비접촉으로 부피를 측정하는 방법
측정 요소 중의 하나로 '부피'가 있습니다. 부피는 액체나 기체, 고체 등에서 폭넓게 사용되지만, 자나 캘리퍼스 등으로 직접 측정할 수 있는 길이와는 다르게 각 변의 길이 등을 토대로 공식을 이용하여 산출한다는 차이가 있습니다.
유채씨가 담긴 용기에 액체를 채워, 밀려난 유채씨의 양으로 부피를 측정하는 종자 치환법이나 레이저 체적 측정기를 사용하여 부피를 측정하는 방법이 일반적이지만, 액체에 젖거나 표면이 변형되어 정확하게 측정할 수 없다는 과제가 있었습니다.
이번에는 그러한 부피 측정의 기초 지식과 더불어 비접촉으로 부피를 측정하는 방법에 대해 설명하며, 기존 측정 방법의 과제와 그 해결책을 정리했습니다. 앞서 언급한 방법 이외에 비접촉으로 부피를 효과적으로 측정할 수 있는 수단은 3D 스캐너의 활용입니다. KEYENCE의 3D 스캐너형 측정기 'VL 시리즈'는 다양한 대상 물체의 형상을 단시간에 3차원으로 포착할 수 있으므로, 비접촉으로 간단하게 부피를 산출할 수 있습니다. 여기에서는 'VL 시리즈'를 활용한 부피 측정에 대해서도 소개합니다.
- 부피란?
- 부피 계산 방법
- 체적 측정기의 종류
- 일반적인 부피 측정 방법
- 부피 측정에 대한 기존 과제
- 비접촉으로 부피를 측정하는 과제 해결 방법
- 3D 스캐너를 활용하면 비접촉·고정밀도·단시간에 부피 측정 가능
부피란?
부피란 3차원 공간에서 그 영역의 크기를 나타내는 물리량입니다. 국제 단위계(SI/SI 단위)에서는 'm3(세제곱미터)'가 사용됩니다. 수학적으로는 3차원 공간 내의 부분 집합(=도형)의 정의 함수를 적분하여 부피를 구하지만, 실제 현장에서는 적분이 아닌 전용 측정기를 이용하여 실측값을 구합니다. 또한 부피를 측정하는 기구·기계를 총칭하여 '체적 측정기(Volume Meter)'라고 부릅니다.
부피 측정은 예를 들어 부정형의 원재료나 식품의 크기, 또는 용적을 측정하는 경우에 해당하지만, 엔진 실린더 내부의 용량을 조사할 때에도 이용됩니다. 참고로 용적이란 용기 안에 채워져 있는 양을 나타내며, 부피와 마찬가지로 단위는 'm3(세제곱미터)'를 사용합니다.
부피 계산 방법
부피는 입체의 형상에 따라 아래의 공식으로 구할 수 있습니다. 단, 공식은 정육면체나 직육면체, 기둥, 구 등에 한정되며 복잡한 형상은 계산할 수 없습니다. 따라서 현장에서는 체적 측정기를 이용하여 측정하지만, 부피 측정의 기초로서 공식을 이해해 둘 필요가 있습니다.
- V
- 부피
- a
- 한 변의 길이
- V
- 부피
- a
- 세로 길이
- b
- 가로 길이
- h
- 높이
- V
- 부피
- S
- 밑넓이
- h
- 높이
- V
- 부피
- S
- 밑넓이
- h
- 높이
- V
- 부피
- r
- 반지름
- V
- 부피
- a
- 한 변의 길이
- V
- 부피
- a
- 한 변의 길이
체적 측정기의 종류
부피를 측정하는 체적 측정기로는 예로부터 곡식의 부피를 측정하던 '되(枡)'를 비롯하여 과학 실험이나 의료용으로 사용되는 플라스크나 눈금 실린더, 피펫, 뷰렛 등이 있으며, 이 외의 비접촉 방식 측정기로는 음압을 이용한 '음향식 체적 측정기', 레이저광을 이용한 '레이저 체적 측정기' 등이 있습니다. 또한 이것들은 용량계라고 불리기도 합니다.
일반적인 부피 측정 방법
부피 측정 방법으로는 '아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정 방법', '레이저 체적 측정기를 이용한 부피 측정 방법', '음향식 체적 측정기를 이용한 부피 측정 방법'의 세 가지 방법이 통용되고 있습니다. 또한 아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정 방법과 원리는 같지만, '종자 치환법'도 식품 등의 부피 측정에 자주 이용됩니다.
