[논문]백금저항온도센서를 이용한 국가교정기관의 교정능력 평가 및 실험방법

감기술; 유성호; 김성민; 이인식

doi:10.5369/jsst.2005.14.4.231

문제 정의

이 온도센서는 표 2와 같이 3개 그룹으로 분류된 숙련도 시험에 참여한 국가교정기관으로 hand-carry 방식으로 순회시켰으며, 각 기관이 보유하고 있는 기준기급 백금저항온도계 및 교정시스템을 사용하여 비교교정되었다. 각 국가교정기관에서는 다양한 방식의 교정방법이 사용되고 있으나, 본 연구에서는 비교교정방법에 의한 불확도를 최소한으로 줄이기 위하여 다음과 같은 표준화된 비교교정방법을 사용하도록 하였다.
그리고, 산업자원부 산하의 기술표준원에서 주관하는 한국교정 · 시험기관 인정기구(Korea Laboratory Accreditation Scheme, KOLAS) 규정^[2]에 따라, 교정의 소급성 및 교정정확도를 확인하기 위하여 KOLAS에서 관장하는 숙련도 시험 프로그램으로 3년에 1회이상 교정능력평가(round-robin test, RRT)에 참여하여 그 능력을 평가하여야 한다. 본 연구실에서는 열전대를 이용한 RRT 경험^[3] 및 고온백금저항온도계 분야의 축적된 경험^[4]을 살려서 중온분야 국가교정기관 31개소에 대하여 기준기급 백금저항온도계를 사용하여 –50 °C~250 °C 온도영역에서의 숙련도 시험을 실시한 결과를 분석, 보고하고자 한다.

