KR20130034881A - 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템 - Google Patents

원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템에 관한 것으로서, 분동의 교정 및 질량 측정, 그리고 그에 관한 실험 교육을 원격으로 수행할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 이를 위해, 본 발명은, 하기 제어 컴퓨터의 제어하에 분동 조합에 포함되는 선택된 분동들을 자동으로 해당 계량팬 위에 로딩하도록 구성되는 분동교환장치와; 상기 계량팬 위에 로딩된 선택된 분동들의 질량 합을 측정하기 위한 질량비교기와; 측정 환경을 측정하기 위한 환경측정장치와; 분동 교정 및 교정 설계에 의한 질량 측정이 이루어지도록 상기 분동교환장치의 작동을 제어하도록 구비되면서 상기 질량비교기 및 환경측정장치의 측정값들을 입력받는 제어 컴퓨터와; 상기 분동교환장치의 분동 이동 상태를 촬영하여 촬영된 영상정보를 제어 컴퓨터에 입력하는 카메라와; 원격지에 구비되고 상기 제어 컴퓨터와 인터넷망을 통해 연결되어 상기 카메라에 의해 촬영된 영상정보를 제어 컴퓨터로부터 전송받는 원격 컴퓨터;를 포함하는 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템을 제공한다.

Description

원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템{Remote mass measurement and training system}
본 발명은 원격 질량 측정 및 교육 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분동 교정 및 교정 설계에 의한 질량 측정, 그리고 그에 관한 실험 교육을 온라인을 통해 원격으로 수행할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 질량은 관성(inertia)과 중력(gravitation)의 성질을 가지므로 이러한 역학적 성질의 척도로 설명되는 기본 물리량이며, 물질을 구성하는 요소 입자의 관점에서 보면 물질량의 척도가 되기도 한다.
물리의 세계에 소개되어 있는 질량의 크기들을 볼 때 전자의 질량(약 10-30kg)으로부터 태양의 질량(약 1030kg)에 이르기까지 거대한 범위에 걸쳐 다양한 측정 방법으로 질량이 결정되어 있다.
이 가운데 무게의 크기를 비교하여 질량을 측정하는 범위는 대략 10-13 ~ 106 kg이다. 여기서, 무게 측정(weighing)이라 함은 저울이나 어떤 측정장치를 사용하여 모르는 질량(unknown mass)을 질량 표준인 국제킬로그램원기의 질량 1kg과 비교함을 의미하며, 지구와 같이 거대한 질량들은 간접적인 방법으로 국제킬로그램원기와 비교해서 결정된다.
현재 국제 단위계의 7개 기본 단위 중 하나인 질량 단위의 표준으로서 프랑스 파리의 국제도량형국(BIPM)에 보관되어 있는 국제킬로그램원기에 의해 1kg이 정의되어 있으며, 1901년 제3차 국제도량형총회(CGPM)에서 선포된 질량 표준의 정의에 의하면 "킬로그램(kg)은 질량의 단위이며 국제킬로그램원기의 질량과 같다" 라고 되어 있다.
따라서, 각 나라에서는 국제킬로그램원기와 동일한 규격으로 만들어진 킬로그램국가원기를 국제도량형국으로부터 제공받아 질량의 국가 표준을 유지하는데 이용하고 있다.
한국에서는 한국표준과학연구원(KRISS)에 보관된 킬로그램국가원기 No.72(숫자는 국제도량형국에서 정한 국제적 일련 고유번호임)를 주원기로, 그리고 No.39를 부원기로 정하여 질량의 국가 표준을 유지하고 있고, 스테인리스강 등으로 만든 여러 등급의 킬로그램 표준분동을 통해 질량 표준을 보급하고 있다.
상기한 분동은 질량 표준의 보급에 있어 그 핵심 매개체이면서 "하나의 질량척도의 물체로서 물리적 및 화학적으로 규정에 맞춰진 것"으로 정의되고 있고, 저울은 분동의 질량과 비교해 주는 역할을 한다.
질량 측정을 목적으로 만들어진 저울, 예를 들면 물체의 양을 질량으로 계산하기 위한 상거래용 저울, 사람이나 동물의 질량을 측정하는 체중계, 실험실 등에서 표준분동과의 직접 비교를 통해 질량을 측정하는 정밀 저울 등은 그 지시값이 표준분동의 질량값에 맞추어 교정되어 있거나 표준분동의 질량과 직접 비교되기 때문에 지시값의 단위가 질량의 단위 "kg"으로 되어 있다.
이와 같이 질량 표준 보급상 사용되는 분동은 하나의 분동 자체가 고유한 질량인 하나의 질량값을 가지므로 모든 질량값을 나타내기 위해서는 통상 질량이 다른 여러 종류의 분동을 복수개로 만들고 이들을 서로 조합함으로써 원하는 분동의 질량값을 만들도록 되어 있다.
조합에 적합한 분동의 세트는 표준 보급 및 제작에 적합하도록 분동의 이름값을 시리즈(series)로 구성하여 최소의 분동 수로 모든 질량값을 나타내도록 제작되고 있다.
질량 표준 보급의 기본 매개체인 분동이 국제적 보편성을 가지도록 하기 위해 국제법정계량기구에서는 분동과 관련한 국제권고사항을 정해놓고 있으며[OIML Draft of an IR on Weight of Classes E1,E2,F1,F2,M1,M2,M3(1993)], 이를 토대로 각국의 표준기관에서는 보급되는 표준분동의 교정 설계나 검증을 수행하고 있다.
