다이얼 게이지는 아날로그 또는 디지털 방식으로 측정값을 표시하는 정밀 측정 도구이다. 미국 게이지 디자인 규격(AGD)에 따라 다양한 크기로 분류되며, 정밀도, 이동 범위, 다이얼 스타일 등에 따라 여러 종류가 있다. 플런저형, 다이얼 테스트 인디케이터, 디지털 인디케이터 등이 있으며, 팁의 형태에 따라 다양한 측정에 사용된다. 제조 공정의 품질 관리, 기계 설정 및 보정, 정밀 공구 제작, 금속 공학 작업, 물리학 등 다양한 분야에서 활용된다.
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계측기 - 라이다 라이다는 레이저를 사용하여 물체의 거리와 3차원 형상 정보를 측정하는 기술로, 코라이더 시스템에서 유래되어 자율주행차, 지형 측량, 대기 관측 등 다양한 분야에서 활용되며, 레이저 빔을 발사하고 반사된 빛의 비행시간을 측정하여 거리를 계산하는 원리를 사용한다.
계측기 - 점도계 점도계는 유체의 점도를 측정하는 장치로, 오스트왈트 점도계, 낙하구 점도계, U자관 점도계 등 다양한 종류가 있으며 측정 대상 유체의 종류와 특성에 따라 적절한 점도계를 선택하여 사용하는 것이 중요하다.
프로브 인디케이터는 일반적으로 미세한 눈금을 기록하기 위해 눈금이 매겨진 다이얼과 바늘로 구성되며, 시계 장치에 의해 구동된다. 그래서 "시계"라는 용어가 붙기도 한다. 메인 다이얼에서 바늘 회전 수를 기록하기 위해 더 작은 보조 다이얼과 바늘이 내장되어 있다. 다이얼에는 정밀 측정을 위한 미세한 눈금이 있다. 스프링이 장착된 프로브(또는 플런저)는 인디케이터 본체에서 들어가거나 나오면서 측정 대상 물체에 대해 수직으로 움직인다.
다이얼 면은 어떤 위치로든 회전할 수 있어, 사용자가 보기 편하게 면을 정렬하고 영점을 설정하는 데 사용된다. 또한, 한계 표시기(limit indicator)를 포함하기도 하는데, 오른쪽 이미지에서 각각 90과 10 위치에 보이는 두 개의 금속 탭이 그것이다. 이 한계 탭은 다이얼 면 주위의 필요한 위치로 회전시킬 수 있다. 인디케이터의 프로브를 쉽게 후퇴시킬 수 있는 레버 암이 있는 경우도 있다.
인디케이터를 고정하는 방법은 여러 가지가 있다. 많은 인디케이터는 뒷판에 볼트를 위한 구멍이 있는 장착 러그(lug)를 가지고 있다. 또는, 플런저를 안내하는 원통형 스템(stem)을 이용하여 장치를 고정할 수도 있다. 이때 콜릿(collet)이나 특수 클램프를 사용하는데, 이는 두께 게이지나 비교기처럼 인디케이터를 주요 부품으로 사용하는 도구에서 흔히 쓰이는 방식이다. 스템의 일반적인 외부 직경은 약 7.62cm 및 8mm이지만 다른 직경도 존재한다. 일부 제조업체에서는 다이얼 테스트 인디케이터와 호환되는 연귀(dovetail) 마운트 방식을 제공하기도 한다.
4. 2. 다이얼 테스트 인디케이터 (레버 암 테스트 인디케이터, 핑거 인디케이터)
다이얼 테스트 인디케이터
'''다이얼 테스트 인디케이터'''는 '''레버 암 테스트 인디케이터''' 또는 '''핑거 인디케이터'''라고도 불리며, 일반적인 다이얼 인디케이터보다 측정 범위가 작다. 테스트 인디케이터는 암(arm)의 변위를 측정하는데, 프로브(probe)는 후퇴하지 않고 힌지(hinge) 지점을 중심으로 원호를 그리며 움직인다. 레버는 길이나 볼 직경에 따라 교체할 수 있으며, 프로브 타입의 본체가 닿기 어려운 좁은 홈이나 작은 구멍에서도 측정이 가능하다. 사진에 보이는 모델은 양방향 측정이 가능하지만, 일부 모델은 반대 방향 측정을 위해 측면 레버를 조작하여 전환해야 할 수도 있다.
