1장:
책 정보
(Introduction)

 

다른 계측 관련 정보 출처와 달리 이 책에서는 지식 분야와 관련한 내용은 다루지 않습니다.
'교정: Philosophy in Practice'는 7개의 섹션으로 구성되어 있으며, 각 섹션에서는 서로 다른 dc 및 저주파수 측정 영역에 대해 다룹니다. 각 섹션의 장은 "연구소 관리", "1차 표준 및 2차 표준"과 같은 핵심 주제 위주로 설명됩니다.
각 섹션의 내용은 포함된 항목에 대한 최신 내용 및 향후 이 항목에 영향을 줄 수 있는 중기 개발 내용에 맞춰져 있습니다.
이 책은 "연구소 전반"의 접근 방식을 강조합니다. 오늘날 계측학자들을 단순히 연구소에서 연구만 하는 존재로 보는 것은 바람직하지 않으며, 연구소들이 성공적으로 운영되고 우수한 품질을 추구하고 고객의 요구 사항을 통합하며 지속적인 발전을 위해 힘쓸 것을 요구합니다. 본 책은 이러한 요구 사항에 부합하고자 설계되었습니다.
어떤 섹션이 저에게 유용할까요?
본 책은 세 가지 유형의 계측 분야 관계자, 즉 초보 계측학자, 숙련된 계측 기술자 및 엔지니어 및 연구소 관리자 등을 염두에 두고 작성되었습니다.
초보 계측학자
계측학을 삶에 어떻게 접목할 것인가? 계측학 및 측정의 범위는 어떻게 되며 초보 계측학자가 고려해야 할 사항은 무엇인가? "표준"의 특징은 무엇이며 모든 문서 업무가 수반되어야 하는 이유는 무엇인가? 연구소 표준을 측정하고 비교하는 데 있어 더 적절한 기술은 무엇인가?
자격을 불문하고 초보 계측학자의 경우 섹션 2, "계측학의 보편적 요소"와 섹션 3, "1차 표준 및 2차 표준"을 읽어보면 위의 세 가지 질문에 대해 어느 정도 궁금증이 해결될 것이며, 나아가 또 다른 의문점을 제기할 수 있게 될 것입니다.
숙련된 계측학자
합리적인 가격의 데스크톱 컴퓨터가 널리 보급됨에 따라 계측학의 두 영역, 즉 자동화된 교정 및 통계 분석 영역에 많은 영향을 미치게 되었습니다. 높은 정확성, 안정성 및 다양한 기능과 관련한 1차 표준과 2차 표준이 현장에 나타나기 시작했으며, 컴퓨터가 지원되는 고도로 정확한 다기능 교정기도 개발되었습니다. 새로운 이 장비가 개발됨에 따라 테스트 및 절차 설계와 계측학 프로세스의 구현 단계에 있어 변화된 내용은 무엇입니까?
숙련된 계측학자에게는 섹션 4, "교정기 및 교정"과 섹션 5, "통계" 및 섹션 7, "계측학 관련 실제 고려 사항"의 내용이 특히 유용합니다.
연구소 관리자
연구소는 생산성을 중시하는 전통적인 연구 기능의 수행뿐만 아니라 혁신적이어야 하고, 변화를 수용할 수 있어야 합니다. 또한 계측 범위가 보다 미세한 시간과 공간으로 진화하면서 보다

