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안전한 공연 속으로
로드셀 데이터 활용하기
BY 톰 릴리(TOM LILLY)
실시간 로드셀 데이터를 게시했습니다. 또한 데이터 로깅을 통해 매일 데이터를 검토할 수 있었습니다.
왼쪽은 무대로 물건들을 들여오기 시작하는 모습; 오른쪽은 여오는 로드인 시작 단계; 오른쪽은 트러스 구조물을 올리는 과정 중의 모습
서론
지난기사(Protocol 2020 여름호 참고) 에서 저는 로드셀의 내부가 작동하는 것과 어떻게 적용된 힘이 활용가능한 기준으로 바뀌는지에 대해 이야기 했습니다. 그 기사는 로드셀이라는 주제의 표면만 약간 건드린 것으로, “이제
로드셀과 관련된 읽을거리를 좀 구했는데 이제 어떻게 하지?” 라는 중요한 대화거리를 던졌습니다. 로드셀의 한가지 중요한 점은 확인되고 경험있는 리그 기술자들의 보조역활로 적합하는 것이지 그것들을 대체할 수 있는 것은 아닙니다. 로드셀을 리그에 넣는 것으로 갑자기 마법처럼 안전해 지지 않습니다. 설치 전문가가 데이터를 지켜보고 예상되로 되지 않는 경우에 대비하는 것이 중요합니다.
제가 다 알지는 못하겠지만 안전하고 효과적으로 로드셀을 사용할 수 있는 많은 방법들이 있습니다. 그러나 이 기사는 어떻게 로드셀을 사용할 수 있는지, 그리고 제공된 정보에 영향을 주는 제한점이 어디인지에 대한 더 깊은 인사이트를 줄 것입니다.
사용
고정 무게 계량
이 방식은 가장 간단하고 전세계적으로 가장 많이 사용됩니다. 로드셀은 욕실의 저울, 장비용 중량 측정 장비, 상점용 저울 등 무게를 재기 위해 매일 사용됩니다. 알 수 없는 무게를 알아내는데도 사용됩니다. 또한 로드셀은 흥미롭거나 흔하지 않은 세트의 무게를 측정하기 위해 사용될 수도 있습니다.
적절한 분석을 위해 서두르지 않고 하중이 안정될 때까지 기다리세요. 흔들림이 있을 수도 있지만 하중이 튕기거나 진동이 있을 수도 있습니다.
일부 대형 투어 공연은 리허설에서 투어 공연장에 무게에 관한 리포트를 보내기 위해 리허설 중에 이러한 작업을 합니다. 이 작업은 여러개의 로드셀과 보고서 생성을 할 수 있는 복잡한 시스템을 필요로 합니다. 또한 투어 기간동안 우려 되는 부분을 발견하거나 입증하기 위해 영구적으로 로드셀을 필요로 하는 곳에 사용될 수도 있습니다.
공연자 비행
비행을 하는 공연자를 위한 위험 평가의 일환으로, 일부 리그 기술자들은 테스트를 진행해 공연자에 의해 가해지는 최대 하중 또는 완충점을 파악하기 원합니다. 이것은 하네스가 부착된 지점이나 밧줄이나 실크 등과 같은 것들이 구조물에 부착된 지점에서 측정할 수 있습니다.
리그 밸런싱
부정정 구조물의 하중을 계산할 때 몇가지 가정을 해야 합니다. 그 중 하나는 트러스가 수평이라는 것인데 간단하게 들릴지 모르지만 실제로 그렇게 되기는 어렵습니다. 만약 땅에서 완벽하게 수평을 맞추었다 한다고 해도, 호이스트는 연식, 파워케이블의 길이, 그리고 들어올리게 되는 하중에 따라 약간 다른 속도로 작동할 수 있습니다. 포인트에 가해지는 하중을 진짜 알 수 있는 유일한 방법은 로드셀을 사용하는 것입니다. 그런 다음 중량과 엔지니어링 보고서에 하중을 다시 생성할 수 있습니다.
실시간 리프트 모니터링
더 복잡한 리프팅 작업에서 모든 호이스트와 트러스의 길이를 확인하여 제대로 작동하고 있는지 그리고 다른 무언가에 걸리지는 않았는지 확실이 하는 것은 어려울 수 있습니다. 추가적인 방어선으로써 로드셀이 리프트를 모니터링하고 만약 한계치를 넘어가거나 통신이 끊어지는 경우 경고 알람을 보내거나 작동을 중지시키도록 설정하는 것이 좋을 수도 있습니다. 이러한 한계치는 트러스의 끝이 빌딩에 걸렸다는 것을 보여주는 높은 한계치 일수도, 또는 호이스트에 하중이 없음을 나타내는 낮은 한계치일 수도 있습니다. 이것은 실제 리프팅 작업을 지켜볼 필요가 없다는 것이 아니며 필수적으로 직접 봐야합니다.
