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측정의 기초

대응·분류·양자화

對應·分類·量子化

측정이란 무엇인가를 이해하기 위해서는 먼저 수와 양의 개념, 즉 정량적(定量的)인 개념을 어린이는 어떻게 하여 인식해 나가는가를 살펴보는 편이 빠르다.

3세쯤 되는 아이는 하나, 둘…이라는 수를 나타내는 말이나, 또는 많다, 적다는 따위의 양을 가리키는 말을 배운다. 그러나 그 본질에 접촉하게 되는 것은 역시 '대응'의 조작(操作)에서 비롯된다.

가령 알사탕 10개를 나누는 경우를 예로 든다면 5세 정도의 아이라면 5개씩 똑같이 나누어져 있더라도 정돈되어 있는 것보다는 흩어져 있는 쪽을 더 많다고 여기기가 쉽다. 그러나 6세를 지나면 양쪽의 무더기에서 1개씩 끌어내어 맞추어 보고, 즉 대응을 해 보면 양쪽의 수가 같다는 것을 알게 된다(〔그림〕－1).

한편 크고작은 것 10개씩을 나누는 장면을 예로 들 경우 수(數)의 개념만이 머리에 들어 있는 아이라면 크기에는 관계없이 10개씩 갈라 놓을 것이다. 그러나 수와 함께 양(量)에 대한 개념도 머리에 들어 있는 아이라면 먼저 큰 것과 작은 것과의 두 무더기로 나누고, 즉 분류(分類)하고 나서 각각 5개씩을 갈라 놓을 것이다(〔그림〕－2).

그리고 알사탕이 들어 있는 큰 봉지와 작은 봉지를 나누는 경우, 여기에서는 대응과 분류의 개념만으로써는 공평한 분배를 할 수가 없다. 이 때에는 봉지를 뜯고 속에 들어 있는 사탕을 셀 수밖에 없는 것이다. 여기에서의 알사탕 1개와 같이 물건을 재는 양을 '단위(單位：量子)'라고 부른다. 그 단위를 기준으로 하여 그 몇 배를 세면 그 물건의 양을 수치에 의해서 정량적으로 나타낼 수가 있다. 이 조작을 '양자화'라고 한다.

말하자면 어린이는 그 성장과 더불어 양자화의 개념을 파악하여 나아가는 것이다.

측정

測定

알사탕을 분배하는 장면을 통하여 어린이는 세 종류의 조작을 체득한 셈이다. 값어치나 의미가 다른 것은 분류하고, 동질의 것끼리에 대하여는 단위(양자)가 무엇인가를 확정해서, 그 속에 들어 있는 단위를 수에 대응시켜 세워서 전체의 양을 알게 된다. 이러한 과정을 밟아서, 수치(數値)에 의하여 물건의 양을 나타내는 조작을 측정(測定)이라고 한다.

측정에는 이 밖에도 '언제'라고 하는 시간 개념, '…당(當) 몇 개'라는 미분(微分) 개념, '거의'라든가 '가장 자주'라든가 하는 확률(確率) 개념 따위도 필요하다. 그러나 본질에 관해서만 말하자면 측정은 대응·분류·양자화의 세가지의 개념만으로 성립된다고 하겠다.

측정기

測定器

대응·분류·양자화라는 수준으로서 여러 가지의 양을 수치로 나타내는 조작, 즉 측정(測定)을 사람 대신, 또는 사람의 능력을 넘는 정도로까지 확장해서 감당하여 주는 것이 측정기이다.

알기 쉬운 예로서는 길이를 측정하는 경우가 적당하다.

길이의 단위를 정하는 방법엔 그 나름대로 문제가 있긴 하나 여기서는 어떻든간에 1m라고 하는 신뢰할 수 있는 단위가 확정되어 있는 것으로 보는 점이 편리하겠다.

이제 현실적인 문제는 1m라고 하는 단위의 2배, 3배, …라든가, 1／10배, 1／100배라든가를 계산해서 표시한 자를 정확하게 만들고, 이것을 물건에 대어, 그 길이 속에 단위가 몇 개 들어 있는가를 세는 일이다.

이 조작 중에서 측정이 잘되고 잘못됨을 지배하는 인자(因子)로서는 자의 정확성, 두 점에 자를 대는 확실성, 단위를 세는 방법의 정해성(正解性), 이 세가지가 결정적인 것이다.

오차와 정밀도

誤差－精密度

초등학교 2학년의 어린이는 자에 관한 것을 학습하는데, 이 중에는 어린이 자신이 가지고 있는 30㎝자를 사용하여 종이 테이프로 줄자를 만들어서, 그것으로 교실의 너비를 재는 연습이 들어 있다.

그런데 2학년 어린이는 신축성이 있는 종이 테이프에 연필로써 정밀하지 못한 선을 긋고 수자를 써 넣어서 줄자를 만드는 것이 보통이다. 그런 줄자를 이번에는 제나름대로 당기면서 10m 정도나 되는 교실의 너비를 재는 것이므로, 5㎝쯤의 착오, 즉

오차(誤差)는 이내 생기게 마련이다. 오차라는 것은, 물건의 양을 측정했을 때의 측정치(測定値)와 진정한 치와의 차를 가리키는 말이다.

30㎝자로써 연필의 길이를 잴 경우라면 오차가 훨신 적게 생기지만, 그래도 눈금을 대는 방법이나 눈금 읽기를 조심하지 않으면 2∼3㎜의 오차는 이내 생긴다.

한편 비록 전문가가 정확한 자로써 측정한다고 해도 30㎜에 0.2㎜ 정도의 오차가 생기는 것은 거의 어쩔 수 없는 일이다. 이것은 자의 눈금에 0.2㎜ 정도의 폭(幅)이 있고, 연필의 양끝에도 0.2㎜쯤의 톱니 상태가 있어서 자를 대고 그 길이를 눈금으로 읽는다고 하는 공간적(空間的)인 대응 조작에서는 정밀성 자체에 한계가 있기 때문이다.

그렇다면 눈금을 아주 세밀하게 넣은 정확한 자로서 블록게이지(block gauge)와 같이 그 자체의 치수가 일정한 것을 잴 때에는 어떠할까. 이 경우에도 역시 한도가 있어서 0.1㎜ 이하의 세밀한 판별(判別)은 할 수 없는 것이다. 그 까닭은 인간의 눈(〔그림〕－3)이 지니는 구조상의 한도 때문이다.

측정이 잘되고 잘못된 정도, 즉 정밀도(精密度)에는 여러 층의 단계가 있다. 정밀도, 즉 정확한 정도를 나타내는 정확성(正確性)과 세밀한 정도를 나타내는

정밀성(精密性)을 향상시키는 것도, 측정에 관한 연구의 주된 목표의 하나인 것이다.

기계에 의한 측정에서는 인간의 감각에 의한 측정에서보다도 오차를 훨씬 작게 할 수가 있다. 공간적인 대응의 세밀성을 늘이기 위해서는 현미경·확대투영기(擴大投影器) 등 광선을 이용하는 수단이 여러 가지 고안되어 있다.

좀더 넓은 의미에서 근소한 거리차(距離差)를 조사하기 위해서는 나사 따위를 이용한 기계적인 것, 전기 용량(容量)의 변화를 이용한 전기적인 것, 공기마이크로미터(空氣 micro­meter)와 같은 유체적(流體的)인 것 등 여러 방법이 쓰이고 있다. 그리고 광학적 방법으로는 광전현미경(光電顯微鏡)이나 광파간섭계(光波干涉計)도 쓰인다.

이와 같은 때에서도 알 수 있듯이 어떤 양의 변화로 변환(變換)하는 조작은 측정의 수단에서 중요한 의미를 지니는 것이다(〔그림〕－4).

얼른 보기에는 간단한 것같이 여겨지는 측정이라도 그 중에서 몇 단계의 변환이 연속적으로 작용됨으로써 물건의 양이 수치로 나타나는 것이 보통이다.

아날로그 표시와 디지털 표시

analog 表示－digital 表示측정에서의 변환의 최종 단계로서 가장 알려져 있는 것은 여러 가지의 측정기에서 흔히 보는 지침(指針)의 움직임에의 변환, 즉

지침이 눈금판에서 이동하는 길이의 변화에의 변환인 것이다.

이와 같이 최종 단계를 양의 변화로 나타내는 방법을 아날로그 표시라고 부른다.

이 아날로그 표시의 경우는 양자(量子)라는 것이 별로 중요한 의미를 나타내지 못하고 있는데, 양자라는 것을 의식적으로 채용한 방법으로서 디지털 표시가 있다. 거리의 교차로 부근에 설치되어 있는 소음계(騷音計)가 76, 77, 79… 등으로 표시하고 있는 것은 현대 도시의 하나의 풍물(風物)인 동시에 현대적 측정 수단의 하나의 예이기도 한 것이다. 디지털 표시의 경우, 숫자의 첫단위인 1은 그대로 양자 1개를 대표하고 있다. 그리고 숫자로 나타난 측정 결과는 그대로 계산기(計算機)라는 현대적 도구에 보내져서 여러 가지의 현대적 위력을 발휘하게 되는 것이다.

측정기의 능력

測定器－能力

길이의 측정기로서 가장 현대적인 것으로, 눈금의 위치를 알아보는 데는 광전현미경을, 측정을 위한 양자로서는 단색광(單色光)의 파장을 이용하고 있다. 계수(計數)한 결과의 숫자를 타이프라이터(typewriter)에 의해 자동적으로 기록하기도 한다. 이렇게 되고 보면 인간의 감각은 이미 쓸모가 없어진 것 같은 인상마저 받게 된다.

이것은 양을 세밀하게 판별하는 능력, 이른바 측정기의 감도(感度)를 인간의 감각보다도 향상시킨 면에서의 기계 능력을 말해 주는 예이다.

측정기의 감도는 측정량의 변화에 대하여 측정기의 지시가 어느 정도의 비율로 변화하느냐 하는 것으로서 나타난다. 보통은 1눈금어치의 지시가 변화할 때의 측정량의 변화를 감도로 삼는다. 그리고 때로는 지침의 지시에 어떤 변화가 인정될 만큼의 측정량의, 최소한도의 변화량을 감도로 삼는 일도 있다.

측정기계가 인간의 감각을 초월한 측정을 가능하게 하는 것은 감도에 있어서뿐만이 아니다.

극단적으로 큰 양, 예컨대 지구의 크기, 천체의 거리, 선박의 무게, 용광로의 온도 등은 본래 인간의 감각만으로는 측정할 길이 없는 것이지만, 기계는 이것을 가능하게 하여 준다. 그 밖에 측정 결과를 확대 및 증폭(增幅)하여 먼 곳에 전하며(원격측정：telemetering), 기록 또는 기억시키는 등 인간의 능력을 훨씬 넘어선 작용이 측정기의 여러 부분에서 실현되고 있다. 이러한 기계의 동작 원리로서는 최근 전자공학적(電子工學的)인 것과 광학적인 것이 가장 존중되고 있다. 감각이나 두뇌의 연장과 같은 작용을 하는 기계의 동작에서는 거창함보다도 경쾌함이 더 요구되는 것이다. 전자(電子)는 가장 가벼운 입자(粒子)이며, 광선은 질량은 없으나 에너지는 지닐 수 있다. 측정기계에서 전자나 광선의 작용이 존중받는 것은 너무나 당연한 일이라 하겠다.

단위

單位

전자(電子)는 가장 가벼운 입자이다. 질량의 단위를 이해함에 있어서는 가장 작은 질량을 가지고 있는 전자에 주목하고 이를 질량의 단위로 정하자는 주장도 있다. 그렇게 하면 질량을 측정한 결과는 항상 1 이상의 수로 표현될 것이다.

