Weighing scale load cell 이해

Tank의 weighing system은 일반적으로 load cell과 junction box, weighing controller로 구성되며 주로 소규모 배치공정이나 원료 저장, 최종 제품에 대한 생산 관리를 위해 사용된다. Inventory를 측정하는 또 다른 방식이 정유나 석유화학 공장에서 흔히 사용되는 액체 레벨을 측정하는 방식이다. 현장에서는 대형 탱크에 레벨(Level)계를, 소형/공정용 탱크에 저울(Weighing Scale)을 설치하는 것이 일반적이며, 그 이유는 비용, 설치 편의성, 그리고 공정의 목적 때문이다.

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큰 탱크에 Level 측정을 주로 하는 이유로는 경제성이다. 즉, 수십 미터 높이의 거대 탱크 하부에 수십 톤을 견디는 고정밀 로드 셀을 여러 개 설치하는 것은 비용이 매우 많이 들며, 반면, 상단에 센서 하나만 설치하는 레이더나 초음파 방식으로 액위를 측정하는 것이 훨씬 경제적이다.

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또한 유지관리 측면에서 대형 탱크를 들어 올려 로드 셀을 교체하는 것은 대공사이지만 레벨 센서는 탱크 외부나 상단에서 비교적 쉽게 교체할 수 있다. 아울러 주 목적으로 정밀한 양을 측정하기 보다 얼마나 찼는지를 확인하여 넘치지 않고 안정적인 공정 관리를 하기 위한 용도로 활용된다.

로드 셀 계량 시스템

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이에 비해 weighing system은 작은 탱크에 주로 적용하되, 밀도나 거품에 상관없이 정확한 질량(kg) 단위로 원료별 중량 비율로 투입량을 조절 및 혼합해야 품질이 유지되는 정밀화학이나 식품, 제약 공정에서 정밀 배합을 위해 사용되며, 특히 작은 탱크 안에서 교반기가 작동할 때 거품이 일어나거나 배치 공정에서 온도 변화에 따라 점도나 부피가 변동하여 레벨 센서로는 오차가 크지만 저울 방식은 액체의 상태와 상관없이 정확한 양을 측정할 수 있다. 그리고 탱크 용량이 작을수록 로드 셀 위에 탱크를 올리는 구조를 설계하기가 훨씬 수월하고 비용도 적다.

구분	Tank Weighing (중량)	Liquid Level (액위)
측정 방식	탱크 지지대나 하부에 로드셀을 설치하여 무게를 직접 측정하는 방식	초음파, 부력, 레이더, 플로트 등을 이용해 액체의 높이(Level)를 측정하는 방식, type에 따라 탱크 내/외부 측면, 상단, 하단에 설치할 수 있음. (접촉 또는 비접촉)
주요 용도	정밀한 재고 관리, 혼합 공정에서 원료 계량, 정밀 배합, 상거래용 계량	과충진 방지나 일반적인 액위 모니터링, 펌프 및 밸브 제어, 위험 수위 경보, 최소 레벨 유지를 통한 펌프 보호 등
측정 대상	질량 (kg, ton)	높이/부피 (m, L)
장점	밀도/거품 변화에 영향 없이 비접촉식으로 정확한 질량을 측정하여 신뢰도가 높음. 거품, 증기, 점도 변화 또는 내용물의 불균일한 분포(고체의 안식각)에 영향을 받지 않아 고점도 액체나 고체 측정에 유리. 센서가 탱크 외부에 위치하므로 내용물 오염 위험이 없고 유지보수가 용이. 부식성 액체나 극한의 온도 환경에서도 센서 손상이 적고 수명이 김. 탱크 외부에 설치되어 상대적으로 유지보수 빈도가 낮음. 다양한 공정 조건에서 사용 가능.	설치가 간편하고 초기 비용이 저렴함. 현장 작업자가 직관적으로 액위를 확인하기 위한 도구로 많이 사용. 센서가 비교적 저가임.
단점	구조적 변경이 필요하여 설치비용이 큼. 센서가 상대적으로 고가임.	온도/압력 변화에 따른 밀도 변화 시 보정이 필요함. 거품이나 내부 장애물에 의해 측정 오류가 발생할 수 있음. 액위계 중 접촉식(플로트 등)은 정기적인 세척과 부식 관리가 필요. 접촉식의 경우 내용물에 직접 닿는 부품(플로트, 전극 등)이 부식되거나 찌꺼기가 달라붙어 정기적인 세척과 수리가 필수적 비접촉식(초음파/레이더)의 경우 유지보수가 적지만, 탱크 내부의 증기나 거품으로 인한 오작동 시 진단 및 조치 비용이 발생할 수 있음.

 

Load cell은 힘(무게, 장력, 압축 등)을 감지하여 전기 신호로 바꾸는 핵심 변환기 센서이며 반면 계량기 (weighing scale)는 로드 셀 외에 신호를 처리하는 전자회로 및 표시 장치까지 포함한 완제품이라는 근본적인 차이가 있다.

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힘이 가해지면 로드 셀 본체의 탄성체가 미세하게 변형되고, 이 변형량이 스트레인 게이지의 전기 저항 변화로 측정되어 힘에 비례하는 미세한 전기신호로 출력됨에 따라 측정값을 직접 보여주지는 않고 신호를 보내기만 한다. 이 신호를 받아 weighing scale에서는 가공 및 증폭하여 우리가 읽을 수 있는 무게 값으로 변환하여 화면에 표시를 해주는 전체 시스템이다.

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탱크가 이미 설치된 상태에서 계기를 추가한다면 액위계가 경제적이지만, 신규 설계 단계이거나 원료의 오차 없는 배합이 중요하다면 중량계가 장기적인 운영 비용(품질 불량 방지 및 센서 교체 감소) 면에서 더 유리할 수 있다.

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Weighing system에 사용되는 load cell로는 compression type, tension type, strain gauge type이 있으며 strain gauge type이 가장 많이 사용되고 있다. Tank 크기, 재질, 내용물, 환경, 정확도에 따라 적합한 계량시스템을 적용할 수 있다. 향후 IoT, AI 기술과 접목하여 측정이나 안전, 운전 효율성에서 최적화를 할 수 있다.

 

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