부된 특허청구의 범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 기념 및 범주를 이탈하지 않고 이들 실시예에 대해 여러가지 변경과 수정이 이루어질 수 있음이 용이하게 이해될 것이다.

예를들어, 본 발명은 실제로 힘을 측정하기 위해 굽힘부재와 전기변환기를 사용하는 풍동저울에 적용될 수 있으며, 또한 본 발명은, 미국특허 제 3,195,335호에 개시된 바와 같은 구조를 보유하는 고도계와 기압계, 압력계를 포함하는 필수 압력 측정장치 뿐만아니라, 적당한 장치에 의해 감압(減壓) 소자에 소정의 압력 또는 차압(差壓)이 인가될 때 출력의 경시변화특성과 관련해서 미국특허 제 3,363,456호에 개시된 바와 같은 구조를 보유하는 차압계에도 적용될 수 있다.

Claims

하중이 인가될때, 전기한 하중에 대응하는, 경시변화를 나타내는 오차를 포함하는 신호로서의 측정신호를 산출하도록 적응되어 전기한 측정신호를 산출하는 검출기를 포함하고, 전기한 측정신호를 이산신호로서 송출하는 측정장치와 함께 사용되어, 전기한 측정신호의 전기한 오차를 제거하도록 적응되는 보상장치에 있어서, 전기한 보상장치의 신호산출과 관련하여 전기한 경시오차신호의 산출을 포함하는 검출기의 전달함수의 기본역전달 함수를 보상장치의 전달함수로서 산출하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보상 장치.
제 1 항에 있어서, 전기한 보상장치의 전달함수는 선형지연소자를 포함하는 하나 또는 그 이상의 순환회로에 상당하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 1 항에 있어서, 전기한 보상장치의 전달함수는 다차(多次) 지연소자를 포함하는 순환회로에 상당하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 1 항에 있어서, 전기한 보상장치의 전달함수산출장치는 하나 또는 그 이상의 계수승산기를 포함하고, 전기한 보상장치는 온도에 따라서 전기한 하나 또는 그 이상의 계수승산기의 계수를 변화시키는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보성장치.
제 2 항에 있어서, 전기한 보상장치의 전달함수산출장치는 하나 또는 그 이상의 계수승산기를 포함하고, 전기한 보상장치는 온도에 따라서 전기한 하나 또는 그 이상의 계수승산기의 계수를 변화시키는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 3 항에 있어서, 전기한 보상장치의 전달함수산출장치는 하나 또는 그 이상의 계수승산기를 포함하고, 전기한 보상장치는 온도에 따라서 전기한 하나 또는 그 이상의 계수승산기의 계수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 1 항에 있어서, 전기한 보상장치의 전달함수산출장치는 하나 또는 그 이상의 계수승산기를 포함하고, 전기한 보상장치는 본질적으로 온도의 함수인 인자에 따라서 전기한 하나 또는 그 이상의 계수승산기의 계수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 2 항에 있어서, 전기한 보상장치의 전달함수산출장치는 하나 또는 그 이상의 계수승산기를 포함하고, 전기한 보상장치는 본질적으로 온도의 함수인 인자에 따라서 전기한 하나 또는 그 이상의 계수승산기의 계수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 3 항에 있어서, 전기한 보상장치의 전달함수산출장치는 하나 또는 그 이상의 계수승산기를 포함하고, 전기한 보상장치는 본질적으로 온도의 함수인 인자에 따라서 전기한 하나 또는 그 이상의 계수승산기의 계수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 7 항에 있어서, 전기한 보상장치는 1 또는 그 이상 차수(次數)의 다항식으로 표현되는 함수로서 전기한 인자를 계산하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 8 항에 있어서, 전기한 보상장치는 1 또는 그 이상 차수의 다항식으로 표현되는 함수로서 전기한 인자를 계산하는 장치는 포함하는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 9 항에 있어서, 전기한 보상장치는 1 또는 그 이상 차수의 다항식으로 표현되는 함수로서 전기한 인자를 계산하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 1 항에 있어서, 전기한 보상장치의 전달함수(H₁(z))는, z-1이 전기한 이산신호의 1단위지연이고, T가 전기한 이산신호의 1간격시간이고, τ_ι이 전기한 경시변화특성내에 포함된 시정수이며, β가 어떤 온도 조건에서 하나의 상수를 부여하는 인자인 다음식

에 본질적으로 상당하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 1 항에 있어서, 전기한 보상장치의 전달함수는 z-1이 전기한 이산신호의 1단위지연이고, T가 전기한 이산신호의 1간격시간이고 τ_ι및 τ_g는 각각 전기한 경시변화특성내에 포함된 제1 및 제 2 시정수이며, β와 γ가 어떤 온도조건에서 각각 제1 및 제 2 시정수이며, β와 γ가 어떤 온도조건에서 각각 제1 및 제 2 상수를 부여하는 인자인 다음식

에 본질적으로 상당하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 보상장치.
제 1 항에 있어서, 전기한 측정신호의 경시변화특성은 크리이프특성과 응력완화특성을 포함하는 전기하 보상장치의 전달함수는 전기한 크리이프특성과 응력완화특성의 전달함수의 역전달함수에 대응하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 보상장치. 측정신호를 산출하는 검출기를 포함하고, 전기한 측정신호를 이산신호로서 송출하며, 전기한 검출기에 스텝형상입력이 인가될때 전기한 측정신호내에 경시변화를 나타내는 측정장치에 있어서, 출력을 얻기 위해 보상장치에 전기한 이산신호를 적용하는 단계와, 전기한 경시변화를 산출하도록 전기한 경시변화 특성중 적어도 하나의 경시값을 측정하는 단계와, 전기한 검출기 측정신호의 경시변화특성에 관한 전달함수와 전기한 전달함수를 구성하는 복수의 인자를 결정하는 단계와, 전기한 결정된 전달함수의 기본역전달함수는 선택하는 단계와, 전기한 역전달함수를 전기한 보상장치의 전달함수로서 설정하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기한 경시변화에 기인한 전기한 출력의 변화를 제거시키기 위한 보상방법.