유량 측정

목차

■ 실험 목적

■ 실험 이론

■ 실험 기구

■ 실험 방법

■ 실험 결과

■ 결과에 대한 고찰

본문내용

구하면 그때의 유량값을 얻어낼 수 있으며 그 유량값과 부자식 유량계의 유량값을 비교하여 오차를 얻어낼 수 있다.
● 오리피스 유량계에 의한 유량측정
부자식 유량계 유량(L/min)
200
250
300
350
400
450
밀도()
1.1234
1.1216
1.118
1.1126
1.109
1.0943
마찰계수()
1.886
1.894
1.91
1.934
1.95
1.965
속도(m/s)
7.15516
9.032239
10.91504
12.90158
14.6477
16.70305
Reynolds 수()
17048
21395
25556
29688
33322
37207
오리피스 압력차(Pa)
65
104
152
212
273
351
오리피스 유량계수()
0.6205468
0.618788
0.617545
0.616579
0.615883
0.615255
오리피스 유량()
0.0032369
0.004086
0.004938
0.005837
0.006627
0.007556
오리피스 유량(L/min)
194.215
245.165
296.270
350.190
397.596
453.376
오 차 (%)
2.89
2.42
1.87
0.095
1.20
1.69
=0.6 , , ,
()
위 두 식을 이용하여 속도를 모르는 상태에서 임의의 속도를 식에 대입하여 유량계수를 구하고, 그 유량계수를 유량구하는 식에 대입하여 이미 알고 있는 값과 압력차를 식에 대입하여 나온 속도가 처음 대입한 임의의 속도와 맞는지 비교한다. 일치하면 임의로 넣은 속도가 일치하는 것이므로 그 속도에서의 레이놀즈 수, 유량계수, 유량을 구할 수 있다. 만약, 일치하지 않는다면 시행착오(trial and error)를 통하여 값을 찾아낸다.
그렇게 구한 실험에 의한 유량값과 부자식 유량계의 유량값과 비교하여 오차를 알아본다.
■ 결과에 대한 고찰 및 토의 사항
1) 각 유량 별로 피토 튜브로 측정된 유속분포를 도시하고 유동특성에 대하여 설명하시오.
- 위의 데이터를 통한 그래프를 확인한 결과, 피토튜브가 바닥부터 관의 중심까지 점점 위치가 올라갈수록 유속이 빨라진다는 사실을 차트에서 확인할 수 있다. 빨라지기는 하지만 유속의 증가가 처음에는 빠르지만 중앙부분에 접근할수록 유속의 증가가 현저하게 감소하고 일정해지는 것을 확인 할 수 있다.
또한 유량이 증가하면 역시나 유속이 증가하는 사실을 의 식을 통해 익히 알고 있었던 사실을 위의 차트를 통해 한번 더 확인할 수 있다.
우리가 이론상으로 알고있는 사실은 고체표면(관)과 유체가 만나는 지점(0mm), 첫 번째 구간에서는 유속이 0이 되어야 맞지만, 실제 실험에서는 유속을 측정하는 지점이 완전히 바닥과 맞닿지 않았고 플라스틱관의 마찰계수가 작기 때문에 이런 현상이 발생하게 되었다.
2) 부자식 유량계 유량, 오리피스 유량계 유량, 그리고 피토튜브를 사용해서 측정한 유량을 상호 비교하고 그 차이를 분석하시오.
- 위 실험을 통해 각 유량계에 따른 유량을 비교해보면, 위의 차트와 같은 데이터를 확인할 수 있다. 부자식 유량계, 피토튜브 유량계, 오리피스 유량계, 각각 다른 유량측정방법을 갖는 유량계들로 실험을 하였는데 3가지 경우 모두 오차 5%이내의 거의 정확하게 일치하는 값을 얻어낼 수 있었다.
위의 실험은 모두 부자식 유량계를 기준으로 실험하여 부자식 유량계의 유량과 차이가 얼마나 나느냐에 따라 오차의 값이 정해졌으므로 어떤 유량계가 가장 좋다고 판단할 수는 없다. 하지만 3가지의 값이 거의 일치하는 것으로 보아 유량을 측정하는 목적이라면 가장 손쉽게 측정할 수 있는 부자식 유량계가 편리하다고 볼 수 있다.
3) 본 실험 결과의 분석을 통하여 다음 사항을 고찰하시오.
- 각 유량의 유동영역이 층류/난류 중 어디에 속하는지 설명하시오.
레이놀즈 수는 (관성력/점성력) 을 나타내는 무차원수를 의미한다. 같은 의미로
(밀도*특성길이*속도)/(점성계수) 로도 표현되는 값이다.
일반적으로 관내 유동에서는 2300 이상, 외부유동에서는 100,000 이상에 난류 유동 형태가 나타나는 것으로 나타나다.
위 실험에서의 측정된 레이놀즈 수는 모두 2300 이상이므로 난류 유동에 속한다.
- 본 실험에 나타난 유량측정 오차의 원인에 대하여 설명하시오.
이번 실험에서 큰 오차는 발생하지 않았지만 여러 가지의 오차의 원인이 존재한다는 것을 확인할 수 있었다. 첫 번째 원인은 피토튜브의 위치를 조절하는 부분에서 2mm씩 측정하여 늘려가는 것에서 조금의 오차가 발생하였고, 측정된 유속을 통해 구분구적법을 통한 유량값을 구하는 부분자체가 정확한 값이 아니므로 오차가 발생하였다. 또한 피토튜브의 끝부분이 유량이 통과하는 정면으로 일직선이 되어야 했던 부분에서 역시 오차가 발생한 것으로 예상된다.
두 번째로, 피토튜브에서 유속을 측정하는 부분에 있어 유속의 측정이 일정하지 않고 주변의 상황, 실험탁자의 진동과 측정 장치까지 연결하는 튜브의 움직임이 발생할 때마다 유속 값이 조금씩 달라진 것이 오차의 원인으로 볼 수 있다.
세 번째로, 오리피스 유량계의 유량측정 실험에서 압력차를 측정하는 장치의 유효숫자가 정확한 값의 소수점 없이 2~3자리만 측정되어 나와 아주 정확한 값을 얻어내는 데에 문제가 있어 오차가 발생한 것으로 볼 수 있다.
마지막으로, 실험을 통해 얻어진 데이터를 통해 이론적으로 주어진 식에 대입하여 유량을 구하였다. 여기서 주어진 이론식은 마찰을 고려하지 않고 유도된 식이므로 주어진 식 자체가 오차를 내포하고 있다.
이번 실험에서는 실험을 진행하기 전, 측정 장치의 원리를 이해하는 부분에서 처음 어려운 면이 있었다. 측정 장치를 통해 얻어진 데이터 값을 통해 우리가 원하는 값(유량)을 얻어내는 과정에서 수식을 사용하여 계산하는 것이 다른 실험들과 다르게 어려운 부분이었고 소요시간도 많이 걸렸다. 특히 오리피스 유량계의 유량을 측정할 때, 측정된 압력차를 가지고 속도를 가정하여 주어진 2가지 식을 통해 이론적인 시행착오를 통한 근사 값에 도달해 가는 방법에서 많은 노력과 시간이 필요로 하였다. 유체의 예측하기 힘들고, 많은 변수를 내포하는 특성을 확인할 수 있는 유익한 실험이었다.

키워드

유량측정,   유량,   부자식 유량계,   오리피스 유량계,   피토튜브,   유량계,   계측 및 신호처리