그러나 이에는 결정적으로 불편한 조건이 따른다. 그것은 전자의 질량이 속도에 의해서 변한다고 하는 상대론(相對論)의 문제와 관련된다. 변하기 쉬운 것을 단위로 삼을 수는 없는 일이다. 물론 정지질량(靜止質量)으로 단위를 삼는다고 하면 그러한 불편이 해결될 수도 있겠으나, 그래도 현실적으로 다른 여러 가지 불편이 있다.

그 중의 하나는 전자의 질량이 너무나 작아서 일상적인 물건의 질량, 예컨대 알사탕 1개의 질량을 나타내기 위해서는 1028이나 되는 방대한 수로 표시할 수밖에 없는데, 이것은 역시 여러 모로 불편하기 때문이다. 한편 측정 조작의 면에서도 전자를 천칭(天秤)의 분동(分銅)으로 삼는다는 것은 불가능한 일이다. 이러한 점을 고려한다면 측정의 단위를 정할 때에는 현실적인 생각으로 처리하는 것이 중요함을 알 수가 있다.

그런 의미에서도 1㎏이라는 크기는 매우 알맞는 양이다. 왜냐하면 전자의 질량은 10－30㎏인 한편, 태양의 질량은 대략 10+30㎏에 상당하므로 1㎏이라는 단위는 그 중간에 해당하고 있기 때문이다. ㎏이라는 단위를 정한 프랑스혁명 시대의 학자는 당시 전자의 존재를 알지 못했고, 태양의 질량을 측정할 줄도 몰랐던 것이다.

그들은 0℃의 물 1,000㎤의 질량을 1㎏의 단위로 정한 데 지나지 않았다. 이것을 택한 이유는 일상적으로 우리들 인간에게 다루기 쉬운 크기이며, 전인류가 공유(共有)할 수 있는 점, 그리고 자연 현상에 직결된 단위라고 하는 점에 절대적인 의미를 인정한 때문이었던 것이다.

여기에는 자유·박애·평등이라는 혁명사상의 반영이 있다. 왜냐하면 그 이전의 단위는 대개 전제군주가 임의로 정한 것이라든가 지방에 따라서 서로 다른 것이었다. 그러므로 물이라고 하는, 전인류가 공유하는 물질을 기초로 삼아 일정 온도에서의 그 체적을 정하면 질량이 확정된다고 하는 자연과학적인 지식을 동원하여서 이 단위를 정한 의의는 크다. 그리고 그 질량의 본으로서 킬로그램원기(kilogram 原器)를 만들었고, 미터조약(meter 條約)의 조직을 통해서 전세계에 이 단위가 보급된 것이다. 다만 그 후 측정 기술의 진보는 이 때 원기를 만드는 작업에 있어서 약간이긴 하지만 오차가 있었음이 밝혀졌다. 오늘날에는 파리 교외의 국제도량형국(國際度量衡局)에 보관되어 있는 킬로그램원기의 질량이 1㎏으로 통용되고 있다.

이와 같은 사실에 비추어서도 알 수 있듯이 단위의 제정은 결국 하나의 약속으로 이루어지는 것이다.

어떤 시대에 세계의 전문가들이 의논하여 가장 적당하다고 인정한 단위를 조약을 통한 약속으로 세계 각국에서 통용하게 되는 것이다. 그러므로 연구를 더한 결과보다 훌륭한 단위의 제정 방법이 발견되고 그것이 널리 승인받는다면 다시 새로운 조약을 통해서 새로운 단위로 변경하여 통용될 것이다.

1960년에 있은 '미터의 정의(定義)의 변경'은 그 대표적인 예이다. 이 때 미터원기는 수십년 전부터의 사명을 마치고 그 임무를 태양 광선의 파장(波長)에 인계했던 것이다. 그러나 같은 해에 벌써 길이 단위의 다음 후보로서 레이저(laser)의 이용이 화제에 올랐다. 또 질량 단위도 킬로그램원기와 같이 미시적(微視的)으로 볼 때에 고르지 못한 점이 많이 드러나는 그런 것이 아니고, 격자결합(格子缺陷) 따위가 극히 적은, 이상(理想)에 가까운 결정(結晶)을 이룬 것으로 바꿔야 한다는 주장이 차츰 강하게 일고 있다. 이와 같이 단위를 개선하려는 노력은 끊임없이 계속되고 있는 것이다.

측정의 의의

測定－意義

현대에서 측정이 지니는 최대의 의의는 이학(理學), 즉 인간의 자연에 대한 인식과 공학(工學), 즉 인간의 생산적 실천과를 연결하는 매듭으로서의 역할에 있는 것이다. 갈릴레이(Galiei：1564∼1642)가 남긴 말 "측정할 수 있는 것은 모두 측정하고, 측정할 수 없는 것은 측정할 수 있게 하자"는 것은 그대로 정량적(定量的) 자연과학의 도표(道標)가 되고 있다. 최근에는 측정기가 전자계산기와 결합되기도 하고, 자동제어기구(自動制御機構)의 일부로서 편성되고도 있다.

이 밖에도 오토메이션(automation)이나 집중관리(集中管理), 환경의 제어, 원자력·우주의 개발 등 공학 부문에서의 새로운 경향은 측정을 무시하고는 그 어느 것 하나도 성립될 수 없는 것이다.

거리·각도의 측정

자

尺 1㎝ 또는 1㎜마다 눈금이 그려져 있는 자는 일반 가정에서도 여러 가지 물건의 길이를 측정하는 데 사용되고 있다. 자에는 죽제(竹製)·포제(布製)·목제·금속제 등이 있으며, 휴대하기에 편리한 접자(折尺), 긴 물건을 측정하는 데 쓰는 줄자(卷尺), 그 밖에 특별한 사용 목적에 알맞도록 고안된 여러 종류의 자가 있다.

공장이나 연구소에서 사용하는 자에는 휘거나 굽음으로써 길이의 변화를 일으키는 일을 막기 위하여 그 단면(斷面)이 X형 또는 H형으로 된 금속제의 것이 있으며, 극히 세밀한 눈금을 넣기 위해서 광학용(光學用) 유리로 만든 것 등 정밀측정용의 자가 쓰이는데, 이런 자는 눈금이 너무나 세밀하기 때문에 현미경으로 눈금을 읽도록 되어 있다.

미터원기

meter 原器

길이의 단위를 나타내는 미터원기도 자의 일종이다. 국제미터원기는 파리 교외에 있는 국제도량형국(國際度量衡局)에 보관되어 있고, 그 모형이 세계 각국에 나누어져 그 나라에서의 미터원기가 되고 있다(〔그림〕－7).

국제미터원기의 양끝 부분에 있는 눈금 사이의 길이가 0℃에 있어서 1m이다. 이 국제미터원기는 1960년까지는 미터의 단위를 실제로 나타내는 표준기(標準器)였다. 그런데 눈금의 굵기가 약 7μ이며 눈금의 가장자리가 분명하고 완전한 직선이 아니므로 눈금의 중심을 정밀하게 정하는 데 한도가 생겨서 1m의 길이를 0.01μ보다 오차(誤差)가 작게 측정할 수가 없는 것이다. 그렇기 때문에 1960년 이후로는 그보다도 정밀하게 1m를 측정할 수 있는 광선의 파장(波長)으로써 미터의 단위를 나타내기로 된 것이다. 그러나 미터원기는 눈금이 있는 자의 표준기로서는 여전히 필요하기 때문에 아직도 눈금 있는 자의 원기로는 계속해 사용되고 있다.

블록게이지

block gauge

공장 등에서 길이의 측정에 쓰이고 있는 블록게이지는 눈금이 없는 자라고도 할 수 있는 것이다. 보통은 강철제로서 〔그림〕－6과 같은 모양으로 되어 있다.

A, B의 두 단면(端面)은 평행이며 거울처럼 잘 닦여져 있다. 그 두 단면 사이의 거리가 다른 몇 개의 블록게이지가 한 세트가 되어 있어서, 그것을 적당히 짝지어 밀착시키면 어떤 길이의 자를 만들 수가 있는 것이다.

각 블록게이지의 단면 사이의 길이의 합계로써, 길이가 정밀하게 측정된다. 이 블록게이지의 정밀도는 0.001μ 정도인데, 광선의 파장과 비교 측정하여도 그 정확성이 입증된다. 정밀공업에 없어서는 안 될 측정기구이다.

클리어런스게이지

clearance gauge

일정한 두께로 된 얇은 강편(鋼片)을 여러 장 포개어 한쪽 끝에서 고정시킨 것으로서, 그 강편을 틈새에 넣어 봄으로써 간격(間隔)을 측정할 수 있는 것이다.

노기스

Nonius

둥근 물체의 직경이나 구멍의 내경(內徑) 등을 측정하는 데에는 자로써는 불편하므로 〔그림〕－12에 볼 수 있는 것과 같은 자(主尺이라고 부른다)에 보조구(補助具)를 붙인 노기스라는 것이 공장 같은 데서 널리 쓰이고 있다. 보조구는 주척 위를 이동하도록 되어 있으며, 이것에도 부척(副尺：vernier)이라는 눈금이 들어 있어 그 0자리의 눈금 위치를 주척의 눈금으로 읽음으로써 길이를 측정하는 것이다.

버니어

vernier

노기스 따위의 보조구에 넣어져 있는 0 눈금이 주척 눈금의 어떤 위치에 있는가를 정확하게 읽을 수 있도록 만든 보조 눈금을 버니어라고 한다.

보통의 버니어는 〔그림〕－12에서 보는 바와 같이 주척의 9개 눈금에 상당하는 길이는 부척 위에 10개 눈금의 간격으로서 눈금이 들어 있다.〔그림〕－12에서의 a와 같이 부척의 0 눈금이 주척 위의 한 눈금과 일치되어 있을 때에는, 부척의 제10의 눈금은 주척의 다른 눈금과 일치되고 그 밖의 눈금은 모두 어긋나게 마련이다.

그런데 b와 같이 0눈금이 주척의 눈금과 일치하지 않을 때, 예컨대 주척의 눈금 사이의 2／10만큼 어긋나 있을 때에는 버니어의 2의 눈금이 주척의 눈금과 일치한다. 버니어의 몇 번째의 눈금이 주척의 눈금과 일치하는가를 보면 버니어의 눈금이 주척의 눈금에서 어긋나 있는 길이를 알 수가 있는 것이다.

마이크로미터

micrometer

나사를 1회전시키면 하나의 나사산과 다음 나사산 간의 거리만큼 움직인다. 나사산 사이가 1㎜이면 나사를 1회전함으로써 1㎜ 움직인다. 이제 〔그림〕－13에서와 같이 나사머리의 원주 위에 눈금을 넣는다면(〔그림〕－13), 나사를 1／100 회전했을 때에는 나사머리에 있는 눈금은 한 눈금만 회전하고, 나사가 움직인 거리는 나사산 사이의 1／100이 된다.

나사산 사이의 거리가 1㎜인 경우는 한 눈금의 회전에 의해 움직이는 거리는 0.01㎜(10μ)가 된다.

이와 같이 나사머리의 원주 위에 눈금을 넣어서 나사의 회전각(回轉角)을 보면 나사가 화살표의 방향으로 어느 정도 움직였는가를 정밀하게 측정할 수가 있다.

마이크로미터는 이 나사의 원리를 이용하여 길이를 정밀하게 측정하는 것으로서, 1의 차이를 측정(測定)할 수 있는 것까지도 쓰여지고 있다. 가장 일반적인 마이크로미터는 측정할 물건을 고정면(固定面)인 앤빌(anvil)과 스핀들(spindle)의 선단 사이에 끼우고 나사가 회전하는 눈금을 읽음으로써 측정물의 길이를 측정하도록 되어 있다.

