초음파 유량측정

목차

1. 개요 및 목적
2. 이론
3. 실험
4. 보고서
5. 데이터값
6. 보고서작성
7. 고찰

본문내용

e) 내면의 단면적과 곱하여 현재 유량값을 나타내거나 적산 유량값을 나타낸다.
<전파시간차법의 단점 : 투과파를 이용하므로 유체 속에 초음파를 교란시키는 입자나 기포가 많으면 측정하기 어렵다. 즉, 유체 속에 입자가 섞여 있지 않은 비교적 깨끗한 물이나 상수의 측정에 적합하다.>
도플러법은 송신기에서 초음파 발생시키고 액체 속의 부유입자나 기포로 산란되는 초음파(즉, 반사파)를 수신하는 방법이다. 즉 유체 속에 고체입자나 기포등을 표적으로 삼아 그 이동속도를 측정한다. 도플러법에서는 유체속에 부유하는 입자가 섞여 있는 것이 필요하므로 유체가 깨끗하면 측정이 곤란하므로 하수나 오수등 슬러리액의 측정에 적합하다.
요약 : 초음파 유량측정은 관로의 외부에서 유체의 흐름에 초음파를 방사하고 유속에 따라 변화를 받은 투과파나 반사파를 관외에서 받아들여 유량을 구하는 것이다. 측정원리로부터 크게 구별해서 실용화되어 있는 대표적인 두가지 방식이 있다.
①전반 시간차 방식 : 초음파가 유체내를 통과하는 속도는 유체의 평균유속과 일정한 관계가 있다. 이 통과 시간을 측정한 다음 유속과 관지름에 의해 유량을 구한다.
②도플러 방식 : 진동원과 관측점의 상대운동에 의해 음, 광 등의 주파수가 변화한다고 하는 도플러 효과를 이용하여 초음파에 의해 유량을 측정한다.
초음파 유량계를 측정 원리로 나누면 시간차 방식(전파시간차법)과 도플러 방식으로 나눌 수 있다.
2) 전자식 유량계와 초음파 유량계 유량을 비교하고 오차의 원인을 설명하라.
전자식유량계
(L/min)
초음파 유량계(L/min)
오차율(%)
측정값
이론값
32.8
33.9
31.19
8.262
43.5
49.85
35.79
32.322
61.16
61.34
50.39
17.904
74.75
75.34
61.79
18.127
평균 오차값(%)
19.154
: 오차의 원인 - 유속분포의 혼란이 측정 정도에 영향을 주었기 때문에 오차가 생각했다.(즉, 난류이기 때문에) 따라서 검출기 부착부에는 상류측, 하류측에 소정의 직관장이 필요하다고 생각했다.
또, 유체 속의 이물질이 있을 경우를 생각해 보았다. 유체에 이물질이 있을 경우 시간차를 측정 할 때 이물질에 굴절되어 가기 때문에 측정된 시간의 오차가 생길 수 있다고 생각했다.
3) 측정된 자료를 이용하여 유량과 속도와의 관계를 그래프로 나타내고 설명하라.
: 측정된 자료를 이용하여 그래프를 그려서 보면 유량값과 속도는 비례관계에 있다는걸 알 수 있다. 그 이유는 어떻게 보면 당연한 거일 수 있지만 연속 방정식을 이용한다면 Q=A×V를 이용하면 좀 더 명확하게 알 수 있다. 즉 유체가 흐르는 양이 많아진다면 그만큼 빠른 속도로 유체가 흐른다는 말과 같다.
4) 측정된 유속과 다음 자료를 사용하여 유량을 계산하고 측정된 유량과 비교검토하라.
물의 동점성계수
유량(L/min)
속도(m/s)
계산식
레이놀즈 수
33.9
0.52
17073
49.85
0.66
21670
61.34
0.84
27580
75.34
1.03
33818
=> Re수 > 4000 이므로 모든 영역에서 난류라 할 수 있다.
*난류에서 유량구하는 공식
1L=0.001 R=
속도(m/s)
계산식
실제유량
(L/min)
이론유량
(L/min)
0.52
33.9
31.19
0.63
49.85
37.79
0.84
61.34
50.39
1.03
75.34
61.79
※ 층류에서 의 유량 구하는 공식
5) 유량이 최대일 때 파이프 내의 속도 분포를 대략적으로 그려라.
: 파이프와 접촉하는 부분은 점성의 영향으로 속도가 0이고 가운데(중심에서) 유체가 가장 빨리 흐른다. 우리가 말하는 유속은 일정한 거리를 정해서 속도구배를 평균 속도로 구해서 사용하고 있는 것이다.
6) 신호 강도(signal strength)의 의미를 설명하라.
: 말 그대로 신호강도란, 초음파 신호의 강도를 말한다. 만약 초음파가 파이프 벽이나 유체 등과 같은 물질을 통과할 때 굴절 되거나 상쇄되어 버리면 검출기에서 측정을 하지 못하게 된다. 따라서 신호강도는 항상 100%가 되어야 한다. 이번 실험에서도 신호강도를 높이기 위해 파이프와 유량계 사이에 구리스를 발라서 초음파의 발신, 수신이 잘 되도록 setting을 해 놓았다.
7) 검출기를 설치할 때 두 검출기 사이의 거리를 프로그램에서 제시하는 값으로 설정하여야 하는 이유를 서술하라.
< 검출기의 원리 >
: 검출기는 관의 직경이나 초음파를 보내는 각도 그리고 검출기의 설치방법에 따라 달라진다. 검출기의 원리상 처음에 주어진 초음파를 내보내고 특정한 물질(여기에서는 파이프와 물)과 같은 통과하고 반사하여 다시 검출기에서 수신하면서 측정을 한다.
처음 기본 setting에서 이러한 값들을 다 주어서 정확한 곳에 초음파가 도달하게 해 놓았는데 거리를 변화시키면 신호를 받지 못하는 경우가 생긴다. 즉 검출기 사이의 거리는 신호를 받을 수 있도록 세팅된 것이기 때문에 임의로 값을 바꾸면 원하는 값을 얻을 수 없다.
7. 고찰
: 이번 실험을 통해서 초음파 유량계의 원리에 대해서 알게 되었다. 전자식 유량계는 유전성이 없는 유체의 측정은 할 수 없지만 초음파 유량계는 모두 사용할 수 있다는 걸 알게 되었다.
지금껏 사용한 유량계 중 가장 정확하다고 생각했던 것이 전자식유량계와 초음파유량계 이었지만, 수업시간에 선생님께서 디지털 유량계들은 이미 만들어져 있는 식과 경험 값을 이용하기 때문에, 특정한 상황일 경우에만 정확한 값을 얻을 수 있다고 말씀하였다. 그러므로 두 유량계의 모두 정확한 값은 아니라고 생각할 수 있었다.
오차율은 평균 19.15% 정도로 나왔는데, 이러한 오차를 좀 줄이기 위해서는 초기값 setting을 실험을 할 때마다 새롭게 다시 설정해야 하고, 측정하는 유체에 불순물이 없고, 공기방울도 없애야 한다고 생각했다. (또한 난류에서는 정확한 유체 흐름의 측정이 거의 불가능하다.)
수업시간을 통해서 오히려 숙련된 전문가가 실험을 한다면 오히려 아날로그 방식의 유량계가 더 정확한 값을 얻을 수도 있다는 사실을 알게 되어 신기하였다. 기계의 한계점을 인간이 극복할 수 있다는 것이 놀라웠다.

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