힘 표준 소급체계

12001. 02. 09 KRISS, Mass & Force Group

힘토크분야 기술평가사 워크샵 힘표준 소급체계

힘 표준 소급체계

2001. 02. 09

Dae-Im Kang( 강 대 임 )

[email protected], http://force.kriss.re.kr



발표순서1. 힘의 정의 및 기본원리

– 힘의 법칙– 힘의 단위– 질량과 무게의 혼용과 구분

2. 힘 측정기기의 종류 및 소급체계3. 힘표준기

– 실하중 힘표준기– 유압식 힘표준기– 빌드업식 힘표준기

4. 힘교정기5. 힘측정기6. 시험기류



• 뉴턴 (Issac Newton, 1642-1727) 의 운동법칙

– 제 1 법칙 : 관성의 법칙– 제 2 법칙 : 힘의 정의– 제 3 법칙 : 작용 - 반작용의 법칙

• 제 2 법칙F = ma

F : 물체에 작용한 힘 (force) 의 합 (Vector)

m : 물체의 질량 (mass)

a : 힘 F 에 의해 생긴 물체의 가속도 (Vector)

뉴턴의 운동법칙

m0m1

F Fa0 a1

F=m0a0 F=m1a1

1

0

0

1

a

a

m

m



만유인력의 법칙 ( 중력법칙 )

F

r

221

r

mmGF G=6.672010-11 m3/kg·s2 ( 실험에 의해 측정된 값 )

지구 (M)

물체 (m) mgmR

MGm

rR

MGW

22)(

W : 물체에 작용하는 지구의 중력 , NM : 지구의 질량 , 5.791024 kgR : 지구의 반지름 , 6.4 106 m g : 지구의 중력가속도 , gs( 표준중력가속도 )=9.80665 m/s2

m : 물체의 질량

1m 2m



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 : g 가 0.53% 정도 증가함

• 중력가속도 예측식hbbgg 62

2

2

10 10086.3)2sinsin1(

g0 = 9.7803184 m/s2 ( 적도에서의 g 값 ) = 위도h = 고도 (m)b1 = 0.0053024b2 = 0.0000059



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 3.1410-4 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 .



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 인정되어야만 ISO 17025 에 부합됨

• 측정에 의한 중력가속도 값을 사용하도록 권고할 것



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 17025 에서도 힘의 단위로 뉴턴만을 사용하도록 규정함

• 단위 환산– 1 kgf = 9.80665 N

– 1 dyn = 10-5 N



질량 (mass) 과 무게 (weight) 의 혼용과 구분

• 1901 년 제 3 차 국제도량형총회– 킬로그램은 질량의 단위이며 국제킬로그램원기의 질량과

같다 .– 무게는 힘과 같은 성질의 양을 나타낸다 . 한 물체의

무게는 그 질량과 중력가속도의 곱이다 .

• kgf 과 kg 과의 혼동– 무게라는 말은 그의 본질이 힘이면서 실용상 질량을

측정할 때 같이 사용되고 있기 때문에 혼동이 되고 있음• 잘못 사용한 예 :

– 몸무게 : 588 N 이라고 대답할 수 있을까 . 60 kg 으로 대답– 화물의 운임 , 우편물의 운임을 무게로 기준 :

무중력에서 발송하는 것은 무료



힘의 종류

• 탄성력• 만유인력 ( 중력 )

• 정전기력• 자기력• 원심력• 구심력

• 하중 (load) : – 저울접시나 힘측정기에 물체를 올려 놓아 무게를 작용시킴 – 재료시험기에서 발생된 힘



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



힘표준 소급체계

힘표준기

힘교정기

힘측정기

시험기 , 힘측정

전달용 표준기



힘표준기

실하중 힘표준기 (Deadweight force standard machine)

질량이 정확히 교정된 분동의 무게에 의해 직접 실하중을 발생할 수 있는 기능을 갖춘 기기로서 국가표준으로 사용되는 기기

유압식 힘표준기 (Hydraulic force standard machine)

질량이 정확히 교정된 분동의 무게에 의해 발생된 힘을 유압배율장치로 증폭하여 힘을 발생시키는 기기로서 국가표준으로 사용되는 기기

레버식 힘표준기 (lever type force standa

rd machine)

빌드업식 힘표준기 (Build-up type force s

tandard machine)

질량이 정확히 교정된 분동의 무게에 의해 발생된 힘을 레버장치로 증폭하여 힘을 발생시키는 기기로서 국가표준으로 사용되는 기기 유압장치로 힘을 발생시키고 빌드업식 전달용 표준기로 힘의 표준을 유지하는 기기로서 국가표준으로 사용되는 기기