변위량·두께의 측정

變位量－測定

물건이 약간 변위(變位)했을 경우의 그 이동한 거리, 종이의 두께, 도장(塗裝)의 두께, 파이프의 두께 등은 자를 사용해서 측정할 수가 없는 것이다. 특히 공업(工業) 부분에서는 변위량(變位量)이라든가 두께를 연속적으로 측정하여야 하는 경우가 많기 때문에 그런 것의 측정에 알맞는 측정기가 여러 가지로 실용화되고 있다.

다이얼게이지

dial gauge

면의 요철(凹凸)이나 축의 진폭(振幅), 기계 가공에서의 움직인 거리 등 극히 미세한 길이를 측정하는 기구이다.

톱니바퀴를 이용한 확대장치에 의해서 측정자(測定子)의 이동량을 정밀하게 측정하는 구조로 되어 있다. 물건이 변위함에 따라서 물건에 접촉하는 측정자가 이동하면, 그것에 물려 있는 내부의 치차가 회전해서 측정자의 이동 거리를 확대하여 지침(指針)에 전한다(〔그림〕－8). 그 지침이 회전한 각도를 읽음으로써 측정자의 변위량(變位量)을 측정할 수 있다. 측정자가 이동하는 범위는 10㎜ 정도까지이다. 정밀한 것으로는 1μ 정도의 차이도 측정할 수가 있다. 측정대에 장치해서 사용하며, 블록게이지(block gauge)와 병용(竝用)되기도 한다.

미니미터와 옵티미터

minimeter－optimeter

미니미터는 측정자가 이동한 거리를 지레로 확대하여 측정하는 구조로 되어 있다. 옵티미터도 그 원리는 미니미터와 같으며, 지레에 반사경(反射鏡)이 달려 있는 점이 다르다. 지레가 기울면 거울에 반사하는 광선의 방향이 변화하는 것을 이용하고 있다. 측정자가 이동되는 길이는 1㎜ 이내이며, 0.1μ 정도의 정밀성이 있다(〔그림〕－9).

공기마이크로미터

空氣 micrometer

물건이 변위한 때의 이동(移動) 거리를 공기의 압력으로 변환하여 측정하는 기구로서, 약 1㎜ 이내의 거리 변화를 0.1μ 정도의 정밀성으로 측정할 수 있는 것까지도 개발되고 있다.

〔그림〕－11에 설명되어 있듯이, 펌프에 의해서 일정한 압력의 공기를 보내고, 파이프의 도중에 있는 조리개, 즉 파이프의 단면을 작게 하는 장치를 통하여 유출구(流出口)로부터 분출시킨다. 유출구와 그 부근에 있는 물체 표면과의 사이의 거리ℓ이 변하면 유출구로부터 분출하는 공기의 양이 달라지고, 따라서 유출구와 조리개와의 사이에 있는 공기의 압력 P` 가 변화한다. 여기서 그 압력 P`` 와 유출구와 물체와의 거리 ℓ과의 관계를 조사하여 두면, 압력 P`` 를 측정(測定)함으로써 거리의 변화를 알 수 있게 된다.

전기마이크로미터

電氣 micrometer

조그만 길이의 차이나 물체가 변위한 거리를 전압(電壓)·전류(電流)로 변환하여 측정하는 것으로서 전기마이크로미터라는 측정기가 있다. 현재 사용되고 있는 것은 콘덴서(condenser)의 용량 변화를 이용하는 것과 변압기를 이용하는 방식의 것이 일반적이다. 〔그림〕－10은 콘덴서 방식의 전기마이크로미터의 원리를 설명한 것이다.

평행으로 놓인 2장의 금속판(콘덴서의 역할을 한다) 중의 아래 것은 측정자에 부착되어 있어서 물체의 변위에 따라 측정자가 움직이면 금속판 사이의 거리가 변화한다. 금속판 사이의 거리가 변화하면 콘덴서의 용량이 달라지고, 이에 접속되어 있는 전기회로(電氣回路)의 전류에 변화가 생긴다. 그 전류의 변화와 측정자와 변위량과의 관계를 미리 조사하고 전류를 측정하면 측정자의 변위량, 즉 물체의 변위 거리를 알 수 있게 된다. 변압기를 이용한 전기마이크로미터의

원리는 〔그림〕－14와 같다.

1차코일에 일정한 전압으로 교류전류(交流電流)를 통하여 두면, 2차코일의 유도전압(誘導電壓)은 코일 속에 있는 철봉의 위치에 따라 변화한다. 철봉은 측정자(測定子)와 결합되어 있으므로 측정자의 위치 변화는 2차코일의 전압을 변화시키는 것이다.

두께측정기

－測定器

변압기의 원리를 이용해서, 철판에 칠한 페인트의 두께 따위를 측정하는 기구로 사용되고 있다.

〔그림〕－15와 같이 1차코일과 2차코일을 가진 U자형의 연철편(軟鐵片)을 측정할 물체 위에 놓는다. 측정 물체가 비자성체(非子性體)로서, 그것이 철판 따위의 자성체 위에 있다면, 측정 물체의 두께에 따라 2차코일에 유도되는 전압이 달라진다.

측정 물체의 두께와 2차코일의 전압 변화와의 관계를 알아두면, 그 전압을 측정함으로써 두께를 알 수 있게 된다. 이것은 제지공장(製紙工場)에서 종이의 두께를 계속 측정할 때에 사용된다.

그리고 측정하는 물체의 한쪽 면에서 수정진동자(水晶振動子)와 같은 초음파 발진자(超音波發振子)를 띠고 초음파를 보내어 그 반대쪽의 면으로부터 반사파(反射波)를 받아서 초음파가 전달된 속도·진동수를 가지고 물체의 두께를 측정하는 방식의 '초음파두께측정기'가 있다. 이것은 금속 내부에 있는 흠이나 공동(空洞)의 검출에 이용되고 있다.

압연중(壓延中)의 철판의 두께 또는 필름의 두께 등을 측정하는 데에는 X선·방사선(放射線)을 이용한 측정기가 사용되고 있다. X선이나 방사선이 물체 속을 투과(透過)할 경우, 그 일부가 흡수 또는 반사하여 반대쪽에 도달한 때의 강도는 약해져 있다. 그 강도와 물체의 두께와의 관계로부터 물체의 두께를 알아보게 된 것이 이 측정이다.

삼각측량과 거리계

三角測量－距離計

자신이 서 있는 지점으로부터 멀리 떨어져 있는 지점까지의 거리는 삼각측량에 의해서 측정할 수가 있다. 〔그림〕－16의 a와 같이, A점에 서서 B점까지의 거리 AB를 측정하려면, AB에 직각을 이루는 방향에 있는 점 C와 A와의 사이의 길이 ℓ과 C점에서 B를 볼 때의 각 ACB를 측정하면 된다.

사진 촬영에서 사용되는 거리계에도 이 원리를 이용한 것이 있다. 그림 b에 따라 설명하기로 한다. A에는 고정경(固定鏡)이, C에는 O를 중심으로 하여 회전할 수 있는 거울이 있고, D에는 상하로 직각이 되게끔 장치된 D1, D2의 두 고정경이 있다.

B점의 깃대는 A와 D1의 거울로 반사하여 파인더(finder)의 위쪽 중앙에 비치고, C와 D2의 거울에서 반사된 깃대는 파인더의 아래쪽에 비치는데, 그것은 C의 거울을 돌리는 데 따라 좌우로 움직인다. 파인더 속의 상하가 일치했을 때의 C거울의 각도에서 AB사이의 거리를 산출할 수가 있다.

실제로는 C거울의 각도 눈금 대신에 직접 거리를 읽을 수 있도록 거리를 나타내는 눈금이 되어 있다. 산의 높이, 나무의 높이, 지구의 크기 따위도 삼각측량(三角測量)과 같은 방법에 의해서 측정할 수 있는 것이다.

전파·음파의 반사를 이용하는 거리측정

電波·音波－反射－利用－距離測定

순간적으로 발사된 전파가 멀리 있는 물체에 부딪쳐 반사해서 다시 발사 위치로 되돌아오기까지의 시간을 측정하면, 그 소요 시간에 전파의 속도를 곱함으로써 그 물체까지의 거리를 계측(計測)할 수 있다. 이것은 레이더(radar) 또는 항공기의 전파고도계(電波高度計)의 원리이다.

한편, 항해중인 선박이 해저까지의 깊이를 측정하는 데에는 초음파가 이용되고 있다. 바다 밑으로 향하여 발사한 초음파가 바닷물을 지나서 해저에 도달하고, 거기에서 반사하여 되돌아오는 시간을 측정하여 바다 깊이를 측정한다.

빛의 파장을 이용한 깊이의 측정

－波長－利用－測定빛은 물결의 성질을 가지고 있다. 가령 두 단색광(單色光)의 물결을 포개어 본다면, 〔그림〕－18과 같이 물결의 마루와 마루, 골과 골이 겹쳐지는 a의 경우와 물결의 마루와 골이 겹쳐지는 b의 경우가 생기게 된다. a와 같은 겹침을 이룰 때에 합성되는 빛은 밝고, b와 같이 겹쳐질 때에는 어두워진다.

다시 말해서 빛의 파장이 1／2만큼 어긋나서 두 빛의 파장이 겹칠 때는 어두워진다. 가령 〔그림〕－17과 같이 두 장의 유리를 쐐기형으로 놓고 위로부터 평행한 광선을 비추면서 밑에서 올려다 보면, A의 위치에서는 유리판 사이의 거리는 O이며, 빛은 두 갈래로 갈라지는 일이 없으므로 통과하는 빛은 밝게 보인다.

다음에 B의 위치에서는, 밑의 유리면(面)에서 반사한 다음에 통과하는 빛(점선으로 표시된 부분)과 직접 통과하는 빛으로 갈라지는데, 반사한 광선은 직접 통과한 광선보다 약간 뒤떨어져서 통과한다. 만일 B위치의 유리판 사이의 거리가 파장의 반인 C의 위치에서는, 반사한 빛은 직접 통과하는 빛보다도 1파장 만큼 늦어지므로 빛은 밝게 보인다. 이와 같이 두 장의 유리판 사이의 거리가 빛의 파장의 1／4씩 늘어날 때마다 명암(明暗)의 선이 번갈아서 나타난다. 그러므로 쐐기형의 유리판에 블록게이지(block gauge)를 〔그림〕－17에서와 같이 끼우고 위로부터 특정한 파장의 광선을 비추면서 A위치에서의 빛의 명암을 내면 그 블록게이지의 길이가 측정될 수 있다.

반대로 두 장의 유리판 사이의 거리를 미리 정해둠으로써 빛의 파장을 측정할 수도 있다.

이 원리를 이용하여 크립톤(krypton) 36의 원자(原子)가 내는 주황색 빛의 파장이 미터원기가 나타내는 1m 길이와 비교 측정되었고, 그 결과 진공중의 파장은 0.60578021μ, 즉 1m는 이 파장의 1,650,763.73배의 길이임이 판명되었던 것이다. 현재 1m는 크립톤 36의 주황색 광선의 파장으로써 정의되고 있다.

각도의 측정

角度－測定

원판(圓板)의 둘레에 각도의 눈금을 넣은 분도기(分度器)가 각도 측정에 널리 쓰이고 있다. 공장에서는 이 밖에 각도게이지(角度 gauge)라는 것이 흔히 사용되는데, 이것은 여러 가지의 각도로 된 강철제 게이지가 세트(set)로 되어 있는 것으로서, 그 게이지를 적당히 짝지움으로써 원하는 각도를 만들어 측정에 사용하도록 되어 있다.

