천칭

3. 작동 원리 및 측정

천칭은 지레의 원리를 이용하여 질량을 측정하는 도구이다. 지점을 중심으로 양쪽에 물체와 분동을 올려놓고 균형을 이루는 지점을 찾아 질량을 비교한다. 이때, 지점으로부터의 거리에 비례하는 회전력(토크)이 작용한다.^[1]

가장 간단한 형태의 천칭은 막대기 중간을 지지하고, 양쪽 끝에 측정 대상과 분동을 매달아 균형을 맞추는 방식이다. 이때, 분동의 질량을 모두 더하면 측정 대상의 질량을 알 수 있다.^[1]

정밀 측정을 위해 분동은 핀셋으로 다루어야 하며, 저울의 각 지점은 마찰이 적은 칼날 모양(나이프 에지)으로 만들어진다. 하지만 칼날이 날카로울수록 최대 측정 가능 질량(칭량)은 작아지므로, 정밀 저울에서는 이를 조절하기 위한 장치가 추가되기도 한다.^[1]

막대의 안정성과 감량(정밀도)은 서로 반비례 관계이다. 안정성을 높이려면 감량을 크게 해야 하고, 감량을 작게 하려면(정밀도를 높이려면) 안정성이 낮아진다. 이러한 상반되는 조건을 극복하기 위해 정밀 저울에서는 막대 중앙 지점 상부에 추를 설치하여 조절하기도 한다.^[1]

과거 대한민국에서는 체중계나 금속, 채소 등의 상거래에 널리 사용되었으며,^[1] 현대에도 전기를 사용할 수 없는 환경 등에서 사용되는 경우가 있다. 측정 오차를 줄이기 위해 좌우를 바꿔 측정하거나, 통계적 처리를 이용하기도 한다.

3. 1. 오차 원인

• 저울 설치 불량, 수평이 맞지 않는 경우 등에 의해 오차가 발생한다.
• 시료에 발생하는 부력 때문에 오차가 생기며, 진공 중에서 측정하면 이를 막을 수 있다.
• 기류의 영향으로 오차가 생기며, 강한 빛을 피하고 유리 케이스 안에서 사용하면 이를 막을 수 있다.
• 막대기의 세 지점에서 발생하는 정지 마찰에 의해서도 오차가 발생한다.
• 지자기 등 자기장이 저울의 자성체 부품 및 측정 대상에 영향을 주어 오차가 발생하기도 한다.
• 수증기가 시료 및 분동에 영향을 주어 오차가 발생할 수 있다.
• 시료의 온도가 높거나 낮으면 주변 공기가 이동하여 오차가 발생한다.
• 전향력도 오차의 원인 중 하나이다.

3. 2. 정밀도 향상

• 3점 지지점의 칼날 모서리가 날카로워야 한다. 칼날 끝의 반지름(R)이 작을수록 좋다.
• 3점 지지점 칼날 모서리가 직선 형태를 유지해야 한다.
• 3점 지지점의 정지 마찰이 작아야 한다.

3. 3. 칭량 증가

4. 시험 및 교정

대부분의 국가에서는 상업용 저울의 설계와 사용을 규제하고 있다. 이 때문에 새로운 설계를 도입하려면 비용이 많이 드는 규제의 장벽을 넘어야 하므로, 저울은 다른 기술에 비해 뒤쳐지는 경향이 있다. 그러나 최근에는 디지털 질량계가 도입되는 추세이다. 디지털 질량계는 실제로는 스트레인 게이지이며, 전용 아날로그 변환기와 네트워크가 내장되어 있다. 이 설계는 가혹한 환경에서 20밀리볼트 신호를 전송하는 데 수반되는 문제를 줄여준다.

정부 규제는 허가받은 기관에서 정기적으로 검사를 받을 것을 요구하며, 이때의 교정 기록을 보존해야 한다. 체중계와 같은 비상업용 저울은 "상업 불가" 라벨을 부착해야 한다.

현대적인 전자 질량계는 중력에 의한 아래쪽으로 향하는 힘을 측정하여 이를 질량으로 환산하여 표시한다. 그러나 지구상의 중력은 장소에 따라 0.5% 범위 내에서 변동하므로 이러한 종류의 질량계에서는 장소에 따라 다른 표시를 나타내게 된다. 따라서 정확한 질량을 측정하려면 설치한 장소마다 해당 지점의 중력 가속도에 기반한 교정을 해야 한다.

전통적인 천칭에서는 위와 같은 문제가 발생하지 않는다.

참조

_[1] 간행물 秤量の基礎 天びんの分類とその性質(少量の化合物を正確に秤量・分析するには) https://doi.org/10.2[...] 日本化学会 2012
_[2] 웹사이트 鉱山における粉じん濃度測定マニュアル https://www.meti.go.[...] 経済産業省 2019-10-15
_[3] 간행물 計量法施行令（平成五年十月六日政令第三百二十九号） https://laws.e-gov.g[...] 2009-06-29
_[4] 서적 JISハンドブック 試薬 日本規格協会