시스템 프루프 로딩
호이스트 또는 전체 시스템을 프루프 로딩 할 때, 실제 적용되는 하중이 얼마인지 아는 것이 중요합니다. 이것은 잘알려진, 보정 된 무게, 또는 보정 된 로드셀을 사용해 구할 수 있습니다. 부두에 있는 많은 대형 산업용 크레인은 물의 무게로 테스트 됩니다. 로드셀은 특히 물을 충분히 모았는지 바로 증명해야 할 때 유용합니다.
바람 하중
실외 임시 구조물의 가이 와이어에 로드셀을 설치하면 매우 유용할 수 있습니다. 그것은 초기 장력이 올바르게 적용되었는지 알려주고(더 꽉 묵여있다고 항상 좋은 것은 아닙니다), 또한 바람이 불기 시작했을 때 전체 시스템에서 힘이 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 데이터는 바람에 관한 데이터와 함께 사용되어 악천후에 대한 계획을 언제 확대할지 더 나은 결정을 하는 것을 도와줍니다.
충격 테스트
공연자 비행과 비슷한 또 다른 동적 하중으로는, 하중을 떨어뜨렸을 때 안전용 매듭의 강도를 테스트 하거나, 호이스트가 작동을 시작하거나 멈출 때, 또는 부딪혔을 때 하중의 증가를 확인하고자 하는 경우가 있습니다.
고려 사항
로드셀을 사용할 때 고려해야 할 사항이 많이 있습니다. 몇가지 고려사항은 다음과 같습니다.
업데이트 속도
디지털 시스템은 업데이트 속도 (또는 이와 유사한 개념)에 대해 이야기합니다. 이는 측정값이 새로 고쳐지고 전송되는 속도입니다. 일부 시스템에는 사용 또는 배터리 수명을 제한할 수 있는 고정된 속도가 있습니다. 현재 사용에 맞게 구성될 수 있는 다른 것들도 있습니다. 시스템이 매우 빠르게 변화하지 않는다면(예를들어 단일 하중의 계량) 초고속 업데이트 속도가 필요하지 않습니다. 그러나 충격 부하를 측정하려는 경우 1초의 업데이트 속도로도 중요한 정보를 많이 놓칠 수 있습니다.
디지털 출력이 생성되는 방식에서 또 다른 중요한 부분은 샘플 시간입니다. 이는 출력에 평균을 내기 전에 그 값을 측정하는 긴 시간입니다. 더 시간을 걸려 진행할 수록 더 많은 배경 소음이 평균화되어 더 안정적인 측정값을 제공합니다. 하지만 샘플 시간이 길면 배터리 수명이 줄어들 수 있습니다.
아날로그 시스템은 같은 방식으로 샘플을 측정하지 않고, 기본적으로 약간의 노이즈만 지우기 위한 필터링을 거친 시그널을 증폭시킵니다. 이러한 방식 때문에 일반적으로 로드셀이 잘 반응할 수 있는 대역폭이라고 언급됩니다. DC에서 입력된 주파수를 증가시키면 절반 규모의 측정값만 얻을 수 있는 지점에 다다릅니다. 이것은 3dB 다운포인트라고 알려져 있으며 센서가 훨씬 덜 효과적이게 되고 일반적으로 kHz 정도입니다.
디스플레이 방법
다양한 디스플레이 방법이 있으며 모든 상황에 적합한 하나의 해결책은 없습니다. 손에 들수 있는 사이즈의 디스플레이들은 간편하고 언제든 원할 때 확인할 수 있지만PC 기록과 디스플레이 소프웨어로 확인할 때와 미묘한 차이가 있을 수 있습니다.
대부분의 디스플레이는 크기와 한 화면에 넣을 수 있는 정보의 양에 제한이 있습니다. 하나의 행 디스플레이에서 50개의 로드셀을 주의 깊게 모니터링하고 싶지는 않을 것입니다! 빠른 업데이트 속도에는 데이터를 처리하는 다른 방법이 필요합니다. 100Hz로 동적 하중을 모니터링하는 경우 디스플레이를 보는 것만으로는 유용한 정보를 해독할 수 없습니다. 따라서 피크 값을 캡처하거나 나중에 분석할 수 있도록 모든 데이터를 PC에 기록해야 합니다.
