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오리피스 유량측정 실험 보고서

#.오리피스 유량측정 실험1. 실험목적- 피토관으로 관로 내의 유속분포를 측정하여 중심속도와 평균속도와의 관계를 파악한다.- 베르누이 방정식을 이용한 유량측정 원리를 이해하고 오리피스의 유량계수를 산정한다.- 유량측정상의 불확실성(uncertainty)에 대한 오차분석을 수행한다.2. 자료조사(1) 보정의 개념 및 과정보정(Calibration)이란?- 주어진 압력 량의 변화에 따른 계측기의 출력량의 관계를 구하여, 측정오차를 줄이고 계측기를 검증하는 작업 (기계계측 p7)- 부정확한 수치를 기준치에 최대한 정확하게 맞춰주는 작업- 외부적 원인에 의한 오차를 없애고 참에 가까운 값을 구하는 일보정을 위해서 상호 비교하기 위한 비교 대상이 필요함- 보통 오차의 범위가 알려져 있는 표준 계측기 사용 표준계측기의 보정을 위해서 이보다 더욱 정확하게 보정되어 있는 비교대상이 필요하다.아주 정확한 측정과 보정을 위해서는 궁극적으로는 그 물리량이 어떻게 정의되었느냐 하는 질문에까지 도달하게 된다. 예를 들어 온도계를 보정하기 위해서는 이미 보정되어 있는 표준 온도계를 사용하게 되고 이 표준온도계는 이보다 더욱 정확한 표준온도계로 보정되어야 한다. 결국 온도가 어떻게 정의되어 있는가 하는 것까지 이해하여야 한다.보정곡선이 선형적 관계로 주어지는 경우, 원점과 기울기만 제대로 설정해 주면 된다. 원점이 영점에서 벗어나 있는 것을 영점오차 또는 제로 오프셋(zero offset)이라고 하고, 기울기가 원래의 기울기에서 벗어나서 발생하는 오차를 스팬오차(span error)라고 한다.유량계수(flow coefficient)는 유량의 이론값과 실제값 사이의 차이를 보정하기 위해서 이론값에 곱하는 계수를 말하며, 실험에 의한 경험적 계수이다. 오리피스나 벤투리계 등의 교축 부분에서 유체가 유출되는 것은 유체의 점성에 대한 영향을 보정한 속도 계수 Cυ, 축류의 영향을 보정한 축류 계수 Cc 가 사용되고, 이 종합 계수 C=CυㆍCc 를 이론값에 곱하여 실제의 유량이 구해진다. 이 띄워서 유체가 밑에서 위로 흐르면 흐름은 띄우개에 의하여 조여져 상하의 차압에 의하여 띄우개는 상승한다. 유로 면적은 띄우개가 상승함에 따라 변화하기 때문에 차압은 차츰 작아지고, 띄우개의 유효 중량과 평형을 이루는 높이와 유량의 관계를 눈금으로 유리관에 표시해 두면 띄우개의 높이에 따라 유량을 알 수 있다.- 벤투리미터 (venturi meter) : 차압식 유량계의 일종. 본체는 가늘었다가 넓어지는 형태의 관으로, 입구 바로 앞 및 목부분의 압력차를 측정하여 이것으로부터 유량을 구하는 계측 장치이며, 유량은 다음 식으로 계산할 수 있다.여기에서 Q는 부피 유량,F _{0}는 목부분 단면적, 는 목부분 평균 유속, α는 유출 계수, ε은 유체의 팽창률로, 물 등의 비압축성 유체에서는 1, gc는 중력 환산 계수, ΔP는 압력차, ρ는 유체의 밀도이다. 벤투리미터는 오리피스미터, 노즐 등과 함께 차압식 유량계의 대표적인 것인데, 압력 손실은 넓은 부분에서의 압력 회복 때문에 다른 것에 비해 작으며, 오리피스, 노즐 등의 압력 손실이 그 지시 차압의 80~90%에 미치는 데 대해 10~20%로 작은 특징이 있다. 그러나 제작비는 오리피스 등에 비해 상당히 비싸다. 또한 차압 유량계와 같이 밀도 변동을 따르는 경우에는 시시각각의 밀도 변화를 알 필요가 있어, 사용하는 데는 불편하다. 