측정학의 개요

이 자료는 한국계량측정협회(KASTO)에서 발간한 계량과 측정 2011년 1+2호에 소개된 내용이다.

정석원 협회 표준지원부장 씀

 

1. 측정학(Metrology)의 범주

측정은 복잡성과 정확성의 레벨에 따라 다음 3가지 범주로 분류된다.

1) 과학측정(scientific metrology)은 측정표준을 개발하여 구축하고, 이것을 최고레벨로 유지한다.

2) 산업측정(industrial metrology)은 시민생활의 질과 학문연구를 확보하기 위하여 산업계, 생산프로세스, 시험 프로세스에서의 측정기의 적정한 기능을 확보한다.

3) 법정계량(legal metrology)은 경제거래의 투명성에 측정이 영향을 주는 경우, 특히 측정기에 법적인 검증이 요구되고 있는 경우에 관계된다.

기초측정(fundamental metrology)에는 국제적으로 도입된 정의가 없지만 일반적으로 그 분야에서 가장 정확한 것을 가리킨다. 따라서 기초 측정은 과학측정의 톱 레벨의 것이라고 할 수 있다.

 

2. 산업측정과 과학측정

측정활동인 교정, 시험 및 측정은 많은 산업 활동이나 생활 관련활동 및 그 프로세스의 질을 확보하기 위한 중요한 정보이다. 여기에는 소급성을 증명할 필요성이 포함되고, 이것은 측정 그 자체와 마찬가지로 중요해지고 있다. 소급성 사슬(traceability chain)의 각 계층에서의 측정 능력(competence)을 승인(recognition)하는 것은 CPIM MRA나 ILAC MRA 등의 상호인정협정(mutual recognition arrangement) 및 인정(accreditation)과 피어리뷰(peer review)를 통해서 확립된다.

※ peer review : 적합성 평가와 관련된 품질시스템 심사나 기술심사 시에는 문서심사와 함께 현장에서의 정상업무를 통하여 품질시스템의 관리나 기술의 실태를 확인하는 일이 필요로 한다. 특히 기술심사에서는 기술에 정통한 전문심사원에 의한 현지심사(on-site peer review)가 중요시되고 있고, 전문가 심사, 동료 심사라고 불리는 경우가 있다.

 

1) 대분야(subject field)

과학측정은 국제도량형국(BIPM)에 의해 질량 관련량, 전기/자기, 길이, 시간/주파수, 온도측정, 방사선, 광측정/복사측정, 음향/초음파/진동, 물질량의 9가지의 주요 기술적 전문분야로 분류하고 있다. EURAMET 내에서는 이밖에도 유량, 학제적 측정, 품질의 세가지 추가 대분야가 만들어져 있다. 소분야(subfield)의 공식적인 국제적 정의는 없다.

 

▶ 대분야, 소분야 및 주요한 측정표준(기술적 분야만을 게재)