이러한 인디케이터는 실제로는 각도의 변화(각 변위)를 측정하며, 직선 거리(선형 변위)를 직접 측정하는 것은 아니다. 선형 거리는 측정된 각 변위를 바탕으로 계산된다. 측정하려는 움직임이 인디케이터의 핑거(finger)에 수직 방향일 경우, 선형 변위 측정 오차는 다이얼 표시 범위 내에서 허용 가능한 수준이다. 그러나 움직임의 방향이 이상적인 90° 각도에서 10° 이상 벗어나면 오차가 눈에 띄게 커지기 시작한다.[1] 이를 '''코사인 오류'''라고 부르는데, 이는 인디케이터가 실제 움직임 벡터의 코사인 성분만을 감지하는 반면, 사용자는 전체 변위 벡터 값에 관심이 있기 때문이다.
테스트 인디케이터의 접점(contact point)은 대부분 직경 1mm, 2mm, 또는 3mm 크기의 표준 구형 팁과 함께 제공된다. 많은 제품의 팁은 강철(공구강 또는 고속도강)로 만들어지며, 고급 모델은 내마모성이 더 우수한 탄화물(예: 탄화 텅스텐)로 제작된다. 특정 용도에 따라 루비(내마모성 우수)나 테플론 또는 PVC(측정 대상 표면 긁힘 방지) 같은 다른 재료를 사용하기도 한다. 이러한 특수 재료는 가격이 더 비싸고 기본 옵션으로 항상 제공되는 것은 아니지만, 필요한 경우에는 매우 유용하게 사용될 수 있다.
최신 다이얼 테스트 인디케이터는 일반적으로 본체에 통합된 스템(stem, 이미지 오른쪽 부분)이나 인디케이터 본체의 특정 부분을 잡아주는 특수 클램프를 사용하여 고정한다. 일부 기기는 전용 홀더를 사용하기도 한다.
눌린 이상적인 테스트 인디케이터
현대 기어식 다이얼 메커니즘 이전에는, 단일 레버나 여러 개의 레버 시스템을 사용하는 테스트 인디케이터가 흔히 사용되었다. 이러한 장치의 범위와 정밀도는 일반적으로 현대의 다이얼식 장치보다 낮았는데, 일반적인 측정 범위는 10/1000 인치에서 30/1000 인치였고, 정밀도는 1/1000 인치 수준이었다. 대표적인 단일 레버 테스트 인디케이터로는 Starrett (No. 64)가 있었으며, 증폭을 위해 레버 시스템을 사용한 제품들은 Starrett (No. 564)[2]나 Lufkin (No. 199A)[3] 같은 회사뿐만 아니라 Ideal Tool Co.와 같은 소규모 회사에서도 제작되었다. 레버식과 플런저식으로 모두 사용할 수 있는 장치도 Koch에서 제조되었다.[4]
4. 3. 디지털 인디케이터
전자공학의 발달로 일부 인디케이터는 기존의 시계 문자반(다이얼) 대신 LCD와 같은 디지털 디스플레이를 사용하며, 태엽 대신 리니어 엔코더를 장착하게 되었다. 이러한 디지털 방식의 인디케이터는 아날로그 방식에 비해 여러 장점을 가진다.
많은 디지털 인디케이터 모델은 RS-232나 USB 같은 인터페이스를 통해 측정 데이터를 전자적으로 기록하고 컴퓨터로 전송할 수 있다. 이를 통해 컴퓨터는 측정 결과를 데이터베이스 테이블이나 스프레드시트와 같은 데이터 세트 형태로 기록하고, 통계 분석 등을 통해 해석할 수 있어 통계적 공정 관리(SPC)를 수행하는 데 매우 유용하다. 사람이 직접 긴 숫자를 손으로 기록할 필요가 없어지므로, 숫자를 잘못 옮겨 적는 등의 오류 발생 위험을 줄일 수 있다. 또한, 데이터 기록 및 복사에 소요되는 시간을 절약하여 작업 생산성을 크게 향상시킨다.
또 다른 장점으로는 버튼 하나로 미터법과 인치 단위를 쉽게 전환할 수 있다는 점이다. 이로 인해 측정값을 계산기나 웹 브라우저에 입력하여 단위 변환을 하고 그 결과를 다시 기록하는 번거로운 과정을 생략할 수 있다.
