(홍익대학교) 계측 및 신호처리 - 유량측정

소개글

(홍익대학교) 계측 및 신호처리 - 유량측정에 대한 보고서 자료입니다.

목차

유 량 측 정

1. 실험 목적

2. 기초이론
① 부자식 (float type) 유량계
② 오리피스 (orifice) 유량계
③ 피토 튜브 (Pitot tube)

3. 실험방법
① 실험장치
② 실험순서
(1) 피토튜브에 의한 유속 측정
(2) 오리피스 유량계에 의한 유량측정

4. 실험결과 및 토의
실내온도 : 38.0 ℃
① 실험 결과
② 토의사항

본문내용

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(2) 부자식 유량계 유량, 오리피스 유량계 유량, 피토튜브 유량 비교 분석
- 표로 나타낸 각 유량계의 유량 비교
ⓐ 부자식 유량계와 피토튜브 유량계 비교
부자식 유량계 유량 (l/min)
200
250
300
피토튜브 유량 (l/min)
101.282
361.391
517.043
오차 (%)
49.36
44.56
72.35
ⓑ 부자식 유량계와 오리피스 유량계 비교
부자식 유량계 유량 (l/min)
200
250
300
350
400
450
오리피스 유량 (l/min)
186.03
234.06
280.79
327.57
373.00
420.50
오차 (%)
6.99
6.38
6.40
6.41
6.75
6.56
- 그래프로 나타낸 각 유량계의 유량 비교
ⓐ 부자식 유량계와 피토튜브 유량계 비교
ⓑ 부자식 유량계와 오리피스 유량계 비교
이번 실험에서 가장 눈에 띄는 점은 오리피스 유량계에 비해 피토튜브 유량계의 오차가 매우 크게 나타났다는 점이다. 오리피스 유량계의 경우에는 오차가 6~7% 사이에 있었지만, 피토튜브 유량계는 44.56%부터 72.35%까지 비교적 높은 오차가 발생했다.
피토튜브 유량계에서 이렇게 큰 오차가 발생한 이유를 생각해보면, 우선 처음 다루어보는 기계이기 때문에 이해도가 떨어지고, 이 기계를 사용하는 것이 미숙하였기 때문이다. 이론적으로 숙지하고 실험을 하더라도 처음 기계를 다루게되면 이 실험의 어떤 부분에 초점을 맞춰야 오차를 줄일 수 있는지 파악하기 힘들기 때문에 오차가 더 커질 수 밖에 없다. 여러번 기계를 다루어 지금보다 기계 다루는 것에 익숙해지면 오차를 줄일 수 있다.
다른 오차 원인으로는 기계 자체의 결함을 들 수 있다. 실제로 실험을 하는 도중 피토튜브를 수직으로 놓아도 위의 고무튜브 때문에 자기 멋대로 돌아가버리는 경우가 허다했다. 또한 고무튜브를 살짝 만졌을 뿐인데도 값이 크게 변해버리는 등의 결함이 존재하였다.
세 번째 오차 원인은 사람의 육안으로 피토튜브를 옮기고, 수직을 맞추고 했던 것이라고 생각한다. 피토튜브에 설치되어있던 자 또한 수직으로 세워져 있는 것이 아닌 기울어져 있었고, 그것을 보고 사람의 눈으로 정확히 2mm를 옮기고 피토튜브를 수직으로 맞춘다는 것은 불가능에 가까웠다. 컴퓨터를 연결해 세밀하게 조절하며 실험한다면 오차가 줄어들 것이다.
반면에 오리피스 유량계 같은 경우에는, 오리피스 유량계수의 공식이 정확히 주어져 있어 계산과정에서 실수로 인해 오차가 거의 발생하지 않았기 때문에 비교적 정확한 실험이었던 것 같다. 다만 한가지 오차의 원인을 생각해보면, 오리피스 유량계에서 압력을 잴 때마다 온도를 측정했어야 하는데, 온도계를 늦게 받게되어 마지막에 측정한 온도만을 가지고 공기의 점도와 밀도를 찾아 썼기 때문에 오차가 발생했다고 할 수 있다.
