질  량  계


(1)  공급 방식
   질량의 표준 공급 특징은, 질량 측정 그 자체보다는 거래나 증명에 많이 이용되기 때문에 다른
     양의 경우에 비교해서 계량법에 의존하는 비율이 높다.
   표준으로 설정된 정표준 분동으로부터 순차적으로 각종 표준 분동이 교정되고, 그것에 의해

     유지되는 질량 표준을 이용해서 그림 1-1에
     나타내는 경로로 사용자에게 공급된다.
   이 공급은 특히 계량 및 측정에 관한 법률에
     의해서 유지되고, 일반 사용자는 검정에
     의해, 고도의 정확도를 필요로 하는 특수
     사용자에게는 비교 검사 또는 기준기 검사에
     의해 실시된다.
     검정 및 검사는 전수 검사인 개별 검사에 의해
     합격, 불학격이 결정된다.
(2)  검  정
   검정이란 계량기를 검사하고, 합격한 계량기에
     대하여 검정 증인을 표시하는 것을 말한다.


그림 1 - 1 표준 공급 체계

   검정은 계량법의 계량기 검정, 검사 요령에 따라서 실시하며, 여기에는 검정 대상 품목,
     공차, 구조, 기구, 검정 방법 등이 정해져 있다. 계량기의 검정은 개개의 계량기에 있어서
     구조와 기차의 양쪽을 검사하지만, 구조검사, 특히 내구성에 있어서 충분한 검사를 하는 것은
     대단히 중요하다. 여기서 구조검사를 상세히 할 필요가 있는 계량기(스프링식 저울 등)에
     있어서, 일반적으로 같은 것을 다수 생산하는 품종에서 당초 제출한 시제품에
     대해서 충분한 시험을 실시한다. 이것에 합격한 것에 대해서는 그 후 생산되는
     동일 구조의 것에 대해서는 구조 검사를 생략하고 기차의 검사만을 실시해서
     능력화를 꾀하고 있다. 합격한 품종에는 형식 승인번호가 부여된다.
   질량계의 검정은 분동, 추, 저울에 대해서 실시한다.

(3)  비교 검사
   검정에 의해 공급되는 보통 분동보다 높은 정도가 요구되는 경우에 비교 검사가 있으며,
     질량계에서는 정밀급 이상의 분동만이 그 대상에 포함된다. 이것은 법령상의 검사로 , 검정에
     합격한 보통 분동은 그 기차가 공차의 범위 내에 하여도, 구체적인 수치는 명확하지 않기
     때문에 정밀 측정에는 정도가 부족하다.
   비교 검사도 검정과 같이 구조, 기차 등에 대해서 검사하고, 합격한 경우에는 기차를 기록한
     비교 검사 성적서가 교부된다.
(4)  기준기 검사
   검정에 의해 공급되는 분동, 추 및 저울의 정도 관리와 계량기를 제조하는 데 기준이
     되는 표준이 필요하다, 이 공급을 위해서는 계량 및 측정에 관한 법률에 따른다.

(1)  끝달림(칭량)
   저울로 안전하게 정확히 계량할 수 있는 최대 계량 능력(capacity of scale), 즉 계량기에
     표시되는 최대의 질량을 말한다.
     통상 저울에는 '끝달림○○㎏'이라고 표기된다.
(2)  감  량
   저울의 지침, 눈금 등에 명확한 변위를 발생시키는 최소의 질량을 말한다. 질량계마다
     '감량△△㎏'이라고 표기하고 있다.  KS A 3009의 계측 용어에는 ' 석별 한계'라고 한다.
(3)  회귀점
   진동 상태에 있는 수동 맞저울의 지침 흔들림의 최대 진폭위치를 말한다.
(4)  정지점
   동작 상태에 있는 저울이 평형을 이루며, 정지하는 위치를 말한다. 그러나 수동 맞저울에는
     감쇠 진동의 홀수 회의 회귀점 측정에서 진동의 중심을 구해서 진동이 정지하는 점을 추정한다.
(5)  영  점
   빈 접시 상태에서 저울의 정지점(평형 위치)을 영점이라 한다.