트랜싯(transit)은 망원경과 분도기를 결합한 것으로서 망원경은 분도기의 중심점에 있는 축의 둘레를 회전하도록 되어 있어, 수평면 내의 또는 연직면(鉛直面) 내의 각도를 측정하는 데 쓰인다. 트랜싯이라고 하면 주로 측량용의 것을 가리키지만, 천체관측용의 것도 그 구조는 같은 것이다. 수평 또는 연직을 정하는 일도 각도 측정에 속한다. 고요한 수면은 수평(水平)이며, 이에 수직을 이루는 방향을 연직(鉛直)이라고 한다. 수평을 잡는 때에는 '수준기(水準器)'가 쓰인다. 약간 원호형(圓弧形)으로 굽은 유리관 속에 기포(氣泡)를 남기고 에테르(ether) 따위의 액체를 넣은 것이다. 이 유리관은 밑면이 반듯한 받침대에 장치되어 있어, 밑면이 수평일 때에는 기포가 원호형 유리관의 중심점에 온다.

연직을 정할 때에는 실에 낚싯봉을 달아서 드리우는 방법이 쓰인다.

중량 및 질량의 측정

중량과 질량

重量－質量

지구상에서와 달에서는 같은 물건이라도 그 무게, 즉 중량이 다르다. 그리고 또 그 물건을 무중량(無重量) 상태 속에 넣으면 중량이 없어져서 둥둥 뜨고 만다. 이와 같이 같은 물건이면서도 그 놓인 장소에 따라서 중량이 달라지는 일이 있다. 그러나 어떠한 경우에도 그 물건 자체에는 아무런 변화가 없다.

여기서 우리는 물건의 질량(質量)이라는 것을 생각하게 된다. 즉 물건의 질량은 어떤 장소에서는 같은 것이며, 그 중량이 달라짐은 그 물건에 작용하는 인력(引力)의 정도가 다르기 때문이라고 생각한다. 지구상에서는 인력이 강하기 때문에 물건이 무겁지만, 달의 인력은 지구의 것보다 약하므로 달에서는 물건이 가벼워진다. 그러나 그 물건의 질량은 언제나 일정하며 변하지 않는다. 우리는 킬로그램원기의 질량을 1㎏으로 정했다. 그리고 같은 장소에서 중량이 킬로그램원기와 같다면, 그 물건의 질량은 1㎏, 2배이면 그 물건의 질량은 2㎏이 된다고 한다.

지구상에서의 물건의 중량이라는 것은 그 물건이 지구에 의해서 끌어당김을 받는 힘, 즉 중력(重力)에서 생긴다고도 할 수 있다. 지구상에서의 중량은 그 물건의 질량과 중력가속도(重力加速度) g의 곱(積)인 것이다.

지구상에서는 중력가속도 g의 값은 장소에 따라서 약간의 차이는 있으나, 대개 9.8m／sec2이다. 따라서 지구상에서는 질량 1㎏되는 물건의 중량은 1㎏×9.8m／sec2＝9.8㎏·m／sec2(9.8뉴턴)이며, 이것을 1중량킬로그램(㎏ w)이라고도 한다. 물건의 질량은 지구상에서도 달에서도 무중량 상태에서도 변하지 않는다. 1㎏의 것은 어디에 가도 1㎏이다.

천칭과 분동

天秤－分銅

천칭은 중앙에 지점(支點)이 있는 막대(지레)의 양끝에 접시가 있는 것으로서, 그 한쪽 접시에는 측정물을 얹고 다른 쪽의 접시에는 서로 균형을 이룰 만큼의 분동을 얹어서 질량(質量)을 측정하도록 되어 있다.

분동은 1g, 2g, 5g…과 같이 여러 무게의 것이 한 세트를 이룬다. 1g 이하의 분동은 판상(板狀)의 것이 많고, 질량의 크기에 따라 모양이 다르므로 그 형상만으로도 질량을 구별할 수 있도록 만들어져 있다. 최근에는 조작이 간단하고 빨리 측정할 수 있는 직시천칭(直示天秤)이 널리 쓰이고 있다.

〔그림〕－19와 같이 측정물을 얹는 접시가 하나 있고, 분동은 접시가 달려 있는 막대(지레)에 걸려 있다. 접시에 물건을 얹으면 지레는 균형을 이룬 상태에서 벗어나고 접시가 아래로 내려온다. 여기에서 균형을 되찾을 때까지 분동을 떼어내어, 그 떼어낸 분동의 질량을 조사함으로써 접시에 얹힌 물건의 질량을 측정하는 것이다.

분동을 걸고 떼어내기 위해서는 천칭케이스의 외부에 있는 다이얼(dial)을 돌리면 된다. 측정에서 떼어내는 분동의 질량 값은 다이얼의 회전과 함께 연동(連動)되는 지시부(指示部)에 수치로 표시된다.

킬로그램원기

kilogram 原器

국제적으로 킬로그램의 표준이 되는 원기는 파리(Paris) 교외에 있는 국제도량형국(國際度量衡局)에 보관된 국제킬로그램원기이다. 이 원기도 분동의 일종으로서, 백금 90%, 이리듐(Ir) 10%의 합금으로 만들어져 있다. 미터조약에 의해서 각국은 이 원기의 질량을 1㎏으로 삼도록 약정되어 있는 것이다.

용수철저울과 앉은저울

龍鬚鐵－

가정이나 상점에서 사용되고 있는 저울에는 용수철식으로 된 것이 많다. 용수철이 늘어나는 정도는 저울에 매단 물건의 무게(질량이 아님)에 비례하는 것이므로, 분동을 이용해서 미리 눈금을 표시해 두면, 물건을 매단 때에 용수철이 늘어나는 정도를 측정해서 질량을 알 수 있다. 다만 분동으로 눈금을 정한 장소 이외의 곳에서는 중력속도가 같지 않은 이상 질량을 정확하게 측정할 수는 없다.

앉은저울은 약 20㎏ 이상의 질량을 측정하는 데 사용된다. 트럭(truck)이나 화차(貨車)의 질량을 측정하는 차량용 앉은저울이나 강괴(鋼塊)의 질량측정저울에는 100t 정도의 것까지도 측정할 수 있는 대형의 것이 있다. 차량용 저울은 본체를 땅속에 묻고 측정대의 면과 지면과를 같은 높이로 하여 차량에 화물을 싣고 부리는 데 편리하도록 되어 있으며, 강괴 측정 등의 공장용의 것은 작업 공정 중에서의 측정에 알맞는 구조로 되어 있다.

앉은저울의 대부분은 지레의 원리를 이용하여 측정물의 무게와 분동(分銅)의 무게를 균형지어 그 물건의 질량을 측정하는 구조로 되어 있다. 최근에는 로드 셀을 이용한 전기식의 것도 사용되고 있다. 로드 셀은 물건의 무게를 전기신호로 변환하는 장치이며, 그 중에서도 신장계(伸張計：extensometer)를 이용한 것이 널리 쓰이고 있다.

〔그림〕－20에서 보는 바와 같이, 탄성강(彈性鋼)의 원주(圓柱)나 각주의 측면에 신장계라는 가느다란 저항선(抵抗線)을 접착제로서 붙여 둔다. 로드 셀의 위로부터 중량이 더해져서 탄성강의 기둥이 변형되면 이에 붙어 있는 신장계가 늘어나든가 또는 오그라들어서 전기저항이 변화한다. 신장계가 늘어나면 길이가 늘고 단면적이 작아지기 때문에 전기저항이 크게 되고, 오그라들면 반대로 전기저항이 작아진다. 그 변화는 더해진 무게와 일정한 관계가 있으므로, 그 전기저항의 변화를 측정함으로써 물건의 무게를 알 수가 있다. 트럭의 적재량(積載量)을 단속하는 데 등에 사용하는 로드미터(load meter)에는 이 로드 셀을 이용한 것이 많다.

컨베이어 스케일과 호퍼 스케일

conveyor scale hopper scale

공장 등에서는 입상(粒狀)으로 되어 있는 물건을 운반하는 데에 흔히 벨트 컨베이어를 이용하고 있다. 그 경우 운반되고 있는 물건의 질량을 벨트 위에서 연속적으로 측정하기 위해 벨트 컨베이어의 장치에 저울을 장치한 것이 있다. 이것을 컨베이어 스케일(conveyor scale)이라 한다. 물건이 운반되는 벨트의 일부분을 지레로 받아 지레식 저울의 원리에 의해서 운반되는 물건의 질량을 측정하는 것이다.

한편 벨트 컨베이어로 운반한 물건의 질량을 측정할 뿐만 아니라 그 양이 항상 일정한 질량으로 유지되도록 자동조절하는 장치와 결합시킨 저울도 있다. 이것을 포이드미터라고 한다.

가루나 알로 되어 있는 물건을 일정 질량씩 부대·용기에 넣을 때에 쓰이는 저울에 호퍼 스케일이라는 것이 있다. 호퍼라고 불리는 용기와 지레식 저울과를 합친 것이라고도 볼 수 있다. 호퍼 위로부터 측정할 분립체(粉粒體)를 부어 넣고, 그것이 미리 정한 어떤 질량으로 되면 지레가 기울어져서 그 신호에 따라 호퍼의 윗부분의 입구가 닫히고 아래쪽의 출구가 열린다. 그리하여 호퍼 속에 있는 일정 질량의 분립체가 아래에 있는 부대 속으로 떨어져 들어가는 것이다.

체적의 측정

고체의 체적 측정

固體－體積測定

입방체라든가 원주형(圓柱形)과 같이 규칙적인 형상을 이룬 고체의 체적은 그 각부의 길이를 측정하여 계산함으로써 알 수가 있다. 그러나 불규칙적인 모양을 이룬 고체는 각부의 길이를 측정하는 것부터가 어렵기 때문에, 그러한 체적의 측정에는 물속에 넣었을 때의 부력(浮力)을 이용하는 방법이 흔히 쓰이고 있다. 아르키메데스(Archimedes)의 원리에 의하면 물속에 넣은 물체는 같은 체적의 물의 무게와 같은 부력을 받는다. 그러므로 물체의 진공중(進空中) 및 수중에서의 무게를 측정하여 그 차를 구하고, 그 값을 단위 체적(單位體積)의 물의 무게로 나눔으로써 물체의 체적을 산출할 수가 있다(〔그림〕－21).

실제로는 진공중에서가 아니라 공기중에서 측정하고, 단위 체적의 물의 무게로부터 단위 체적의 공기의 무게를 뺀 값으로 나눈다. 물체가 물에 뜰 경우에는 추를 달아서 물속에 가라앉히면 된다.

유체의 체적 측정

流體－體積測定

적은 액체의 체적을 측정할 경우에는 보통 유리로 만든 메스 플라스크(meas flask)·메스 실린더(meas cylinder)·메스 피펫·메스 뷰렛 등이 쓰인다.

탱크 로리(tank lorry)나 석유 탱크 속의 그림의 체적은 위로부터 금속제 자·줄자를 일정한 깊이까지 밀어넣었다가 끌어올려, 기름에 젖은 위치의 눈금을 읽음으로써 측정한다. 이 경우 탱크 속에 들어 있는 기름의 체적과 눈금의 관계는 미리 알아 둔다.

가솔린미터

gasoline meter

가솔린미터의 측정부는 〔그림〕－22와 같은 구조로 되어 있다. 흘러드는 가솔린의 압력에 따라서 피스톤이 좌우로 움직인다.

입구로부터 흘러드는 가솔린은 1에서는 피스톤을 오른쪽으로 밀고, 반대쪽의 실린더 속에 있는 가솔린을 출구로 내보낸다. 피스톤이 오른쪽 끝에 가면, 그 신호에 따라서 그와 같이 교환판(交換瓣)이 90° 회전하여, 실린더 속으로 가솔린이 흘러드는 방향이 바뀌므로, 피스톤의 움직임이 반대로 된다. 이 피스톤의 왕복운동을 치차 장치로써 지시부(指示部)에 전달하고, 지침의 회전을 읽음으로써 유출된 가솔린의 체적을 측정하는 것이다.