과부하에 걸리면 어떻게 되는가?
여기서 첫번째 요점은 무엇이 시스템을 과부하 시킬지 로드셀이 알지 못한다는 점입니다. 로드셀의 최선은 로드셀을 과부하 시키는 것인지 무엇인지 알 수 있다는 것 뿐입니다. 그러나 3.25톤의 섀클 로드셀은 1톤의 호이스트와 함께 자주 사용되고, 호이스트는 로드셀보다 훨씬 먼저 과부하게 걸리게 됩니다. 어떤 로드셀의 경우에는 내부에 한계치가 설정되어 있고, 다른 경우는 디스플레이에 설정되어 있습니다. 정답이 없기 때문에 본인이 가지고 있는 로드셀의 기능을 아는 것이 중요합니다.
과부하에 대해 가장 간단하게 취할 수 있는 조치는 알람입니다. 알람이 울리면 인간인 작업자가 리프트를 계속 진행할지 말지에 대해 결정을 내립니다. 사용자나 리그 기술자 장은 기본시스템에 있어 한계치까지 약간의 여유가 있다는 것을 파악하고 계속 진행하는 것도 꽤 가능한 일입니다. 만약 가능하다면 조기 경고 알람을 통해 최종 한계치에 근접하고 있고, 이에 대한 조취를 취할 준비가 필요하다는 것을 알려주는 것이 유용합니다.
이 알람은 자동 비상 정지 기능과 결합하여 임계 값을 초과하는 하중이 감지되면 호이스트를 정지하도록 만들 수 있습니다. 그러나 이러한 시스템은 조심해서 설계해야 합니다. 가장 당연한 점은 그 경우 하나의 호이스트만이 아니라 리프팅 작업 전체를 멈춰야 한다는 것입니다. 또한 모든 것이 멈추면, 다시 안전하게 작동할 수 있도록 뭐든 할 수 있을까요? 어떤 시스템들은 비상 정지가 작동된 이후에만 무게를 낮추는 것이 가능하게 설계되어 있습니다. 하지만 모든 것에 맞는 크기는 없듯이 대부분의 산업 기반 시스템이 엔터테인먼트 산업에 맞춰져 있지 않다는 점도 주목할 필요가 있습니다.
외부 영향
로드셀은 반복되는 테스트 조건에서 보정되게 됩니다. 실제 사용 환경은 이상적이지 않을 수 있으며 이는 로드셀의 측정 값을 읽는데 영향을 미칠 수 있습니다. 아래 몇가지 중요한 요인들이 있습니다. 대부분 그 자체로는 1% 이상의 전체 오차를 유발하지 않지만 몇가지 요인이 합쳐진다면 결과가 나쁠 수도 있습니다.
장전 방법
대부분의 로드셀은 장력이 있거나 압축이 된 상태에서 확인됩니다. 다른 모드에서 작동하는 경우도 자주 있지만 정확도가 떨어집니다. 또한 벤딩 빔(bending beam) 로드셀은 축 방향의 하중은 측정하지 않습니다.
측면 장전
만약 로드셀이 측정된 하중과 직각인 하중으로 축에서 밀려난다면 이것은 측정된 하중을 변경시키게 됩니다. 추가적으로 만약 로드셀이 축 방향의 하중을 위해 설계된다면 손상될 수도 있습니다.
토션(Torsion)
로드셀을 비틀면 로드셀이 측정한 하중은 변경됩니다. 로드셀 아래의 한 지점에서 하중을 돌리면 이를 확인할 수 있습니다.
축 로딩의 초과
하중 경로가 로드셀을 올바르게 통과하지 않으면 측정값에 변동을 주게 됩니다. 일부 로드셀은 특정 지점까지는 저절로 조정하지만 만약 직선/평탄하지 않은 것을 보게 된다면 값의 정확성이 떨어질 수 있습니다.
급격한 온도 변화
로드셀에서 온도가 변형을 유발하는 것을 허용하기 위해 대부분의 제조업체들은 로드셀 재료의 열 특성에 맞는 변형률 측정기를 사용합니다. 소프트웨어를 사용해 온도를 보정하는 것도 가능하지만 급격한 온도 변화가 있는 경우 로드셀의 내부와 외부의 온도가 달라져 로드셀 재료의 온도가 전체적으로 안정화 될 때까지 부담이 가해집니다. 팬데믹 봉쇄기간 동안 저는 집에서 잘 통제되지 않은 간단한 실험을 진행했습니다.