증기에는 사용되지 않는다.- 오리피스미터 (orifice meter) : 원형 등의 구멍을 뚫은 얇은 판(오리피스판)을 직관 안에 넣어, 그 전후의 차압(差壓)을 측정함으로써 유량을 측정하는 장치로 노즐, 벤투리미터 등과 함께 소위 교축 유량계에 속하는 차압식 유량계의 대표적인 것이다. 구조가 매우 간단하기 때문에 공업상 또 실험실에서 자주 사용된다. 유량과 압력차의 관계는 다음 식으로 나타낸다.여기에서 Q는 유량(부피), α는 유량 계수, ε은 팽창률(비압축성 유체에서는 ε＝1),F _{0}은 교축 구멍 면적, g는 중력 가속도, Δp는 상·하류 탭의 차압, γ는 비중량을 표시한다 줄인다.DELTA P`=C( {1} over {2} rho V ^{2} )또한 Mach수가 커서 압축성 효과가 크게 나타나는 경우(약 Ma수가 0.3 이상)에는 전압(P _{t})와 정압(P)를 각각 측정하여 등엔트로피(isentropic) 가정하에 다음의 식으로부터 유속을 계산하여야 한다.P _{t} =P(1+ {gamma -1} over {2} M ^{2} ) ^{{gamma } over {gamma -1}}여기서gamma 는 비열비(specific ratio)이며 공기의 경우 1.4이다. 2차원 또는 3차원속도 성분을 모두 측정하기 위해서는 기본적인 피토관을 변형한 Yaw meter나 5공튜브가 이용되고 있다.2) 열선유속계(Hot-wire anemometer)손가락을 펴서 밞 q는 곳에 두면 열전달이 활발하여 손가락의 온도가 내려간다. 열선유속계는 이와 같은 냉각법칙에 따라 가는 열선으로부터의 열전달율과 유속과의 관계를 이용하여 유속을 측정한다. 가느다란 열선은 2차원원통으로 가정할 수 있으며 원통주위의 열전달량은 다음과 같이 표시할 수 있다.q=h(T _{w} -T _{INF } )여기서 열전달계수 h는 유속의 제곱근에 비례하는 것으로 알려져 있다. 이것을 킹의 법칙(King's law)이라고 한다.h=a+bU ^{0.5}여기서 a와 b는 실험적으로 구해야 할 계수이며 U는 원통주위의 유속이다.열선유속계에는 정전류형 열선유속계(constant current anemometer)와 정온형 열선유속계(constant temperature anemometer)가 있다. 정전류형은 일정한 전류를 열선으로 보내어 대류열전달에 의하여 냉각된 온도변화를 측정함으로써 유속을 산정하는 방법으로 최근에는 거의 쓰이지 않는다.정온형(CTA)은 열선의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 전류를 단락 제어하고 제어된 전류의 량을 측정함으로써 주입된 열량을 산정하고 이로부터 유속을 측정한다. 열선으로는 텅스텐이나 백금을 사용하는데 이러한 금속은 온도에 따라서 저항 값이 변화한다선 보다 다소 취급이 용이하도록 만들어진 열막(hot film) 유속계가 있다. 이것의 원리는 열선유속계와 동일하나 열선 대신에 얇은 막을 사용하여 비교적 견고하다.2차원이나 3차원 유속을 측정하기 위해서는 2개 또는 3개의 열선을 일정한 각도를 두고 X자 형상으로 설치하여 각각의 신호를 조합하여 속도성분을 계산해낸다.3) 레이저 도플러 유속계(Laser Doppler Anemometer)LDA는 유동중의 입자에 의해 산란된 빛의 도플러 편이를 이용하여 유속을 측정한다. 대단히 고가의 유속 측정 장치로서 유동장을 교환시키지 않고 매우 정교한 유속측정을 할 수 있다. 레이저 입사광이 교차하면 럭비공 형태의 교차지점에 밝고 어두운 간섭무늬(interference fringes)가 생긴다. 