정확하고 정밀한 측정 장치 및 방법이 요구됨에 따라 연구소의 역할이 어느 때보다도 중요해졌습니다. 계측학은 과학의 여러 영역에 있어 최상의 경로입니다.
이러한 새로운 요구 사항에 부합하기 위해, 계측 관리자는 장비와 데이터 리소스의 변화하는 규정과 개선 사항이 관리자와 연구소에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 보고를 받아야 합니다. 또한 비용뿐 아니라, 측정의 관점에서 새로운 구입에 대해 올바른 결정을 내리는 법을 배워야 합니다. 연구소 관리자에게는 섹션 6, "연구소 관리"의 내용이 특히 유용합니다.
섹션 소개
7개의 섹션과 해당 핵심 내용은 다음과 같습니다.
섹션 1: 소개(Introduction)
섹션 1에는 이 장과 함께 계측학 및 관련 작업을 시적 관점으로 바라보는 "계측학 로맨스(The romance of Metrology)"가 포함되어 있습니다. "계측한 로맨스"를 통해 초보 계측학자들은 계측학에 대해 보다 흥미를 느낄 수 있고 숙련된 계측학자들은 사고의 영역을 넓힐 수 있을 것입니다.
섹션 2: 계측학의 보편적 요소(Universal Elements of Metrology)
이 섹션은 계측학에 대한 전반적인 개요를 다룹니다. 따라서 계측학을 처음 접하는 사람들은 이 섹션을 통해 계측학에 대한 "개념을 확립"할 수 있습니다. 계측학에 대해 전반적으로 파악하고자 할 경우, 이 섹션을 참조하시기 바랍니다.
섹션 3: 1차 표준 및 2차 표준(Primary and Secondary Standards)
이 섹션에는 보다 높은 수준의 장비 계층이 자세하게 설명됩니다. 또한 몇 가지 중요한 전기적 양 및 측정량을 전송하는 데 사용되는 적절한 기술과 관련한 측정 표준의 특성도 설명됩니다.
숙련된 계측학자는 이 섹션에 설명된 1차 및 2차 표준에 대해 새로운 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이 섹션은 표준 연구소에서 작업하게 될 초보 계측학자들에게 있어 특히 유용합니다.
섹션 4: 교정기 및 교정(Calibrators and Calibration)
이 섹션에서는 오늘날 보다 다양해진 다기능 교정기에서 사용되는 고급 측정 방법에 대해 자세하게 설명하며, 아티팩트 교정 및 자동화와 관련한 개발 영역에 대해서도 설명합니다. 측정 방법과 관련한 설명을 찾는 초보 계측학자나 숙련된 계측학자, 또는 교정 프로세스에 자동화된 방법을 통합하는 것과 관련하여 더 많은 정보를 얻기를 원하는 관리자 모두에게 있어 이 섹션의 내용이 많은 도움이 될 것입니다.
섹션 5: 통계(Statistics)
이 섹션에는 계측학 통계에 관한 모든 내용이 포함되어 있습니다. 특히 숙련된 계측학자는 이 섹션을 자주 참조하게 될 것입니다. 단, 초보 계측학자도 "계측학 통계 소개"를 읽어봐야 합니다.

섹션 6: 연구소 관리(Laboratory Management)
이 섹션은 관리자 및 계측학의 "다른 측면"에 대해 알고 싶어하는 모든 사람을 위해 고안되었으며, 지원, 설비, 감사, 승인 및 기기 사양에 대해 설명합니다.
섹션 7: 계측학 관련 실제 고려 사항(Practical Consideration for Metrology)
이 섹션은 실제로 테스트를 설계하거나 교정을 수행하는 모든 계측학자에게 유용한 참조 자료로 사용됩니다. "Grounding, Shielding and Guarding", "A Rogues' Gallery of Parasitics" 및 "AC Lore"에도 중요하지만 쉽게 찾아볼 수 없는 다양한 내용이 나와 있습니다.
부록
부록에는 포괄적인 용어집, 색인 및 계측학 리소스 관련 유용한 섹션이 제공됩니다.
Fluke에서는 보다 나은 서비스를 제공하기 위해 언제든지 자사의 연구 및 제품과 관련한 고객들의 의견과 비평을 감사히 듣고 반영할 것입니다. 이 책의 자료와 관련하여 의견이 있으시면 저희에게 우편을 보내주시거나 전화해주십시오.
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본 책에 사용된 규칙
숫자 표기의 경우 구분 기호로 쉼표와 소수점을 사용하는 미국의 규칙을 따릅니다. 예를 들어 미터는 1/299,792,458초의 시간 간격 동안 진공에서 빛에 의해 이동하는 경로 길이로 정의되며 디지털 멀티미터 표시는 +9.995볼트를 나타낼 수 있습니다.
이 책에 나오는 대부분의 회로 다이어그램은 개념을 가장 명확하게 나타내도록 간소화되었습니다. 실제 회로는 참조된 장비 설명서에 자세하게 설명되어 있습니다.
해당 기생의 측정된 값이나 별개 구성 요소의 값을 나타내는 변수는 대문자로 표시됩니다. 반면 측정되지 않은 회로 기생을 나타내는 변수는 소문자로 표시됩니다.