(1)  분  동

표1-1 분동의 종류 및 등급 (KS B 5308)

(단위 : ㎎)

                       등급
  종류
  (질량의표기량)

특별 정밀급

정 밀 급

보 통 급

E₁

E₂

F₁

F₂

M₁

M₂

50㎏
20㎏
10㎏
5㎏
2㎏
1㎏

±25
±10
±5
±2.5
±1.0
±0.50

±75
±30
±15
±7.5
±3.0
±1.5

±250
±100
±50
±25
±10
±5

±750
±300
±150
±75
±30
±15

±2500
±1000
±500
±250
±100
±50

±3000
±1500
±1000
±500
±200
±120

500g
200g
100g
50g
20g
10g
5g
2g
1g

±0.25
±0.10
±0.05
±0.030
±0.025
±0.020
±0.015
±0.012
±0.010

±0.75
±0.30
±0.15
±0.10
±0.080
±0.060
±0.050
±0.040
±0.030

±2.5
±1.0
±0.5
±0.30
±0.25
±0.20
±0.15
±0.12
±0.10

±7.5
±3.0
±1.5
±1.0
±0.8
±0.6
±0.5
±0.4
±0.3

±25
±10
±5
±3.0
±2.5
±2.0
±1.5
±1.2
±1.0

±80
±40
±20
±15
±10
±6
±4
±2
±2

500㎎
200㎎
100㎎
50㎎
20㎎
10㎎
5㎎
2㎎
1㎎

±0.008
±0.006
±0.005
±0.004
±0.003
±0.002
±0.002
±0.002
±0.002

±0.025
±0.020
±0.015
±0.012
±0.010
±0.008
±0.006
±0.006
±0.006

±0.08
±0.06
±0.05
±0.04
±0.03
±0.025
±0.020
±0.020
±0.020

±0.25
±0.20
±0.15
±0.12
±0.10
±0.08
±0.06
±0.06
±0.06

±0.8
±0.6
±0.5
±0.4
±0.3
±0.25
±0.20
±0.20
±0.20

-
-
-
-
-
-
-
-
-

   분동의 종류는 일반 계측용의 분동, 비교 검사분동, 기준 분동으로 분류되며, 또한 그 표기량에
     따라 1㎎~50㎏의 24종으로 나누어지는데, 정밀도에 따라 특별 정밀급, 정밀급, 보통급으로
     구분한다 (표1-1)
(2)  추
   분동과 추가 다른 점은, 표기되어 있는 질량과 분동 자체의 질량이 같은것 이지만,추는 그렇지않다.

(a) 침형 분동

(b) 원주형 분동

(c) 판상 분동

(1)  분  동

(a) 정량 증추

(b) 부정량 증추

(c) 정량 추

(2)  추

그림 1-2  분동 및 추의 형상과 구조


그림 1-3  형상으로 질량을 표시하는 분동

   추에 표기된 질량값은 추의 질량과 추가 사용되는 저울의 지렛대와의 관계에서 저울에
     작용되는 걸림량을 말한다.(그림1-2)

(1)  정지점 읽기
   ①  진동법
          진동법은 저울이 진동 중에 있을 때 진동의 희귀점을 연속적으로 읽어서, 그 희귀점으로
            부터 정지점을 계산해 내는 방법이다.
   ②  정지법
          저울의 진동 상태를 강제적 혹은 자동적으로 정지시켜 정지점을 읽는 방법이다. 정지법은
            저울의 진동이 쉽게 멈추는 스프링식 저울이나, 진동을 감쇠시키는 댐퍼(damper)가
            있는 저울에서 읽는 방법이다.
(2)  일반적인 측정
   스프링 접시 지시 저울의 경우, 먼저 0점을 조정한 다음, 피측정물을 접시 위에 올려 놓고
     저울의 지시값을 읽어서 피측정물의 질량값으로 한다.
(3)  간이법
   수동 맞저울의 경우, 빈 접시 상태의 정지점 O₁을 읽고, 피측정물 T를 왼쪽 접시에 놓으며,
     오른쪽 접시에 분동M을 놓아 평형시키고, 정지점 O₂를 읽는다. 다음에 어느 한 쪽 접시에
     감도 분동△를 놓고, 정지점 O₃를 읽는다. 따라서 질량 T는
          T=M+△/O₂- O₃(O₂- O₁) 이다.