상기한 분동 세트에 대해 현재 국제적으로 권고된 사항을 살펴보면 분동 세트는 다수의 시리즈 가운데 하나로 구성될 수 있다.
또한 시리즈를 구성하고 있는 각 분동의 질량은 분동의 호칭으로 사용되고 있으며, 예를 들어 분동이 1kg용으로 만들어진 분동을 의미할 때 이 1kg을 그 분동의 이름값 혹은 표기량이라 한다.
보통 분동 세트에서 상기한 바와 같은 분수 혹은 배수의 분동은 소정 방법의 교정 설계를 통해 킬로그램국가원기 또는 질량값이 미리 검증된 그 밖의 해당 표준분동과 비교하여 그 질량 표준이 보급된다.
즉, 한 세트를 이루는 분동의 질량을 결정하기 위해서는 하나 혹은 그 이상의 표준분동이 이용되어야 하며, 예컨대 1kg의 분량 또는 배량을 이루는 분동들은 1kg의 표준분동으로부터 질량을 유도하게 된다.
각 나라에서 질량 표준의 교정 설계 과정은 해당 국가의 표준기관(한국의 경우 한국표준과학연구원)에 의해 소개되어 있으며, 이러한 교정 설계 과정에서는 각 분동의 모르는 질량값을 유도하기 위해 최소자승법의 이용이 제안되고 있다.
한편, 국제무역의 기술적 장애를 제거할 목적으로 '국가측정표준 및 국가측정표준기관이 발행하는 교정/측정성적서의 상호인정에 관한 협약(Mutual Recognition Arrangement;MRA)'이 국가측정표준기관(National Metrology Institute;NMI) 간에 체결된 바 있다.
MRA는 국가측정표준을 상호인정하기 위한 규정과, NMI가 발행하는 교정/측정성적서를 상호인정하기 위한 규정을 주된 내용으로 하며, NMI가 발행하는 교정/측정성적서의 신뢰성을 보증하기 위해 교정/시험기관이 갖추어야 하는 기본 요건을 규정한 국제규격(ISO/IEC 17025)을 충족하도록 요구하고 있다.
이에 따라 각 국의 NMI에서는 국제규격에 따른 품질운영체계를 갖추고 MAR의 기본 조건인 상호신뢰를 확립하기 위해 교정 및 시험 업무에 대한 전문성을 확보하는데 주력하고 있다.
또한 MAR의 규정 요건을 충족시키기 위해 선진국은 물론이거니와 많은 NMI가 개선된 시리즈 분동 조합 교정을 통한 질량 정확도의 향상을 추구하고 있다. 즉, 인접국가에서 표준분동 세트를 교정받아 1대1 직접 비교를 통한 질량 표준 확립을 지양하여 1kg 분동을 교정하고, 이를 통해 아래로 1mg, 위로 100kg까지의 질량 표준을 자체적으로 확립하는 것이 정통이다.
그러나, 아직 그러하지 못한 NMI들도 있으며, 남북 아메리카의 경우 SIMnet(SIM(SistemaInteramericana de Metrologia) network)을 구성하여 회원국들에 대한 기술교육을 NIST(National Institute of Standards and Technology, USA)가 주로 담당하고 있다.
APMP(Asia Pacific Metrology Programme) 내에서도 몽고 및 베트남 등에 대한 분동 교정 및 질량 측정 교육으로 국가 간의 기술교류를 증진시키고자 하고 있고, 국내 교정검사기관에도 기술교육을 통해 교정검사기관의 위상을 제고시키면서 산업계 전반의 품질 향상을 촉진하고자 하고 있다.
하지만, 국가 간에, 측정기관 간에 기술적 격차가 존재하는 것이 엄연한 사실이고, 이러한 기술적 격차는 질량 표준 확립 및 측정 정확도 향상은 물론이고 MAR의 역할 수행에 큰 걸림돌로 작용하고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 분동의 교정 및 질량 측정, 그리고 그에 관한 교육을 원격으로 진행할 수 있도록 하여, 교육을 통한 각 기관의 질량 표준 보급 및 교정, 시험 업무 등의 숙련도와 기술수준을 증진시키고, 시험의 정확도를 향상시킬 수 있는 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 하기 제어 컴퓨터의 제어하에 분동 조합에 포함되는 선택된 분동들을 자동으로 해당 계량팬 위에 로딩하도록 구성되는 분동교환장치와; 상기 계량팬 위에 로딩된 선택된 분동들의 질량 합을 측정하기 위한 질량비교기와; 측정 환경을 측정하기 위한 환경측정장치와; 분동 교정 및 교정 설계에 의한 질량 측정이 이루어지도록 상기 분동교환장치의 작동을 제어하도록 구비되면서 상기 질량비교기 및 환경측정장치의 측정값들을 입력받는 제어 컴퓨터와; 상기 분동교환장치의 분동 이동 상태를 촬영하여 촬영된 영상정보를 제어 컴퓨터에 입력하는 카메라와; 원격지에 구비되고 상기 제어 컴퓨터와 인터넷망을 통해 연결되어 상기 카메라에 의해 촬영된 영상정보를 제어 컴퓨터로부터 전송받는 원격 컴퓨터;를 포함하는 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 제어 컴퓨터가 측정자의 조작에 따라 분동 교정 및 교정 설계에 의한 질량 측정 과정을 수행하도록 구비되고, 측정자가 상기 제어 컴퓨터를 조작함에 따라 수행되는 분동 교정 및 질량 측정 과정의 영상정보가 상기 원격 컴퓨터로 전송되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어 컴퓨터는 원격지의 측정자가 원격 컴퓨터를 조작함에 따른 신호를 원격 