로드셀의 불확실성을 계산하는 방법은 무엇입니까?

안녕하세요! 로드셀 공급업체로서 저는 최근 로드셀의 불확도를 계산하는 방법에 대해 많은 질문을 받았습니다. 이는 특히 응용 분야의 정확한 측정에 의존하는 경우 중요한 주제입니다. 그래서 저는 이 블로그 게시물에서 여러분을 위해 그 내용을 분석해 볼까 생각했습니다.

로드셀 불확실성이란 무엇입니까?

먼저, 로드셀 불확실성이 무엇을 의미하는지 이해해 봅시다. 간단히 말해서, 불확실성은 측정값의 실제 값이 속하는 범위의 추정치입니다. 힘이나 무게를 측정하기 위해 로드셀을 사용할 때 측정된 값이 실제 값에서 벗어날 수 있는 다양한 요인이 있습니다. 이러한 요소는 로드 셀의 불확실성에 영향을 미칩니다.

로드셀 불확실성에 영향을 미치는 요인

로드셀의 불확실성에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 요소가 있습니다. 가장 일반적인 몇 가지를 살펴보겠습니다.

1. 비선형성

비선형성은 로드셀의 출력이 직선에서 얼마나 벗어나는지를 나타내는 척도입니다. 이상적인 세계에서는 적용된 힘과 로드 셀의 출력 신호 사이의 관계가 완벽하게 선형입니다. 그러나 실제로는 항상 어느 정도의 비선형성이 있습니다. 이는 스프링 요소의 모양이나 스트레인 게이지 부착 방식과 같은 로드 셀의 기계적 구조로 인해 발생할 수 있습니다.

2. 히스테리시스

히스테리시스는 하중이 증가하는지 감소하는지에 따라 동일한 하중에 대해 로드셀의 출력이 다를 때 발생합니다. 예를 들어, 로드셀에 하중을 가한 후 제거하면 출력이 원래 값으로 정확히 돌아오지 않을 수 있습니다. 이는 로드 셀 재료의 내부 마찰과 탄성 특성 때문입니다.

3. 반복성

반복성은 동일한 조건에서 테스트를 반복할 때 동일한 적용 하중에 대해 동일한 출력을 제공하는 로드 셀의 능력을 나타냅니다. 로드셀의 반복성이 나쁘다는 것은 동일한 하중이 적용될 때마다 측정값에 큰 변화가 있다는 것을 의미합니다. 이는 전기 소음, 기계적 진동 또는 로드 셀 구성 요소의 마모와 같은 요인으로 인해 발생할 수 있습니다.

4. 온도 영향

온도는 로드 셀의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 온도 변화로 인해 로드 셀의 치수가 변경될 수 있으며, 이는 스트레인 게이지와 그에 따른 출력 신호에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 온도는 저항과 같은 스트레인 게이지의 전기적 특성에도 영향을 미칠 수 있습니다. 대부분의 로드 셀은 이러한 영향을 최소화하기 위해 온도 보상 기능을 갖추고 설계되었지만 온도 변화로 인해 여전히 약간의 불확실성이 남아 있습니다.

로드셀 불확실성 계산

이제 로드셀 불확도에 영향을 미치는 요소를 이해했으므로 이를 계산하는 방법에 대해 이야기해 보겠습니다. 로드 셀 불확실성의 계산은 일반적으로 통계적 접근 방식을 기반으로 합니다. 일반적인 단계는 다음과 같습니다.

1. 불확실성의 원인 파악

앞서 논의한 것처럼, 비선형성, 히스테리시스, 반복성, 온도 효과를 비롯한 여러 가지 불확실성 원인이 있습니다. 특정 로드 셀 및 애플리케이션에 대한 모든 관련 불확실성 원인을 식별해야 합니다.

2. 각 소스에 대한 불확실성 추정

불확실성의 원인을 식별한 후에는 각 원인에 대한 불확실성을 추정해야 합니다. 이는 교정 테스트, 제조업체의 사양 또는 과거 데이터를 통해 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 제조업체는 전체 규모 출력의 백분율로 비선형성 오류를 제공할 수 있습니다. 이 값을 비선형성으로 인한 불확실성의 추정치로 사용할 수 있습니다.

3. 불확실성을 결합하라

각 소스에 대한 불확도를 추정한 후 이를 결합하여 로드 셀의 전체 불확도를 얻어야 합니다. 이는 일반적으로 RSS(제곱근 합) 방법을 사용하여 수행됩니다. RSS 방법의 공식은 다음과 같습니다.