   질량의 정밀 측정 방법에는 이중 치환법과 이중 전위법이 있는데, 이중 치환법은 수동 맞저울과
     반지시 맞저울 모두에 적용할 수 있고, 이중 전위법은 수동 맞저울에만 적용되는 방법이다.
(1)  이중 치환법(double substitution method)
   이 방법은 정밀 측정에서 가장 많이 쓰이고 있으며, 보르다 방법(Borda method)이라고도 한다.
     특히 반지시 맞저울은 이 방법의 원리를 이용하여 개발된 것이다.
     <수동 맞저울의 경우>
   ①  저울을 휴식시킨 상태에서 표준 분동 S를 저울의 왼쪽 접시에 놓고, 이에 상당하는
          임의의 보조 분동을 오른쪽 접시에 놓는다. 저울을 동작시켜서 정지점O₁을 읽고,
          저울을 다시 휴식시킨다.
   ②  위의 상태에서, S를 왼쪽 접시에서 내리고, 피측정 물체 T를 대신 올려 놓으며, 저울을
          동작시켜 정지점O₂를 읽어서 기록한다.
   ③  위의 상태에서 왼쪽 접시에 감도 분동 △를 보탠 후 저울을 동작시켜 정지점O₃를
          읽고 기록한다.
   ④  ③의 상태에서 왼쪽 접시에서 T를 내려 놓고, S를 다시 올려 놓아 정지점 O₄를 기록한
          후 저울을 휴식시켜 둔다. (그림 1-3)
   위의 4단계로 정지점 O₁O₂O₃O₄을 구하였고, 이 정지점을 이용하여 저울의 감도를
     구하면 다음과 같다.

그림 1-3  수동 맞저울에 의한 이중 치환법

(2)  이중 전위법(double transposition method)
   이 방법은 가우스(Gauss) 방법이라고도 하며, 수동 맞저울과 같은 구조에만 적용되는 방법이다.
   ①  저울을 휴식시킨 상태에서 왼쪽 접시에 표준 분동 S, 그리고 오른쪽 접시에 피측정물
          T를 올려 놓고 저울을 동작시켜 정지점 O₁읽고, 다시 저울을 휴식시킨다.
   ②  S와T의 위치를 서로 바꾸어 놓고 저울을 동작시켜 정지점 O₂를 읽고, 저울을 휴식시킨다.

 

(a)

(b)

(c)

(d)

그림 1-4  이중 전위법에 의한 질량의 정밀 측정법

   ③  위의 상태에서 감도 분동 △를 T(왼쪽)에 더하여 저울을 작용시켜 정지점 O₃를 읽고,
          저울을 휴식시킨다.
   ④  위의 상태에서 △는 그대로 두고, S와 T만을 서로 위치를 바꾸어 저울을 동작시켜서
          정지점 O₄를 읽은 다음. 저울을 휴식시킨다.
   이러한 4단계를 거쳐서 구한 정지점 O₁, O₂, O₃, O₄와 S, T, △를 이용하여 계산한다.
     저울의 한 눈금에 상당하는 감도 K는
          K = △/O₃- O₂
     S와 T의 질량 차이 X는
          X = K(O₁- O₂/2 + O₄- O₃/2) ×½
             = △/O₃- O₂ (O₁- O₂) + (O₄- O₃)/4
   이 같은 4단계를 거쳐서 계산할 때, 이를 이중 전위법이라 하고, 단계4를 생략할 때 이를
     단일 전위법(single transposition method)이라 한다. 이 때에 K는 이중 전위법에서 같고,
     질량 차이 X는 다음과 같다.
          X = △/O₃- O₂ . O₁- O₂/2
   이러한 두 가지 방법에 있어서 표준 분동 S와 피측정물 T의 질량은 그 차이가 근소한 값이
     되도록 한 후에 측정을 실시해야 한다.

