힘 표준 소급체계

1. 힘 표준 소급체계 2001. 02. 09 Dae-Im Kang(강 대 임) dikang@kriss.re.kr, http://force.kriss.re.kr

2. 발표순서 1. 힘의 정의 및 기본원리 • 힘의 법칙 • 힘의 단위 • 질량과 무게의 혼용과 구분 2.힘 측정기기의 종류 및 소급체계 3. 힘표준기 • 실하중 힘표준기 • 유압식 힘표준기 • 빌드업식 힘표준기 4. 힘교정기 5. 힘측정기 6. 시험기류

3. 뉴턴의 운동법칙 • 뉴턴(Issac Newton, 1642-1727)의 운동법칙 • 제1법칙 : 관성의 법칙 • 제2법칙 : 힘의 정의 • 제3법칙 : 작용-반작용의 법칙 • 제2법칙 F = ma F : 물체에 작용한 힘(force)의 합(Vector) m : 물체의 질량(mass) a : 힘 F에 의해 생긴 물체의 가속도(Vector) m1 F F m0 a1 a0 F=m0a0 F=m1a1

4. 만유인력의 법칙(중력법칙) r F G=6.672010-11 m3/kg·s2 (실험에 의해 측정된 값) 물체(m) 지구(M) W : 물체에 작용하는 지구의 중력, N M : 지구의 질량, 5.791024 kg R : 지구의 반지름, 6.4 106 m g : 지구의 중력가속도, gs(표준중력가속도)=9.80665 m/s2 m : 물체의 질량

5. 중력가속도－I • 중력가속도 • 위치와 고도에 따라 값이 달라짐. 태양, 달, 밀물과 썰물 등의 역학관계 때문에 시간에 따라서도 변함. • 지구의 자전에 의해 원심력이 발생 • 적도에서 최대 1/290 g, 북극, 남극에서 최소 0 • 적도에서 양극으로 가면 : g가 0.53% 정도 증가함 • 중력가속도 예측식 g0 = 9.7803184 m/s2 (적도에서의 g 값)  = 위도 h = 고도(m) b1 = 0.0053024 b2 = 0.0000059

6. 중력가속도 －II • 표준중력가속도(standard gravitational acceleration) gs • 북위 45º 의 평균 해면에 있어서의 중력가속도 • gs = 9.80665 m/s2 • 고도에 따른 중력가속도의 변화 • 1 km 증가시 3.1410-4 g 만큼 감소함 • 중력가속도 변화(고도변화 무시) • 33º(제주도 남쪽) : 9.79565 m/s2 • 38º : 9.79992 m/s2 • 40º(신의주) : 9.80169 m/s2 • 약 0.06% 차이가 발생함.

7. 중력가속도 측정 • 중력가속도값은 분동을 이용한 힘 또는 토크발생시 표준소급 체계상 필수적으로 알아야 할 항목임 • 측정 : • KRISS 압력분야 우삼용박사 (Tel : 042－868 －5118) • 국립지리원 측지과 • 계산식(위도, 고도측정)에 의한 중력가속도 값은 유효성이 인정되어야만ISO 17025에 부합됨 • 측정에 의한 중력가속도 값을 사용하도록 권고할 것

8. 힘의 단위 • 국제단위계에서의 힘의 단위 : 뉴턴(Newton) • 1 N = 1 kg · m/s2 • 사과 반쪽을 들고 있을 때 손이 받는 힘의 크기(정확하게는 맞지 않으나 일반인들이 뉴턴의 크기를 추정할 때 사용함) • 기타 힘 단위 :킬로그램중(kgf), 다인(dyn), 파운드힘(lbf) • 국제도량형위원회에서는 사용하지 말 것을 권고하고 있음 • ISO 17025에서도 힘의 단위로 뉴턴만을 사용하도록 규정함 • 단위 환산 • 1 kgf = 9.80665 N • 1 dyn = 10-5 N

