Category: 분동

계량 과정에서 분동의 자기력은 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이는 질량 측정 시 이 힘을 중력과 구분할 수 없기 때문이다. 자성은 두 개의 질량 표준 간의 상호작용뿐만 아니라, 측정에 사용되는 질량 표준이나 측정기기와 주변의 다른 자성 물체 간의 상호작용도 유발할 수 있다.

질량 값 전환을 위한 분동 검정 전에, 해당 질량 표준의 자기적 특성(자화 및 자기 감수율)을 측정하여 자기 영향이 무시 가능한지를 확인해야 한다. 자기 시험을 통과하지 못한 분동은 질량 전환 검정을 수행해서는 안 된다.

분동과 자성의 관계

전자저울은 전자기력 보상 방식을 이용하는 고정밀 센서를 사용하며, 고성능 마이크로프로세서와 A/D 변환기를 통해 빠르고 정확한 측정을 수행한다. 계량 과정에서 전자기 평형 원리를 적용하는데, 저울이 불균형 상태가 되면 내부 코일의 전류를 변화시켜 다시 평형을 이루게 되며, 이 과정에서 저울 주변에 강한 전자기장이 형성된다.

분동은 대부분 스테인리스강으로 제작된다. 만약 전자저울의 전자기 차폐 성능이 충분하지 않고, 분동의 잔류자기(잔자기)가 크다면, 전자기장 내에서 분동이 자화될 수 있다. 자화된 분동은 이후의 질량 값 전달에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라, 저울의 정상적인 사용에도 간섭을 일으킨다.

분동의 자성이 질량 값에 미치는 영향을 회피하거나 최소화하기 위해 현재 두 가지 해결책이 있다.

1. 전자저울의 전자기 차폐를 강화하여 자기 누설을 줄이는 방법
   • 효과는 있으나, 저울의 제조 비용이 증가한다.
2. 분동의 반자성(저자성) 성능을 개선하는 방법
   • 자기 감수율이 낮은 스테인리스강 재질을 사용하여 분동을 제작한다.

전자저울은 전자기력 보상 원리를 사용하므로 계량 중 강한 전자기장이 발생할 수 있다. 따라서 분동의 자성 관리는 질량 측정의 정확성과 신뢰성 확보를 위한 핵심 요소이며, 저자성 재질의 분동 사용과 저울의 적절한 전자기 차폐가 매우 중요하다.

질량 비교기의 측정 범위는 최대 6톤까지 이를 수 있으며, 산업용 전자저울의 계량 범위는 수백 톤에 달할 수 있다. 실험용 보정 분동은 1톤에서 100톤 이상까지 사용된다. 이러한 대질량 분동은 저울의 계량 정확도 시험 시 반드시 필요하다.

대질량 분동이란 일반적으로 200kg, 500kg, 1톤, 2톤, 3톤, 4톤, 5톤, 6톤, 7톤, 8톤, 9톤, 10톤 범위의 분동을 말하며, 고용량 계측 장비의 감도, 편심 하중, 선형성, 반복성 시험에 사용된다.
지게차나 크레인과 같은 장비의 인양 능력 한계로 인해, 단일 분동은 보통 2톤 이하로 제작되지만, 여러 개를 조합하여 필요한 질량을 구현할 수 있다.

METTLER TOLEDO와 같은 전문 분동은 후크 등의 구조적 설계가 적용되어 지게차로 인양이 가능하다. 반면, 원통형(배럴형) 분동은 굴러갈 위험이 있어 작업자가 부상을 입을 수 있으므로 사용이 허용되지 않는다.

대형 분동은 반드시 대형 화물차로 운송해야 하며, 안전 규정 및 정부 관련 법규에 따라 차량의 최대 적재 하중을 초과하지 않도록 해야 한다. 비용 문제로 인해 대질량 분동은 일반적으로 **스테인리스강이 아닌 주철(캐스트 아이언)**로 제작된다.

고품질 대형 분동의 제품 사양

• 재질: 주철
• 표면 처리: 친환경 도료 코팅
• 포장: 목재 박스 또는 목재 팔레트
• 구조: 잠금형(Lock type)

주철을 주조 공정으로 제작한 분동은 가격이 비교적 저렴하다.