   저울에 놓이는 물체는 중력에 의하여 지구의 중심으로 향하는 힘과, 부력에 의하여 위로 향하는
     힘이 동시에 작용하고 있다. 지구의 중력 가속도가 g인 곳에 질량 M, 밀도라 d, 그리고 부피가
     V인 분동이 있다고 할 때. 지구의 중력에 의하여 분동이 받는 힘 Fc 는
          Fc = Mg
     이고, 밀도 p인 공기에 의하여 분동이 받는 부력 Fb 는
           Fb = pVg
     가 되며, 이 분동에 의하여 저울에 작용된 힘 W는 Fc에서 Fb를 뺀 값이 된다.
          W = Mg - pVg
              = M(1-p/d)g
     여기서 (1-p/d)는 부력 보정이다.
   피측정물 T와 표준 분동 S를 이중 치환법으로 질량 차이 X를 측정한 식에 부력보정을 적용하면,
     T의 밀도를 dr, S의 밀도를 ds, 감도 분동 △의 밀도를 d△ 라 하면,측정된 부력 보정을 해
     준 측정값 T는

          T = S(1-p/ds) - X(1-p/d△)
               ---------------------
                      (1-p/dr)

     로 되며, 여기서 p는 측정 당시의 공기의 밀도로 측정 실습실(실험실)의 온도, 압력, 습도
     로부터 구한다. p의 단위는 g/㎤이다.

   수동 맞저울은 양팔의 길이가 길고, 구조가 간단하며, 저울 중에서 가장 역사가 긴데, 정밀도가
     높아서 실험 및 연구에 많이 활용되고 있다. 수동 맞저울의 끝달림(칭량)은 미량에서부터
     1톤까지 이르며, 상대 정밀도가 10-5 ~ 10-9 정도의 높은 수준을 가지고 있다.
(1)  기본 원리
   수동 맞저울의 저울대는 1차 지렛대의 일종이며, 그원리는 그림1-5와 같다. 1차 지렛대는 지점
     O를 축으로 회전할 수 있으며, 왼쪽에 물체의 무게 W0가 작용하는 중점A가 있고, 지렛대를
     평형시켜 주는 힘 P0가 작용하는 역점 B가 있다. 두 점 A와B는 동등하며, 하나가 역점이면 다른
     한 점은 중점으로 서로 바뀔 수 있다. G는 지렛대의 무게이며, 무게 중심이 C에 위치한다.
     지렛대에 작용하는 힘 W0, P0, G의 힘은 모두 지구의 중력 방향이므로 지렛대가 그림 1-5와
     같은 상태에서 회전하지 않고 평형이 되었다면
          W0 . a = P0b + G . d
      가 된다.

그림 1-5  수동 맞저울의 원리

   윗식에 수동 맞저울을 적용시켜 보면, G는 저울대의 무게이고 W0는 역점A에 걸려 있는 접시의
     무게, P0는 역점 B에 걸려 있는 접시의 무게라고 보면 된다. 그러므로 윗식은 빈 접시 상태에서
     의 평형식이 된다. 윗식에서 왼쪽 접시에 질량 Mw(무게 W)인 물체를 올려 놓고, 오른쪽에는
     질량 Mp(무게 P)인 운동을 올려 놓아 빈 접시상태로 같이 평형을 맞추었다면
          (W0+W)a = (P0+P)b+G . d
     가 된다.
     여기서 Wa = Pb
                Mwag = Mp . B G
     가 얻어지고, a = b라면 Mw = Mp 가 되므로 분동의 질량 M에 의해서 물체의 질량 Mw
     를 구할 수 있게 된다.
(2)  구  조
   수동 맞저울의 구조는 그림 1-6과 같으며, 저울대, 날과 날받이, 접시 이음 고리, 라이다와
     라이다대, 휴식 장치, 수평기, 도표와 지시 바늘로 구성되어 있다. 여기서 휴식 장치는 저울에
     예기치 않은 충격과 분동 및 피측정물을 얹어 놓을 때 발생하는 충격으로 저울에 손상을 주는
     것을 방지하는 역할을 한다.