 

2장:
계측학 로맨스
(The Romance of Metrology)
"계측학 로맨스". 이 단어를 들으면 무엇이 떠오르십니까? 당신의 호기심을 자극할 만한 이야기가 펼쳐집니다.

계측학자들은 무엇인가에 대한 '정의'를 내리는 것을 좋아하며 자신들의 해석에 대해 며칠이고 논쟁할 수 있습니다.
로맨스의 사전적 의미는 다음과 같습니다. 'Romance |n... 3: 유달리 영웅적인 시대, 모험 또는 활동에 관한 정서적 이끌림 혹은 기운.'
계측학 로맨스라는 것이 존재할까요? 물론입니다! 측정에 대한 위대한 모험은 아주 오래전 은하계에서 시작되었습니다. 모세(Mose)는, "정직하게 무게를 달고 측정을 하면 하느님께서 주신 이 땅에서 오랫동안 살 수 있을 것이다."라고 했으며, 소아시아 바빌론(Babylon)에는 함무라비 법전(Code of Hammurabi)이 존재했습니다. 여기서, "과연 함무라비가 최초의 감사관이었을까요?"라는 의문이 제기됩니다. 그리고 감사를 받는 자가 정직하지 못하면 어떤 처벌이 내려졌을까요? 측정에 약간의 오류가 있었다는 이유로 손이나 머리가 잘리는 벌을 받았을까요?
정직한 도량형에 관한 인류의 전통은 고대로 거슬러 올라갑니다. 우리는 인더스 강(Indus river) 모헨조다로(Mohenjodaro)의 하라파인들(Harappan), 나일 강(the Nile)에 피라미드를 세운 이집트인들(Egyptian), 또는 중국인(Chinese), 마야인들(Mayan)처럼 다른 문화권에서도 정직한 도량형의 진실성에 관하여 비슷한 관점을 가지고 있었음을 알고 있습니다. 하지만 계측학의 전통에 관한 계보는 이러한 다른 문화권을 직접적으로 포함하지 않습니다.
그리스인들(Greek)의 과학은 자연에 관한 합리적 관점을 처음 제시했습니다. 그리스의 고대 철학자들은 '이성'을 자연에 내재된 신성한 지혜로 생각하였습니다. 아리스토텔레스(Aristotle)의 시대에 와서는 이러한 관념이 신비주의 영역을 벗어나 자연의 현상들은 신의 기분에 따른 것이 아니라 합리적이고 지속적이며 이해할 수 있는 현상으로 여겨졌습니다.
이 같은 발상을 현대 사회에서 지속하면서 오늘날의 계측학자들은 자연의 법칙이 모든 관찰자들에게 항상 동일하게 적용된다고 믿습니다. 우리는 도량형의 표준을 자연의 구조 자체에서 끌어냅니다. 이 경우 자연으로부터 얻는 측정 기준은 거짓될 수가 없습니다. 적어도 우리의 관점은 그러합니다.
그렇다면 자연의 구조는 무엇이며, 어떻게 정의할 수 있을까요? 이는 위대한 고대 그리스인들도 제기하였던 심오한 질문입니다. 피타고라스 학파(Pythagorean)는 자연의 궁극적인 표출 방식은 수학적 특성을 보인다고 믿었습니다. 플라톤은 더 나아가 자연은 표출되는 모습과는 달리, 근원적으로는 완벽함을 내재하고 있다고 보았습니다.
오늘날 우리는 강력하고 아름다운 수리학으로 자연을 분석하며 오류가 없는 이상적인 값에 대해 이야기합니다. 그러나 자연을 깊이 들여다볼 수 있게 되면서 확신이라는 개념은 사라졌습니다. 이상이란, 단지 허상과 같은 수준의 개연성 위에 불확실하게 측정된 실제에 관한 분포 밀도를 올려놓는 것입니다.
"더럽혀서 미안하지만, 우리는 반드시 파내야 합니다(Pardon our dust, but dig we must)." 라는 Con Ed사의 슬로건은 계측학자들의 연구 지향점과 밀접하게 맞닿아 있습니다. 우리는 보다 정확한 측정값을 얻기 위해 지속적으로 파헤치는 작업을 반복해야 합니다. 여기서 우리는 실험주의자들의 실질적인 작업이 이론가들의 사색과 밀접한 관련이 있음을 알게 됩니다.
최초의 실험가는 아르키메데스(Archimedes)로 알려졌는데, 전설에 의하면 부력의 원리에 대해 깨닫고서는 흥분하여 알몸으로 '유레카(Eureka)!'를 외치며 시러큐스(Syracuse) 거리로 뛰쳐나왔다고 합니다. 하지만 이 원리와 함께 그의 또 다른 중요한 발견인 '지렛대의 법칙'을

