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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.53 No.1 pp.127-134
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2019.53.1.127

A Study on Characteristics of a Weighing System Based on Three-point Load Cells

Chul-Soo Kim1,2, In-Chul Choi1, Dae-Cheol Kim1,2*
1Dept. of Bio-industrial Machinery Engineering, Chonbuk National University, Jeonju, 54896, Korea
2Institute for Agricultural Machinery & ICT Convergence, Chonbuk National University, Jeonju, 54896, Korea
Corresponding author: Dae-Cheol Kim Tel: +82-63-270-2590 Fax: +-63-270-2620 E-mail: dckim12@jbnu.ac.kr
September 1, 2017 November 12, 2018 November 13, 2018

Abstract


A variable chamber round baler isessential equipment in agriculture. However, most of the variable chamber round balers used in Korea are manufactured overseas. Large balers are mainly imported, and they are not suitable for making bales for sale. Bale weight is considered more important than bale size in choosing a baler, but only the bale size can be altered with a variable baler. Therefore, this study is a preliminary study for developing a baler that produces bales with different weights. Load cells were installed on the three points of a trailer for this study, and a floating type weighing system was constructed to support the weight on the trailer with three point load cells. Static and dynamic loads were measured to examine the problems generated while measuring the weight. The dominant frequency components of the static and dynamic signals were observed in the ranges of 0∼0.5 Hz and 0∼0.1 Hz, respectively. Also, the frequency component of 60 Hz when using the power, the curvature of surfaces when moving the system, and the vibration when driving the engine were produced. A low-pass filter (3 Order, Butterworth type, Cutoff frequency 0.1 Hz) was used to eliminate these noises. The analysis of the measured signals based on the eccentric load showed that the eccentric load did not affect the measurement. The results of the comparison between the measured weight and predicted weight at the moving speed of 3.47 km/h and 6.21 km/h showed the average error of -2.42 kgf and -1.71 kgf, respectively. The moving speed of the system did not affect the measurement, and the mechanical vibration of the baler and non-vibrational factors should be identified in order to apply the system developed in this study into the baler that produces bales with different weights.



3점 로드셀 기반 중량측정 시스템의 특성 연구

김 철수1,2, 최 인철1, 김 대철1,2*
1전북대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과
2전북대학교 부설 농업기계 ICT 융합연구소

초록


베일의 시장 판매를 위해서는 표준화된 품질과 상품의 정량화가 선행되어야 하며, 이를 뒷받침하기 위해 베일의 정량화가 가능한 베일러 개발이 필요하다. 베일의 크기보다 중량을 기준으로 정량화할 경 우 수확물의 생산 조건과 관계없이 베일의 일정한 규격화가 가능해진다. 이러한, 중량기준 정량화가 가 능한 베일러의 개발을 위해 가장 중요한 요소기술들 중 하나가 바로 가변 중량 측정 시스템이다.따라서 본 연구에서는 중량 가변이 가능한 베일러의 기초 연구로써 트레일러의 3점에 로드셀을 설치하여 트레 일러에 적재되는 내용물의 하중이 3점의 로드셀에 의해 모두 지탱되도록 플로팅 타입의 하중 측정 시스 템을 구성하였다. 이를 이용하여 정적 하중과 동적 하중을 측정함으로써 하중 측정 시 발생하는 문제점 들을 파악하고, 중량 감응형 베일러 개발의 기초자료로 활용하기 위하여 연구는 수행되었다.그 결과 정 적 측정 신호와 동적 측정 신호의 지배적인 주파수 성분은 각각 0∼0.5Hz와 0∼0.1Hz에서 발생하였 으며, 사용된 전원으로 인한 60Hz의 주파수 성분과 시스템의 이동 시 지표면의 굴곡, 엔진의 구동 등 으로 인하여 진동이 발생하였다. 그래서 이러한 노이즈를 제거하기 위하여 저주파 통과 필터(3 Order, Butterworth type, Cutoff frequency 0.1Hz)를 사용하였다. 편심 하중에 따른 측정 신호의 분석 결과 편심 하중은 하중 측정에 영향을 주지 않으며, 시스템의 이동속도 3.47km/h와 6.21km/h에서 측정된 하중과 예측 하중을 비교한 결과 각각 -2.42kgf와 -1.71kgf의 평균 하중 오차를 보였다. 즉, 시스템의 이동속도는 하중 측정에 영향을 미치지 않았으며, 추후 중량 감응형 가변 베일러에 본 시스템을 적용하 기 위해서는 실제 베일러의 기계적 진동과 비 진동 요인들을 규명해야 한다.