대분야	소분야	주요 표준기
질량 관련량	질량측정	질량표준기, 표준천칭, 질량비교기
	힘 및 압력	로드셀, 실하중시험기, 힘, 모멘트 및 토크변환기,
		액체/기체윤활 피스톤 실린더 식 압력계, 힘시험기,
		정전용량식 압력계, 전리진공계
	부피와 밀도 점도	유리제 비중계, 실험실 유리용기, 진동비중계,
		유리세관형 점도계, 회전형 점도계
전기/자기	직류	극저온전류비교기(CCC), 조셉슨효과 및 양자홀효과,
		제너 다이오드표준전압 발생장치, 전위차법,
		DCC브리지
	교류	AC/DC 변환기, 표준커패시터, 공기커패시터,
		표준인덕터, 보상기, 전력량계
	고주파	열전변환기, 칼로리미터, 보로미터
	대전류 및 고전압	계기용 변압기, 변류기, 표준고전압원
길이	파장 및 간섭파장	안정화 레이저, 간섭계, 레이저 간섭측정시스템,
		간섭비교기
	기하측정	게이지블록, 표준자, 스텝게이지, 링게이지, 플러그게이지,
		하이트마스터, 다이얼게이지, 측정현미경, 옵티컬플랫,
		좌표측정기, 레이저/스캔/마이크로미터, 깊이마이크로미터, 측량용 길이도구
	각도측정	오토콜리미터, 로터리테이블, 각도게이지, 폴리곤경,
		수준기
	형상	진직도, 평면도, 평행도, 직각게이지, 표준구, 원통
	표면형상	단차 및 깊이표준기, 거칠기표준시편, 거칠기측정기
시간/주파수	시간측정	세슘원자시계, 시간간격장치
	주파수	원자시계 및 원자선, 수정발진기, 레이저,
		주파수카운터 및 신디사이저, 광주파수 빗
온도측정	접촉식 온도측정	기체온도계, 1990년 국제온도눈금(ITS-90)의 정의정점, 저항온도계, 열전대
	비접촉식 . 온도측정	고온흑체, 극저온복사계, 고온계, 실리콘포토다이오드
	습도	거울면 노점계 습도계 또는 전자식 습도계,
		이중압력/온도법 습도발생기
방사선	흡수선량- 의료용 제품	칼로리미터, 전리상자
	방사선 방호	전리상자, 방사선 표준조사/장, 비례 및 기타 계수관,
		조직등가물질 비례계수관, 보니형 중성자 스펙트로미터
	방사능	우물형 전리상자, 표준선원, 감마선 및 알파선 스펙트럼분광법,
		4π 검출기
광 측정, 복사측정	광 복사측정	극저온 복사계, 광검출기, 안정화 레이저 기준광원, 참조표준물질
	광측정	가시광 검출기, 실리콘포토다이오드, 양자표준검출기
	색채측정	분광광도계
	광섬유	표준 섬유
유량	가스유량 (부피)	벨 프루버, 로터리가스미터, 터빈가스미터,
		임계노즐부착 트랜스퍼미터
	액체유량 (부피, 질량 및 에너지)	체적표준기, 콜리오리질량유량 관련표준기, 레벨계,
		전자유량계, 초음파유량계
	풍속	풍속계
음향/초음파 /진동	기체 중의 음향측정	표준마이크로폰, 피스톤폰, 콘덴서마이크로폰, 음향교정기
	가속도계	가속도계, 힘변환기, 발진기, 레이저간섭계
	액체 중의 음향측정	하이드로폰
	초음파	초음파파워미터, 천칭법
화학	환경화학	인증표준물질, 양분석계, 크로마토그래프,
	임상화학	질량표준기
	재료화학	순물질, 인증표준물질
	식품화학	인증표준물질
	생화학
	미생물학
	pH측정	인증표준물질, 표준전극

 

2) 측정표준(measurement standard)

측정표준 즉 에딸롱(etalon)은 그 양의 1단위 또는 1점 혹은 몇 개의 정의(define), 실현(realise), 유지(converse) 또는 재현(reproduce)하기 위하여 구축된 물적척도(material measure), 측정기(measuring instrument), 표준물질(reference material), 또는 측정시스템(measuring system)이며 기준으로 사용된다.

보기 : 1미터는 빛이 진공에서 1/299 792 458초 동안 진행한 길이로서 정의된다. 1미터의 1차 레벨에서의 실현에는 요오드안정화 헬륨-네온 레이저의 파장이 이용된다. 이보다 낮은 레벨에서는 게이지블록과 같은 실량기가 이용된다. 측정소급성은 위에 언급한 레이저 광의 파장을 기준(reference)으로 해서 광간섭계를 이용하여 게이지블록의 길이를 측정함으로써 확보된다.

여러 가지 레벨의 측정표준을 아래 그림에 나타낸다. 측정분야, 부분야 및 중요한 측정표준은 위의 표에 나타낸다. 모든 측정표준을 망라한 국제리스트는 존재하지 않는다.

 

3) 인증표준물질

인증표준물질(CRM, certificated reference material)은 표준물질(reference material)의 하나로서, 하나 이상의 특성값(property value)이, 그 특성값을 나타내는 단위의 실현(realisation of the unit)에 이르기까지의 소급성을 확보하는 절차(procedure)에 따라 인증(certified)되고 있다. 각 인증값(certified value)은 명기된 신뢰수준에서의 불확도(uncertainty)가 수반된다. SRM(Standard Reference Material)이라는 용어가 세계적으로 지역에 따라서는 사용되고 있는데 이것은 CRM과 동의어이다.