기타 요인
크립 (Creep)
이전 글에서 설명했듯, 강철과 같은 재료는 항복점까지 하중이 증가하는 경우 상당히 선형적인 형태로 변형됩니다. 하중이 일정하면 변형도 일정할 것이라고 생각하겠지만 안타깝게도 그렇지 않습니다. 크립이라고 불리는 이 현상은 일정한 하중에도 변형이 계속해서 심화되는 것입니다. 이에 대해 잘 알려진 문제 현상의 예로 오래된 주택 밖의 납으로 된 파이프가 쳐지는 것처럼, 납과 같은 연성 금속은 특히나 이러한 문제에 취약합니다. 로드셀을 사용의 경우 그 현상은, 예를 들면 처음 약 20분 동안 전체 범위의 0.05%로, 하중이 급격하게 변화한 직후에 눈에 띄게 보여지고 일반적으로는 비교적 적은 변화를 보입니다.
히스테리시스 (Hysteresis)
로드셀(사실 모든 스프링)은 하중이 증가할 때와 하중이 감소할 때 다른 곡선을 따릅니다. 일반적으로 하중이 증가할 때보다 감소할 때 측정값이 더 높습니다. 이 현상을 히스테리스라고 하는데 최대 1%의 변동 이 있을 수 있습니다.
선형성 (Linearity)
이상적인 스프링의 요소는 제로 하중에서 최대 범위까지 완전히 선형적인 형태로 변형됩니다. 하지만 현실에서는 그렇지 않은 경우가 많고, 이에 대한 몇 가지 해결책이 있습니다. 두 지점 보정은 이러한 곡선에 가장 잘 맞는 선을 제공합니다. 이는 정확도와 함께 타협을 받아들여야 한다는 의미입니다. 많은 로드셀 제조 업체들이 대안으로 몇가지 형태의 다지점 보정을 사용합니다. 이렇게 하면 효과적으로 응답 곡선을 여러개의 직선으로 나눠 훨씬 더 잘 맞습니다. 더 많은 지점을 입력 할 수록 더 잘 맞습니다. 더 높은 정확도를 위해, 몇몇 제조업체들은 가장 적합한 곡선을 얻고자 다항식 곡선을 사용합니다.
비선형성은 부하가 0에 가까워질수록 최악인 경우가 많습니다.
보정 (Calibration)
로드셀은 민감한 기술장비 입니다. 주의 깊게 관리해도 손상이 발생할 수 있고 구성품이 고장 날 수 있습니다. 항상 제조사의 권장사항이나 본인의 위험 평가 기준에 맞춰 로드셀 측정값을 실제로 확인하거나 테스트를 통해 보정 해야 합니다. 일반적으로 12개월에 한번씩 확인하십시요.
마지막으로...
안일하게 생각해서는 안됩니다. 로드셀 자체만으로는 안전하게 리프팅을 할 수 없습니다. 리깅이 복잡한 경우, 엔지니어가 사용자가 어떤 부분을 봐야 하는지 알려줄 수 있습니다. 사용자의 로드셀이 어떻게 설정되어 있고 사용하고자 하는 목적에 적합한지 확인해야 합니다. 현장에서 사용하기 전에 테스트 하면 아무것도 모르는 것보다 훨씬 더 나을 것입니다. 로드셀은 현대의 리그 기술자들에게 매우 유용한 도구가 될 수 있지만 무엇을 들여다 봐야 할지를 잘잘 알고 있어야 합니다. 톰 릴리(Tom Lilly)는 25년 전 영국 버밍엄의 작은 PA 회사에서 스피커와 앰프를 옮기는 것과 같은 일부터 시작하여 엔터테인먼트 업계에서 일을 시작했습니다. 브리스톨의 대여 창고에서 일하면서 그는 리깅에 관심을 갖게 되었고 거기서 좋은 경험을 쌓아 몇 년 뒤에는 프리랜서 리그 기술자로 일하기 시작했습니다. 그는 이후 약 5년간 엔터테인먼트 업계에서 일하는 것을 중단하고 골프장 관리인을하거나 데번 주의 펍에서 일했습니다. 2010년에 톰은 공학 학위를 따기 위하여 오픈 유니버시티(한국의 방송통신 대학교와 비슷한)에2016년에 우등으로 졸업했습니다. 그 시기에 그는 신호 처리기를 전문으로 하는 선도적인 전자 회사, 맨트라코트 일렉트로닉스(Mantracourt Electronics)에서 일하기 시작했습니다. 맨트라코트 일렉트로닉스는 브로드웨이트(Broadweigh) 사의 하중 모니터링 새클 제품군도 제조합니다. 자세한 내용은 https://www.broadweigh.com/을 참조하시기 바랍니다.
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