확신할 수 있게 한 것은 바로 실험이었습니다. 이는 오늘날에도 마찬가지로, 우리가 실행하는 모든 측정은 장치의 실제 작동과 그 원리 사이의 관련성에 대한 순도의 실험입니다.
전자 계측학에서는, 19세기 물리학의 위대한 산물인 홀(Hall) 효과, 펠티에(Peltier) 효과, 톰슨(Thomson) 효과, 제베크(Seebeck) 효과와 같은 새로운 발견이 있는가 하면, 옴의 법칙(Ohm's law), 키르포츠의 법칙(Kirchoff's law), 태브냉의 정리(Thevenin's theorem) 등 이론적 기초를 보강하는 성과를 거두기도 했습니다. 여기서 파생된 핵심 기술이 오늘날의 번영의 토대가 되었음에도 우리는 이를 당연시하고, 일상적인 것들로 치부합니다.
그런가 하면 암페어(Ampere), 볼타(Volta), 에르스텟(Oersted)의 연구들이 있었으며 이는 패러데이(Faraday)에 의해 실험적으로 통합되었습니다. 패러데이의 수학적 미진함은 맥스웰 방정식(Maxwell's equation)으로 보강되었습니다. 물리학은 뉴턴(Newton)의 결정론적 동력학에서 벗어나 수명이 짧은 전자기장에 대한 연구로 이동하였습니다. 이러한 움직임은 상대성 이론과 양자역학, 그리고 이들의 파생물인 원자력과 전자공학 뒷받침하기 위한 필요성, 특히 무선 주파를 전자기장으로 방송하려는 의도와 직접적으로 연관되었습니다.
19세기의 전기공학 분야에서의 발견이 현대 계측학자들로 하여금 다양한 센서와 정교한 기기의 개발이라는 대담한 모험의 길로 안내한 것입니다.
토머스 영(Thomas Young)은 에너지에 대해 보다 엄격한 잣대를 세웠습니다. 그의 연구는 카르노(Carnot), 클라우지우스(Clausius), 볼츠만(Boltzmann), 켈빈(Kelvin)의 연구와 함께, 열역학과 정확한 온도 측정의 필요성을 이끌어 냈습니다. 이 측정값들은 효율적인 원동기와 열기관의 개발을 뒷받침하였습니다. 엔진의 발명은 인간과 말의 힘을 대체하였습니다. 이는 집, 사무실은 물론 계측학 실험실의 냉난방의 역할을 대신하는가 하면, 하늘과 우주에 엄청난 속도로 여행할 수 있도록 하기도 했습니다.
계측학은 동역학에서 열역학, 전기역학에 이르는 발전의 역사를 거쳐왔습니다. 그리고 이러한 각각의 발전 단계가 새로운 계측학의 시대를 이끌었습니다. 동역학에서의 계측학은 질량, 길이 그리고 시간을 독립된 별개의 단위로 취급하였습니다. 동역학 시대의 말엽에 이르러서, 이 각각의 양들은 아티팩트 표준에 따라 표기되었습니다. 미터법에서는 백금-이리듐 원기로 질량을 측정했으며, 백금 막대기가 미터를 나타냈습니다. 정확한 시계는 회전추가 기어를 평균 태양일을 완벽하게 균등한 86,400초로 나누도록 움직이는 것이었습니다.
열역학은 절대 온도를 표기하는 켈빈 눈금의 발견을 이끌었습니다. 또한 사물의 질량과 길이가 해당 온도에 따라 영향을 받는다는 사실도 새롭게 발견되었습니다. 이렇듯 계측학의 로맨스는 다른 표준을 교정하기 위한 전제 조건으로 교정된 온도계를 사용할 필요성을 포함합니다.
온도 눈금은 길이나 질량처럼 광범위하지 않습니다. 일례로, 두 개의 1미터 자를 맞닿게 놓으면 하나의 2미터 길이 막대기를 얻을 수 있지만, 각자의 온도를 지닌 두 개의 사물을 합쳐서 2배의 켈빈 온도를 얻는 것은 불가능합니다. 소급적인 열역학의 제로 법칙에 따라 합쳐진 두 개의 사물은 하나의 켈빈 온도 값만 갖습니다. 온도에 관한 계측학은 기계적 작업과 온도의 비율을 통합한 켈빈의 기초 방정식에 기반을 둔 눈금의 정의와 구현에서 비롯됩니다.
하지만 이것이 전부가 아닙니다. 맥스웰 방정식은 전기역학과 새로운 계측학 발견의 필요성을 제기했습니다. 이 새로운 계측학의 기초 단위는 암페어이고, 여기서 볼트와 옴 등 연관 단위들이 파생되었습니다. 사실 암페어는 연관된 자기력이 미터, 킬로그램, 그리고 초로 측정되는 전류로 정의됩니다.