    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    716001-7

    서론

    베일러는 수확된 건초를 손쉽게 처리, 운반 및 저 장하기 위해서 건초를 압축 성형하는데 사용되는 기 계이다. 베일러의 종류는 건초를 직육면체로 묶는 사각 베일러와 원통형으로 묶는 원형 베일러로 구분 할 수 있다. 또한 원형 베일러의 형식은 성형된 베 일의 폭과 직경이 고정되어있는 고정형 베일러와 베 일의 직경을 조절할 수 있는 가변형 베일러로 구분 된다(Choi, 2006).

    일반적으로 가변 원형 베일러는 수확물의 함수율 또는 운반차 적재함의 크기에 따라 베일의 크기를 조절할 수 있고, 사각 베일러로 건초를 성형 할 경 우 무게가 약 20∼40kg/개 정도로 작은 반면에 원 형 베일러는 약 200kg/개까지 성형이 가능하다. 그 래서 같은 면적을 작업할 때 원형 베일러는 사각 베일러에 비하여 작업 시간과 노동력을 절감할 수 있는 장점이 있다(Choi, 2006). 이와 같은 장점들 때문에 가변 원형 베일러의 수요는 점차 증가하는 추세이다.

    그러나 이러한 장점이 있는 가변 원형 베일러의 대부분은 수입에 의존하고 있는 실정이다. 그리고 수입기종은 베일 사이즈가 대형이어서 포장 규모가 작고 농로가 협소한 우리나라에 잘 맞지 않고, 고장 발생 시 부품의 확보가 어려워 작업 적기를 놓치는 경우도 많다(Kim & Kim, 2000). 또한, 기업형 농 업 위주의 외국에서는 자가 사용을 위해 베일을 생 산하지만 국내에서는 판매를 목적으로 생산하는 경 우가 많다.

    베일의 시장 판매를 위해서는 표준화된 품질과 상 품의 정량화가 선행되어야 하며, 이를 뒷받침하기 위해 베일의 정량화가 가능한 베일러 개발이 필요하 다(MIFAFF, 2001). 베일의 정량화 기준으로는 크기 또는 중량을 선택할 수 있다. 베일의 크기를 기준으 로 정량화할 경우 수확물의 수확시기와 종류 등에 따라 함수율과 밀도 등이 달라지기 때문에 거래상의 투명성과 신뢰도 확보가 어려워지는 반면에 중량을 기준으로 정량화할 경우 수확물의 생산 조건과 관계 없이 베일의 일정한 규격화가 가능해진다. 따라서 거래상의 투명성과 신뢰도의 확보가 용이해지며, 축 산농가의 규모에 따라 베일의 적정 중량을 선택할 수 있기 때문에 농가의 편이성이 증가하는 효과를 기대할 수 있다. 중량기준 정량화가 가능한 베일러 의 개발을 위해 가장 중요한 요소기술들 중 하나가 바로 가변 중량 측정 시스템이다.

    외국의 경우 수확물의 하중을 실시간으로 측정하 는 연구가 활발히 진행되고 있는데, 수확물에 담겨 있는 저장 통을 지탱하는 줄의 텐션을 로드셀(Load cell)을 이용하여 측정하는 방법(Maguire et al., 2007), 수확물의 유량을 유량센서로 측정하여 하중을 측정하는 방법(Perez-Munoz & Colvin, 1996), 수확 물이 벨트 컨베이어를 지나갈 때 로드셀 신호를 계측 하여 하중을 측정하는 방법(Pelletier & Upadhyaya, 1999;Magalhães & Cerri, 2007), 수확물 저장 통 에 로드셀을 설치하여 하중을 측정하는 방법(Godwin et al., 1999;Wild & Auernhammer, 1999) 등이 보고된 바 있다.