※ SRM은 미국표준기술연구소(NIST)가 공급하는 인증표준물질의 등록상표이다. 인증표준물질은 일반적으로 배치로 제작된다. 그 특성값은 명기된 불확도의 한도 내에서, 그 배치 전체를 대표하는 샘플의 측정에 의해 결정되고 있다.

 

4) 소급성과 교정

SI에 대한 소급성

소급성 사슬(아래 그림 참조)은 끊어지지 않는 비교(comparison)의 연결고리로서, 모든 비교에서 불확도(uncertainty)가 명시되어 있다. 이것은 측정결과나 표준의 값이 보다 상위 수준의 표준과 관계되어 있음을 보증하고, 최종적으로 1차 표준에 도달할 수 있다는 것을 확실하게 한다. 화학 및 생물학에서의 소급성은 종종 인증표준물질 CRM 및 기준절차를 사용하여 확보된다. 최종 사용자는 국가측정표준기관(National Metrology Institute)에서 직접, 또는 2차 공인된 교정기관(secondary calibration laboratory)을 이용함으로써 최고 위의 국제표준으로 이어지는 소급성을 확보할 수 있다. 여러 상호인정협정(mutual recognition arrangement)에 따라 국제적으로 인정된 이 소급성은 사용자 자신의 국가 이외의 국가의 교정기관으로부터 얻을 수도 있다.

▶ 측정의 소급성 사슬

 

교정

측정의 소급성을 확보하는 기본적 도구의 하나는 측정기(measuring instrument), 측정계(measuring system) 또는 표준물질(reference material)의 교정이다. 교정은 기기, 시스템 또는 표준물질의 성능특성(performance characteristics)을 결정한다. 그것은 통상, 측정표준(measurement standard) 또는 인증 표준물질과의 직접비교에 의해 실시한다. 교정성적서가 발행되며, 대부분의 경우, 교정된 기기에 교정필증이 부착된다.

측정기를 교정해야 하는 4가지 이유
① 소급성을 확보하고, 증명하기 위해 
② 기기를 이용한 측정값이 다른 측정값과 일치한다는 것을 보증하기 위해
③ 기기를 이용한 측정값의 정확성을 결정하기 위해
④ 기기의 신뢰성, 즉 그것을 믿을 수 있다는 것을 확정하기 위해

 

5) 화학에서의 측정

측정학(Metrology)은 물리적 측정의 분야에서 발전하여, GUM[6]을 기초로 해서 완전히 해석된 불확도총괄표(uncertainty budget)를 수반하고, 통상 국제단위계(SI)로, 규정된 기준용 표준(defined reference standard)까지 결과를 추적할 수 있다는 것을 강조하고 있다. 그러나 화학측정에서는 좀 복잡하다. 그 이유는 그렇게 관리되고 정의된 조건 아래에서 이루어지지 않기 때문이다.

▶ 물리학에서의 측정과 화학에서의 측정의 비교

	물리학	화학
측정	양을 비교한다   예, 온도	양을 비교한다   예, 우유 속의 DDT
단위	m, s, k	mol/㎏, ㎎/㎏
영향을 주는 것	직접측정에 의존하는  경우가 많다	여러 요인이 측정결과 값에  영향을 준다
주요한 영향	측정기의 교정	화학적 처리(예, 추출, 분해),  사용하는 표준물질, 측정기의 교정
의존하는 것	대체로 시료에  의존하지 않는다	시료에 크게 의존한다
예(example)	테이블의 길이	Pb농도 : 해수, 토양, 혈액 등

 

대개의 경우 화학측정의 주요 목적은 시료의 전체 조성이 아니라 대상으로 하는 성분의 양을 구하는 것이다. 따라서 대부분의 경우에 전체 조성을 모른 채이므로 측정이 이루어지는 환경 전체를 규정하거나 관리할 수도 없다. 많은 화학측정은 표준 또는 기준방법(reference method)까지 소급될 수 있다. 그 이외의 경우 측정은, 순물질 형태이거나 또는 매트릭스 표준물질 등 어느 쪽의 형태를 취하는 (인증)표준물질까지 거슬러 올라갈 수 있다고 간주할 수 있다.

출처 : METROLOGY-IN SHORT, 3 RD EDITION, EURAMET