컴퓨터로부터 인터넷망을 통해 전송받고, 원격 컴퓨터로부터 전송되는 신호에 따라 분동 교정 및 교정 설계에 의한 질량 측정이 이루어지도록 상기 분동교환장치의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 원격 컴퓨터는 분동 교정 및 질량 측정 과정에서 얻어지는 측정값 및 계산값, 측정자가 입력한 각종 입력정보 및 측정과 관련된 각종 설정 정보를 제어 컴퓨터와 인터넷망을 통해 주고받으면서 모니터를 통해 디스플레이하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 카메라는, 측정 현장에서 분동교정장치, 질량비교기, 환경측정장치, 제어 컴퓨터에 의해 수행되는 분동 교정 및 질량 측정 과정 전반이 촬영될 수 있도록 시스템 전체를 촬영하는 카메라와; 제어 컴퓨터를 조작하는 측정자를 촬영하기 위한 카메라와; 원격 컴퓨터를 조작하는 측정자를 촬영하기 위한 카메라;를 더 포함하고, 상기 카메라에 의해 촬영된 영상정보가 제어 컴퓨터와 원격 컴퓨터에 입력되면 양측의 컴퓨터 간 인터넷망을 통해 상호 전달되도록 한 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템에 의하면, 분동의 교정 및 질량 측정과 더불어 그에 관한 실험 교육을 원격으로 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 각 측정기관의 질량 표준 보급 및 교정, 시험 업무의 정확도 향상, 시리즈 분동 조합 교정 및 질량 측정의 숙련도 및 기술수준, 정확도 향상에 크게 기여할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 시스템은 국제규격에 따른 품질운영체계를 갖추고 있으면서 MRA 규정 요건을 충족하고 교정 및 시험 업무에 대한 신뢰성을 어느 정도 확보한 특정 국가의 NMI에서 타국의 NMI에 대한 실험 교육을 원격으로 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 국가 간의 기술교류 증진을 도모할 수 있고, 궁극적으로는 MRA 수행의 기본 조건인 NMI 간 신뢰성을 확보하는데 기여할 수 있게 된다.
예컨대, APMP 내 특정 국가에서 본 발명의 시스템을 이용하여 각 회원국에 대한 분동 교정 및 질량 측정 교육을 원격으로 수행할 수 있으므로 회원국의 기술수준을 전반적으로 끌어올리는데 기여할 수 있게 된다.
더불어 상기의 국가 간 관계뿐만 아니라 측정기관 간 관계에 있어서도 특정 국가의 NMI(한국의 경우 한국표준과학연구원)가 본 발명의 시스템을 이용한 기술교육을 통하여 해당 국가 내 2차 교정기관 등 피교육기관의 교정 및 측정 기술을 배양하는 동시에 기술수준 및 측정 정확도를 증진시킬 수 있게 됨에 따라 산업계 전반의 품질 향상을 촉진할 수 있게 된다.
또한 피교육자가 교정 및 측정에 관한 기술교육을 온라인으로 참여할 수 있도록 함으로써, 교육에 소요되는 시간적, 공간적 제약을 극복할 수 있게 해준다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원격 분동 교정 및 질량 측정, 실험 교육 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에서 이용 가능한 자동교정장치의 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템에 관한 것으로서, 정보통신기술을 이용하여 분동의 교정 및 교정 설계에 의한 질량 측정, 그리고 그에 관한 실험 교육을 원격으로 수행할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 시스템은 충분한 측정 기술의 확보 및 측정 신뢰성의 확보가 이루어지지 못한 원격지의 측정자(피교육기관의 종사자)를 대상으로 실험 교육을 수행하는데 유용하게 활용될 수 있다.
특히, 국가측정표준기관(한국의 경우 한국표준과학연구원)에서 진행하고 있는 질량 교육 내용 중 가장 핵심적이면서 이해가 어려운 시리즈 분동 교정 과정을 피교육기관의 종사자를 대상으로 하여 온라인을 통해 교육하는데 유용하게 활용될 수 있다.
질량 표준 보급시 치환 측정보다는 시리즈 측정에서 보다 적은 불확도로 표준 보급이 가능함이 알려져 있는바, 시리즈 분동의 교정에 적합한 분동교환장치가 필요하다.
또한 시리즈 측정에서 분동의 교정이 1대1 교정보다 시간이 많이 걸리므로 이 긴 시간 동안 환경 변화에 의한 불확도를 최소화할 수 있는 교정 설계가 필요하다.
본 발명자는 상기한 점을 고려하면서 자동 분동교환장치 및 분동 자동교정장치, 환경측정장치, 시리즈 분동 교정 불확도 평가, 질량표준에 미치는 환경영향 등에 관한 그동안의 연구 결과를 토대로 하여 불확도를 최소화할 수 있는 방법으로 정보통신기술을 이용한 원격 측정 및 기술 교육을 제안하고, 원격 측정 및 기술 교육을 수행할 수 있는 시스템을 구성하여 제시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원격 분동 교정 및 질량 측정, 실험 교육 시스템을 나타내는 구성도이다.
