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[기계공학] 열실험 (관군 주위에서 열전달)

실험1. 관군 주위에서의 열전달실험.1.1 실험목적열교환기의 구조로는 여러 가지 방식이 채택되고 있으나 그 가운데 가장 간단하고 보편적인 것은 원관으로 이루어진 관군이다.본 실험에서는 한 개의 원형봉이 유동 중에 놓여있을 경우와 여러 개의 원형봉이 하나의 관군을 이루며 있을 경우의 열전달상태를 실험적으로 고찰하여 비교하고, 열교환기의 이해에 도움을 주는데 그 목적이 있다.1.2 이론유체가 유선형 물체 주위에 흐르고 있을 때 물체로부터 주위 유체로의 전열량은 경계층이론을 사용하여 비교적 정확히 계산할수있으나, 원통이나 구와같은 bluff body 주위를 유체가 흐를때는 유동이 박리하게 되어 복잡해지는 관계로 전열량을 해석적으로 계산하기는 어려워진다. 그러나, 많은 실험결과들은 Reynolds수의 변화가 그렇게 크지 않은 범위내에서는 열전달 계수 h를 다음고 k같은 식으로 사용하여 비교적 정확히 계산할 수 있음을 보여주고 있다.{N u``=`` {hd} over {k}``c {Re}^{m}{Pr}^{{1} over {3}}여기서 Nu와 Pr은 각각 Nusselt수와 Prandtl수를 나타내고, c와 m은 물체의 형상과 Reynolds수의 범위에 따라 결정되는 상수이다.여러개의 원형봉들이 하나의 관군을 이루고 있을 때도 위의 식을 사용할 수 있다. 그러나, 이때 상수 c와 m은 Reynolds수가 같더라도 한 개의 원형봉이 놓여 있을 때와는 달라진다.한편 관군의 열수가 많아지면 압력강하가 상당히 커진다. 유체가 관군 주위를 흐르는 동안 발생하는 압력강하 p와 관군 주위에서의 평균유속 V 사이에는 다음 관계가 성립한다.{DELTA p``=``n·f· { rho {V}^{ 2} } over {2 }{f``=``a { Re}^{- alpha }여기서 n은 관군의 열수이고, 는 유체의 밀도, a와 는 실험적으로 결정되는 상수이다.1.3 실험장치 및 방법(1)실험장치125mm 125mm의 흡입식 풍동으로 시험부분은 투명한 플라스틱으로 되어있다. 시험부분의 벽에는 투명한 플라_{A} })`` {m{C}_{P } } over {A``t }{T : 동봉의 온도, TO : 동봉의 최초의 온도TA : 공기의 온도, h : 열전달 계수A : 동봉의 표면적, t : 시간m : 동봉의 질량, Cp : 동봉의 질량여기서,1.4 실험결과의 정리(1) 동봉 하나만 설치하였을 경우와 동봉을 관군의 제1열, 제2열, 제3열, 제4열에 설치하였을 경우에 대하여 각 Nu와 Re와의 관계를 그래프로 그리고 그 결과를 비교 검토하라.{계산실례- 1열에 봉을 끼웠을 때(100%)1 열전달계수 h 계산{h``=``-ln( { T ```-{T}_{A }} over { {T }_{O }`` - { T}_{A} })``의 기울기값 TIMES {m{C}_{P } } over {A`` } =0.0224 {0.1093 380 } over {0.004038 }= 230.4{(``A`=`pi D L``=``pi 0.01242 0.1035``=``0.004038 {m}^{2 },물성치는 막온도 {273+ {(20+70)} over {2}``=`318K일 때.)2 Re수 계산{V``=`` SQRT { 2gz( { { gamma }_{water } - {gamma }_{air} } over {{gamma }_{air} } )}``=`` SQRT { 2gz( { { }_{water } - { }_{air} } over {{ }_{air} })}``{=`` SQRT { 2 9.81 (16.5 0.001sin(30))( { 998 - 1.1166 } over {1.1166 })}``=``12.02{Re = {V{D_h}} over ``= {12.02 