    국내의 경우 수확물의 충격량을 스트레인 게이지로 측정하여 하중을 측정하는 방법(Chung et al., 1999), 수확물 저장 통에 로드셀을 설치하여 하중을 측정 하는 방법(Lee et al., 2007) 등의 연구가 보고되 고 있다.

    한국에서 보급되는 가변베일러는 구조상 중량측정 이 쉽지 않는데 그에 맞는 센싱 시스템의 개발이 필 요하다. 따라서, 본 연구는 실제 베일러에 장착전에 설계의 완성도를 높이고자 플로팅 타입 중량 측정 시스템의 모형을 제작하였다.이 모형에서는 위치별 균일한 하중이 걸리지 않는 베일러 시스템의 특징을 고려하여 편심하중 방식을 이용하여 대표하중을 찾 아내는 방식을 사용하였다. 따라서, 본 연구는 편심 하중 및 가변 하중에 대한 시스템의 응답특성, 문제 점 및 효율성에 대한 기초자료를 얻기 위하여 수행 되었다.

    재료 및 방법

    1 중량 측정 장치의 구성

    대차의 뒷바퀴 축 양쪽과 맨 앞쪽 중앙에 로드셀 을 설치하여 대차에 적재되는 내용물의 하중이 3점 의 로드셀에 모두 지탱되도록 플로팅 타입의 중량 측정 장치를 구성하였다(Fig. 1).

    사용된 로드셀은 실제 베일러와 베일의 하중을 충 분히 지탱할 수 있고, 설치의 용이성을 고려하여 밴 딩형 로드셀을 선택하였다. 로드셀(CTMR-2.2T / Curiosity Technology / Combined Error:<0.50% R.O. / Zero balance : 0.2mV/V)의 최대 용량은 21,500N이며, 정격 출력은 0.9mV/V이다. 로드셀의 형태는 Fig. 2에 나타내었다.

    각각의 로드셀에서 측정된 신호는 데이터로거(NI 9237, National Instruments, USA)를 이용하여 계 측하였고, 계측된 값은 노트북(Studio 1535, Dell, USA)을 이용하여 기록하였다(Fig. 3). 또한, 각각의 로드셀에서 측정되는 전압 신호는 랩뷰(LabVIEW 2011, National Instruments, USA)를 이용하여 하 중 단위(kgf)로 변환하였고, 그 값들은 평균하여 측 정 하중으로 기록하였다. 데이터로거의 주요사양은 Table 1과 같다.

    2 로드셀 캘리브레이션

    중량 측정 장치의 핵심 부품인 로드셀의 출력 특 성을 파악함으로써 시험 오차를 줄이고 정확한 기준 으로 삼기 위하여 캘리브레이션을 실시하였다. 로드 셀의 하중 감지부에 분동을 인가 할 수 있도록 장치 를 구성하였다. 그리고 분동을 0N에서 500N씩 증가 시키며 최대 3000N까지 인가하였다. 인가된 하중마 다 측정되는 출력 신호를 5초씩 기록하고 필터링한 후 평균을 취하였다. 그 결과는 Fig. 4와 같았다.

    그래서 인가하중과 측정하중을 맞추기 위하여 식 (1)과 같은 관계식을 정립하였다.

    W=5482 .61 V 0
    식 (1)

    여기서,

    W: Measured Weight, kgf

    V0: Sensor output voltage, mV

    식 (1)은 본 실험에서 각각의 로드셀에서 측정되 는 출력 전압을 하중으로 환산할 때 사용하였다.

    3 편심 하중 측정

    편심 하중 측정 시험은 실내에서 진행하였다. 1분 동안 하중 인가 부분마다 계측한 값의 평균을 대표 측정값으로 하였다. 그리고 하중의 크기와 위치에 따라 각각의 로드셀에서 측정되는 신호의 변화 특성 을 분석하였다.