도시된 바와 같이, 시리즈 분동 조합 교정 및 질량 측정을 수행하기 위한 구성부, 즉 분동교환장치(weight exchanger)(1) 및 질량비교기(mass comparator)(2), 온도, 습도, 압력 등의 측정 환경을 측정하기 위한 환경측정장치를 인터넷망(7)에 접속 가능한 제어 컴퓨터(5)에 연결한다.
여기서, 환경측정장치는 공기밀도측정장치(air density measurement instruments)(3)가 될 수 있다. 상기 공기밀도측정장치(3)는 부력보정을 위한 공기밀도를 측정하기 위한 것으로, 공기의 온도, 상대습도, 압력 등을 측정하여 측정값으로부터 소정의 계산식을 통해 공기밀도를 계산하는데, 공기밀도 계산식으로는 NIST 공기밀도식, BIPM(국제도량형국) 공기밀도식 등이 알려져 있다.
공기밀도측정장치(3)에서 구해진 공기밀도는 제어 컴퓨터(5)로 입력되어 부력보정 등을 통해 분동 교정의 결과를 최종 산출하는데 이용된다. 이와 같이 공기밀도측정장치(3)가 공기의 온도, 상대습도, 압력 등을 측정하여 자체적으로 공기밀도를 계산한 뒤 제어 컴퓨터(5)에 제공하는 장치로 구비될 수 있으나, 환경측정장치에서 온도, 습도, 압력 등을 측정하여 제어 컴퓨터(5)에 입력하면, 제어 컴퓨터(5)가 측정된 온도, 습도, 압력 등으로부터 공기밀도를 계산하도록 구성될 수도 있다.
또한 원격지에는 인터넷망(7)에 접속 가능한 원격 컴퓨터(8)를 구비하며, 분동교환장치(1) 및 질량비교기(2), 공기밀도측정장치(3)가 연결된 상기 제어 컴퓨터(5)와, 원격지에서 원격 측정 및 기술 교육을 수행할 원격 컴퓨터(8)가 인터넷망(7)을 통해 상호 연결될 수 있도록 한다.
아울러 제어 컴퓨터(5)와 원격 컴퓨터(8)의 조작, 및 제어 컴퓨터(5)의 제어하에 이루어지는 분동교환장치(1)의 작동 상태(분동의 이동 상태, 즉 분동의 로딩 및 언로딩 상태) 등을 포함하여 분동 교정 및 질량 측정 과정의 전반을 촬영하고, 촬영된 영상을 제어 컴퓨터(5)로 전달하는 카메라(4)가 구비된다.
여기서, 제어 컴퓨터(5)와 원격 컴퓨터(8)는 인터넷망(7)을 통해 상호 연결이 가능하도록 구비되는 것으로, 두 국가의 국가측정표준기관(NMI)에 구비되는 컴퓨터가 될 수 있고, 또는 국가측정표준기관과 2차 교정기관 등의 피교육기관에 구비되는 컴퓨터가 될 수 있다.
이때, NMI 간에 원격 측정 및 실험 교육이 수행될 수 있도록 하기 위해서는 분동교환장치(1) 및 질량비교기(2), 공기밀도측정장치(3), 이들이 연결된 제어 컴퓨터(5)가 실제 교정 및 측정이 이루어지는 한 국가의 NMI에 구비되고, 상기 원격 컴퓨터(8)는 원격 제어 장소이자 교육 대상지인 다른 국가의 NMI에 구비된다.
또한 특정 국가의 NMI와 해당 국가 또는 타국의 2차 교정기관 등 측정기관 간에 원격 측정 및 실험 교육이 수행되도록 하기 위해서는 분동교환장치(1) 및 질량비교기(2), 공기밀도측정장치(3), 이들이 연결된 제어 컴퓨터(5)가 실제 교정 및 측정이 이루어지는 NMI에, 상기 원격 컴퓨터(8)가 원격 제어 장소 또는 교육 대상 기관인 측정기관에 구비된다.
이때, 실험 교육의 원격 컴퓨터(8)는 복수개가 될 수 있고, 이로써 제어 컴퓨터(5)를 웹 서버로 하여 복수의 피교육기관을 대상으로 하는 원격 교육이 실시될 수 있다.
상기 제어 컴퓨터(5)는 도 1에 나타낸 바와 같이 NMI(한국의 경우 한국표준과학연구원(KRISS)) 내에 구축되어 있는 랜(LAN)(6)에 연결된 컴퓨터가 될 수 있는데, 이때 상기 랜(6)(예컨대, KRISS LAN)을 통해 인터넷망(7)의 접속이 가능하게 된다.
이와 같이 제어 컴퓨터(5)는 분동교환장치(1), 질량비교기(2), 환경측정장치(공기밀도측정장치(3))의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러 역할을 수행하면서, 외부의 원격 컴퓨터(8)가 인터넷망(7)을 통해 접속하게 되는 웹 서버의 역할을 수행하게 되는데, 이를 위해 제어 컴퓨터(5)에는 웹페이지 운용을 위한 운용 프로그램이 탑재된다.
더불어 상기 제어 컴퓨터(5)의 운용 프로그램은 원격 컴퓨터(8)에서 원격지의 측정자(즉, 피교육자)가 인터넷망(7)을 통해 웹상에서 회원가입 및 로그인 등의 인증 절차를 수행할 수 있도록 구비된다.