이 프린지무늬의 간격d _{1}은d _{1} = {lambda } over {2sink}이다. 여기서lambda 는 레이저의 파장이고 k는 두 빔이 이루는 각도의 절반이다. 교차각이 크면 프린지의 길이가 짧아서 공간적 분해능이 좋은 반면 프린지가 광원 장치로부터 가까운 곳에 측정공간이 형성되어 멀리 떨어진 곳의 측정이 곤란해진다.프린지패턴을 가로지르는 작은 입자는 입자가 rr asml를 횡단할 때 강도가 변화하는 분산된 빛의 파열을 만들어 낸다. 이러한 도플로 파열(Doppler burst)의 주파수는 입자의 속도를 프린지 간격으로 나눈 값이다.f _{d} = {V} over {d _{1}} = {2V} over {lambda } sink여기서f _{d}는 도플러 편이(Doppler-shift)주파수이고 V는 프린지에 수직방향으로 가로지르는 입자의 속도이다.파열주파수는 수직방향의 속도에 의존하며 유동방향에 관계없이 동일한 신호를 발생시킨다. 산란된 빛은 광전자 증배관(PMT)으로 받아들여 저주파 성분을 제거하고 편이 주파수를 측정한다. 산란된 빛을 포집하는 방향에 따라서 전방산란(forward scattering)과 후방산란(backward scattering) 방식이 있다.유동구하고 ＜베르누이의 정리＞에 의하여 유속을 산출한다. 또 동압을 날개바퀴를 써서 검출하는 유속계도 많다.⑶ 파동의 전파를 이용하는 방식＜도플러효과＞를 응용하여 유체 속의 음파의 속도가 흐름의 방향과 반대방향으로는 유속의 몫만큼 차이가 있는 점을 이용한 초음파유속계가 대표적이다. 레이저도플러유속계도 비슷한 원리를 이용한 것인데, 유체 속의 부표에 레이저를 쏘아 반사되는 빛을 이용하여 유속을 측정한다.⑷ 전자기유도를 이용하는 방식물과 같은 유체의 유속측정에 사용한다. 전기장·자기장·도체운동(導體運動) 사이에 성립하는 M. 패러데이의 ＜전자기유도법칙＞에 따라 흐르는 방향과 직각으로 설치한 자기장과 발생 전압으로부터 유속을 구한다.⑸ 열의 발산을 이용하는 방식열선풍속계(熱線風速計)가 대표적인데, 가열된 물체로부터 열의 발산이 유속과 특정한 관계에 있는 점을 이용한다.⑹ 소용돌이의 발생 등 유체의 주기운동을 이용하는 방식＜카르만의 소용돌이＞를 이용한 유속계가 대표적이며, 소용돌이 발생의 주파수가 유속에 비례하는 원리에 의하여 소용돌이를 발생시키기 위한 물체와 소용돌이검출기를 써서 주파수를 측정하여 유속을 구한다. 카르만의 소용돌이 외에도 물체와 흐름의 상호작용으로 일어나는 주기현상을 유속 측정에 이용한다.(3) 관로내 유동형태 및 유속분포유체는 점성이 있으므로 관로내 흐르는 유체 중 관로벽과 마찰하며 흐르는 유체는 관로벽과의 점성에 의해 유속이 늘어지고 관로의 중간으로 갈수록 유속이 증가하여 관 중심에서는 최대가 되는 것으로 관로내의 유체의 유속은 동일하며, 관로단면상에 있어서 위치에 따라 달라진다.관속에서의 유체의 흐름을 층류와 난류로 나눌 수 있는데일반적으로 관속에서의 천이구역은 레이놀즈수가 2000~4000일 때 이다.※이번 실험에서 r과 유속에 대한 분포를 그래프로 대략적으로 나타내면 다음과 같은 형상을 띈다.(4) 오차의 분석방법오차는 크게 세 가지로 계통오차, 과실오차, 우연오차로 분류할 수 있으며오차의 종류와 원인을 규명함으로써 오차를 줄일 수 있다.(1)다.

공학/기술| 2017.06.03| 21페이지| 1,500원| 조회(636)

기계공학, 공학실험, 베르누이 방정식, 오리피스 유량측정

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