5. 접점 (팁) 유형
다이얼 게이지의 측정 정확도와 활용도를 높이기 위해 접점, 즉 팁(tip)은 측정 대상과 목적에 맞게 다양한 형태로 교체하여 사용할 수 있다. 팁은 크게 플런저(plunger)의 직선 운동을 측정하는 플런저형 인디케이터용 팁과 레버(lever)의 각도 변화를 측정하는 다이얼 테스트 인디케이터용 팁으로 나뉜다.
플런저형 인디케이터 팁은 측정 지점의 형태나 접근성에 따라 구형, 원통형, 평면형, 바늘형 등 다양한 모양으로 교체하여 사용한다.
다이얼 테스트 인디케이터의 팁은 주로 작은 구형이며, 측정 대상과의 마찰이나 마모를 고려하여 강철(공구강 또는 고속도강), 내마모성이 뛰어난 탄화물, 루비 또는 측정 대상의 긁힘을 방지하기 위한 테플론이나 PVC 등 다양한 재질로 제작된다.
각 팁 유형의 구체적인 종류, 재질, 사용 시 주의사항 등 상세한 내용은 아래 하위 섹션에서 다룬다.
5. 1. 플런저형 인디케이터 팁
플런저형 인디케이터의 프로브 팁은 사용 목적에 따라 다양한 모양과 크기로 교체할 수 있다. 팁은 일반적으로 #4-48 또는 M2.5 나사산으로 부착된다.
팁의 종류와 주요 용도는 다음과 같다.
구형 팁: 주로 '점' 접촉(point contact)을 제공하는 데 사용된다.
원통형 및 평평한 팁: 필요에 따라 사용된다.
바늘 모양 팁: 팁이 작은 구멍이나 슬롯에 들어갈 수 있도록 한다.
팁 부속품 세트는 별도로 판매되기도 하며, 이를 통해 팁 세트가 없는 인디케이터도 새로운 세트로 보완하여 사용할 수 있다.
5. 2. 다이얼 테스트 인디케이터 팁
다이얼 테스트 인디케이터의 접점, 즉 팁은 대부분 1mm, 2mm, 또는 3mm 직경의 표준 구형 팁으로 제공된다. 많은 제품이 강철(공구강 또는 고속도강)로 만들어지며, 고급 모델은 내마모성이 더 뛰어난 탄화물(예: 탄화 텅스텐)로 제작된다. 특정 용도에 따라 루비(내마모성이 높음) 또는 테플론이나 PVC(측정 대상물의 긁힘 방지)와 같은 다른 재료를 사용하기도 한다. 이러한 특수 재료는 더 비싸고 기본 옵션으로 항상 제공되는 것은 아니지만, 필요한 경우에는 매우 유용하다.
다이얼 테스트 인디케이터 팁은 직선으로 움직이는 대신 호(arc)를 그리며 회전하며, 일반적으로 구형 팁을 가지고 있다. 이러한 형태는 점 접촉을 제공하여, 팁이 호를 따라 움직일 때 일관된 측정을 가능하게 한다. 이는 볼 표면에서 중심점까지의 거리가 측정 표면과의 접촉 각도에 관계없이 일정하게 유지되기 때문이다.
팁 자체의 모양과 별개로, 레버(팁)가 측정 대상 표면과 이루는 각도는 측정 정확도에 매우 중요하다. 대부분의 다이얼 테스트 인디케이터에서 측정이 정확하려면, 즉 다이얼 판독 값이 실제 팁 이동 거리를 오차 없이 반영하려면, 레버가 측정하려는 표면에 평행(0° 또는 180°)해야 한다. 다시 말해, 팁의 움직임 경로가 측정하려는 방향(벡터)과 일치해야 한다. 만약 각도가 어긋나면, 인디케이터는 실제 움직임의 코사인 성분만을 등록하게 되는데, 이를 코사인 오차라고 부른다.[1] 이 오차는 레버와 측정 대상 사이의 각도에 적용되며, 레버와 인디케이터 본체 사이의 각도와는 다르다.[5] (이 사실은 CMM의 터치 트리거 프로브에도 동일하게 적용된다.) 이러한 코사인 오차가 발생하더라도 인디케이터를 사용할 수는 있지만, 절대적인 측정값을 얻으려면 보정 계수를 적용해야 한다.