또한 제어 컴퓨터(5)에는 통상의 웹 서버와 마찬가지로 회원정보 등을 저장 및 관리하기 위한 데이터베이스가 연동될 수 있게 연결된다.
이로써 원격지의 측정자가 원격 컴퓨터(8)에서 인터넷망(7)을 통해 웹상에서 아이디 및 패스워드를 입력하는 인증 과정을 거쳐 웹 서버, 즉 제어 컴퓨터(5)에 접속할 수 있고, 인증 절차를 완료한 원격지의 측정자에 한해서 원격 측정 및 교육이 가능해진다.
이로써 교정 설계에 의한 질량 측정(현장 조작 측정 및 원격 조작 측정)이 웹상에서 수행될 수 있고, 특히 원격지의 측정자를 대상으로 웹을 통해 교정 설계에 의한 질량 측정 과정을 교육할 수 있게 된다.
특히, 질량 교정 실험을 현장 및 원격지에서 모두 실시할 수 있고, 실험 과정을 화상을 통해 확인할 수도 있다. 또한 원격지의 측정자가 현장의 측정자와 더불어 실험 결과 및 실험 과정을 실시간으로 확인하면서 원격 실험을 실시할 수 있고, 웹상에서 다수의 피교육자가 실험을 참관할 수 있다.
상기 원격 컴퓨터(8)는 원격 측정시 원격지의 측정자가 조작하게 될 때 그 조작에 따른 신호를 출력하게 되며, 또한 인터넷망(7)을 통해 측정자 조작에 따른 신호를 전송하도록 구비된다.
이때, 상기 제어 컴퓨터(5)는 원격 컴퓨터(8)에서 출력 및 전송되는 신호를 인터넷망(7)을 통해 수신하게 되며, 이와 더불어 분동교환장치(1) 및 질량비교기(2), 공기밀도측정장치(3)의 작동을 제어하기 위한 제어신호를 출력하도록 구비된다.
즉, 실제 측정 현장의 측정자가 직접 제어 컴퓨터(5)를 조작하거나(현장 조작), 제어 컴퓨터(5)가 원격 컴퓨터(8)로부터 상기 신호(원격지의 측정자가 원격 컴퓨터를 조작함에 따른 신호)를 수신함에 따라(원격 조작), 제어 컴퓨터(5)가 분동교환장치(1) 및 질량비교기(2), 공기밀도측정장치(3)의 작동을 제어하기 위한 제어신호를 출력하게 되는 것이다.
제어 컴퓨터(5)가 출력하는 제어신호는 분동교환장치(1) 및 질량비교기(3), 공기밀도측정장치(3)로 인가되며, 이로써 이들 장치는 제어 컴퓨터(5)의 제어신호에 따라 측정 과정 수행을 위한 작동이 제어된다. 예컨대, 제어 컴퓨터(5)의 제어신호에 따라 분동교환장치(1)의 분동로딩장치에서 스텝모터의 작동이 제어된다.
또한 제어 컴퓨터(5)는 분동교환장치(1)에서의 센싱값, 예컨대 스텝모터의 회전수를 검출하는 센서의 검출신호 등을 입력받아 스텝모터 등의 작동을 제어(제어신호 출력)하는데 사용하고, 더불어 질량비교기(2) 및 공기밀도측정장치(3)에서 측정되는 측정값들을 입력받게 된다.
또한 측정에서 얻어지는 측정값(질량비교기에 의해 측정되는 질량값 및 공기밀도측정장치에서 측정되는 측정값) 등을 수집한 뒤 수집된 데이터를 저장 및 디스플레이하는 동시에, 분동 교정 및 질량 측정 과정에서 얻어지는 각종 측정값 및 계산값 등 데이터와 측정자가 입력한 각종 입력정보, 측정과 관련된 각종 설정 정보를 인터넷망(7)을 통해 원격 컴퓨터(8)로 실시간 전송하게 된다.
또한 제어 컴퓨터(5)는 교육 과정 동안 카메라(4)에 의해 촬영되는 측정 과정의 모든 영상정보를 카메라로부터 입력받아 인터넷망(7)을 통해 원격 컴퓨터(8)에 전달하게 된다.
상기 영상정보는 기본적으로 원격 컴퓨터(8)에서 모니터를 통해 디스플레이되어 원격지의 측정자(피교육자)에 대한 실험 교육에 활용되고, 이에 더하여 원격 컴퓨터(8)에 별도 파일로 저장되거나 제어 컴퓨터(5)에 별도 파일로 저장 및 디스플레이될 수 있다.
이로써 원격지에서 원격 컴퓨터(8)를 조작함에 따라, 인터넷망(7)을 통한 제어 컴퓨터(5)와의 통신에 의해, 분동교환장치(1) 및 질량비교기(2), 공기밀도측정장치(3)의 작동을 제어할 수 있고, 측정 및 교육 과정에서 제어 컴퓨터(5)가 획득하는 모든 정보(각종 측정값 및 영상정보 등)를 원격 컴퓨터(8)가 실시간으로 전달받아 공유할 수 있게 된다.
또한 카메라(4)에 의해 분동 교정 및 질량 측정 과정 등이 촬영된 영상정보가 제어 컴퓨터(5)에서 원격 컴퓨터(8)로 전달되어 원격 컴퓨터에 연결된 모니터를 통해 디스플레이됨에 따라 원격지의 측정자에 대한 실험 교육이 가능해지게 된다.