    Figure 5와 같은 장치구성을 마친 뒤 대차로 인 하여 로드셀에 가해지는 초기 부하를 제로 오프 셋 하였다. 그 다음 임의로 설정한 하중 인가 위 치마다(Fig. 6) 분동을 500N 단위로 최대 3000N 까지 인가하였다. 신호를 계속적으로 측정하며 인 가된 하중마다 5초씩 기록하였다. 이때 샘플링 속 도는 2kHz였다.

    4 동적 하중 측정

    동적인 하중을 측정할 때 시스템의 정확성과 응답 특성을 파악하기 위하여 시험은 2단계로 나누어 실 시하였다.

    1단계에서는 정지된 대차위에 물탱크를 탑재하여 하중이 연속적으로 증가하거나 감소하는 경우의 중 량 측정 시스템의 특성을 분석하였다. 2단계에서는 물탱크를 탑재한 대차를 트랙터에 연결하여 속도 3.47km/h와 6.21km/h로 각각 2회씩 총 4회를 주 행하면서, 연속적으로 감소하는 하중을 측정하였다 (Fig. 7). 또한, 예비시험을 통해 하중 증가 시 물의 유량은 약 0.417kg/s로 일정하게 공급되며, 하중 감 소 시 물의 유량은 시간(t: sec) 0초에서 3600초까 지 약 -0.0009t + 0.9901로 배출되는 것을 알 수 있었다.

    결과 및 고찰

    1 편심 하중에 따른 측정 신호의 변화 특성

    무부하시에도 Load cell 1(이하 ‘L1’이라고 한다.), Load cell 2(이하 ‘L2’라고 한다.), Load cell 3(이하 ‘L3’이라고 한다.)에서는 각각 -0.35mV, 0.43mV, 0.63mV의 평균 초기전압이 측정되었다. 이 값들을 식 1을 이용하여 하중으로 환산해 보면 L1, L2, L3 에서 각각 -1656N, 2086N, 3016N이 된다. 대차의 재질과 크기를 고려해 볼 때 상당히 큰 값이라 판단되 어 Recurdyn(Version V7R5, Functionbay, Korea)을 이용하여 로드셀마다 가해지는 이론적인 하중을 구 해보았다. 이론적인 하중의 크기는 L1, L2, L3에서 각각 709N, 377N, 256N인 것으로 나타났다. 이러 한 결과로 미루어 볼 때 L1의 -전압과 측정된 초깃 값들은 대차로 인하여 가해지는 부하와 로드셀 설치 조립 과정에서 발생한 뒤틀림 등이 복합적으로 작용 하여 측정되는 전압이라 판단된다. 하지만 이 값들 은 하중측정에 영향을 미치지 않도록 신호 계측 시 사용되는 프로그램을 통해 제거하였다.

    편심하중에 따른 L1, L2, L3의 출력신호는 Fig. 8 에서와 같다. L1의 신호 변화를 보면 P2에 하중을 일정하게 증가시키면 출력 신호는 세 부분 모두에서 같은 비율로 증가하고, P5에 하중을 부가하면 P2의 변화 비율에 비해 낮게 증가한다. 이러한 이유는 P2 는 L1이 설치된 부분이어서 센서에 직접적인 영향을 주고, P5는 L1이 설치된 부분에서 약간 떨어진 부 분이기 때문이라 판단된다. 또한, L1에서 가장 먼 쪽에 있는 P7에 하중을 부가하면 L1의 출력 신호는 감소한다. 이러한 이유는 L1이 설치되어있는 측정 장치의 앞쪽이 들리면서 생기는 현상 때문으로 판단 된다. L2, L3의 신호 변화에서도 이와 같은 경향을 보였다. 즉, 삼각형의 도심을 벗어난 인가 위치에 하중이 인가되면, 인가 위치에서 가장 먼 쪽에 있는 로드셀의 출력 신호는 감소하였다.