아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정 방법
아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정 방법은 '유체(액체·기체) 속에 있는 물체는 그 물체가 차지한 액체나 기체의 부피만큼의 부력을 받는다'는 물리 법칙을 이용한 것입니다. 아르키메데스의 원리는 부력이 발생하는 원리를 나타낸 법칙이지만, 가라앉은 물체와 밀려난 유체의 양이 동일해지기 때문에 그 법칙을 이용하여 부피를 측정합니다.
쉬운 예를 들자면, 욕조에 가득 찬 물에 몸을 담그면 자기 몸과 같은 양의 물이 욕조에서 넘쳐흐릅니다. 이것을 부피 측정에 이용한 것이 '아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정 방법'입니다. 대표적인 방법으로 눈금이 있는 눈금실린더를 사용한 부피 측정을 들 수 있습니다. 측정 대상을 액체(일반적으로는 순수한 물)에 가라앉혀 액면의 변화를 읽음으로써 부피를 알 수 있습니다.
종자 치환법을 이용한 부피 측정 방법
기본적인 원리는 아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정 방법과 동일하지만, 액체를 입자 형태의 종자(유채씨, 좁쌀 등)로 바꾸어 부피를 측정하는 방법입니다. 주로 액체에 가라앉힐 수 없는 빵이나 과자 등에 이용되며, 종자 치환법 외에 유사 유체로서 비즈(구슬)를 이용하는 '비즈 치환법', 모래를 이용하는 '모래 치환법' 등의 부피 측정 방법도 있습니다.
레이저 체적 측정기를 이용한 부피 측정 방법
아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정 방법은 고정밀도 부피 측정이 가능한 반면, 액체에 젖는다는 문제가 있습니다. 또한 종자 치환법은 젖을 걱정은 없지만 부드러운 측정 대상 물체의 경우 찌그러져 오차가 발생할 가능성이 있습니다. 그러한 경우에 이용되는 것이 '레이저 체적 측정기를 이용한 부피 측정 방법'입니다.
레이저 체적 측정기는 레이저광을 이용하여 거리를 검증하고 대상 물체의 형상을 스캔하여 비접촉으로 단시간에 부피를 측정합니다. 또한 측정 결과를 2D나 3D로 표시하고 형상을 수치화할 수 있다는 특징이 있습니다.
음향식 체적 측정기를 이용한 부피 측정 방법
비접촉 방식을 통해 부피나 용적을 측정하는 방법으로 '음향식 체적 측정기를 이용한 부피 측정 방법'도 이용되고 있습니다. 주로 엔진의 실린더 용적 등의 측정에 이용되며, 스피커와 마이크를 사용하여 음압으로부터 부피나 용적을 측정합니다. 구체적으로는 기준조와 측정조의 2중 구조로 된 측정기를 사용하여 기준조에 마이크와 스피커를 설치합니다. 기준조와 측정조의 경계에 설치한 스피커에서 소리를 내면 기준조와 측정조의 공기가 진동하고, 그 미세한 소리의 진동은 부피·용적에 반비례합니다. 이 성질을 이용하여 대상 물체의 용적·부피를 측정합니다.
부피 측정에 대한 기존 과제
부피 측정 방법에는 '아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정 방법', '레이저 체적 측정기를 이용한 부피 측정 방법', '음향식 체적 측정기를 이용한 부피 측정 방법' 등이 있지만, 아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정은 물에 젖게 되고, 레이저 체적 측정기를 이용한 부피 측정은 레이저광이 닿지 않는 복잡한 형상을 측정할 수 없다는 과제가 있었습니다.
아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정의 과제
아르키메데스의 원리를 이용한 부피 측정은 간단한 설비로 정확한 부피 측정이 가능합니다. 하지만 액체를 사용하기 때문에 측정 대상 물체가 젖거나, 스펀지처럼 흡수하는 소재는 측정할 수 없으며, 위생적인 문제로 식품에 대응하지 못하는 등 측정 대상이 한정적이었습니다. 또한 정밀하게 부피를 측정하기 위해서는 액체의 온도 관리나 기포·물방울 제거와 같은 공수가 듭니다. 그 밖에 수은 등의 액체를 사용하는 경우에는 취급에 주의가 필요합니다.
종자 치환법을 이용한 부피 측정의 과제
종자 치환법은 액체를 사용하지 않으므로 젖을 걱정이 없으며, 액체와 마찬가지로 정확하게 부피를 측정할 수 있습니다. 그러나 부드러운 측정 대상 물체는 찌그러져 오차가 발생할 우려가 있습니다. 또한 표면에 기름이나 크림이 묻어 있을 경우에는 측정할 수 없으며, 환경이나 측정 담당자에 따라 오차가 발생하기 쉽다는 과제가 있었습니다.