20세기에 와서 계측학의 구성은 더욱 견고해졌습니다. 시간의 기본 단위인 초는 세슘 원자의 고유한 특정 양자전기역학 에너지 전이에 따라 정의됩니다. 이러한 원자시계의 등장으로 우리는 진자시계와 지구는 균일하게 자전한다는 관념에서 탈피할 수 있었습니다. 새로운 계측학은 지구 자전의 불규칙한 부분들을 측정할 수 있게 해주었습니다. 또한 지구의 자전율은 각운동량의 일부를 달로 전달하고 남은 부분을 일주(日週) 조와 연관된 해저 위 해양의 마찰에서 발생하는 열로 변환함으로써 점차 줄어들고 있다는 사실을 알 수 있었습니다.
미터는 더 이상 아티팩트로 정의되지 않습니다. 미터는 오늘날, 완벽하게 정의된 시간 내의 빛이 이동하는 거리를 의미합니다. 진공 상태의 빛의 속도는 자연 상수로 간주되므로 미터는 그 이동 시간에서 파생됩니다. 미터와 초의 정의와 구현, 그리고 표기는 이제 자연 속 역학이 아닌 전자기의 영역입니다. 놀라운 것은 현재까지도 동역학과 전기역학을 통합하는 이론이 완성되지 않았음에도 이들이 동역학 현상의 측정에도 성공적으로 사용되고 있다는 점입니다.
자연 상수는 온도의 영역에도 변화를 가져왔습니다. 흑체에 관한 이론과 실험을 통해 열의 전자기 방사선 도수 분포와 방열 오브젝트 온도와의 연결고리를 찾을 수 있습니다. 플랑크(Planck)가 발견한 통합 방정식은, 양자역학과 온도 계측학이 켈빈 눈금과 맞닿은 실험 결과를 보여준 흑체 기술의 확립으로 이어지도록 직접적인 공헌을 하였습니다.
양자역학, 특히 양자전기학은 지속적으로 전기 계측학의 발전을 도모하고 있습니다. 최근 초전도 조지프슨 접합(Josephson junction)으로 생성된 직접 전압이 전압의 표준이 되었습니다. 이 전압은 양자전기역학 효과로 발생(최대 1017)하는데, 이 효과로 동일한 전압을 서로 다르게 연결된 두 개의 방사선 처리된 조지프슨 접합으로 발생시킬 수 있음이 실험적으로 입증된 바 있습니다. 따라서 볼트는 자연 상수에서 가져온 초의 기능인 것입니다.
하지만 양자 홀 효과(Quantum Hall Effect)도 존재합니다. 이 효과에서는 전류가 이차원 전자기체로 자기장에 수직으로 흐를 때 초전도성 반도체의 저항이 정확하게 양자화됩니다. 따라서 옴 역시 자연 상수에서 가져온 초의 기능인 것입니다.
우리를 검사하는 사람은 동료일 수도 있고, 감사관, 또는 우리 스스로가 될 수도 있습니다. 이를 진정한 의미의 측정이라고 할 수 있을까요? 이는 어떻게 측정되었으며, 이 측정을 신뢰할 만한 근거는 무엇이 있을까요? 이 질문은 인류 법칙에서 끊임없이 반복되는 질문입니다. 계측학자들은 이에 대해 자연의 근본적인 법칙에 근거한 답변을 제시할 수 있습니다. 계측학 로맨스는 아주 오래 된, 유서 깊은 우리의 직업에 빛을 더해줍니다.