0.125} over {1.75 10^-5} = 85866({{D_h}={{4{A_c}}over p}~=~{4times(0.125times0.125)}over{4times0.125}~=~0.125m)3Nu수 계산{Nuu = h over k``=`` {230.4 0.01242 } over {0.027536}``=`104.6위와 같은 방법으로 7*************3*************3*************5364044·봉12개끼우고 4열{유량(%)위치10080*************7**************************6*************5*************4*************4*************4448**************************8·봉12개끼우고 각열의변화{위치유량(%)1열2열3열4열정동정동정동정동10034.014.533.714.333.914.534.114.08028.312.528.112.528.012.628.012.66020.59.020.69.020.59.220.89.14012.55.812.35.812.55.712.35.8206.03.76.03.66.03.66.13.61.6 고찰실험2. 자연대류-강제대류 열전달실험.1. 실험목적자연대류와 강제대류의 무차원수를 구해서 일반적인 실험식을 구해본다. 널리 알려진 실험식과 비교해봄으로써 대류 열전달에 관한 이해를 돕고자 한다.2. 이론팬, 펌프, 바람과 같은 외부의 영향에 의하여 표면 위로 유체가 강제로 유동되는 경우의 대류를 강제대류(force convection)라하고, 유체내부의 온도차로 인해 밀도의 변화가 생기고 이로 인한 부력에 의해 유체유동이 발생할 때, 이를 자연대류(free convection)라 한다.{{·} atop {Q}``=``hA( {T }_{s }``- { T_{ }})대류열전달계수 h는 물체의 특성이 아니다. 이 값은 실험적으로 결정되며, 대류에 영향을 주는 모든 변수들, 표면의 기하학적 형상, 유체유동, 유체특성, 유체속도 등에 의해 영향을 받는다.일반화된 식으로는 자연대류의 경우 Nu=C1·(Gr·Pr)m 이 있으며 Pr가 일정한 단일 종류의 유체에 대한 실험이므로 Nu=C2·Grm으로 표시된다. 가열표면 온도를 일정하게 유지하였으므로 Gr는 일정한값을 가지며 104 < Gr·Pr < 105 이므로 m=1/4로 생각하여 C1을 구할 수 있다.강제대류인 경우, N 구하여라.1Re수{Re = {V{D_h}} over, {{D_h}={{4{A_c}}over p}~=~{4times(0.12times0.07)}over{2times(0.12+.07)}~=~0.08842m(관 : 0.12m 0.07m 직사각형 덕트)자연대류 V=0m/s일 때 {Re■_0 = 0Gr수{Gr``=`` {g`` beta ``( { T}_{s }- { T}_{ INF } ) { delta}^{3 } } over { { nu }^{2 } } ``=`` {9.81`` 1/329.5 ``( 86.4- 26.3 ) { 0.11}^{3 } } over { ({1.86 { 10}^{-5 }) }^{2 } }= 6.88 106강제대류 V=1m/s일 때 {Re_1 = 1 0.08842 over 1.85 10^-5 = 4779강제대류 V=2m/s일 때 {Re_2 = 2 0.08842 over 1.83 10^-5 = 9663{보간(막온도에서){온도(K)동점성계수 ( {10^-5m2/s)3201.773301.86(330-320) : (1.86-1.77) = (t-320) : ( -1.77)2 열전달계수 h대류열전달계수, {h■ = Q over {A · T}평판 : 0.11m 0.1mV=0m/s일 때 {h■_0 = 20 over { 0.11 times 0.1 times (86.4-26.3)} = 30.25 W/m^2V=1m/s일 때 {h■_1 = 20 over { 0.11 times 0.1 times (85.2-26.3)} = 30.87 W/m^2V=2m/s일 때 {h■_2 = 20 over { 0.11 times 0.1 times (81.8-26.3)} = 32.76 W/m^23 Nu수(막온도에서){Nuu = h over k( = 세로길이 )V=0m/s일 때 {Nuu_0 = {30.25 0.11} over 0.02826 = 117.7V=1m/s일 때 {Nuu_1 = {30.87 0.11} over {0.02821} = 120.4V=2m/s일 때 {Nuu_2 = {32.76K}_{a }·A + 1/ { h}_{c }·A + { DELTA x}_{b }/ { K}_{b }·A }과 같이 나타낼 수 있고 여기서 1/hc·A는 열접촉저항을 나타내며 이 때의 hc를 열접촉계수라 한다.3. 실험창치 및 방법전기적 열원이 부착된 시편 지지대5, 열손실을 무시할 수 있는 보온통2, 그리고 일정한 수압의 냉각수 공급탑1이 있다. 시편 지지대 하부에는 냉각수를 흘려주어 열을 흡수하도록 되어있으며, 냉각수 입·출구에서의 온도 측정을 위하여 2개의 온도계 3,4가 설치 되어있고, 냉각수 유량은 메스실린더로 측정한다.(1) 시편의 양 끝면을 깨끗이 하고, 열접촉이 좋게 하기 위해서 실리콘 그리스를 접촉면에 얇게 바른 후 두 시편의 중심선이 일치하도록 지지대에 고정시키고, 구멍에 열전대를 삽입한다.(2) 냉각수를 급수하고 발열부의 전원을 공급하여 0.5A가 흐르도록 한다.(3) 15분 정도 경과후 냉각수 입·출구의 온도차가 8 정도 되도록 유량을 조절하고 전류를 0.3A로 낮추고 20-25분 정도 기다린다.(4) 냉각수 입·출구의 온도Tw1, Tw2와 시편의 온도 T1, T2, T3 및 T4를 측정한다.(5) 매 3분 간격으로 6개소의 온도를 측정하고 온도가 시간에따라 변하지 않으면 냉각수의 적수량을 측정한다.(6) 6개소의 온도를 다시 측정하여 온도가 변화가 없는지 확인한다.4. 실험결과의 정리결과{3분6분9분12분15분18분21분24분27분30분33분36분39분{{T}_{w1}22.922.922.922.922.922.922.922.922.922.922.922.922.9{{T}_{w2}29.027.026.826.526.226.226.026.025.925.925.925.925.9{{T}_{1}142.0114.3105.996.692.59086.583.993.582.481.681.481.3{{T}_{2}132.8107.198.990.986.984.281.278.777.977.576.976.776.7{{T}_{3}82.672.466.861.459.458.22 )

공학/기술| 2005.05.15| 13페이지| 1,000원| 조회(226)

열전달, 열, 열실험, 전공실험, 관군주위의 열전달

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[기계공학] 열실험(냉동시 성능계수 측정)

냉동기 성능계수의 측정1. 실험목적공업열역학을 배우는 자강 중요한 목적의 하나는 열역학 사이클(thermodynamic cycle)을 이용해하는 데 있다. 열역학 사이클에는 고온의 열에너지로 동력을 얻기 위한 동역사이클과, 일을 가하여 저온체로부터 고온체로 열을 이동시키기 위한 냉동사이클이 있다. 이 두 사이클은 작동순서가 서로 반대라는 점을 제외하고는 그 원리가 동일하다.본 실험에서는 보다 이해하기 쉬운 냉동사이클을 중심으로 사이클에 대한 이해를 깊게 하고자 한다.2. 이 론(1)냉동원리액체가 증발할 때 그 주위로부터 열을 흡수하는 원리를 응용한 것이 냉동의 기본개념이다. 냉동기에는 흡수식과 증기압축식의 두 종류가 있는데 본 실험에서는 그 중 흔히 사용되는 증기압축식 냉동기에 대해서만 다루기로 한다. 그림 6·8은 증기압축형 냉동기의 개략도이다.증발기에서는 액체 냉매가 증발하면서 그 주위로부터 열을 흡수한다. 