수도미터

水道 meter

가정용 수도미터는 그 내부에 날개수레가 들어 있어 이것이 물의 흐름에 따라 돌도록 되어 있다.

날개수레의 회전하는 속도는 물이 흐르는 속도에 비례하므로, 그 회전수를 측정하면 흘러나간 물의 체적, 즉 소비한 물의 체적을 알 수가 있다. 날개수레의 회전은 치차에 의해서 지침에 전달된다.

가스미터

gas meter

가정에서 사용한 가스의 양을 측정하는 가스미터는, 미터의 입구로부터 흘러드는 가스가 일정 체적의 자루를 팽창시켰다가 빠져나간 횟수를 세어, 통과한 가스의 체적을 측정하는 식의 구조로 되어 있다.

〔그림〕－24에서 보는 바와 같이, 중앙의 칸막이판을 사이에 두고 부드러운 양피(羊皮) 또는 합성수지(合成樹脂)로 만든 2개의 자루가 있으며, 이것은 다시 4개의 방으로 구분되어 있다. 〔그림〕-24의 a와 같이 제1실과 제3실에 가스가 들어오면, 제2실과 제4실의 가스는 출구를 통하여 빠져 나가며, 어느 위치까지 이동판(移動板)이 움직이면 밸브(valve)가 바뀌어서 이번에는 반대로 b와 같이 제2실과 제4실에 가스가 들어오고, 제1실과 제3실의 가스는 출구쪽으로 밀려 나간다. 이 반복운동이 치차에 의해서 지침에 전달되고, 지침의 회전에 따라 통과한 가스의 체적을 측정할 수 있는 것이다.

압력이 큰 프로판 가스의 미터에는 가스의 흐름에 따라 날개수레가 회전하여, 그 회전수에 의해서 소비한 가스의 양을 측정하도록 된 것도 있다.

압력의 측정

압력의 측정

壓力－測定

압력의 측정에서 주의할 것은 첫째로, 바(bar)·기압(氣壓)·액주미터(液柱meter) 등 여러 가지의 단위가 쓰이고 있다는 점이다.

1기압 이하의 압력을 간단하게 측정하기에는 액주압력계(液柱壓力計)가 편리하다. 주의해서 측정할 때에는 이 압력계로 정밀측정도 가능하다.

혈압계나 가압계에는 액주압력계의 방식이 이용되고 있다. 한편 차량의 에어 브레이크(air brake)의 공기 압력을 측정하는 데 사용되는 부르동관압력계(Bourdon tube pressure gauge)와 같은 탄성압력계도 이용되고 있다.

액주압력계

液柱壓力計

다음의 〔그림〕－23과 같이, U자형으로 구부린 관(管)에 수은 또는 물 따위의 액체를 넣는다.

양쪽의 관에 가해지는 압력이 같으면 양쪽 액면(液面)은 같은 높이를 이루지만, 한쪽의 압력이 높을 때에는 고압(高壓)을 받는 쪽의 액면이 내려가고 다른 쪽이 올라간다. 이 액면의 높이의 차를 측정하면 압력차를 알 수가 있다.

수은기압계

水銀氣壓計

액주기압계의 일종인 수은기압에는 몇 가지 다른 형식의 것이 있다.

〔그림〕－23은 포르탄형이라고 불리는 기압계이다.

밑부분에 수은이 들어 있는 가죽주머니가 있고, 이 가운데에 비교적 가느다란 관이 수직으로 세워져 있는데, 관의 상단은 막혔고, 수은면으로부터 윗부분은 진공(眞空)으로 되어 있다.

대기(大氣)의 압력이 밑부분의 수은면에 가해지면 가느다란 관 속으로 수은이 밀려 올려져서, 수은주(水銀柱)에 의한 압력과 대기의 압력이 균형을 이루는 높이에서 수은면이 정지된다.

수은주의 높이를 측정할 때에는 조정나사로 가죽주머니 바닥을 상하로 움직여서, 상아바늘의 끝이 밑의 수은면에 닿을 정도로 맞추었을 때의 관 속의 수은면 A의 위치를 눈금으로 읽는다.

부르동관압력계

Bourdon 管壓力計

부르동이란 탄성이 있는 금속으로써 단면이 원형·타원형을 이루는 관을 만들어 원호형(圓弧形)으로 구부린 것이다.

그 끝은 막혀 있으며 〔그림〕－26에서 보는 바와 같이 부착부(附著部)는 파이프에 의해서 압력을 측정하는 용기에 접속되어 있다. 원호형 관에 압력이 가해지면, 그 관은 곧 똑바로 늘어나려고 하여, 점선(點線)으로 표시된 것처럼 그 끝이 움직이는데, 이 때의 이동량(移動量)은 가해진 압력에 거의 비례한다.

그 움직임을 치차로 확대해 지침(指針)에 전달시키고, 지침의 지시치(指示値)를 읽음으로써 압력을 측정한다. 이 압력계는 측정 조작이 간단하다는 장점이 있으나, 압력을 장시간 가하면 0점이 어긋나게 되고 온도에 따라 탄성률(彈性率)이 변화하는 따위의 영향을 받기 때문에, 측정정도(測定精度)는 1∼2%이다.

시간의 측정

시각과 시간

時刻－時間

태양 광선이 비치는 지면에 막대기를 세우고, 그 그림자의 이동에 의해서 시각을 알아보는 방법은 해시계로서 옛날에 사용된 시계의 하나이다. 이 시계를 사용할 경우, 태양이 정남(正南)쪽에 와서 막대 그림자의 길이가 가장 짧아진 때로부터 다음날 그와 같은 그림자로 될 때까지의 사이를 구분하여 하루를 정한다. 이것이 진태양일(眞太陽日)이라고 불리는 것이다. 그러나 이 진태양일의 길이는 1년 동안에 주기적으로 변화한다. 그 원인은 황도(黃道)와 적도(赤道)와의 사이에 23.5도의 경사가 있고, 또 지구의 공전(公轉)이 원궤도(圓軌道)를 이루는 것이 아니라 타원궤도이기 때문이다.

이와 같이 하루의 길이가 계절에 따라 다르게 되면 불편하므로 이 불균일(不均一)을 1년에 걸쳐 평균해서 평균태양일(평균태陽日)이라는 것을 정했다. 이 평균태양일을 기준으로 하여 정한 시각이 오늘날 우리들이 쓰고 있는 시각이다.

진태양일에 기준해서 정한 시각(眞太陽時)과 평균태양일에 기준해서 정한 시각(平均太陽時)과를 비교하면, 1년을 통하여 계절에 의한 차이가 생긴다. 예컨대 2월 10일경에는 평균태양시가 진태양시의 정오보다 약 14분 늦다.

이제 시간의 단위로서의 초(秒)는 하루, 즉 24시간이 정해지면 그 86,400분의 1로써 결정된다. 그렇기 때문에 1958년까지는 초(秒)란 평균태양일의 86,400분의 1이라고 정의되어 왔다.

그런데 정밀한 연구가 진행된 결과, 하루의 길이가 아주 조금씩이기는 하지만 해마다 차츰 길어지고 있다는 사실이 밝혀졌다. 예를 들면 1956년 초부터 1957년까지의 2년 동안에 하루의 길이는 1만분의 8초 길어졌다는 사실이 알려졌다. 여기에서 보다 안정된 초의 정의가 요구되어, '초(秒)란 1899년 12월 31일 오후 9시(世界時 正午)에서의 1태양년(眞太陽年)의 31,556,9259747분의 1'이라고 개정되었다. 그러나 이 정의도 멀지 않아 원자 진동에 의한 초의 정의로 바뀔 것이다.

시각 또는 시간의 결정은 천체의 관측에 의하여 일정한 신호전파(信號電波)로 현재의 시각이 알려지고 있다. 라디오나 텔레비전의 시보(時報)는 이 신호전파를 받아서 방송국의 표준시계를 맞추어 두었다가 그 시계로써 전파에 실려 방송하고 있는 것이다.

시계

時計

옛날에는 해시계·물시계·모래시계(砂時計)·촛불시계·램프시계·만수향시계(萬壽香時計) 등이 사용되었으나, 오늘날에는 일정한 주기로 반복되는 현상을 이용한 기계식 시계나 전기시계(電氣時計)가 쓰이고 있다.

연구용 또는 표준용의 정밀한 시간측정을 위해서는 수정시계(水晶時計)·원자시계(原子時計)가 사용된다.

기계식 시계

機械式時計    진자(振子)나 템프의 진동하는 주기가 일정함을 이용한 시계는 현재 널리 사용되고 있는 시계의 대표적인 것이다.

  〔그림〕－29와 같이 진자가 좌우로 진동할 때, 진동의 중심위치 0로부터 A위치까지 갔다가 되돌아 B위치까지 가고 다시 0까지 돌아오는 동안의 시간을 '1주기'라고 한다. 이 1주기의 시간 T는 진자의 지점(支點)으로부터 시계봉의 중심(重心)까지의 길이 ℓ, 중력 가속도(重力加速度) g가 결정되면

  

로써 계산해 낼 수 있다. 그러므로 이 주기 를 알면 진자의 진동횟수를 셈으로써 경과시간을 측정할 수가 있다.

  〔그림〕－30에서 보는 바와 같이, 진자에는 진자의 진동과 함께 움직이는 앵커(anchor)가 부착되어 있고 이 앵커는 치차를 물고 있다.

  치차는 용수철이나 시계봉 또는 전지(電池)에 의한 동력으로써 화살표의 방향으로 회전하게끔 힘이 가하여지고 있다. 진자가 진동하면 앵커와 함께 움직여서 한번 흔들릴 때마다 치차의 이가 하나씩 돌며 이 치차의 회전, 즉 진자의 진동횟수가 문자판(文字板)의 지침에 전달된다. 한편 치차가 회전할 때 전기접점(電氣接點)이 이어져서 코일에 전류가 흐르고 전자석(電磁石)의힘으로 진자가 강제적으로 진동하도록 된 방식의 것도 있다(〔그림〕－27). 템프는 링 모양의 추(템프륜)와 실태엽을 결합(結合)하여, 그 링 모양의 추가 중심축(中心軸)의 둘레를 회전·진동하도록 되어 있다(〔그림〕－28).

  진동의 주기는 실태엽의 길이에 따라서 변화한다. 그러므로 실태엽의 길이를 바꾸어 시계의 빠르고 늦음을 조절할 수가 있다. 템프의 주기는 중력가속도 g의 영향을 받지 않으며, 또 템프를 세로로 세우든 옆으로 누이든 그 주기는 달라지지 않기 때문에 손목시계 따위에 흔히 쓰인다.

전기시계

電氣時計

치차를 회전시키는 동력원(動力源)으로서 태엽 대신에 건전지와 소형전동기를 이용한다든가, 〔그림〕－27에서와 같이 진자를 강제적으로 진동시키기 위하여 건전지와 코일을 사용한다든가 해서 전지를 이용하는 시계도 전기시계의 일종이라고 할 수가 있다.

그런데 이런 것과는 다른 원리를 이용한 것으로서 동기전동기(同期電動機)를 사용한 전기시계가 있다. 동기전동기는 교류전류에 접속되면 그 전원의 주파수(周波數)에 비례해서 회전한다. 따라서 일정한 주파수의 교류전류가 있으면 그것에 의하여 회전되는 동기전동기의 회전수를 알아봄으로써 시간을 측정할 수 있다. 가정에 공급되고 있는 전력이 일정한 주파수의 교류인 점을 이용하여 동기전동기를 회전시켜서 시간을 측정하는 시계가 있다. 그리고 수정시계(水晶時計)의 지시장치로서도 이 동기전동기 방식의 시계가 사용되고 있다.