9. 질량(mass)과 무게(weight)의 혼용과 구분 • 1901년 제3차 국제도량형총회 • 킬로그램은 질량의 단위이며 국제킬로그램원기의 질량과 같다. • 무게는 힘과 같은 성질의 양을 나타낸다. 한 물체의 무게는 그 질량과 중력가속도의 곱이다. • kgf과 kg과의 혼동 • 무게라는 말은 그의 본질이 힘이면서 실용상 질량을 측정할 때 같이 사용되고 있기 때문에 혼동이 되고 있음 • 잘못 사용한 예 : • 몸무게 : 588 N이라고 대답할 수 있을까. 60 kg으로 대답 • 화물의 운임, 우편물의 운임을 무게로 기준 : 무중력에서 발송하는 것은 무료

10. 힘의 종류 • 탄성력 • 만유인력(중력) • 정전기력 • 자기력 • 원심력 • 구심력 • 하중(load) : • 저울접시나 힘측정기에 물체를 올려 놓아 무게를 작용시킴 • 재료시험기에서 발생된 힘

11. 힘 측정의 기본원리 • 중력을 이용하는 방법 • 실하중 힘표준기 – 유압식 힘표준기 • 레버식 힘표준기 • 유체의 압력을 이용하는 방법 • 수압 로드셀 (hydraulic load cell) • 공기압 로드셀 (pneumatic load cell) • 고체의 탄성변형을 이용하는 방법 • 환상형 및 루프형 힘 측정기 – 교정링 • 용적형 힘 측정기 • 물리적 성질의 변화를 이용하는 방법 • 자기식 로드셀 – 압전식 로드셀 • 기타 힘 측정 방법 • 가속도 측정 방법 • 회전 또는 진동주파수를 이용하는 방법

12. 힘표준 소급체계 힘표준기 전달용 표준기 힘교정기 힘측정기 시험기, 힘측정

13. 상대확장불확도수준 세부분류 특 징 실하중 힘표준기 (Deadweight force standard machine) 질량이 정확히 교정된 분동의 무게에 의해 직접 실하중을 발생할 수 있는 기능을 갖춘 기기로서 국가표준으로 사용되는 기기 ≤2×10-5 (0.002%) 유압식 힘표준기 (Hydraulic force standard machine) 질량이 정확히 교정된 분동의 무게에 의해 발생된 힘을 유압배율장치로 증폭하여 힘을 발생시키는 기기로서 국가표준으로 사용되는 기기 ≤2×10-4 (0.02%) 레버식 힘표준기 (lever type force standard machine) 질량이 정확히 교정된 분동의 무게에 의해 발생된 힘을 레버장치로 증폭하여 힘을 발생시키는 기기로서 국가표준으로 사용되는 기기 ≤2×10-4 (0.02%) 빌드업식 힘표준기 (Build-up type force standard machine) 유압장치로 힘을 발생시키고 빌드업식 전달용 표준기로 힘의 표준을 유지하는 기기로서 국가표준으로 사용되는 기기 ≤5×10-4 (0.05%) 힘표준기

14. 힘교정기 상대확장불확도수준 세부분류 특 징 실하중 힘교정기 (Deadweight force calibration machine) 질량이 정확히 교정된 분동의 무게에 의해 직접 실하중을 발생할 수 있는 기능을 갖춘 기기로서 힘측정기를 교정하는데 사용되는 기기 5×10-5~1×10-4 (0.005%~0.01%) 유압식 힘교정기 (Hydraulic force calibration machine) 질량이 정확히 교정된 분동의 무게에 의해 발생된 힘을 유압배율장치로 증폭하여 힘을 발생시키는 기기로 힘측정기를 교정하는데 사용되는 기기 1×10-4 ~5×10-4 (0.01%~0.05%) 질량이 정확히 교정된 분동의 무게와 레버장치를 이용하여 힘을 발생시키는 기기로 힘측정기를 교정하는데 사용되는 기기 레버식 힘교정기 (lever type force calibration machine) 1×10-4 ~5×10-4 (0.01%~0.05%) 빌드업식 힘교정기 (Build-up type force calibration machine) 유압장치로 힘을 발생시키고 빌드업식 전달용 표준기로 힘의 표준을 유지하는 기기로 힘측정기를 교정하는데 사용되는 기기 5×10-4 ~1×10-3 (0.05%~0.1%) 기타 힘교정기 (force calibration machine) 고정밀 힘측정기와 부하장치를 이용하여 힘측정기를 교정하는데 사용되는 기기 5×10-4∼1×10-3 (0.05%∼0.1%)