 

그림 1-6  수동 맞저울의 구조

(3)  정지점의 측정 방법

   정지점의 측정에는 정지법(댐퍼가 있는 경우)과 진동법이
     있지만, 여기서는 정밀 측정에 많이 사용되고 있는 진동법
     에 의한 측정법에 대해서 설명한다.
   정울대가 진동을 계속하고 있는 동안 도표(눈금)상에서
     지시바늘의 좌우 진동의 희귀점을 읽어서 정지점을
     환산해 내는 방법이 진동법이다. 이 방법은 연속한 홀수
     회의 희귀점으로 정지점을 계산한다. 그림 1-7에서 보면

그림1-7  도표(눈금)읽는 법

     (a)의 경우는 반드시 ±의 부호가 틀리지 않도록 해야 한다. 연속해서 읽은 휘귀점의 지시값이
     X₁,X₂,X₃.....라 하면 정지점 R은
   ①  3회의 경우
          R = ½{½(x₁+x₃) + x₂}
   ②  5회의 경우
          R = ½{⅓(x₁+x₃+x5) +½(x₂+x₄)}
     이다.
   희귀점을 읽을 때에는 1눈금의 1/10까지 목측으로 읽도록 한다.
     <정지점 계산의 예>

예 1 ]   좌               우
        x₁=8.5         x₂=11.5
        x₃=8.6         x₄=11.4
        x5  =8.7
---------------------------
평균    8.60                11.45
정지점 R = 10.03

예 2]   좌               우
        x₁=5.5         x₂=10.3
        x₃=5.6         x₄=10.1
        x5  =5.8
---------------------------
평균    5.63                10.20
정지점 R = 7.92

(4)  오차 요인
   ①  기  차
          수동 맞저울에서는 양팔 길이의 오차를 기차라 한다.
   ②  편심 오차,  ③  라이다대 오차,  ④  날과 날받이의 접촉 상태 오차,  ⑤  휴식 장치
   ⑥  온도,  ⑦  습도,  ⑧  기류,  ⑨  기압 변화,  ⑩  진동 등이 있다.
(5)  성능 시험
   ①  라이다의 성능
          라이다의 질량, 라이다대의 눈금 오차
   ②  감도 변화, 정지점 변화, 기차
   ③  정밀도 측정
          정밀도 검사는 끝달림이나 끝달림의 1/2 또는 1/4인 분동 A와 B를 5회 이상 비교
            측정하여 표준 편차를 구한다.
   ④  편  심
          편심 오차는 끝달림의 1/3 또는 그 이하의 질량에 해당하는 분동을 사용한다.
(6)  시험 결과
   저울의 성능은 기차와 불확실도로 나타낸다.
      예]   기차 : E = -3.5 ×10-5
              표준 편차 : 0.0145㎎
              불확실도 : 3∂ = 0.4㎎
              상대 정밀도 : 4 ×10-6

   판수동 저울의 끝달림은 50㎏부터 2,000㎏ 범위이므로, 50㎏ ~ 200㎏ 범위가 시중에 많이
     이용되고 있다. 이 저울은 비교적 무거운 물품을 달기 위하여 직렬로 연결된 영점조정의
     비를 크게 하고 있으며, 사용할 때는 증추와 송추를 병용해서 측정한다.
(1)  원  리
   지렛대의 원리를 이용한 이 저울은 그림 1-8과 같이 장기의 중점 A'₂,A"₂와 단기의 중점

그림 1-8  판수동 저울의 원리

     A'₃, A"₃의 4개의 중점으로 짐판을 직접지지하고 있다. 짐판의 임의의 위치에 하중 W를
     가했을 때 A'₂에 W'₂,A"₂에 W"₂,A'₃에 W'₃,A"₃에 W"₃의 하중이 작용하여 증추 하중
     P와 평형이 되었을 때 하중 W는
          W = (b₁ . b₂/a₁ . a₂) . P
     로 된다
(2)  구  조
   그림 1-9는 판수동 저울의 구조이다.