제안 방법

3) 순회용 표준 백금저항온도계와 기준기급 백금저항온도계의 리드선을 저항브릿지와 연결하고 온도계의 정상작동 여부를 확인한다.
이와 같이 표준백금저항온도계의 표준유지를 위하여 모든 국가교정기관은 물의 삼중점 및 보관함을 보유하도록 규정되어 있다. 그리고, 산업자원부 산하의 기술표준원에서 주관하는 한국교정 · 시험기관 인정기구(Korea Laboratory Accreditation Scheme, KOLAS) 규정^[2]에 따라, 교정의 소급성 및 교정정확도를 확인하기 위하여 KOLAS에서 관장하는 숙련도 시험 프로그램으로 3년에 1회이상 교정능력평가(round-robin test, RRT)에 참여하여 그 능력을 평가하여야 한다. 본 연구실에서는 열전대를 이용한 RRT 경험^[3] 및 고온백금저항온도계 분야의 축적된 경험^[4]을 살려서 중온분야 국가교정기관 31개소에 대하여 기준기급 백금저항온도계를 사용하여 –50 °C~250 °C 온도영역에서의 숙련도 시험을 실시한 결과를 분석, 보고하고자 한다.
, Model 5682-S) 3대 및 이들 센서를 연결하여 사용하는 디지털 온도계 3대를 구입하여 순회평가용으로 사용하였다(표 1 참조). 새로 구입한 백금 저항온도센서는 한국표준과학연구원에서 온도계의 저항값을 안정화 시키기 위하여 500 °C에서 5시간 동안 열처리 한 후 온도 고정점에서 일차교정하였다. 열처리 후 이들 온도계는 온도가 높은 고정점에서 낮은 고정점의 순으로 차례로 교정하였다.
순회용 백금저항온도센서의 교정값은 순회 전후에 측정한 고정점에서의 측정값을 평균하여 사용하였다. 순회용 온도센서의 일차 교정값과 비교 교정값 간의 차이 및 숙련도 시험에 참여한 국가교정기관에서 제시한 BMC(Best Measurement Capability)값을 사용하여 E_n 값을 계산하였으며, 이 값을 근거로 각 교정기관의 교정능력을 평가하였다. E_n 값은 EAL, APLAC에서 운영하는 국제적 교정 프로그램 중 참가시험소의 측정값이 기준시험소의 측정값을 만족시키는지를 판단하기 위해 사용하는 기준식으로 다음 식과 같이 정의 되어 있다^[6].
순회용 표준백금저항온도계 3대는 2003년 9월 26일 한국표준과학연구원에서 온도 고정점에서 일차교정하였으며, 그 이후 4차례에 걸쳐 산업기술 시험원에서 순회평가 전후에 비교교정하였다. 순회평가 종료 후 2004년 3월 17일 이들 온도계는 한국표준과학연구원에서 다시 온도고정점에서 교정하여 순회평가중에 온도계의 특성변화가 발생하였는지 여부를 확인하였다.
순회측정과정에서의 순회용 표준백금저항온도계의 저항값 변화는 순회가 끝난 후에 측정한 고정점 재교정을 통하여 확인하였다. 순회용 백금저항온도센서의 교정값은 순회 전후에 측정한 고정점에서의 측정값을 평균하여 사용하였다.
순회용 표준백금저항온도계 3대는 2003년 9월 26일 한국표준과학연구원에서 온도 고정점에서 일차교정하였으며, 그 이후 4차례에 걸쳐 산업기술 시험원에서 순회평가 전후에 비교교정하였다. 순회평가 종료 후 2004년 3월 17일 이들 온도계는 한국표준과학연구원에서 다시 온도고정점에서 교정하여 순회평가중에 온도계의 특성변화가 발생하였는지 여부를 확인하였다. 그 결과 순회 기간중 표준백금저항온도계의 비교교정 전후의 고정점 교정값 변화는 물의 삼중점에서 7.
새로 구입한 백금 저항온도센서는 한국표준과학연구원에서 온도계의 저항값을 안정화 시키기 위하여 500 °C에서 5시간 동안 열처리 한 후 온도 고정점에서 일차교정하였다. 열처리 후 이들 온도계는 온도가 높은 고정점에서 낮은 고정점의 순으로 차례로 교정하였다. 즉, 주석 응고점(231.
순회평가에서 온도비교측정점을 단순화 시키기 위하여 일차교정된 표준백금저항온도계는 산업기술 시험원에서 디지털 온도계에 연결되어 -50 °C, 0 °C, 100 °C, 200 °C, 250 °C에서의 출력값으로 변환되었다. 이 온도센서는 표 2와 같이 3개 그룹으로 분류된 숙련도 시험에 참여한 국가교정기관으로 hand-carry 방식으로 순회시켰으며, 각 기관이 보유하고 있는 기준기급 백금저항온도계 및 교정시스템을 사용하여 비교교정되었다. 각 국가교정기관에서는 다양한 방식의 교정방법이 사용되고 있으나, 본 연구에서는 비교교정방법에 의한 불확도를 최소한으로 줄이기 위하여 다음과 같은 표준화된 비교교정방법을 사용하도록 하였다.
열처리 후 이들 온도계는 온도가 높은 고정점에서 낮은 고정점의 순으로 차례로 교정하였다. 즉, 주석 응고점(231.928 °C), 인듐 응고점(156.5985 °C), 갈륨용융점(29.7646 °C), 및 수은 삼중점(-38.8344 °C) 순으로 표준백금저항온도계 교정절차^[5]에 따라 일차교정하였다. 각 고정점 점후에는 물의 삼중점(0.

대상 데이터

국가교정기관 평가에는 산업기술시험원에서 기준기급 백금저항온도센서(Hart Co., Model 5682-S) 3대 및 이들 센서를 연결하여 사용하는 디지털 온도계 3대를 구입하여 순회평가용으로 사용하였다(표 1 참조). 새로 구입한 백금 저항온도센서는 한국표준과학연구원에서 온도계의 저항값을 안정화 시키기 위하여 500 °C에서 5시간 동안 열처리 한 후 온도 고정점에서 일차교정하였다.

데이터처리

순회측정과정에서의 순회용 표준백금저항온도계의 저항값 변화는 순회가 끝난 후에 측정한 고정점 재교정을 통하여 확인하였다. 순회용 백금저항온도센서의 교정값은 순회 전후에 측정한 고정점에서의 측정값을 평균하여 사용하였다. 순회용 온도센서의 일차 교정값과 비교 교정값 간의 차이 및 숙련도 시험에 참여한 국가교정기관에서 제시한 BMC(Best Measurement Capability)값을 사용하여 E_n 값을 계산하였으며, 이 값을 근거로 각 교정기관의 교정능력을 평가하였다.