이러한 본 발명의 시스템에서 카메라(4)는 단수로 구비될 수도 있으나, 더욱 바람직하게는 분동교환장치(1) 및 질량비교기(2), 공기밀도측정장치(3)의 작동 및 측정상태 등 시험 과정의 모든 상황을 촬영할 수 있도록 복수개가 구비될 수도 있다.
예컨대, 도면상 예시하지는 않았으나, 측정 현장에서 시스템 전체를 촬영하기 위한 카메라, 분동교환장치(1)의 분동 이동 상태를 촬영하기 위한 카메라, 제어 컴퓨터(5)를 조작하는 측정자(즉, 교육자)를 촬영하기 위한 카메라, 원격 컴퓨터(8)를 조작하는 측정자(즉, 피교육자)를 촬영하기 위한 카메라 등이 설치될 수 있다.
이 경우 각 카메라에 의해 촬영된 영상정보가 제어 컴퓨터(5)와 원격 컴퓨터(8) 간에 인터넷망을 통해 전달될 수 있도록 하는데, 즉 원격 컴퓨터(8)를 조작하는 측정자의 영상정보는 원격 컴퓨터로 입력된 후 제어 컴퓨터(5)로 전달되고, 측정 현장의 카메라에 의해 촬영된 영상정보는 제어 컴퓨터(5)로 입력된 후 원격 컴퓨터(8)로 전달되도록 한다.
또한 도면상 나타내지는 않았으나, 인터넷망(7)을 통해 교육자 및 피교육자 간의 화상 대화가 가능하도록 음성입력수단(예, 마이크) 및 음성출력수단(예, 스피커)이 제어 컴퓨터와 원격 컴퓨터에 부가하여 연결될 수 있다.
또한 원격 컴퓨터(8)는 영상정보 및 제어 컴퓨터(5)에서 전송되는 각종 정보와 더불어 원격 컴퓨터에서 원격지의 측정자에 의해 자체 입력된 정보 및 계산된 데이터 등을 모니터를 통해 디스플레이하도록 구비될 수 있다.
또한 원격 컴퓨터(8)는 응용 프로그램을 통해 제어 컴퓨터(5)에서 디스플레이되는 동일한 정보들이 모니터를 통해 디스플레이되도록 구비될 수도 있다.
결국, 교육시에 분동교환장치(1) 및 질량비교기(2), 공기밀도측정장치(3), 제어 컴퓨터(5)가 구비된 실제 측정 현장에서 측정자가 제어 컴퓨터(5)를 조작하여 소정 절차에 따라 분동 교정 및 질량 측정 과정을 수행하게 되면, 카메라(4)에 의해 촬영된 영상정보와 제어 컴퓨터(5)에 디스플레이되는 정보가 원격 컴퓨터(8)로 전송되면서, 원격지의 측정자에 대한 교육이 실시될 수 있다.
분동 교정 및 질량 측정 과정에서 수행되는 모든 계산은 상기와 같이 제어 컴퓨터(5)가 응용 프로그램의 실행 동안 수행하거나, 제어 컴퓨터(5)로부터 측정값 등의 정보를 전달받아 원격 컴퓨터(8)가 응용 프로그램의 실행 동안 수행하도록 할 수 있으며, 제어 컴퓨터(5)와 원격 컴퓨터(8)가 계산 수행을 적절히 나누어 수행하도록 할 수도 있다. 또한 제어 컴퓨터(5)나 원격 컴퓨터(8)에서 공기밀도측정장치(3)의 측정값을 전달받아 공기밀도를 계산하도록 하는 것도 가능하다.
이때, 분동 교정 및 질량 측정 과정에서 얻어지는 측정값 및 계산값 등 데이터와 측정자가 입력한 각종 입력정보, 측정과 관련된 각종 설정 정보가 제어 컴퓨터(5)와 원격 컴퓨터(8) 간 상호 전달되어 공유 및 디스플레이되게 된다.
한편, 본 발명의 시스템에서 원격 측정 및 기술 교육의 내용으로는 시리즈 분동 조합 교정 및 질량 측정, 그리고 그에 관한 교육이 주 내용이 되며, 분동교환장치(1) 및 질량비교기(2)로는 시리즈 분동 교정 및 질량 비교를 제어 컴퓨터(5)의 제어신호에 따라 자동으로 수행하는 자동화된 장치가 사용된다.
상기 질량비교기(2)는 표준분동을 교정할 때 사용하는 저울(balance)로서, 표준분동의 교정시 저울을 질량 비교의 목적으로 사용하기 때문에 질량비교기라 칭하고 있다.
상기 질량비교기(2)는 측정값이 제어 컴퓨터(5)에 전달되어 저장 및 디스플레이될 수 있도록 RS-232 포트를 통해 제어 컴퓨터와 연결되어 있다.
자동화 수행이 가능한 많은 분동교환장치와 질량비교기가 개발되어 있으나, 종래에는 같은 이름값의 분동들만을 위한 턴테이블형 분동교환장치(턴테이블을 이용하여 분동 4개를 원형으로 이동시키는 자동 장치), 분동 2개를 직선 수평 왕복 운동시키는 장치들로 국한되어 있었다.
이에 본 발명자는 질량 교정의 능률 제고를 위해 시리즈 분동 교정을 자동으로 수행할 수 있는 분동교환장치를 개발한 바 있으며, 따라서 본 발명에서는 시리즈 분동 교정을 위한 자동화 분동교환장치를 원격 교육의 도구로 활용한다.