레이저 체적 측정기를 이용한 부피 측정의 과제
레이저 체적 측정기는 비접촉으로 측정할 수 있으므로 측정 대상 물체가 젖거나 찌그러져 변형될 걱정이 없습니다. 또한 측정 후에 2D/3D 데이터로 표시할 수 있어 수치화하기 쉽다는 장점이 있습니다. 단, 레이저광이 닿지 않는 위치는 측정이 어렵기 때문에 크거나 복잡한 측정 대상 물체에는 적합하지 않았습니다.
비접촉으로 부피를 측정하는 과제 해결 방법
다양한 부피 측정 방법이 있지만 위와 같은 과제가 있었습니다. 그러한 과제를 해결하고 비접촉 부피 측정을 실현하는 방법이 바로 KEYENCE의 3D 스캐너형 측정기 'VL 시리즈'입니다. 'VL 시리즈'는 스테이지 위에 놓인 대상 물체를 최고 속도 8초 만에 원샷 360° 스캔하여 높은 정밀도로 3차원 형상을 측정할 수 있습니다. 비접촉으로 스캔하므로 있는 그대로의 부피 산출이 가능할 뿐만 아니라, 기존 측정 방법에서 발생했던 젖음이나 변형 등이 발생할 우려가 없으며, 복잡한 형상의 부피도 측정할 수 있습니다.
장점 1: 비접촉 360° 스캔으로 부피를 측정할 수 있다
KEYENCE의 3D 스캐너형 측정기 'VL 시리즈'는 최고 속도 8초 만에 360° 전방향을 스캔하여 높은 정밀도로 3차원 형상을 측정할 수 있습니다. 또한 스캔한 데이터를 통해 부피 산출도 가능하여 지금까지 측정하기 어려웠던 대상 물체에도 대응하며, 단시간에 부피를 확인할 수 있습니다. 여러 개의 대상 물체를 한 번에 스캔한 후 데이터를 분할할 수도 있어 효율적으로 부피를 측정할 수 있습니다.
장점 2: 부드러운 물체의 부피도 정확하게 측정할 수 있다
접촉식 측정 방법으로는 변형 등이 발생하기 때문에 정확한 부피를 측정할 수 없는 경우도 있었습니다. 예를 들어 쿠키처럼 부드러운 대상 물체에 대해서는 정확한 부피의 측정이 어려웠습니다. 하지만 KEYENCE의 3D 스캐너형 측정기 'VL 시리즈'는 고정밀도 렌즈에 의한 비접촉식 스캔 방식으로 측정하므로 위생적이며 정확하게 부피를 측정할 수 있습니다.
장점 3: 실린더 내부의 용적 등도 측정할 수 있다
자동차용 엔진 등의 실린더 용적을 측정할 때에는 높은 정밀도가 요구되지만, 기존의 방법으로는 용적을 정확하게 측정하지 못하는 경우도 있었습니다. KEYENCE의 3D 스캐너형 측정기 'VL 시리즈'는 높은 정밀도로 치수를 측정할 수 있으며, 측정한 데이터를 이용하여 실린더의 용적 등을 산출할 수 있습니다. 또한 대형 대상 물체에 대해서도 통째로 3D 측정을 할 수 있으므로 단시간에 효율적으로 검사할 수 있습니다.
3D 스캐너를 활용하면 비접촉·고정밀도·단시간에 부피 측정 가능
기존 측정 방법으로는 젖거나 변형되는 등 여러 과제가 있었던 부피 측정. KEYENCE의 3D 스캐너형 측정기 'VL 시리즈'를 사용하면 비접촉으로 짧은 시간동안 간단하게, 고정밀도로 부피를 측정할 수 있습니다.
- 최고 속도 8초 만에 원샷 360° 스캔이 가능하므로 측정에 소요되는 시간을 큰 폭으로 줄일 수 있습니다.
- 비접촉으로 부피를 산출할 수 있으므로 변형 등의 문제없이 정확한 측정 결과를 얻을 수 있습니다.
- 소형부터 대형까지 대상 물체의 크기에 상관없이 부피를 측정할 수 있습니다.
- 레이저 체적 측정기로는 측정이 어려운 복잡한 형상의 대상 물체에도 대응합니다.
KEYENCE의 3D 스캐너형 측정기 'VL 시리즈'라면 최고 속도 8초 만에 원샷 360° 스캔이 완료되며, 그 데이터를 바탕으로 부피를 산출할 수 있습니다. 복잡한 형상이나 대형 대상 물체도 측정할 수 있으므로 1대로 다양한 부피 측정이 가능합니다. 부피 측정에 소요되는 공수와 시간을 대폭 줄이고 높은 정확도로 검사할 수 있습니다.