세부분류 특 징 상대확장불확도수준

≤2×10-5 (0.002%)

≤2×10-4 (0.02%)

≤2×10-4 (0.02%)

≤5×10-4 (0.05%)



힘교정기

실하중 힘교정기 (Deadweight force

calibration machine)

질량이 정확히 교정된 분동의 무게에 의해 직접 실하중을 발생할 수 있는 기능을 갖춘 기기로서 힘측정기를 교정하는데 사용되는 기기

유압식 힘교정기 (Hydraulic force cali

bration machine)

질량이 정확히 교정된 분동의 무게에 의해 발생된 힘을 유압배율장치로 증폭하여 힘을 발생시키는 기기로 힘측정기를 교정하는데 사용되는 기기

레버식 힘교정기 (lever type force calibra

tion machine)

빌드업식 힘교정기 (Build-up type force calibration machine)

질량이 정확히 교정된 분동의 무게와 레버장치를 이용하여 힘을 발생시키는 기기로 힘측정기를 교정하는데 사용되는 기기

유압장치로 힘을 발생시키고 빌드업식 전달용 표준기로 힘의 표준을 유지하는 기기로 힘측정기를 교정하는데 사용되는 기기

세부분류 특 징상대확장불확도

수준

5×10-

5~1×10-4 (0.005%~0.0

1%)1×10-4

~5×10-4 (0.01%~0.0

5%)1×10-4

~5×10-4 (0.01%~0.05

%)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

%)



힘측정기

세부분류 특 징상대확장불확도

수준

전기식

힘측정기

기계식

힘측정기

- 스트레인게이지식 로드셀 / 지시계

- 피에조센서 / 지시계

- 자기식 로드셀 / 지시계

- 이동식 축중기

- 교정링 - 용적형 힘측정기

- 푸쉬 풀 게이지 - 역량계

- 환상 역량계 - 이동식 축중기

- 환상 및 루프형 동력계

5×10-4

~5×10-3

(0.05%~0.5

%)

5×10-4

~5×10-3

(0.05%~0.5

%)



시험기

특 징세부분류 상대확장불확도수준

- 인장시험기 - 만능재료시험기

- 압축시험기 - 피로시험기

- 굽힘시험기 - 포트받침시험기

5×10-3∼3×10-2

(0.5%∼3%)



실하중 힘표준기 원리

• 질량값이 m 인 분동이 발생하는 힘 F

100 kN 실하중 힘표준기

w

airlocmgF

1

airw

locg : 분동이 설치된 지역의 중력가속도값 KRISS 힘표준실 : 9.7982993 m/s2

: 공기의 밀도값 (0.0012 g/ ㎤ )

: 추의 밀도값 (7.8 g/ ㎤ )



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 %)

w

air

w

air

loc

loc

d

g

dg

m

dm

F

dF

1

1



유압식 힘표준기 원리

QmgFw

airlocw

1

Q

dQd

g

dg

m

dm

F

dF

w

air

w

air

loc

loc

1

1

• 용량 : 2 ~ 20 MN• 상대불확도 : 1 ~ 5×10 － 4

1

2

A

AQ

2 MN 유압식 힘표준기



유압식 힘표준기 개념도

m

wF

Control system

PPv

Unsealed

1A 2A

Force transducerworking system

F

Leakage Oil

Measuring system(pressure balance)



빌드업식 힘표준기

힘표준 소급체계

• 전달용 표준기 사용 (1.1 MN 9 개 이용 )

• 500 kN 실하중 힘표준기 , 2 MN

유압식 힘표준기 이용

• 대용량 힘표준용

10 MN build-up force standard machine



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



기타 힘교정기 (force calibration machine) － I

• 하중유지 불가• Unload 불가• ISO 17025 에 적합하지

않음

▷ 힘교정기로 사용 불가



기타 힘교정기 (force calibration machine) － II

ISO 17025 에

적합한 힘교정기

F inePressure

Contro ller

H ydrau licU nit

H ydrau lic L ine

Control PC

H ydrau licContro lBlock

H igh P recision LoadcellI ndicator

M aster Loadcell

H ydraulicCylinder

Loadcellfor Calibration

Feedback Signal(R

eference Signal)

하중교정순서



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



시험기 (testing machines)

• 인장 시험기• 압축 시험기• 굽힘 시험기• 전단 시험기• 만능 재료 시험기• 피로 시험기• 내구성 시험기• 과부하 시험기• 포트 받침 성능 시험기

힘 표준 소급체계

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