도시의 네거리나 정거장 등에 달려 있는 전기시계는 모시계(母時計)에 전기로 접속되어 있어서, 모시계가 보내는 전기신호에 의하여 바늘이 움직이도록 되어 있는 것이다.

모시계에는 진자식(振子式)의 것이 많으며, 치차의 회전에 의하여 30초 또는 1분마다 전기접점(電氣接點)이 순간적으로 이어지고, 자시계(子時計)에 전류가 통하여 그 속의 전자석(電磁石)이 철편(鐵片)을 끌어당김으로써 치차의 이가 하나씩 돌게 된다. 그리고 그 횟수는 문자판의 지침에 전달된다(〔그림〕－31).

수정시계

水晶時計

수정의 결정(結晶)에서 얇은 수정판을 떼내어서, 이에 힘을 가하면 그 표면에 전압이 생긴다.

반대로 수정판의 표면에 전압을 가하면 그 수정판이 신축(伸縮)한다. 수정판에서 생기는 이러한 현상을 피에조현상(piezo現像)이라고 하며, 수정판을 수정진동자(水晶振動子)라고 한다.

이 수정진동자에 교류 전압을 가하고, 그 교류의 주파수가 수정진동자의 진동수와 같게 하면, 피에조현상 때문에 강하게 진동하여 수정진동자 고유의 일정 주파수를 가진 진동 전압이 생기게 된다. 수정진동자 고유의 진동수는 그 형상·크기·절단방식 등에 따라서 결정된다.

이 진동 전압을 증폭(增幅)해서 동기전동기(同期電動機)를 회전시키면 시계로서 사용할 수 있게 된다. 진동 전압의 진동 횟수를 전기적인 계수기(計數器：counter)로 세는 것으로써도 시계로 쓸 수가 있다. 도쿄 올림픽에서의 각 경기의 시간 측정에는 이 수정진동자를 이용한 전기시계가 많이 사용되었다.

원자시계

原子時計

원자(또는 분자)는 각각 그 고유의 주파수를 가진 빛만을 방출한다. 이것은 스팩트럼선(spectrum 線)으로써 확인할 수 있다. 빛은 전자파(電磁波)이므로 어떤 원자, 예컨대 수소 원자가 방출하는 스펙트럼선은 일정한 주기를 가진 전자파로 여겨도 무방하다. 그러므로 이것을 증폭하여 그 진동수를 센다면 시간을 측정할 수가 있다. 이것이 원자시계의 원리이다. 현재 암모니아·세슘·수소·루비듐 등을 이용한 원자시계가 실용화 또는 연구 개발되고 있다.

원자 진동은 그 진동 주기가 매우 안정되어 있어 일정 불변한 것이므로, 가까운 장래에 천체의 운동에 근거해서 정해져 있는 초의 정의가 원자 진동을 기준으로 하는 새로운 정의로 바뀌게 될 것으로 보인다.

회전속도의 측정

회전속도의 측정

回轉速度－測定

단위시간(單位時間)에 회전하는 수를 회전속도라고 하며, 회전속도의 측정에는 단위시간 동안의 회전수를 세는 방법, 스트로보스코프법(stroboscope 法), 회전속도를 전압 등 다른 양으로 변환해서 연속 측정하는 방법 등이 쓰이고 있다.

회전수를 세는 방법

回轉數－方法

〔그림〕－32에서와 같이, 회전축(回轉軸)에 작은 거울을 부착시키고, 축이 1회전할 때마다 거울에서 반사하는 광선을 광전관(光電管)에 받아서 전기적(電氣的)으로 단위시간의 회전수를 세면 회전속도가 측정된다.

단위시간의 회전수를 계산할 때에는 허슬회전계(hustle 回轉計)가 흔히 쓰인다. 회전계 축 끝에 있는 고무 원추부(圓錐部)를 전동기 등 회전하는 축의 중심에 대면 회전이 허슬회전계에 전달된다. 이 상태에서 그대로 회전계의 단추를 누르면 내부의 시계장치가 작동해서 시간 측정을 하여, 일정한 시간에서의 축의 회전이 치차에 의해서 지침(指針)에 전달된다. 지침이 가리키는 회전수를 읽으면 단위시간의 회전수, 즉 회전속도를 알게 된다. 이런 방법은 실험실적인 방법으로서, 회전속도가 정확하게 측정되는 장점이 있다.

스트로보스코프에 의한 방법

stroboscope-方法

회전축에 사진의 스트로보스코프용 도형(圖形)을 달고, 일정한 주기(周期)로 점멸(點滅)하는 램프로 비치면, 어떤 부분은 왼쪽으로 도는 것처럼, 어느 부분은 오른쪽으로 도는 것처럼, 그리고 어떤 부분은 정지되어 있는 것처럼 보인다.

정지된 것처럼 보이는 것은 회전하여도 도형의 배치가 앞에서 비친 순간의 것과 같기 때문이다. 그러므로 원주(圓周)의 등분수(等分數)와 램프가 점멸하는 주기로써 축의 회전수가 측정되는 것이다. 이 방법은 회전축에 아무것도 닿아서는 안 되는 경우, 또는 무엇인가 회전축에 닿으면 회전속도가 변화할 염려가 있는 경우에 흔히 이용된다.

원심식 회전계

遠心式回轉計

회전축에 두개의 추를 가진 회전체를 장치한 구조로 되어 있다(〔그림〕－33).

회전속도가 빨라질수록 원심력 때문에 추의 부분이 바깥쪽으로 퍼지려고 하여 용수철을 압축해서 용수철의 힘과 원심력이 균형을 이루는 위치에까지 이동편(移動片)이 이동되는데, 그 이동한 양을 지침에 전달시켜서 회전속도를 측정하는 것이다. 원심력은 회전속도의 제곱에 비례하므로 이 회전계의 눈금 사이는 등간격(等間隔)이 아니다. 기계적으로 튼튼하며, 온도의 영향을 받지 않는 것이 원심적 회전계의 장점이다.

발전기식 회전계

發電機式回轉計

코일을 자장(磁場)안에서 회전시키면, 코일의 양끝에 기전력(起電力)이 생기며, 자장의 강도가 일정하면 발생 기전력은 코일의 회전속도에 비례한다. 따라서 이 코일을 회전축에 장치해 놓고 코일에 생기는 기전력을 전압계로 측정하면 축의 회전속도를 알 수 있는 것이다.

이 회전계는 같은 간격의 눈금이며, 도선(導線)에 의해서 전송할 수 있으므로 지시기(指示器), 즉 전압계와 떨어져 있는 장소의 것을 측정하기에 편리하다.

와전류식 회전계

渦電流式回轉計

알루미늄과 같은 전기의 양도체(良導體)로 되어 있는 얇은 원판(圓板)을 그 중심축에서 회전할 수 있도록 장치하고, 그 가까이서 자석(磁石)을 회전시키면 원판에 와류형의 전류가 생기고, 그 때문에 자력(磁力)도 생겨서 원판은 자석과 같은 방향으로 회전되는 힘을 받는다. 그 힘과 용수철의 힘이 균형을 이루는 각도까지 회전하여 원판은 정지한다. 원판의 회전각(回轉角)은 자석의 회전속도에 비례하므로, 측정하려는 회전축에 자석을 붙여 놓으면, 원판의 회전각을 통해서 축의 회전속도가 측정된다.

속도의 측정

速度－測定

자동차 따위는 바퀴 둘레의 길이가 정해져 있기 때문에, 그 속도를 알기 위해서는 바퀴의 회전속도를 측정하면 된다. 바퀴의 회전속도는 바퀴의 축과 회전계(回轉計)를 연결하는 금속선에 의해서 회전계에 전달된다. 회전계에는 원심식·발전기식·와전류식의 것이 널리 쓰이는데, 자동차 속도계에는 그 중에서도 와전류식 회전계가 많다.

자동차의 운행상태를 기록하는 타코그래프(tacho­graph)의 속도계에도 역시 회전계가 이용되고 있으며, 다만 기록 용지에 속도가 기록되도록 만들어진 점이 다를 뿐이다.

유속(流速)·풍속(風速)의 측정에는 날개수레의 회전을 이용한 측정기가 흔히 쓰인다. 기상관측용의 로빈슨풍속계(robinson 風速計)는 십자형으로 된 막대기의 곁에 각각 컵(cup)이 달려 있어 그것이 바람을 받으면 중심축 둘레를 풍속에 비례해서 회전하도록 되어 있다. 이 풍속계는 매초수십 미터 이하의 풍속을 측정하는 데 사용되고 있다. 측정치(測定値)를 먼 곳에 전달할 필요가 있는 경우, 또는 풍속의 변동까지도 측정하려는 경우에는 열선풍속계(熱線風速計)나 초음파풍속계(超音波風速計)가 사용된다. 열선풍속계는 가는 전열선을 흐름 속에 넣었을 때의, 유체(流體)에 의한 냉각효과를 이용한 것이다.

초음파풍속계는 소리의 공기중(空氣中)을 흐르는 속도가 바람이 불어오는 쪽으로는 풍속만큼 늦고, 바람과 같은 방향으로는 풍속만큼 빠른 점을 이용한 것이다.

온도의 측정

온도 눈금

溫度－

덥고 찬 정도, 즉 온도를 나타내는 데에는 ℃라는 기호가 쓰인다. ℃로 표시되는 온도를 섭씨온도(Celsius 溫度)라고 하는데, 그 눈금은 빙점(氷點)을 0도, 물의 비등점(沸騰點)을 100도로 해 정한 것이다. 이와 같은 기준으로써 눈금을 정하는 방법에 대하여 예전에는 별로 말썽될 일이 없었으나, 과학기술이 진보함에 따라서 문제가 생기고 있다.

온도정점(溫度定點)의 문제는 그 대표적인 예이다. 아무리 주의하더라도 온도정점으로서의 빙점을 0.0001도, 비등점을 0.001도 이상으로 정밀하게 정할 수는 없다는 점이다. 그래서 보다 정밀하고 안정된 온도정점으로서 연구되어 실용화한 것이

물의 삼중점(三重點)이다.

물의 삼중점이란 물과 얼음과 수증기가 공존하는 상태로서, 그 상태의 온도는 0.0001도보다도 더 높은 정밀도로 정해지며, 또한 몇 개월간이라도 그 상태를 유지할 수가 있는 것이다.

문제의 다른 하나는 온도 0의 점에 관한 것이다. 섭씨온도 눈금의 0도는 빙점이다. 이보다도 낮은 온도는 보통 영하 몇 도 또는 마이너스(－) 몇 도라고 부른다. 이와 같은 온도 표시의 방법은 과학기술상 불편한 경우가 많다.

그 이하의 온도는 어떤 수단으로도 실현할 수가 없는 최저온도를 0점으로 하는 온도 눈금이라야 편리한 것이다. 열역학이론(熱力學理論) 또는 그 밖의 여러 가지 실험에 의해서, 이 최저 온도는 섭씨온도로 나타내는 경우 －273.15℃가 되는 것으로 밝혀졌다. 이리하여 －273.15℃를 0도로 하는 온도 눈금을 사용하려는 경향이 생긴 것이다.

1960년 이후 과학기술 부문에서는, 물과 얼음과 수증기와의 평형온도(平衡溫度), 즉 물의 삼중점을 273.16°K로 하는 켈빈온도(Kelvin 溫度：절대온도)의 눈금이 널리 채용되고 있다.정밀하게 측정하여 보면 빙점은 273.15°K, 물의 삼중점은 273.16°K로서, 그 사이에 0.01deg(온도의 차를 나타내는 기호)의 차가 있다. 따라서 섭씨온도로 T℃의 온도를 켈빈온도 눈금으로 나타내려면 T의 값에 273.15를 더하면 된다. 즉 (T＋273.15)°K로 되는 것이다(〔그림〕－36).