(3) 본 실험 결과의 분석을 통하여 다음 사항을 고찰
ⓐ 각 유량의 유동영역이 층류/난류 중 어디에 속하는지 설명하시오.
파이프 내부 유동에서 층류인지 난류인지 알아 볼 수 있는 방법은 Reynolds 수를 구해보는 것이다. Reynolds 수는 위의 계산과정에서 나온바와 같이 로 구할 수 있다. 유체역학시간에 파이프 유동에서는 Reynolds 수가 2100 이하면 층류, 4000 이상이면 난류로 볼 수 있다고 배웠다. 위에서 계산한 것을 보면 작게는 6300, 크게는 15000에 육박하는 것을 볼 수 있다. 이것으로 이번 실험의 모든 유량은 난류라는 것을 알 수 있다. 만약 이것이 층류가 되었다면, 이 실험의 오차는 더욱 줄었을 것이라고 생각된다.
ⓑ 본 실험에 나타난 유량측정 오차의 원인에 대하여 설명하시오.
위에서 잠시 설명하였지만 유량측정 오차의 첫 번째 원인은 처음 다루어보는 기계에 대한 이해도가 떨어졌으며, 기계 사용 방법에 대한 미숙을 들 수 있다.
두 번째로는 기계 자체의 결함이다. 피토튜브의 수직을 맞추고 나서도 제대로 고정이 안되었으며, 고무튜브 부분을 살짝만 바꿔도 나오는 속도의 값이 매우 많이 달라졌다. 그리고 고무튜브가 피토튜브를 끌어당겨 수직으로 맞춰놓아도 조금 있으면 돌아가버리는 문제가 많이 발생하였다. 또한 피토튜브 옆에 설치되어있던 자도 수직으로 서 있지 않고 기울어져 있었다.
세 번째 원인은 사람이 직접 피토튜브를 옮기고, 수직을 맞추기 때문에 정확하지 않다는 것에 있다. 컴퓨터를 이용하여 조절하는 것이 아닌 사람의 눈으로 보면서 조절하기 때문에 2mm를 맞추기가 너무 힘들었으며, 수직을 맞추기도 쉽지 않았다. 컴퓨터를 통해 한다면 오차를 줄일 수 있을 것이다.
네 번째로는 층류유동이 아니었음을 들 수 있다. 층류유동이 아닌 난류유동을 분석하기란 매우 어려운데, 이번 실험에서는 난류유동이 나왔기 때문에 정확한 값이 나오지 않았다. 만약 층류유동이 되도록 실험했다면 오차가 줄었을 것이라고 확신한다.
다섯 번째 원인으로는 완벽한 정상상태가 아니었던 것에 있다고 생각한다. 피토튜브로 속도를 잴 때 정상상태가 된 후에 재야하는데, 송풍기에서 나오는 공기가 완벽한 정상상태가 아니었으며 송풍기를 계속 가동시키다보니 점점 온도가 올라가 정상상태가 되지 않았다. 또한 송풍기에서 나오는 바람의 유량이 가만히 놔뒀음에도 약간씩 떨어지는 경우가 발생하였다.
여섯 번째는 온도 측정을 실험이 끝나갈 때쯤에만 했다는 것이다. 오리피스 유량계에서 압력을 잴 때마다 온도를 쟀어야하지만 온도계를 늦게 받아 그러지 못해 공기의 밀도와 점도 값을 하나로만 계산했다는 점에서 오차가 발생했다.
마지막 오차의 원인으로 부자식 유량계가 완벽하게 정확하지 않았다고 생각한다. 왜냐하면 부자식 유량계의 부자가 한 지점에만 있는 것이 아니라 큰 폭은 아니었지만 위아래도 진동하는 것을 볼 수 있었다. 그래서 부자식 유량계로 측정한 유량들이 매우 정확한 값이라고 할 수는 없다고 생각한다.

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