그림 1-9  판수동 저울의 구조

   ①  날과 날받이
          날은 저울대를 관통해 있고, 날받이는 날고리를 밑으로 하고 저울대의 양쪽에 놓여있다.
          날과 날받이의 재료는 탄소 공구강, 구조용 탄소 강재를 사용하며, 경도는 HRC 57
            이상이다.
   ②  눈금대, 증추걸이, 송추
   ③  스테이
   ④  휴식 장치

(3)  사용 방법
   측정 방법은 짐판에 올려 놓은 피측정 물체의 질량을 눈금대의 증추와 송추로
     평형시켜 증추의 질량과 송추의 지시값으로 구한다.
(4)  성능 시험(KS B 5307)
   ①  기차 시험
   ②  편심 시험
        편심 시험은 그림 1 . 10과 같이 끝달림의 1/4에 상당하는 분동을 표시 위치에 차례로
          올려 놓고 각 위치에 대한 기차를 구한다.
   ③  강도 시험,④  시도 변화 시험,  ⑤  놀음 시험,  ⑥  반복 작용 시험,  ⑦  수평 시험등이 있다.

그림 1-10  편심 오차의 시험위치

   스프링 접시 지시 저울은 하중의 변화를 스프링으로 감지한 후 눈금판 위에 지침이 회전하여
     피측정물의 질량을 지시하도록 되어 있다. 또한 가볍고 가격도 저렴하여 상거래용에 흔히
     사용된다. 이 저울은 끝달림이 주로 1㎏에서 30㎏까지이고, 정밀도는 1/200에서 1/400정도이다.
(1)  원  리
   스프링은 한 쪽 끝을 고정시키고 다른 한 쪽 끝에 힘을 가하면 탄성 한계 내에서 F = kx와 같은
     후크의 법칙(Hook's law)이 적용된다. 저울의 성능은 스프링의 성능에 의하여 좌우되므로
     하중 변화에 따라 스프링 상수가 일정한 것을 사용한다. 스프링상수 k는
          k = Gd⁴/8nD³
     로 된다. 여기서, G : 코일 스프링의 전단 계수
                              d : 코일 철사의 지름
                              D : 코일의 중심 지름
                              n : 코일의 유효 권수이다
(2)  구  조
   외부 구조는 물건을 올려 놓는 접시와 내부 부품을 보호하는 몸통, 그리고 눈금을 지시하는
     눈금판으로 구성되어 있다[그림1-10(a)], 그리고 0점 조정을 위한 0점조정 나사, 수평 조정을
     위한 수평기로 구성되어 있다. 내부 구조는 [그림 1-10(b)]와 같으며, 2개의 스테이는 한 쪽
     끝이 저울의 몸체에 연결되어 있고, 다른 쪽은 하중 받침대와 핀으로 연결되어 있다.
     작용은 하중 받침대→래크 레버→래크→피니언 기어→지침 순으로 작동된다.

(a)  외부 구조

(b)  내부 구조

그림 1-10  스프링 접시 지시 저울의 구조

(3)  제온 장치
   스프링은 재료의 특성으로부터 발생되는 히스테리시스(hysteresis)나 크리프(creep)현상은
     조정할 수 없으므로 탄성 계수가 큰 피아노선을 사용하는 것이 좋다. 그러나 온도가 변하면
     탄성의 변화를 일으켜서 같은 하중이라도 스프링의 늘어나는 정도가 달라지므로 지침의 지시
     측정값의 오차를 보상하기 위하여서 래크 레버에 바이메탈(bimetal)을 부착시켜서 사용한다.
(4)  오차의 요인
        ①  스프링에 의한 오차
        ②  편심 오차
        ③  눈금의 관측 오차
        ④  수평 상태에 의한 오차등이 있다.
(5)  성능 시험
   ①  기  차
          기차는 끝달림을 포함하여 가급적 단계적인 질량에 대하여 실시하며, 접시의
            중앙부에 기준 분동을 올려 놓고 실시한다.
   ②  감도 시험
          저울은 빈 상태와 사용 범위 내에서, 임의의 질량을 가한 상태에서 그 질량에 따른 기차의
            허용차에 상당하는 질량을 약 1㎝(그 질량이 5g 미만일 때는 약 2㎝)의 높이에서
            낙하하여 가감하였을 때 허용차에 상당하는 변위를 일으켜야 한다.
   ③  크리프 시험
      a)  끝달림에 상당하는 질량을 24시간 가하였을 때 전, 후의 기차의 차를 구한다.
      b)  영점 조정 후 끝달림에 상당하는 질량을 24시간 가한 후, 질량을 제거한 다음
             1시간 이내에 지침이 0눈금으로 복귀해야 한다.
   ④  내구성 시험
          끝달림에 상당하는 하중을 0.06m/sec의 속도로 10만 회 반복하여 가해서 실시한다.
   ⑤  온도 변화 시험
   ⑥  히스테리시스 시험
   ⑦  편심 시험
          그림 1-11과 같이 끝달림의 1/4에 상당하는 질량을 접시의 각 부분에 올려
            놓고 측정하였을 때의 오차는 최소 눈금값 이하여야 한다.
   ⑧  수평 시험
           등이 있다.