    하중 인가 위치별로 신호의 변화가 하중 측정에 영향을 미치는지 알아보기 위하여 측정 신호를 필터 링 한 후 필터링 된 값들의 평균을 취하고, 그 값은 인가 하중과 비교하였다. 그 결과 하중 인가 위치마 다 다르게 변하는 신호들에 관계없이 하중 위치별 평균 오차는 13N 밖에 되지 않았다(Table 2). 시험 오차와 계측장비들의 오차 범위를 고려하면, 인가한 하중은 인가 위치마다 3점의 로드셀에 적절히 분산 되어 부하되므로 어느 위치에 하중을 가하여도 적절 한 하중을 측정할 수 있다. 즉, 인가 위치마다 다르 게 변하는 로드셀의 신호 변화는 하중 측정에 큰 영 향을 주지 않기 때문에 하중 측정 장치의 설계는 잘 이루어진 것으로 판단된다.

    2 동적 하중 측정

    2.1 정지 상태

    하중 측정 시스템의 정지 상태에서 연속적으로 하 중의 변화를 주며 하중을 측정한 결과 정적인 하중 을 측정한 신호와 같이 주파수 성분이 0∼0.1Hz 특 성을 보이며, 하중의 증가와 감소 때 모두 같은 경 향을 나타내었다.

    노이즈를 제거한 실제 측정 하중과 예측 하중을 비 교한 결과 하중이 증가, 감소할 때 각각 평균 7.8N, 49.1N의 오차를 보였다(Fig. 9, 10; R2=0.99). 하중 이 감소할 때 오차가 좀 더 큰 이유는 초기 예측값 과 실측값의 편차가 있기 때문으로 판단된다. 즉, 하중의 증가와 감소 시 모두 측정 시스템의 거동은 양호한 것으로 판단된다.

    2.2 이동 상태

    중량 측정 시스템을 이동시키고, 연속적인 하중 변화를 주며 신호를 계속해서 계측하였다. 계측된 신호에선 부가된 하중보다 ±2000N 이상 더 측정되 며 크게 진동하였다. 정지 상태에서 일정하게 변하 는 하중을 측정할 때보다 더 큰 진동이었다. 이렇게 진동이 더 큰 이유는 측정 장치의 이동 간 지표면의 굴곡과 엔진의 구동, 물의 출렁임 때문에 발생한 진 동으로 판단된다.

    이동속도 3.47km/h와 6.21km/h에서 측정한 신 호의 필터링 결과를 예측 하중과 비교하면 각각 평 균 -23.7N와 -16.8N의 오차를 보인다. 예측 하중 과 실제 측정 하중과의 관계는 거의 일치하였으며, 결정계수는 0.99였다. 또한, 이동속도는 시스템의 성능에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다(Fig. 11). 즉, 측정 시스템의 이동 중 진동으로 발생하는 오차 요인들은 필터링을 통해 충분히 제거할 수 있 으며, 실시간으로 수확되는 수확물의 하중을 측정할 수 있을 것으로 판단된다.

    추후 중량 감응형 가변 베일러에 본 시스템을 적 용하기 위해서는 실제 베일러의 기계적 진동과 하중 측정 과정에서 발생하는 비 진동 요인들을 파악해야 하며, 실제 포장에서의 시험이 이루어져야 할 것으 로 판단된다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림수산 식품기술기획평가원의 농림축산식품연구센터지원사 업(716001-7)과 산업통상자원부 기술혁신사업의 재 원으로 IT융합 농기계 종합기술지원사업의 지원을 받아 수행되었음.

    Figure

    JALS-53-1-127_F1.gif

    Configuration of test trailer and load cell location.

    JALS-53-1-127_F2.gif

    Configuration of load cell.

    JALS-53-1-127_F3.gif

    Data measurement and recording process.

    JALS-53-1-127_F4.gif

    Calibration of load cell in the weight measurement system(R2 is 0.99.).

    JALS-53-1-127_F5.gif

    Test trailer and Installed load cell.

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    Loading positions.

    JALS-53-1-127_F7.gif

    Configuration of dynamic weighing system.

    JALS-53-1-127_F8.gif

    Output of each load cells for applied load.

    JALS-53-1-127_F9.gif

    Predicted weight and filtered weight signals for water discharge.

    JALS-53-1-127_F10.gif

    Predicted weight and filtered weight signals for water charge.

    JALS-53-1-127_F11.gif

    Predicted weight and filtered weight signals for moving speed.

    Table

    Specifications of data logger

    Error of weight for applied load and error of average

    Reference

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