• 일반 규격:
  2000kg, 1000kg, 500kg, 200kg, 100kg, 50kg, 20kg, 10kg, 5kg, 2kg, 1kg
• 일반 형상:
  평면 사각형 타입, 잠금형
• 주요 등급:
  M1, M2

많은 사람들은 분동이 학교 실험실에서만 사용된다고 생각하기 쉽다. 그러나 실제로 스테인리스강 표준 분동은 실험실뿐만 아니라 제약 공장, 항만, 전자저울 제조 공장 등 매우 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 이러한 분동을 사용할 때 흔히 드는 의문 중 하나가 바로 “왜 스테인리스강 분동을 손으로 직접 잡으면 안 되는가?”라는 점이다.

일반적으로 스테인리스강 분동을 사용하기 전, 교사는 분동을 핀셋으로 집어 사용하라고 안내한다. 그 이유는 표준 분동이 스테인리스강으로 제작되어 있으며, 사람의 손에는 땀과 유분이 묻어 있기 때문이다. 분동을 손으로 직접 만지면 표면에 오염물이 남게 되고, 이러한 상태가 장기간 지속될 경우 부식(녹)이 발생할 수 있다. 이는 결국 분동의 질량 정확도에 영향을 미치게 된다.

특히 저울에 사용되는 표준 분동은 매우 높은 정밀도를 요구한다. 정확도가 조금이라도 저하되면, 실험에서 사용되는 시약의 양이 달라질 수 있고, 그로 인해 실험이 정상적으로 진행되지 않을 수 있다. 따라서 핀셋을 사용해 분동을 집는 것은 손에 의한 오염을 방지하기 위한 필수적인 조치이다.

스테인리스강 분동의 사용 관리 기준은 매우 엄격하다. 손으로 직접 만지는 것을 피해야 할 뿐만 아니라, 사용 중에는 충격이나 긁힘이 발생하지 않도록 조심스럽게 다뤄야 한다. 사용 후에는 부드러운 실크 천으로 깨끗이 닦은 뒤 보관해야 한다. 또한 분동은 전용 보관함에 넣어 보관하고, 가능하면 항온 환경의 공간에 보관하여 주변 환경이 표준 분동의 품질에 영향을 주지 않도록 해야 한다.

스테인리스강 분동과 저울과 같은 고정밀 계측 기기는 사용 및 보관 시 반드시 사용 규정을 엄격히 준수해야 하며, 이를 통해 분동의 수명을 최대한 연장할 수 있다. 만약 분동의 정확도에 의문이 생길 경우에는, 검정을 통과한 후에만 사용해야 한다.

스테인리스강 분동이란 저울 위에 올려 질량의 기준으로 사용하는 물체를 말하며, 일반적으로 금속 블록이나 금속 조각 형태이다. 보다 정밀한 계량을 위해 사용되며, 저울의 한쪽에 올려 기준 질량으로 활용된다. 분동은 크기가 서로 다르며, 각각 일정한 질량을 가진다. 이는 규정된 질량과 형상을 가진 물리적 계측 도구로서, 계량기의 검정 및 실제 계량에 사용된다.

스테인리스강 분동은 반드시 저울 또는 천칭과 함께 사용되어야만 다른 물체의 질량을 측정할 수 있으므로, 보조적인 물리 계측 도구에 해당한다. (저울에서 사용하는 스테인리스강 분동은 흔히 ‘추’라고도 불린다.)

분동의 등급 체계

분동의 등급은 다음과 같이 구분된다.

• E1 등급 분동(원기준 작업 표준 분동):
  국가 표준 및 부표준에 추적 가능하며, E2 등급 분동의 검정·전달에 사용됨
• E2 등급 분동:
  F1 등급 이하 분동의 검정·전달에 사용됨
• F1 등급 분동:
  F2 등급 이하 분동의 검정·전달에 사용됨
• F2 등급 분동:
  M1, M1-2 등급 이하 분동의 검정·전달에 사용됨
• M1 등급 분동:
  M2, M2-3 등급 이하 분동의 검정·전달에 사용됨
• M2 등급 분동:
  M3 등급 분동의 검정·전달에 사용됨
• M3 등급 분동:
  해당 계량 기기 자체의 검정에 사용됨

계량 기기를 시험할 때는 상위 등급 분동이 하위 등급 분동을 대체하여 사용할 수 있다. 물론 실제 상황에 맞게 분동을 선택해야 하며, 그렇지 않으면 시험 목적을 달성할 수 없다.