그림 1-11  편심 시험 위치

   아주 오래 전부터 사용해 온 저울로, 비교적 간단하고 가격이 저렴하며, 정도는 낮지만 현재도
     널리 사용되고 있다. 끝달림(칭량)은 1g~100㎏이며, 정도는 1/100 정도이다.(그림1-12)

그림 1-12  대저울의 외관

(1)  원  리
   대저울은 그림 1-13과 같이 AF, B와 AF', B의 단독 합체 공간으로 각각 독립된 역할을 한다.

그림 1-13  대저울의 원리

   AF'B는 가벼운 질량을 측정하는 데 사용되고, a를 길게 할수록 감도가 좋다. AFB는 기계적
     이득이 크므로 무거운 물품을 재는 데 쓰인다. 이 저울의 지점부터 0점의 눈금 길이 b0는
          b0 = W0a - Gd/P
     이고, 눈금 폭은

          b - b0 = W₁a
                      ------ W   
                           P 

     로 된다.

   전기식 저울은 전자력 평형식과 전기 저항선식의 주종을 이루고 있다. 전자력 평형식은
     전자력으로 하중과 평형을 이루는 원리로서 용량은 수 ㎎부터 수10㎏까지 이르며, 상대
     정밀도는 1/2,000에서 1/1,000,000정도에 달한다. 전기 저항선식은 하중에 의한 로드셀의
     비틀림을 전기 저항으로 감지하는 원리로. 용량이 1㎏부터 수톤까지 이르고, 상대 정밀도는
     1/1,000 ~ 1/10,000 정도까지이다.
(1)  전자력 평형식의 원리 및 구조
    그림 1-13은 전자력 발생 기구의 원리이다.

그림 1-13  전자력 발생 기구

   자기장 속에 있는 코일에 전류를 흐르게 하면 플레밍(Fleming)의 왼속 법칙에 따라 전자력이
     발생한다. 즉, 코일에 하중 W가 가해진 상태에서 전류 I를 서서히 증가시켜가면 어떤 전류값에서
     전자력이 하중을 이기게 된다. 이 때 전류를 미세하게 조절하여 평형 상태가 될 때, 코일에
     발생하는 힘 F와 하중 W가 일치하게 될 때 다음 식과 같이 하중을 전류의 관계로 나타내어
     질량을 측정한다.
          W = F
              = 2πnr BI
     여기서, r : 코일의 반지름, n : 코일의 권수, B : 자속 밀도
(2)  전기 저항선식 
   전기 저항선식은 탄성체에 하중이 가해지면 하중에 대응하는 탄성체의 비틀림이 발생한다.
     이 비틀림을 전기적 저항으로 검출하여 물체의 질량을 측정하는 것이다. 그림1-14는 저울에
     사용되는 전기 저항선식 하중 센서인 로드셀의 원리와 스트레인 게이지를 나타내고 있다.