예컨대, 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 분동교환장치(1)로는 본 발명자에 의해 특허출원되고 등록된 특허등록 제542229호의 표준분동 자동교정장치가 이용될 수 있다.
도 2 내지 도 4는 상기 특허에 개시된 자동교정장치의 도면으로서, 도 2는 자동교정장치의 정면도이고, 도 3은 자동교정장치에서 계량대(30) 및 분동로딩장치(40), 가변장치부(41) 등 주요 구성부를 도시한 사시도이며, 도 4와 도 5는 자동교장장치에서 계량팬(33) 등을 확대하여 도시한 사시도이다.
상기 자동교정장치는 컴퓨터의 작동 제어하에 선택된 각 분동(1)들을 개별적으로 해당 계량팬(33) 위에 로딩시키는 분동로딩장치(40)를 구비하며, 컴퓨터상에서 측정자가 질량 합 측정이 요구되는 분동 조합을 선택하여 로딩 조작하게 되면, 이 분동 조합에 포함된 분동들을 전자저울(20)(질량비교기에 해당함)과 연결된 해당 계량팬(33) 위로 자동으로 로딩시켜주고, 상기 전자저울(20)을 통해 측정된 질량 데이터를 컴퓨터상에 저장 및 디스플레이 가능하도록 구성된다.
여기서, 컴퓨터는 본 발명의 시스템에서 제어 컴퓨터(도 1에서 도면부호 5)가 되는 것이고, 이 제어 컴퓨터(5)가 원격지의 원격 컴퓨터(8)로부터 원격 조작 신호를 인터넷망(7)을 통해 전달받게 되면, 원격 조작 신호에 따라 제어신호를 출력하여 분동로딩장치(40)의 가변장치부(41) 내 스텝모터(421a,421b)의 작동을 제어하게 된다.
상기 제어 컴퓨터(5)에는 응용 프로그램이 내장되는데, 이 응용 프로그램은 제어 컴퓨터의 조작에 따라 또는 원격 컴퓨터(8)의 원격지 조작에 따른 신호를 입력받음에 따라 질량 합 측정을 필요로 하는 분동 조합을 선택할 수 있게 하는 동시에 선택된 분동(1)들을 해당 계량팬(33) 위에 로딩시키도록 하는 제어신호를 출력하여 분동로딩장치(40)(스텝모터)의 작동을 제어하게 된다.
또한 제어 컴퓨터(5)는 스텝모터(421b)의 회전수를 검출하는 포지션휠(424)의 센서부(425)(위치센서의 역할을 함)의 검출신호를 입력받아 스텝모터(421b)의 작동을 제어하는데 이용한다. 상기 센서부(425)는 스텝모터(421b)의 축적 오차를 제거하기 위하여 구비되는 것으로서, 널 포지션 센서가 사용될 수 있다.
또한 제어 컴퓨터(5)는 질량비교기(2), 즉 전자저울(20)에 의해 측정되는 측정값을 입력받으며, 측정 및 수집된 각종 정보(질량 및 공기밀도 데이터 등)와 카메라(4)에 의해 촬영된 영상정보를 원격 컴퓨터(8)로 전송하게 된다.
또한 제어 컴퓨터(5)의 응용 프로그램에서는 분동 교정 과정에서 자동교정장치로부터 입력된 데이터를 토대로 각 분동의 질량값을 결정하고, 저장 및 디스플레이, 원격 컴퓨터(8)로의 전송 등을 수행하게 된다. 각 분동의 질량값 계산은 원격 컴퓨터(8)의 응용 프로그램에 의해 수행되도록 할 수도 있는데, 이 경우 원격 컴퓨터(8)의 응용 프로그램이 제어 컴퓨터(5)로부터 전송된 정보를 토대로 계산을 수행하고, 계산값을 저장 및 디스플레이하게 된다.
상기 자동교정장치에서 계량대(30)는 분동(1)의 질량을 이중 치환 방법이 아닌 시리즈 방법으로 측정하기에 적합한 구조로 되어 있는데, 상용 저울의 접시를 대체하는 것으로서 시리즈 교정에서 사용되는 6개의 분동(1)을 동시에 조합하여 질량을 측정할 수 있는 총 6개의 계량팬(33)을 가지며, 각 팬(33)에 6개의 분동 시리즈의 각 분동, 예컨대 100g의 표준분동과 , 50g, 20g, 20'g, 10g, 10'g의 분동(미지의 시험분동)이 얹어지게 된다.
질량 표준의 교정 설계 과정은 각 나라에서 해당 국가의 표준기관(한국의 경우 한국표준과학연구원)에 의해 소개되어 있으며[도진열, 정진완, 이우갑, 장경우, "질량측정의 기초", 한국표준과학연구원, KRISS-94-049-ET(1994); 이우갑, "질량 표준의 교정 설계", 한국표준과학연구원, KRISS-96-027-ET(1996)], 이러한 교정 설계 과정에서 각 분동의 모르는 질량 값을 유도하기 위해 최소자승법의 이용이 제안되고 있다.
또한 분동 교정 절차에 따라 분동의 질량 비교 측정이 끝나면 질량 비교 측정값, 공기밀도, 평균값, 표준편차, 참질량값, 상용질량값, A형 표준불확도, B형 표준불확도, 합성표준불확도, 확장불확도 등을 계산하고 그 결과를 토대로 분동의 등급을 결정하여 주어진 형식에 맞게 교정성적서를 작성한다.
