측정

측정(測定, measurement)은 일정한 양을 기준으로 하여 같은 종류의 다른 양의 크기를 잼을 의미한다.

개요

측정 개념도

우리는 살면서 한 번쯤은 체중계에 올라가 체중을 재본 경험이 있을 것이다. 체중을 재는 행위가 바로 측정이다. 무언가를 측정한다는 것은 그다지 생소한 개념이 아니다. 물론 측정이라는 용어는 평상시에 사용하기에는 이질감이 있지만, 사실 무언가를 잰다는 말을 조금 거창하게 한 것에 불과하다. 우리는 실제로 키, 몸무게, 체온, 기온, 부피 등을 수시로 재면서 살고 있다. 사람이 살면서 자나 줄자, 계량컵, 체중계를 비롯한 저울, 체온계와 온도계 등을 한 번도 사용하지 않기란 불가능하다. 측정은 계측 활동 중 하나로 인식되며 구체적인 조작이다. 측정은 일정한 기준을 가지고 재는 행위에서 물건의 양을 수치화하는 작업을 말한다.

측정은 단위를 정하여 비교하며 주로 자나 저울 같은 측정 장비를 통하여 이루어지는데, 이들 장비에는 도량형의 기준과 비교하도록 눈금이 매겨져 있거나 디지털로 읽을 수 있다.

특히 제조에서는 검사와 시험 등에 관련하여 수많은 측정이 실행되고 있으며 일반적인 길이, 중량, 용량, 온도, 습도 등을 포함하여 전기, 전자, 속도, 소음, 진동, 충격 등 다종다양한 항목들이 있으며 필요에 따라 전문적인 측정기를 사용하기도 한다. 정밀도가 필요한 부분에서는 측정값과 오차 범위, 즉 공차를 지정하여 적용한다.

측정 방법 분류

측정 방법을 보면 대표적으로 직접과 간접적으로 행하는 방법이 있으며 비교와 절대 측정으로도 구분되며 서로의 장단점이 있다.

직접 측정

직접 측정은 일정한 길이나 각도가 표시되어 있는 측정 기구를 사용하여 직접 눈금을 읽는 것으로써 캘리퍼스, 마이크로미터 등이 이에 속한다. 측정기를 사용하여 피 측정물에 직접 접촉하여 눈금을 읽는 방식이다.

장점

• 측정 범위가 다른 측정 방법보다 넓다.
• 피 측정물의 실제 치수를 직접 읽을 수 있다.
• 양이 적고 종류가 많은 제품을 측정하기에 적합하다. (다 품종 소량 생산)

단점

• 눈금을 잘못 읽기 쉽고, 측정 시 시간이 많이 걸린다.
• 측정기가 정밀할 때는 측정 시 많은 숙련과 경험이 필요하다.

비교 측정

비교 측정은 기준이 되는 일정한 치수와 측정물의 치수를 비교하여 그 측정치의 차이를 읽는 방법으로, 게이지 블록을 이용하여 높이를 정밀 측정하거나, 각도게이지를 이용하여 부품의 각도를 비교 측정하는 방법 등이 있다.

장점

• 높은 정밀도의 측정을 비교적 쉽게 할 수 있다.
• 치수가 고르지 못한 것을 계산하지 않고 알 수 있다.
• 길이, 각종 모양의 공작기계의 정밀도 검사 등 사용범위가 넓다,
• 먼 곳에서 측정이 가능하고, 자동화에 도움을 줄 수 있다.
• 히스테리시스 오차(Hysteresis error)가 적다.
• 범위를 전기량으로 바꾸어서 측정이 가능하다.
• 나이프 에지를 이용 1000배 정도 확대 측정이 가능하다.

단점

• 측정 범위가 좁고, 직접 제품의 치수를 읽을 수 없다.
• 기준 치수인 표준 게이지가 필요하다.

​간접 측정

간접 측정은 측정물의 측정치를 직접 읽을 수 없는 경우에 측정량과 일정한 관계에 있는 개개의 양을 측정하여, 그 측정값으로부터 계산에 의하여 측정하는 방법이다. 즉 측정물의 형태나 모양이 나사나 기어 등과 같이 기하학적으로 간단하지 않을 경우에 측정부의 치수를 수학적이나 기하학적인 관계에 의해 얻는 방법으로, 사인 바를 이용하여 부품의 각도 측정, 3점을 이용하여 나사의 유효 지름 측정, 지름을 측정하여 원주 길이를 환산 등의 현장에서 많이 사용하는 방법이다.

간접 측정은 게이지 블록이나 링 게이지 등의 기준 기기를 사용하여 기준 기기의 형상이나 치수가 정해져 있는 만큼 측정이 쉬운 반면, 측정 범위가 한정된다는 단점이 있다.

절대 측정

절대 측정은 정의에 따라 결정된 양을 실현시키고, 그것을 이용하여 측정하는 것 또는 조립 량의 측정을 기본량만의 측정으로 유도하는 것을 절대 측정이라 한다. 그 대표적인 예로는 자유 낙하하는 물체가 어떤 시간에 통과하는 거리를 이용한 가속도 측정 등이 있다.