열팽창을 이용한 온도계

熱膨脹－利用－溫度計

물질은 온도가 변화하면 팽창·수축하기 때문에, 이 현상을 이용해서 온도를 측정할 수가 있다. 기체의 열팽창을 이용한 것으로서 기체온도계(氣體溫度計)가 있는데 그 취급이 복잡하기 때문에 연구용 등 특별한 목적에 사용되고, 일반적으로는 액체·고체의 열팽창을 이용한 온도계를 사용한다.

유리 온도계나 부르동관식 온도계(Bourdon 管式溫度計)는 알코올 또는 수은의 열팽창을 이용한 것이며, 바이메탈식 온도계(bimetal式溫度計)는 금속의 열팽창을 이용하고 있다.

수은은 응고점(凝固點)이 －38.9℃, 비등점이 357℃이므로, 보통 수은을 넣어서 만든 유리온도계는 －30∼360℃ 정도의 범위에서 사용된다. 수은의 윗부분에 고압 가스를 넣은 온도계라면 650℃ 정도까지에 사용할 수 있다.

알코올 따위의 유기액체(有機液體)를 이용한 온도계는 －100℃에서 200℃까지에 쓰인다. 유리온도계는 들어 있는 액체가 전부 측정하려는 온도로 되었을 때 정확한 온도가 측정되는 점에 주의해야 한다.

예컨대 액체의 온도 측정에서는 수은이나 알코올 등의 감온액(感溫液)이 측정액 속에 전부 들어가 있는 상태에서 눈금을 읽어야 하는 것인데, 실제로는 측정액면 위에 감온액의 끝이 약간 나온 상태에서 눈금을 읽는다.

체온계(體溫計)도 유리온도계의 일종이다. 이것에는 수은이 들어 있는 구부(球部)와 모세부(毛細部)와의 접속부(接續部)에 유점(留點)이라고 하는 매우 가늘게 된 부분이 있다.

체온을 측정한 다음 체온계를 꺼내면 수은의 온도가 떨어지는데, 유점에서 수은이 끊어져서 모세부에 남은 수은은 구부에 되돌아가지 않고 그대로 머물러 있다. 이 수은은 체온계를 흔들어야만 유점의 가느다란 부분을 통해서 주부로 되돌아간다.

부르동관식 온도계는 〔그림〕－37과 같이 감온부(感溫部)와 부르동관과 그 사이를 접속하는 도관(導管)으로 구성되었고, 그 내부에 액체가 가득 들어 있다.

감온부를 측정부(測定部)에 놓으면, 측정부의 온도에 의해서 온도계 속의 액체가 팽창 또는 수축하고, 그것이 압력의 변화로 되어 부르동관에 전달되어 부르동관의 끝이 변위(變位)한다. 그 변위는 치차에 의해서 확대되어 지침에 전달된다.

수은을 사용한 것은 －30∼600℃ 정도의 범위에서 사용되는데, 그 측정정도(測定精度)는 1∼2%이다.

열팽창 계수가 크게 다른 2종의 금속판을 맞붙인 판을 바이메탈이라고 부른다. 이 판에 가열(加熱)하면 열팽창 계수가 작은 금속판쪽으로 구부러지는데, 그 구부러지는 정도는 온도에 따라서 변화한다.

이것을 이용하여 온도를 측정하는 것이 바이메탈온도계이다. 이 온도계는 측정 결과를 전기계(電氣系)에 전달하기가 편리하며, 전기다리미 등의 온도 조절에도 이용된다.

열전온도계

熱電溫度計

두가지의 각각 다른 금속선(金屬線)을 〔그림〕－38과 같이 접속했을 때 두개의 접점 온도가 다르면 기전력(起電力)이 생겨서 회로(回路)에 전류가 흐른다. 이 기전력을 열기전력(熱起電力)이라 부르고, 이 열기전력을 이용하기 위해서 사용하는 두가지의 금속선을 열전대(熱電對)라고 한다.

열전대의 열기전력은 열전대를 구성하는 2종의 금속선의 종류와 두 접점의 온도에 의해서 달라지며, 금속선의 굵기·길이나 두 접점 이외의 온도에는 영향받지 않는다. 따라서 한쪽의 접점을 일정한 온도로 유지하면 열기전력은 다른 접점의 온도만으로 정해진다. 그러므로 그 온도와 열기전력과의 관계를 미리 알아둠으로써 온도를 측정할 수가 있는 것이다.

온도 측정에 사용하는 열전대의 접점을 측온접점(測溫接點)이라고 하며, 다른 접점은 일정한 기준온도로 유지하기 때문에

기준접점(基準接點)이라고 한다. 일반적으로 측온접점의 온도가 기준접점의 온도보다 높으므로 기준접점을 가리켜 냉접점(冷接點)이라고도 한다.

실제의 온도 측정에서는 〔그림〕－39와 같이 측정 회로에 열전대를 접속해서 전압계로써 열기전력을 측정하여 측온접점의 온도를 알아보는 것이다.

이 경우 S1, S2가 기준접점이 되며, 이 두 접점은 기준 온도로 유지되어야 한다. 흔히 사용되는 열전대(熱電帶)는 백금로듐(白金Rh)과 백금(PR열전대), 구리와 콘스탄탄(CC열전대) 등이다. 알맞는 열전대를 사용하면 －200∼1,400℃ 범위의 온도 측정이 가능하므로 공업상의 온도 계측에 널리 쓰고 있다.

저항온도계

抵抗溫度計

금속선 등의 전기저항은 일반적으로 온도에 따라 변화하므로, 그 관계를 알고 있으면 전기저항을 측정해서 온도를 알아볼 수가 있다. 이와 같은 원리의 온도계를 저항온도계라고 한다. 저항체로서는 백금선·니켈선·동선·서미스터(thermistor) 등이 쓰인다.

백금선은 내식성(耐蝕性)이 좋고, 전기저항이 안정되어 있으며, 온도에 의한 저항 변화도 크기 때문에 정밀 온도측정에 쓰이고 있는데, 그 가격이 비싸다는 단점이 있다. －200∼500℃ 정도의 범위의 온도측정에 사용된다.

300℃ 정도라면 니켈선, 150℃ 이하에는 동선이 쓰인다. 이러한 순금속의 저항선은 온도가 높아지면 전기저항도 증대한다. 그런데 서미스터는 반대로 온도가 상승하면 전기 저항이 줄어든다. 더구나 그 저항 변화가 매우 크고, 약간의 온도 변화에도 저항의 변화가 크게 나타나므로, 정밀한 온도차의 측정에 편리한 것이다.

저항온도계로 온도를 측정하는 경우에는 측온저항체(測溫抵抗體)와 3개의 저항선을 〔그림〕－40과 같이 접속한 전기회로가 이용되는 것이다. 이런 전기회로를 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)라고 하며, 전기저항을 측정하기 위한 방법이다.

브리지의 두 변(邊) R1과 R2는 고정저항(固定抵抗)이고, R3는 가변저항(可變抵抗)이다. 브리지의 AB 사이에 전지를, CD 사이에 검류계(檢流計)를 연결하여 R1과 R2의 저항치(抵抗値)를 같게 한다.

그렇게 하면 측온저항체의 저항치와 R3의 저항치가 같을 경우, C와 D의 전위(電位)가 같게 되어 검류계에 전류가 흐르지 않는다. 그러므로 측온저항체를 측정부에 넣고, 검류계의 지시가 0을 가리키도록 저항 R3를 조절하여 R3의 저항치를 읽으면 그 값이 곧 측온저항체의 저항치이며, 따라서 그 값을 앎으로써 온도를 측정할 수 있다.

열방사를 이용한 온도계

熱放射－利用－溫度計

고온 물체는 열을 방사한다. 물체의 표면에서 방사되는 열에너지는 그 표면 온도에 따라 다르다. 이것을 이용해서 물체의 표면 온도를 측정하는 온도계를 가리켜 열방사를 이용한 온도계라고 한다. 이런 온도계는 약 1,000℃ 이상의 고온도를 측정하는 데 쓰인다. 태양의 표면 온도가 약 6,000°K라고 알려져 있는 것 등도 이 방식의 온도계로 측정한 결과에 의한 것이다.

용광로 속의 온도를 측정하는 데에는 광고온계(光高溫計)가 쓰인다.〔그림〕－41과 같이 망원경 속에 전구(電球)가 있어서, 측온 물체를 볼 경우 물체의 밝기와 전구의 필라멘트의 밝기가 비교되도록 만들어져 있다.

필라멘트에 통하는 전류를 조절해서 필라멘트의 밝기가 물체의 밝기와 같게 되었을 때의 전류를 조사하여, 필라멘트의 온도를 알아봄으로써 물체의 온도도 그와 같은 것으로 보아 온도를 측정하는 방법이다. 필라멘트를 육안으로 보는 대신 광전관(光電管)을 이용하여 자동적으로 측정할 수 있게 만든 것을 광전고온계(光電高溫計)라고 한다.

전기의 측정

전류·전압의 측정

電流·電壓－測定

전류·전압의 측정에는 서로 다른 여러 가지의 방식과 측정기가 사용된다. 그것은 전기의 성질이 직류(直流)의 경우와 교류(交流)의 경우가 서로 다르고 같은 교류에서도 저주파(低周波)와 고주파(高周波)와는 다르며 또 소전류(小電流)·저전압, 대전류·고전압 등 여러 가지의 경우가 있기 때문이다.

가동코일형전류계

可動 coil 型電流計

직류의 전류 측정에 널리 쓰이고 있는 것으로서, 그 구조는 〔그림〕－42와 같다.

영구자석(永久磁石)의 양극 사이에 원통형의 연철편(軟鐵片)을 고정하고, 그 간격에 생기는 일정 자장(一定磁場) 안에 코일을 장치한다. 코일에는 회전축(回轉軸)이 달려 있고 축받이에 의해서 유지된다. 회전축에는 가벼운 지침과 용수철이 부착되어 있다. 용수철은 코일의 상하로 두개가 있어 각각 코일의 권선(卷線)의 양단과 접속되어 코일에 측정전류를 끌어들이는 역할도 한다.

코일에 측정전류가 통하면 코일은 전류의 크기에 비례한 회전력을 받아 그 회전력과 용수철의 힘이 균형을 이룰 때까지 회전해서 정지한다. 그 회전각(回轉角)을 지침의 움직임에 의해 읽음으로써 전류를 측정할 수 있다.

코일 속을 흐르는 전류의 방향을 반대로 바꾸면 코일은 반대방향으로 회전한다. 만일 교류 전류를 통하게 하면 전류의 방향은 주기적으로 바뀌므로 이에 따라 지침도 좌우로 움직이는데, 주파수가 높아지면 코일의 움직임은 전류의 방향 변화를 따를 수 없게 되고, 그 결과 지침은 전혀 움직이지 않는다. 즉 코일 속을 흐르는 전류가 직류가 아니면 측정할 수가 없다.

전선을 접속하는 측정단자(測定端子)에는 ＋－의 기호가 들어 있다. 측정할 때에는 ＋단자로부터 －단자로 전류가 흐르도록 전선을 접속해야 한다.

가동철편형전류계

可動鐵片型電流計

고정된 코일 속에 고정연철편(固定軟鐵片)과 가동연철편을 넣고 코일에 측정전류를 통할 때 그 철편이 자화(磁化)해서 생기는 반발력 또는 흡인력(吸引力)을 이용하여 전류를 측정하는 구조로 되어 있다.

〔그림〕－45는 반발력을 이용한 전류계의 한 예이다. 가동철편은 회전축에 달려 있어서 자화하여 반발력을 받으면 축이 회전하며, 그 회전은 용수철과 균형이 이루어지면 정지한다. 이 회전각을 지침에 의해서 읽으면 전류의 크기를 알 수 있다.