(a)  스트레인 게이지식

(b)  로드셀 원리

그림 1-14  스트레인 게이지를 사용한 로드셀의 원리

   탄성체에 부착하여 사용되는 스트레인 게이지는 엷은 매트릭스 위에 가는 저항선이 나열된
     구조로서 탄성체가 비틀리면 저항선의 길이가 변하는 원리이다. 전항선의 저항R은
          R = pJ/A
     여기서, p : 저항선의 비저항, J : 저항선의 길이, A : 저항선의 단면적이다.
(3)  성능 시험
   ①  기  차
          교정용 분동으로 끝달림을 포함한 각 단계별로 측정하여 측정값(지시값)-분동의 값으로
            기차를 구한다.
   ②  반복 하중
          저울은 끝달림의 1/2에 상당하는 질량으로, 보통 사용 상태에서 5회 반복하여 순차적으로
            각 회의 기차를 측정하였을 때, 그 중 기차의 최대값을 말한다.
   ③  내 하 중
          저울은 끝달림으 1.5배에 상당하는 하중을 짐판의 중앙에 1분간 가했을 때
            이상이 없어야 한다.
   ④  짐판 이동,  ⑤  온도 변화,  ⑥  노이즈.  ⑦  전압 변동,  ⑧  감도,  ⑨  편심,  ⑩  0점
          변화 등이 있다.

   크레인에 장치된 저울로서 화물의 양을 중량을 측정하는 측정 기기로, 크레인이나 호이스트
     등에 사용된다. 이 저울은 효과적인 하역과 공정 관리 등의 목적으로 사용되며, 크레인의
     과부하를 방지하기 위한 장치로서도 안전을 위하여 필요한 저울이다.
   그림 1-15는 크레인 저울의 구조이다. 크레인 저울은 레버식, 로드셀식, 유압식의 3종류가
     있으며, 용수철을 이용한 것도 있다.

 

(a)  레 버 식

(c)  로드 셀식

(b)  유 압 식

그림 1-15  크레인 스케일의 내부 구조

   콘베어 벨트를 멈추지 않은 상태에서 콘베어 벨트로 수송되는 원료나 제품의 무게를 측정하고,
     그 수송물의 총무게를 누진적으로 적산(합산)하는 저울을 콘베어 저울이라 한다. 벨트를 통과
     하는 수송량의 측정 방법은 수송물의 단위 길이당 하중과 벨트의 진행 거리를 검출하여 곱셈과
     적분 기능을 이용하여 자동적으로 계측한다.
   주로 많이 사용되고 있는 전기식 콘베어 벨트의 경우, 하중감지는 스트레인 게이지식 로드셀을
     사용하고, 벨트의 속도는 펄스 발진기 등으로 검출하여 2개의 신호를 곱해서 시간에 대해
     적분하면 벨트 위를 통과하는 물체의 수송량을 측정할 수 있다.(그림1-16)

그림 1-16  콘베어 저울의 구성

   산업 분야에서 원료나 제품을 분체, 입체의 상태로 운반하거나 이동시키는 경우가 맣은데, 이들
     물품의 처리는 콘베어 시스템으로 불리는 연속 처리 방법과 배치(batch) 시스템으로 불리는
     불연속 처리 방법이 있다. 전자를 콘베어 벨트 스케일, 후자를 호퍼 저울 시스템이라 한다.
   호퍼 스케일은 비연속 측정으로 측정 시간이 많이 소요되나, 측정 정확도가 높고, 기기 관리가
     콘베어 저울보다도 쉽다. 호퍼 저울의 정량 제어 방식에는 이단 삽입 방법과 이중 측정 방법이
     있다. 이단 삽입 방법은 호퍼 내에 측정물의 누적량이 설정량에 가까워졌을 때 갑자기 공급량을
     감소시키고, 그 후에는 미량 공급을 계속하여 정량에 도달하면 공급을 중단시키는 방법이다.
     이중 측정 방법은 대량 공급용 호퍼와 미량공급용 호퍼의 2대를 사용하여 정량을 제어하는
     방법이다.
   그림 1-17은 호퍼 저울의 구성요소이다.

 

그림 1-17  호퍼 저울의 구성 요소

   화물 트럭에 의한 화물의 무게를 측정할 경우에 트럭에 실린 화물의 무게를 들어올려 측정하는
     크레인 저울과는 달리, 아래로 누르는 힘으로 작용하는 무게를 측정해야 한다.
     이러한 목적으로 제작된 저울을 트럭 저울이라 한다.
   구조는 화물의 무게를 역학적인 구조부와 하중을 검출하느 하중 검출부 및 하중을 지시하는
     지시부로 구성되어 있다.

(a)  다중 로드 셀 방식

(b)  샐로우 핏 방식

(c)  피트리스 방식
        로드 셀

(d)  단일 로드 셀 방식

그림 1-18  트럭 저울의 종류