[U_{전체}=\sqrt{U_{1}^{2}+U_{2}^{2}+\cdots+U_{n}^{2}}]

여기서 (U_{total})은 총 불확실성이고, (U_{1}, U_{2},\cdots, U_{n})은 각 원인으로 인한 불확실성입니다.

비선형성((U_{nl})), 히스테리시스((U_{h})), 반복성((U_{r})) 및 온도 효과((U_{t}))로 인한 불확실성을 추정했다고 가정해 보겠습니다. 로드셀의 전반적인 불확실성은 다음과 같습니다.

[U_{전체}=\sqrt{U_{nl}^{2}+U_{h}^{2}+U_{r}^{2}+U_{t}^{2}}]

계산 예

로드 셀 불확실성을 계산하는 방법을 설명하는 예를 살펴보겠습니다. 다음 사양의 로드 셀이 있다고 가정해 보겠습니다.

• 비선형성 오류: 전체 범위 출력의 ±0.1%
• 히스테리시스 오류: 전체 스케일 출력의 ±0.05%
• 반복성 오류: 전체 규모 출력의 ±0.03%
• 제로 밸런스의 온도 계수: 풀 스케일 출력의 ±0.002%/°C
• 온도 감도 계수: 풀 스케일 출력의 ±0.001%/°C

로드셀의 전체 출력은 1000N이고, 측정 중 온도 범위는 20°C ~ 30°C입니다.

먼저 온도 효과로 인한 불확실성을 계산해 보겠습니다. 온도 변화(\Delta T = 30 - 20=10^{\circ}C).

영점 천칭의 온도 계수((U_{t1}))로 인한 불확실성은 다음과 같습니다.

[U_{t1}=0.002%\times10\times1000 = 0.2N]

감도의 온도 계수((U_{t2}))로 인한 불확실성은 다음과 같습니다.

[U_{t2}=0.001%\times10\times1000 = 0.1N]

온도 효과로 인한 총 불확실성((U_{t}))은 다음과 같습니다.

[U_{t}=\sqrt{U_{t1}^{2}+U_{t2}^{2}}=\sqrt{0.2^{2}+0.1^{2}}=\sqrt{0.04 + 0.01}=\sqrt{0.05}\약0.22N]

비선형성으로 인한 불확실성((U_{nl}))은 다음과 같습니다.

[U_{nl}=0.1%\times1000 = 1N]

히스테리시스((U_{h}))로 인한 불확실성은 다음과 같습니다.

[U_{h}=0.05%\times1000 = 0.5N]

반복성으로 인한 불확실성((U_{r}))은 다음과 같습니다.

[U_{r}=0.03%\times1000 = 0.3N]

이제 RSS 방법을 사용하여 로드셀의 전체 불확도를 계산해 보겠습니다.

[U_{합계}=\sqrt{U_{nl}^{2}+U_{h}^{2}+U_{r}^{2}+U_{t}^{2}}=\sqrt{1^{2}+0.5^{2}+0.3^{2}+0.22^{2}}=\sqrt{1 + 0.25+0.09 + 0.0484}=\sqrt{1.3884}\약1.18N]

로드셀 불확실성을 아는 것의 중요성

로드 셀의 불확실성을 아는 것은 여러 가지 이유로 중요합니다. 첫째, 측정의 정확성을 보장하는 데 도움이 됩니다. 정확한 힘 측정이 필요한 제조 공정과 같은 중요한 응용 분야에서 로드 셀을 사용하는 경우 불확실성을 이해하면 로드 셀이 작업에 적합한지 여부를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

둘째, 로드 셀의 품질을 평가할 수 있습니다. 계산된 불확도를 제조업체의 사양과 비교함으로써 로드 셀의 잠재적인 문제를 식별하고 적절한 조치를 취할 수 있습니다.

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결론

로드 셀의 불확실성을 계산하는 것은 힘과 중량 측정의 정확성을 보장하는 중요한 단계입니다. 불확실성에 영향을 미치는 요소를 이해하고 이 블로그 게시물에 설명된 단계를 따르면 로드 셀의 불확실성을 계산하고 응용 분야에 대한 적합성에 대해 정보를 바탕으로 결정을 내릴 수 있습니다. 질문이 있거나 로드셀 구매에 관심이 있는 경우 언제든지 당사에 문의하여 자세한 정보를 확인하고 조달 논의를 시작해 보세요.

참고자료

• OIML R60: 로드 셀에 대한 권장 사항, 국제 법률 계측 기구.
• ASTM E4: 미국 재료 시험 협회의 시험기 힘 검증을 위한 표준 관행.