저울 시험 및 분동 선택 원칙

저울 시험에 사용하는 분동은 시험 대상 저울보다 한 단계 높은 등급의 분동을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 이는 “상위 등급 검정, 하위 등급 확대” 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

대부분의 전자저울은 지능형 교정 프로그램을 갖추고 있으며, 여러 점에서 보정하는 선형 교정을 통해 선형 오차를 최소화할 수 있다. 실제 작업 현장에서 전자저울의 표시 오차가 허용 오차 범위 내에 있더라도, 장기간 사용 시 정확도가 유지된다고 보기는 어렵다. 따라서 정기적인 교정이 필요하며, 가급적 최대 용량에 가까운 분동을 사용하여 교정하는 것이 좋다. 교정 값은 실제 계량 범위에 따라 선택할 수도 있다.

원칙적으로 저울 교정에 사용하는 분동은 저울의 정확도 등급보다 높은 분동이어야 한다.

저울 정확도와 권장 분동 등급

• 10만 분의 1 (최소 눈금 0.01mg):
  1급 저울(특수 정확도) → E1 분동 사용
• 1만 분의 1 (최소 눈금 0.1mg):
  1급 저울 → E1 또는 E2 분동 사용
• 1천 분의 1 (최소 눈금 1mg):
  2급 저울 → E2 또는 F1 분동 사용
• 100분의 1 (최소 눈금 0.01g):
  3급 저울 → F1 분동 사용

실제 사용 시에는 가급적 고등급 분동을 사용하여 교정하는 것이 바람직하다. 단, 사용되는 분동은 반드시 사전 검정 및 교정을 거친 것이어야 정확성을 보장할 수 있다.

표준 분동 선택 원칙

• 사용 중인 표준 분동에 보정값이 있는 경우, 환산된 질량의 확장 불확도 합은 시험 대상 분동 질량의 확장 불확도의 1/3을 초과해서는 안 된다.
• 보정값이 없는 경우에는, 표준 분동의 총 질량 허용 오차가 시험 대상 분동 질량의 확장 불확도의 1/3을 초과해서는 안 된다.

1. 스테인리스강 분동의 안정성 평가

분동은 물체의 질량 값을 나타내는 물리적 계량 도구로, 계측적 특성과 물리적 특성을 동시에 지닌다. 계측 표준 평가에서 이 계량 표준을 사용해 실제 물체를 측정하고, 규정된 시간 내에 측정 대상이 안정적으로 유지되는 능력을 계량 표준의 안정성이라 한다.

표준 저울의 안정성은 분동 계량 정확도를 보장하는 핵심 요소이다. 저울의 안정성이 높을수록 측정 결과의 정확성도 향상된다. 외부 교란이 발생한 후 저울이 자동으로 초기 평형 상태로 복귀하는 능력이 바로 저울의 안정성이다.

분동은 단일 개체로도 물체의 질량을 측정할 수 있으며, 여러 개의 분동을 조합하여 사용할 수도 있다. 단독 사용 시에는 단일 물체의 질량을 측정하고, 조합 사용 시에는 서로 다른 분동을 다양한 방식으로 결합하여 여러 물체의 질량 값을 측정할 수 있다.

2. 측정 기기의 선택

국제 기준에 따르면, 측정 기기를 선택할 때는 분해능, 감도, 반복성, 편심 하중 특성 등 주요 계측 성능을 충분히 이해하고, 불확도 요구 조건을 충족해야 한다.

측정 전에 반드시 측정 기기의 특성을 파악하고, 허용 오차의 표준 범위를 정한 뒤 이를 종합적으로 고려하여 측정 정확도를 높여야 한다.
「분동 검정 규정」에서는 측정 기기 선택에 대해 다음과 같은 구체적인 요구 사항을 제시하고 있다.

• 물리량 측정 전, 측정 기기의 계측 특성이 불확도 요구를 충족하는지 확인해야 한다.
• 공기 부력 보정이 수행되었는지 반드시 점검해야 하며, 공기 부력 보정 여부는 측정 기기의 종합 표준 불확도 범위를 결정하는 핵심 요소이다.
• 공기 부력 보정을 수행한 경우, 측정 기기의 종합 표준 불확도는 시험 중인 스테인리스강 분동의 최대 허용 오차 절댓값의 1/6을 초과해서는 안 된다.
• 공기 부력 보정을 수행하지 않은 경우, 종합 표준 불확도는 시험 분동의 최대 허용 오차 절댓값의 1/9을 초과해서는 안 된다.

분동의 질량 보정값에는 일반적으로 공기 부력 보정량, 공기 체적 및 공기 밀도의 불확도가 포함된다. 만약 이러한 요소가 포함되지 않은 경우, 계산을 통해 해당 불확도의 영향을 최소화해야 한다.