전류의 방향이 바뀌면 철편이 자화하는 극(極)도 바뀌는데 고정철편 및 가동철편이 다 같이 바뀌므로 반발력의 방향은 바뀌지 않는다.

따라서 교류전류의 측정이 가능하며 직류에도 사용된다. 다만 철편에 자성(磁性)이 남는 결점이 있기 때문에 정밀 측정에는 적합하지 않고, 주파수가 높은 교류의 측정에 사용할 수도 없다. 전류계에는 이 밖에 고주파 교류의 전류 측정에 쓰이는 열전대형전류계, 교류전류의 비교적 정밀한 측정에 쓰이는 전류력계형전류계(電流力計型電流計), 정류기(整流器)와 직류 전류계를 결합한 정류형전류계 등이 있다.

전류계의 코일에 통할 수 있는 전류의 크기에는 한계가 있다. 이 한계를 넘는 큰 전류를 측정하기 위해서는 코일에 병렬(竝列)하도록 분류기(分流器)를 접속하여야 한다.

코일과 분류기의 양쪽 전류의 비(比)를 미리 알아 두면 코일 속을 흐르는 전류를 측정해서 전체의 전류 I`` 를 알 수 있다. 여러 가지의 저항치(抵抗値)를 가지는 분류기에 바꾸어 접속함으로써 전류측정의 범위를 적당하게 조절할 수 있다(〔그림〕－43).

전압계

電壓計

전압 측정에는 일반적으로 전류계와 저항을 직렬(直列)로 접속한 방식의 전압계의 사용되고 있다(〔그림〕－44). 전압계의 내부 저항을 R`` , 전압 계속을 흐르는 전류를 I`` 라고 하면, 전압계의 측정단자(測定端子) 사이의 전압 V`` 은 옴의 법칙(ohm 法則)에 따라서,

V=IR`` 이며, R` 가 일정하면 V` 는 I 에 비례한다. 그러므로 I` 를 알면 전압 V` 를 측정할 수가 있다.

전압의 측정 범위를 바꾸려면 직렬에 접속하는 저항을 바꾸면 된다. 이 직렬에 접속하는 저항을 분압기(分壓器) 또는 배율기(倍率器)라고 부른다.

전류계나 전압계를 사용할 때에는 직류용이냐 교류용이냐 하는 점을 주의하여야 한다. 보통 직류용에는 －의 기호가, 교류용에는 ∼, 교류·직류 양용(兩用)에는

의 기호가 들어 있다. 그리고 전류계는 측정하는 전기회로에 직렬로 접속하고, 전압계는 병렬(竝列)로 접속하는 점도 잊지 말아야 한다(〔그림〕－46).

저항의 측정

抵抗－測定    저항체를 흐르는 전류를 전류계로 측정하고, 동시에 전압계를 사용해서 저항 양단 사이의 전압 를 측정하면 옴의 법칙에 의하여, 저항체의 전기저항 는,

  

로써 산출된다.

  이 방법은 전구나 전열기 등의 저항을 사용 상태에서 측정하기에 편리한 것이다.

휘트스톤 브리지법

Wheatstone bridge 法

0.1∼106Ω 정도의 저항 측정에 이 방법이 널리 이용되고 있다.

〔그림〕－47의 a에서 보는 바와 같이, 휘트스톤 브리지는

R1, R2, R3, R4의 4개 저항을 접속하고, 그 접속점 A, B 사이에 전지를 C, D 사이엔 검류계(檢流計) G를 접속한 전기회로로써 구성된다. 가령 R1＝ R2, R3＝ R4라고 하면, 도선 ABC와 ADB를 흐르는 전류는 같은 값(크기)으로 되어, CD 사이에 전위차(電位差)가 생기지 않으므로 검류계에는 전류가 전혀 흐르지 않는다.

그런데 어느 하나의 저항이, 예컨대 R4의 저항치가 달라지면 그 균형 상태가 무너져서 CD 사이에 전위차가 생기고 검류계에 전류가 흐르게 된다. 이것을 본래의 균형 상태로 회복하려면 R3의 저항치를 R4의 것과 같이 되도록 바꾸면 된다. 이러한 관계를 이용해서 전기의 저항을 측정할 수가 있다.

〔그림〕－47의 b와 같이 R4에 측정하려는 저항을 접속하고, R3는 가변저항(可變抵抗)으로 한 것이 그 예이다. R4를 접속한 다음 스위치 S를 넣어서 회로에 전류를 통하고, R3의 저항치를 조절하여 검류계 G의 지시가 0으로 되었을 때의 R3 저항치의 지시치(指示値)를 읽는다. R3의 저항치를 미리 알아 두면 그 지시치에 의해서 R4의 저항치를 산출할 수 있다.

검류계 지침의 움직임을 눈으로 보며 손으로 R3의 조절을 하는 대신 기계에 의해서 자동적으로 측정하는 방법이 있는데, 이것은 공장 등에서 사용하는 자동평형형(自動平衡型)의 지시기록계에 이용되고 있다.

〔그림〕－47의 c와 같이 브리지 AB의 사이에 교류전원(交流電源)을 연결한 것이 그것이다. 만일 CD에 전위차가 있으면 그것이 증폭되어 서보모터(servomotor)를 회전시키고, R3를 자동적으로 조절하여 CD 사이의 전위차가 0으로 되면 서보모터의 회전이 멎는다. 이 때의 R3 접속자의 위치를 보면 R4의 저항치를 알 수 있다. 이 계기(計器)는 온도나 길이, 그 밖의 각종 측정량을 전기저항으로 변환하여 측정하는 지시기록계로서 널리 쓰이고 있다.

테스터

tester

라디오나 텔레비전을 조립할 때에 테스터가 쓰이는데, 이것은 50∼500μA 정도의 전류계에 분류기나 분압기를 결합해서 여러 가지의 직류전압·직류전류·교류전압·저항 등을 측정하는 계기이다(〔그림〕－48).

여러 가지의 저항치를 가지는 분류기나 분압기를 다이얼로 조절하여 측정 범위를 바꿀 수 있다. 보통 사용되고 있는 것으로는 분류기를 바꿈으로써 1μA로부터 10A 정도까지의 직류전류가 측정되며, 분압기를 바꿈으로써 0.1∼1,000V 정도의 직류전압을 측정할 수 있다. 교류전압을 측정할 경우는 다이얼을 돌림으로써 테스터 내부에 있는 정류기를 거쳐 전류계에 전류가 흐르도록 한다.

저항을 측정하려면 테스터(tester) 내부에 들어 있는 전기에 의해서 측정 저항체에 전류가 통하도록 다이얼을 돌리고, 전류가 흐를 때의 전류계의 지시로 저항치를 읽는다.

오실로그래프

oscillograph

전류나 전압이 시간과 더불어 어떻게 변하는가 따위를 알아 볼 때에 쓰이는 측정기로서, 일반에게 많이 알려져 있는 것으로는 브라운관(Braun 管) 오실로그래프가 있다. 구조는 텔레비전의 브라운관과 원리적으로는 같다(〔그림〕－49).

음극(陰極) K에 전류를 통해서 더워지면 전자가 튀어나온다. 음극 K와 양극(陽極) A1과의 사이에 높은 전위차가 가해지고, 양극 A1은 높은 ＋의 전위로 되어 있으므로 K에서 나온 전자류(電子流)는 A1쪽으로 향하여 가속(加速)된다. A1의 중앙에는 작은 구멍이 있어서 그 구멍을 빠져나간 전자류는 렌즈의 작용을 하는 양극 A2를 거쳐 형광면(螢光面)에 초점을 맺고, 그 곳에 휘점(輝點)을 발생한다.

전자류가 흐르는 통로의 도중에 판을 맞붙인 전극(電極) P1, P2가 있고, 그것은 서로 직각을 이루도록 배치되어 있다. 이 전극 사이에 전자가 흐르면, 전자류는 ＋전극 쪽으로 구부러지는데, 그 변위(變位)는 전극판 사이의 전압에 비례한다(〔그림〕－50).

그러므로 관찰하려는 물리량(物理量)을 전압으로 변환해서 전극에 가하면, 그 시간적인 변화의 상황을 형광면상의 휘점의 변화로써 알아볼 수가 있는 것이다.

전극 P2에 가령 전위차가 점점 높아지다가 어느 정도에 도달하면 순간적으로 전위차가 0으로 되는 주기적 전압을 가한다면, 브라운관의 형광면에는 수평의 휘선(輝線)이 나타난다. 이것을

시간축(時間軸)이라고 한다.

여기에 다시 알아보려는 전압을 전극 P1에 가하면, 전자류(電子流)가 P1을 통할 때 그 곳에 가해진 전압에 비례하여 상하로 구부러진다. 그리고 형광면 위의 종축(縱軸)에 조사하려는 전압의 변동에 따르는 파형(波形)의 무늬가 나타난다.

오실로그래프에서는 일정 주기의 전압파(電壓波)에 의해서 시간축이 나타나므로, 알려는 전압의 파형(波形), 즉 입력파형(入力波形)이 주기적 변동을 하는 파형이 아닌 경우에는 브라운관의 형광면에 나타나는 파형은 안정되지 않는다. 이런 경우에 입력파형이 올 때마다 전압파의 치상파(齒狀波)가 하나만 나와서 시간축을 만들고, 입력파형이 브라운관 위에 나타나도록 만든 것이 있다. 이것을 싱크로스코프(synchrosope)라고 한다. 한 번밖에는 일어나지 않는 순간현상의 파형을 조사하기에는 싱크로스코프가 편리하다.

한편, 형광면에 나타난 파형 무늬가 오랜 시간 남아 있도록 고안된 브라운관을 사용한 것도 있는데, 이것은 메모리스코프(memoryscope)라고 부른다.

전력량의 측정

電力量－測定

일정한 기간에 소비된 전력의 양을 측정하는 데에는 적산전력계(積算電力計)가 쓰이는데, 일반적으로 이것은 전기미터(電氣meter)라는 이름으로 통칭되고 있다.

주택에는 대개 옥외의 전선으로부터 옥내 배선에 접속되는 곳에 적산전력계가 설치되어 있다. 적산전력계의 내부에는 축을 중심으로 해서 회전되는 가벼운 알루미늄의 원판과 그 원판의 상하에 각각 전압코일과 전류코일이 있다. 전압코일은 옥내 배선과 병렬로 접속되어 있으며 코일의 권수(卷數)가 매우 많고, 전류코일은 옥내 배선에 직렬로 접속되며 코일의 권수는 적다. 이 코일들은 철심(鐵心)에 감겨 있어서 코일에 전류가 통하면 철심의 극에 각각 자장(磁場)이 생기는데, 자장의 강도는 전류의 크기에 비례한다.

여기에서 전압코일은 그 권수가 많기 때문에 그 곳을 흐르는 전류는 가해지는 전압의 위상(位相)보다 90° 정도 늦어지고, 전류코일을 흐르는 전류와의 사이에 위상차(位相差)가 생긴다. 그러므로 코일을 흐르는 전류에 의해서 생기는 철심의 극의 자장 변화가 시간적으로 어긋나고, 전체로서의 자장이 일정한 변화를 반복하여 이른바 이동자장(移動磁場)을 이룬다.

따라서 알루미늄원판은 원판 안에 발생하는 와전류(渦電流) 때문에 회전력을 얻어 일정한 방향으로 회전한다. 그리고 그 회전속도는 각 철심의 자장 강도의 곱(積), 즉 전류코일을 흐르는 전류와 전압코일 양단(兩端) 사이의 전압의 곱(電力)에 비례하므로, 원판의 회전수에 의하여 소비된 전력량을 측정할 수가 있다.

알루미늄원판의 축 회전을 치차로써 계수 장치에 전달시켜, 소비전력량이 지침에 의해서 지시되도록 만들어져 있다(〔그림〕－51).