본 발명의 시스템을 이용함에 있어서도 분동 교정 및 질량 측정 과정은 상술한 바와 같이 최소자승법을 이용하여 각 분동의 모르는 질량 값을 유도하고, 공기밀도, 평균값, 표준편차 및 불확도를 계산하는 과정으로 진행하게 된다.
교정 설계 측정을 통해 질량을 이미 알고 있는 표준분동, 예컨대 100g의 표준분동으로부터 나머지 미지의 시험분동의 질량값이 결정되는데, 본 발명자는 각 팬(33)에서의 반복도, 팬의 위치를 바꾸었을 때의 반복도 등을 시험하여 해독도 10㎍의 저울(20)에서 표준편차 15㎍ 수준의 자동교정장치를 구성할 수 있었다.
상기와 같은 자동교정장치의 이점으로는, 측정 시간이 짧고, 분동을 보다 좋은 상태에서 제어 불확도를 낮출 수 있으며, 조작자에 의해 발생하는 오차를 줄일 수 있다. 또한 측정 결과의 평가에 있어서 오차를 줄일 수 있고, 6개의 분동 시리즈(예컨대, 100g, 50g, 20g, 20'g, 10g, 10'g) 또는 4개의 같은 분동들을 직접 비교할 수 있는 융통성을 가지고 있다.
또한 본 발명자는 자동교정장치에 대하여 시험을 통해 분동의 로딩 안정화 시간은 60초가 적합함을 확인하였으며, 교정 설계 측정에 시간이 많이 요구되므로 이 시간 동안 환경의 변화, 특히 기압의 변화에 의한 측정 불확도를 분석하여 적합한 교정 설계를 완성하였다.
또한 본 발명의 시스템에서 수행되는 시리즈 분동 교정에 대해서는 국가측정표준기관(한국표준과학연구원) 등에서 교육이나 각종 자료를 통해 이미 소개되고 있는 내용이므로 본 명세서에서 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 시스템에 의하면, 국가 간에, 그리고 측정기관 간에 분동의 교정 및 질량 측정, 그에 관한 실험 교육을 원격으로 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 각 기관의 질량 표준 보급 및 교정, 시험 업무의 정확도 향상, 시리즈 분동 조합 교정 및 질량 측정의 정확도 향상에 기여할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 분동교환장치 2 : 질량비교기
3 : 공기밀도측정장치 4 : 카메라
5 : 제어 컴퓨터 6 : LAN
7 : 인터넷망 8 : 원격 컴퓨터

Claims (5)

  1. 하기 제어 컴퓨터의 제어하에 분동 조합에 포함되는 선택된 분동들을 자동으로 해당 계량팬 위에 로딩하도록 구성되는 분동교환장치와;
    상기 계량팬 위에 로딩된 선택된 분동들의 질량 합을 측정하기 위한 질량비교기와;
    측정 환경을 측정하기 위한 환경측정장치와;
    분동 교정 및 교정 설계에 의한 질량 측정이 이루어지도록 상기 분동교환장치의 작동을 제어하도록 구비되면서 상기 질량비교기 및 환경측정장치의 측정값들을 입력받는 제어 컴퓨터와;
    상기 분동교환장치의 분동 이동 상태를 촬영하여 촬영된 영상정보를 제어 컴퓨터에 입력하는 카메라와;
    원격지에 구비되고 상기 제어 컴퓨터와 인터넷망을 통해 연결되어 상기 카메라에 의해 촬영된 영상정보를 제어 컴퓨터로부터 전송받는 원격 컴퓨터;
    를 포함하는 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 컴퓨터가 측정자의 조작에 따라 분동 교정 및 교정 설계에 의한 질량 측정 과정을 수행하도록 구비되고, 측정자가 상기 제어 컴퓨터를 조작함에 따라 수행되는 분동 교정 및 질량 측정 과정의 영상정보가 상기 원격 컴퓨터로 전송되는 것을 특징으로 하는 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 컴퓨터는 원격지의 측정자가 원격 컴퓨터를 조작함에 따른 신호를 원격 컴퓨터로부터 인터넷망을 통해 전송받고, 원격 컴퓨터로부터 전송되는 신호에 따라 분동 교정 및 교정 설계에 의한 질량 측정이 이루어지도록 상기 분동교환장치의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원격 컴퓨터는 분동 교정 및 질량 측정 과정에서 얻어지는 측정값 및 계산값, 측정자가 입력한 각종 입력정보 및 측정과 관련된 각종 설정 정보를 제어 컴퓨터와 인터넷망을 통해 주고받으면서 모니터를 통해 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 카메라는,
    측정 현장에서 분동교정장치, 질량비교기, 환경측정장치, 제어 컴퓨터에 의해 수행되는 분동 교정 및 질량 측정 과정 전반이 촬영될 수 있도록 시스템 전체를 촬영하는 카메라와;
    제어 컴퓨터를 조작하는 측정자를 촬영하기 위한 카메라와;
    원격 컴퓨터를 조작하는 측정자를 촬영하기 위한 카메라;
    를 더 포함하고, 상기 카메라에 의해 촬영된 영상정보가 제어 컴퓨터와 원격 컴퓨터에 입력되면 양측의 컴퓨터 간 인터넷망을 통해 상호 전달되도록 한 것을 특징으로 하는 원격 질량 측정 및 실험 교육 시스템.






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