또한 측정 기기의 종합 불확도 자체도 오차를 유발할 수 있으므로, 측정값은 반복 측정을 통해 오차를 줄이는 방법으로 계산해야 하며, 이를 통해 가장 정확한 결과를 얻을 수 있다.

결론

본 글에서는 스테인리스강 분동의 안정성, 불확도, 측정 검토 등에 대해 설명하였다. 스테인리스강 분동의 재질 선택은 매우 중요하며, 분동의 정확도는 측정 결과 정확성의 전제 조건이다.

또한 저울의 안정성 역시 분동 계량 품질을 보장하는 중요한 요소이다. 실험 과정에서는 실험실 환경 조건을 엄격히 관리하여 실험 요구 사항을 충족해야 하며, 실험실 조건을 정확히 기록해야 한다. 측정 결과에 영향을 미치는 요인을 가능한 한 신속히 제거하여 측정 정확도를 확보하고, 계측 검토(감사)의 강도를 높여야 한다.

오차(error)와 불확도(uncertainty)는 정의와 개념이 서로 다르며, 서로 혼동해서는 안 됩니다. 그러나 두 개념은 밀접한 관련성을 가지고 있습니다.
오차 분석은 여전히 측정 불확도 평가의 이론적 기초이며, 특히 B형 불확도 성분을 추정할 때 더욱 중요합니다.
오차 분석을 바탕으로 볼 때, 불확도의 개념은 오차 이론의 응용이자 확장이라고 할 수 있습니다.

표준 분동의 오차와 불확도는 계측·교정 시험자가 매우 중요하게 여기는 문제 중 하나이며, 계량학에서 연구되는 기본 명제이기도 합니다.
이는 측정 결과의 신뢰성과 국가 기준값의 정확성과 직접적으로 관련됩니다.
품질 계측에서도 동일하게 중요하며, 다음과 같은 측면으로 나누어 설명할 수 있습니다.

표준 분동 오차와 불확도의 관계

1. 오차(Error)

대부분의 경우 오차란 측정 오차를 의미하며, 전통적인 정의는
측정 결과와 측정 대상의 참값(true value) 간의 차이입니다.

오차는 일반적으로 다음 두 가지로 구분됩니다.

• 계통 오차(Systematic error)
• 우연 오차(Random error)

하지만 실제 측정에서는 대부분 참값을 알 수 없기 때문에, 진정한 오차 역시 정확히 알 수 없습니다.
따라서 우리는 특정 조건하에서 참값에 가장 근접한 값을 구하며, 이를 합의된 참값(약정 참값)이라고 부릅니다.

그러나 이 값은 특정 조건에서만 유효한 상대적인 값일 뿐입니다.
실제 조건과 참값은 끊임없이 변화하며, 측정 방법 또한 완벽하지 않기 때문에 측정 결과는 일정 범위 내에서 변동하게 됩니다.

이러한 이유로, 현재 국내외 계측 분야에서는 측정 결과의 범위를 표현하는 수단으로 측정 불확도를 사용하는 경향이 점점 강화되고 있습니다.

2. 측정 불확도의 정의

측정 불확도란 측정 대상의 참값이 존재할 것으로 추정되는 범위를 평가하여 나타내는 값입니다.
이는 일정한 신뢰 확률에 따라 참값이 포함될 가능성이 있는 구간을 제시합니다.

그러나 불확도는 구체적인 오차 값 자체를 나타내는 것은 아니며,
보정할 수 없는 오차 범위의 일부를 정량적인 매개변수 형태로 표현한 것입니다.

불확도는 우연 효과 및 계통 효과에 대한 보정이 완전하지 못한 데서 발생하며,
합리적으로 부여된 측정값의 분산 특성을 나타내는 지표로 사용됩니다.

불확도는 그 산출 방법에 따라 다음과 같이 구분됩니다.

• A형 불확도(Type A)
  관측값의 반복 측정 결과를 통계적으로 분석하여 평가하는 불확도이며,
  실험 표준 불확도 또는 표준편차라고도 합니다.
• B형 불확도(Type B)
  경험적 자료나 기타 정보에 근거하여 추정한 불확도입니다.
  이 경우 불확도 성분은 어떤 형태의 추정된 표준편차를 가진 것으로 간주됩니다.

실제 측정 과정에서의 합성 불확도(전체 불확도)에는
A형 불확도와 B형 불확도가 동시에 포함될 수 있습니다.