일부 다이얼 테스트 인디케이터(예: Interapid 라인)는 레버와 측정 표면 사이의 각도가 12°일 때 코사인 오차가 0이 되도록 설계되어 있다. 이는 인디케이터 본체가 측정 표면을 지나갈 수 있도록 팁을 약간 기울여 사용하는 실제 작업 환경에서의 편의성을 고려한 것이다.
다이얼 테스트 인디케이터의 팁을 교체하는 것은 일반적인 드롭 인디케이터의 팁 교체보다 주의가 필요하다. 팁은 레버 역할을 하므로, 팁의 길이는 인디케이터 내부의 기계 장치와 정확하게 맞춰져 있다. 즉, 팁 끝의 호 이동 거리가 다이얼 바늘을 움직이는 기어와 정해진 비율을 갖도록 설계되었다. 따라서 원래 길이와 다른 팁을 사용하면 다이얼 판독 값에 보정 계수를 곱해야 실제 이동 거리를 알 수 있다. 팁은 교체를 위해 나사산 형태로 되어 있고 스패너를 사용할 수 있는 작은 평면 부분이 있기도 하지만, 팁 길이의 중요성 때문에 사용자 교체는 원래 인디케이터와 함께 제공된 동일한 길이의 팁으로 제한하는 것이 원칙이다.
위에서 설명한 코사인 오차나 레버 길이 오차는 다이얼 판독 값을 절대적인 측정값이 아닌, 단순히 두 상태를 비교하는 상대적인 값으로만 사용할 때는 문제가 되지 않는다. 예를 들어, 어떤 면이 평평한지 확인하기 위해 인디케이터를 움직이며 바늘의 변화량만 보는 경우가 해당한다. 그러나 절대적인 측정값과 상대적인 비교값을 혼동하면 오류가 발생할 수 있으므로 사용자의 주의가 필요하다. 이 때문에 측정기 검교정 기관에서는 정확한 절대 측정이 불가능한 다이얼 테스트 인디케이터의 정확도를 인증하지 않는 경우가 많다. 이런 인디케이터는 비교 용도로만 사용하도록 명확히 표시하거나, 사용자의 오해 가능성이 있다면 사용을 중지해야 할 수도 있다.
금속 공학 작업장에서, 흔히 4개의 턱이 있는 척(chuck)을 사용하는 선반 작업 시 공작물을 중심에 맞추는 데 쓰인다. 다이얼 게이지는 공작물의 런아웃(공작물의 회전 대칭 축과 스핀들의 회전 축 사이의 정렬 불량) 정도를 측정하여 보여주며, 작업자는 이 값을 보면서 척의 턱을 미세 조정하여 런아웃을 허용 범위 내로 줄인다.
자동차 디스크 브레이크에 새 로터를 부착할 때 측면 런아웃을 확인하는 데 사용된다. 측면 런아웃은 디스크 표면이 회전축에 대해 수직이 아니거나, 변형되었거나, 혹은 허브 장착면이 제대로 청소되지 않아 발생할 수 있다. 이러한 런아웃은 브레이크 페달의 떨림, 제동 시 차량 진동, 디스크의 불균일한 마모를 유발할 수 있다. 측면 런아웃은 휠 너트의 불균등한 조임 토크, 손상된 스터드 볼트, 허브와 로터 사이의 이물질이나 녹 등에 의해 발생 가능하다. 다이얼 게이지를 이용해 이 편차를 측정할 수 있으며, 로터를 다른 위치에 다시 장착하여 허브와 디스크의 공차를 상쇄시켜 런아웃을 줄일 수도 있다. 런아웃을 측정하려면, 디스크를 장착하고 규정 토크의 절반 정도로 너트를 조인 후 (휠이 없어 응력이 집중될 수 있으므로 주의), 다이얼 게이지를 브레이크 마찰면에 대고 디스크를 손으로 천천히 돌리면서 최대 편차 값을 읽는다. 최대 런아웃이 제조사 규정 허용치(일반적으로 최대 약 0.01cm) 이내여야 하며, 최적의 위치에 설치하면 대부분 약 0.01cm 미만으로 줄일 수 있다. 허용치를 초과하는 과도한 런아웃은 디스크를 빠르게 손상시킬 수 있다.
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