누적 측정

누적 측정은 동일한 유형의 여러 수량을 동시에 측정한 결과 얻은 시스템에서 방정식을 푸는 것이 포함된다. 원하는 값은 이 방정식 시스템을 통하여 계산된다.

공동 측정

공동 측정은 두 개 이상의 유사하지 않은 물리량을 정의하여 이들 간의 관계를 계산한다. 누적 측정과 공동 측정은 다양한 유형의 매개변수를 결정하기 위해 전기 공학 분야에서 자주 사용된다.

공차와 정밀도

여기에서는 공차와 측정 정밀도의 의미와 역할, 관계성에 대해서 설명한다.

공차

공차는 일정한 기준을 바탕으로 허용되는 치수(사이즈) 오차의 최대값과 최소값의 차이이다.

예를 들어 길이 40 mm인 원통을 제조할 때 「공차는 ±0.1 mm」라고 지정된 경우, ±0.1 mm까지의 오차를 허용 범위로 규정한다는 뜻이다. 이 경우 39.9mm ~ 40.1mm의 길이가 허용 범위가 되어 합격으로 인정받는 기준에 해당한다.

공차를 지정하는 이유는 도면상에서 길이 40 mm를 지정해도 실제 제품이 모두 한 치의 오차 없이 40 mm로 완성되는 일은 거의 없기 때문이다. 아무리 고 정도의 가공 기기를 이용해도 39.996 mm, 40.037 mm와 같이 미세한 오차가 발생한다. 따라서 제품의 규정 길이 40 mm에 추가로 공차 ±0.1 mm를 지정한다. 그리고 제품의 길이가 허용 범위 이내인 길이로 완성되었는지, 즉 합격 여부를 판정하기 위해 제품을 측정한다.

그러나 치수가 공차 내인지 아닌지 검사하기 위한 측정 시에도 변동 요소가 영향을 미쳐 측정값에 편차가 발생하고 만다. 측정값의 변동 요소는 기온이나 습도의 변화에 따른 재질 팽창/수축, 측정 시의 접촉 압력으로 인한 변형 등 다양하다.

이처럼 제조 공정이나 검사 공정에서는 설계 값에 대한 오차를 고려해야 한다. 만일 이런 공차들을 허용하지 않는다면 대부분의 제품이 불합격으로 처리되어 손실만 늘어나게 된다. 설계 값을 바탕으로 각 공정에서 나타나는 편차를 고려해 오차의 허용 범위(품질을 유지할 수 있는 범위)를 설정하는 것이 공차의 역할이다.

정밀도

정밀도는 정도라고도 하며 제조 현장에서 말하는 정도는 측정이나 가공 등을 할 때의 정확도, 정밀성의 수준 척도를 뜻한다. 이 척도를 측정에 적용한 것이 측정 정도이다. 사용하는 측정 기기의 정도를 바탕으로 얼마나 정확한 결과를 얻을 수 있는지 판단하는 척도(지표)이며 측정기의 측정 정도가 높을수록 정확하게 측정된다고 할 수 있다.

공차와 정밀도 관계

길이가 40 mm, 공차가 ±0.1 mm인 원통을 제조(39.9 mm~40.1 mm가 합격) 할 때 다음과 같은 측정기로 검사한다고 가정한다.

공차와 정밀도의 관계

• 측정기 A : 정도 ±0.001 mm
• 측정기 B : 정도 ±0.01 mm
• 측정기 C : 정도 ±0.03 mm

이때 합격으로 판정되는 범위는 각각 다음과 같다.

• 측정기 A : 39.901 mm~40.099 mm를 합격으로 판정
• 측정기 B : 39.910 mm~40.090 mm를 합격으로 판정
• 측정기 C : 39.930 mm~40.070 mm를 합격으로 판정

상기의 예를 통해 측정기의 정도가 높을수록 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있다는 사실을 알 수 있다. 반면에 요구되는 공차에 비해 측정기의 정도가 낮은 경우에는 공차 내인 합격품을 불합격으로 잘못 판정하여 손실이 증가하고 수율이 저하된다.

이처럼 정도가 높은 측정기로 측정하면 잘못된 합격 여부 판정으로 인한 손실을 줄일 수 있어 결과적으로 제조비용을 절감할 수 있다. 매일 발생하는 손실로 인해 낭비되는 비용을 고려하여 고정도 측정기 도입에 따른 비용 대비 효과를 검토하는 것이 측정 및 측정기 선정 시 매우 중요하다고 하겠다.

참고자료

• 〈측정〉, 《네이버 국어사전》
• 〈측정〉, 《위키백과》
• 깜부, 〈정밀측정 - 측정방법〉, 《티스토리》, 2011-01-24
• 건설인, 〈측정의 종류〉, 《네이버 블로그》, 2018-12-17
• 〈계측 기본 용어 및 정의〉, 《왁스》
• 〈정밀측정 라이브러리〉, 《코리아 키엔스》

같이 보기

• 계측
• 도량형
• 오차
• 공차
• 정밀도
• 측정기

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