15. 힘측정기 상대확장불확도수준 세부분류 특 징 - 스트레인게이지식 로드셀/지시계 - 피에조센서/지시계 - 자기식 로드셀/지시계 - 이동식 축중기 전기식 힘측정기 5×10-4 ~5×10-3 (0.05%~0.5%) - 교정링 - 용적형 힘측정기 - 푸쉬 풀 게이지 - 역량계 - 환상 역량계 - 이동식 축중기 - 환상 및 루프형 동력계 기계식 힘측정기 5×10-4 ~5×10-3 (0.05%~0.5%)

16. 시험기 상대확장불확도수준 세부분류 특 징 - 인장시험기 - 만능재료시험기 - 압축시험기 - 피로시험기 - 굽힘시험기 - 포트받침시험기 5×10-3∼3×10-2 (0.5%∼3%)

17. 실하중 힘표준기 원리 • 질량값이 m인 분동이 발생하는 힘 F : 분동이 설치된 지역의 중력가속도값 KRISS 힘표준실 : 9.7982993 m/s2 : 공기의 밀도값(0.0012 g/㎤) : 추의 밀도값(7.8 g/㎤) 100 kN 실하중 힘표준기

18. 실하중 힘표준기 불확도 발생요인 • 이론적인 힘 발생오차에 의한 불확도 • 합 : 0.001 % 이내 • 힘표준기의 계통오차에 의한 불확도 • 실하중 힘표준기가 제작될 때부터 가지고 있는 구조적인 오차에 의한 불확도 • 설치 및 작동시에 나타날 수 있는 계통오차에 의한 불확도 • 힘표준기의 상대불확도 : 2×10－5 (0.002 %)

19. 유압식 힘표준기 원리 • 용량 : 2 ~ 20 MN • 상대불확도 : 1 ~ 5×10－4 2 MN 유압식 힘표준기

20. 유압식 힘표준기 개념도 Measuring system (pressure balance) Force transducer working system Leakage Oil Unsealed Control system m

21. 빌드업식 힘표준기 힘표준 소급체계 • 전달용 표준기 사용(1.1 MN 9개 이용) • 500 kN 실하중 힘표준기, 2 MN 유압식 힘표준기 이용 • 대용량 힘표준용 10 MN build-up force standard machine

22. 실하중 힘교정기 • 실하중 힘표준기와 구조와 기능이 동일함 • 힘측정기를 교정하는데 사용 • 분동의 무게에 의해 직접 실하중 발생 • 상대불확도 : 5×10－5 ~ 1×10－4 • 제작단가 높고, 설치면적을 넓게 차지함. PDW-20kN

23. 기타 힘교정기(force calibration machine)－I • 하중유지 불가 • Unload 불가 • ISO 17025에 적합하지 않음 ▷ 힘교정기로 사용 불가

24. 하중교정순서 기타 힘교정기(force calibration machine)－II ISO 17025에 적합한 힘교정기

25. 힘측정기(force measuring devices) • 전기식 힘측정기 • 스트레인 게이지식 로드셀/지시계 • 피에조 힘센서/지시계 • 자기식 로드셀/지시계 • 이동식 축중기 • 기계식 힘측정기 • 교정링 • 루프형 동력계, 환상 동력계 • 용적형 동력계, 역량계 • 푸시풀 게이지, 환상 역량계 • 이동식 축중기

26. 시험기(testing machines) • 인장 시험기 • 압축 시험기 • 굽힘 시험기 • 전단 시험기 • 만능 재료 시험기 • 피로 시험기 • 내구성 시험기 • 과부하 시험기 • 포트 받침 성능 시험기