성능/효과

순회평가 종료 후 2004년 3월 17일 이들 온도계는 한국표준과학연구원에서 다시 온도고정점에서 교정하여 순회평가중에 온도계의 특성변화가 발생하였는지 여부를 확인하였다. 그 결과 순회 기간중 표준백금저항온도계의 비교교정 전후의 고정점 교정값 변화는 물의 삼중점에서 7.4 mK 이내였으며, 고정점중 가장 높은 온도인 주석 응고점에서도 3.9 mK 이내의 변화를 보여 단기안정도가 우수한 것으로 나타났다. 기준 교정기관인 산업기술 시험원과 숙련도시험에 참여한 31개 국가교정기관들이 -50 °C, 0 °C, 100 °C, 200 °C, 250 °C에서 비교교정 한 결과와 순회용 표준백금저항온도계의 기준값과의 차이를 그림 1에서부터 그림 5에 정리하였다.
표 3은 순회용 표준백금저항온도계의 기준값과 측정값과의 차이 및 각 교정기관의 BMC로부터 계산한 E_n 값을 정리한 것이다. 모든 숙련도 시험 참가 교정기관의 E_n 값이 -50 °C 및 0 °C에서는 ±1 이내로 KOLAS에서 규정한 교청수준을 대체로 만족하는 결과를 얻었다. 그러나, 비교온도 100 °C 및 200 °C에서는 5개 기관의 E_n값이 ±1을 벗어났으며, 250 °C에서는 7개 기관의 E_n 값이 ±1을 벗어난 결과를 보였다.
백금저항온도센서를 사용하여 –50 °C~250 °C 온도영역에서 국내의 31개 국가교정기관의 교정능력을 E_n 값을 사용하여 평가한 결과 -50 °C 및 0 °C에서는 모든 기관의 E_n 값이 ±1 이내로 KOLAS에서 규정한 교정수준을 만족하였으나, 비교온도 100 °C 및 150 °C에서는 5개 기관의 E_n 값이 ±1을 벗어나는 결과를 보였다. 특히 250 °C에서는 7개 기관의 E_n 값이 ±1보다 크게 벗어나는 결과를 보여 교정온도가 높을 수록 교정기관의 측정능력에 문제점이 많이 발생하는 것으로 나타났다.
062 °C 낮게 측정된 결과를 보이고 있다. 빙점은 산업용 저항온도계의 교정데이터를 저항비로 환산할 때 기본적으로 사용되는 측정값으로 아주 중요한 값이기 때문에 최소한 ±0.01 °C 이내에서는 기준값과 일치하여야 할 것으로 생각되나, 7개 교정기관의 측정 결과는 기준값에 대하여 ±0.01 °C 이상의 편차를 보임으로서 기대에 비하여 많이 뒤떨어지는 수준을 가진 것으로 나타났다. 그림 3~그림 5는 100 °C，200 °C, 250 °C에서 비교교정한 교정기관의 데이터와 기준 데이터간의 차이를 나타낸 것으로, ±0.
값이 ±1을 벗어나는 결과를 보였다. 특히 250 °C에서는 7개 기관의 E_n 값이 ±1보다 크게 벗어나는 결과를 보여 교정온도가 높을 수록 교정기관의 측정능력에 문제점이 많이 발생하는 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 발견된 국가교정기관의 교정능력을 개선시키기 위한 추가연구를 진행할 예정이다.

후속연구

특히 250 °C에서는 7개 기관의 E_n 값이 ±1보다 크게 벗어나는 결과를 보여 교정온도가 높을 수록 교정기관의 측정능력에 문제점이 많이 발생하는 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 발견된 국가교정기관의 교정능력을 개선시키기 위한 추가연구를 진행할 예정이다.
따라서, 100 °C 이상에서 E_n 값이 ±1을 벗어난 경우는 해당 교정기관의 교정능력이 교정기관 인정과정에서 각 기관이 제시한 BMC 수준에 미달하는 결과로 볼 수 있다. 최근 국내의 산업체가 고도화 됨에 따라 정확한 온도측정능력이 점점 더 많이 요구되고 있음을 감안 할 때 본 연구에서 파악된 기대 수준에 미달되는 교정기관들에 대하여는 그 원인을 시급히 파악하여 개선하고, 교정의 정확도를 향상시켜 산업체의 요구를 만족시킬 수 있도록 노력하여야 할 것으로 판단된다. 이 목표를 위하여 한국표준과학연구원에서는 2005년도부터 이동형 고정점 셀 및 실현장치를 이용하여 수준에 미달되는 교정기관을 순회하여 교정시스템 점검 및 정확도 수준을 향상시킬 예정이다.

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