증발기를 통과한 저압의 냉매 증기는 압축기로 들어가고, 여기서 압력과 온도가 상승되어 과열증기로 된다. 이 과열증기는 응축기에서 열을 방출하여 고압의 포화액이 되고, 팽창밸브를 통과하면서 증발기 압력으로 떨어진다. 증발기에서 저압의 액체 냉매가 다시 증발하면서 위의 사이클을 반복한다. 따라서 냉동은 외부에서 일을 공급받아 저온에서 열을 흡수하여 고온부에서 열을 방출하는 열펌프라고 생각할 수 있다.냉동기에서 냉동능력을 표시하는 단위로는 냉동톤을 사용하며, 1냉동톤은 0 의 물 1ton(2000 lbs)의 물 1ton(2000 lbs)을 24시간 동안에 0 의 얼음으로 만드는 능력을 말한다.1 냉동통 = 12000 Btu/hr = 200But/min = 3.156kW(2)증기 냉동사이클증기 냉동 사이클의 T-s 선도와 P-h선도를 그림 6·8-(b), (c)에서 각각 보이고 있으며 그림의 점선 (1 2 3 4 )은 이론냉동사이클을, 실선(1 2 3 4)은 실제 냉동 사이클을 나타낸다.(가)증발기 : 증발기 내에서는 팽창밸브로부터 들어오는 정압의 액체 냉매가되는 열량과 압축기의 일을 합한 것과 같다.(라)팽창밸브 : 팽창밸브는 냉매의 유량을 조절하며, 냉매의 압력을 응축기 상태로부터 증발기 상태로 변화시킨다. 이러한 단열팽창은 교축과정이므로 팽창밸브에서의 식은 다음과 같이 가정할 수 있다.h3 = h4(마)성능계수 : 냉동사이클에서는 성능을 표시하는 지수로서 성능계수(coefficient of performance : COP)를 사용하며, 이는 소요일에 대한 냉동효과를 나타낸다. 즉,{COP = {Q_L} over{W}={{h_1}-{h_4}} over {{h_2}-{h_1}}실험 결과 기록표공동실험자:강승구, 구창훈, 김승훈, 손병희, 한영일{압력[KN/㎡]온도EMPePcT1T2T3T4T5T6T7T8VIVI열교환기작동하지않을때111066025822.521-12-615.5257091157.221076700.5592322-13-51425.5708.91157.23110660-2572120-12-313.523718.91157.241096600592120-12.5-41524718.91157.25111660-1.558.52121-13-51525718.91157.2열교환기작동할때61106509642214-13.5-515.525708.81157.*************14-13.5-51524.8708.81157.*************14-13-4.815.524.8708.81157.*************214-13-4.81524.8708.81157.*************2214-13.5-515.525708.81157.2냉각수 유량:1.2 /min냉매 유량: 열교환기가 작동하지 않을 때(0.0045kg/s)열교환기가 작동할 때(0.0044kg/s)모오터회전수(rpm):390rpm동력계하중:1.2 20N실험 결과의 정리1.냉동부하를 구하라.{열교환기작동하지 않을때작동할때냉동부하0.6070.6422.압축기의 {eta _isen과{eta_mech (={W_{i n}}over{W_s})을 구하라.{열교환기작동하지 않을때작동할때{e~sen}=0.8179 , 0.8475)로 열교환기 작동시 효율이 증가함을 알 수 있다.또한, COP값이(4.58 , 4.99)로 성능계수값이 증가함을 알수 있다.열교환기를 작동시킴으로써 앞에서 언급한 것처럼 증발기에서 나온 저온 저압의 열증기와 응축기에서나온 고온 고압의 과액체가 열교환기에서 만나서 과냉 액체는 더욱 과냉한 상태로 변화하고 열증기는 더욱 과열된 상태로 변화함으로써 냉동기의 성능 계수가 증가한다.이번 실험에서 결과 계산에서 사용한 대표적 데이터값이 열교환기 작동시와 비작동시 성능차이가 적은 값을 선택하여 효율이 월등하게 나타나지는 않았다.각각의 온도 측정시 값이 조금씩 변동이 있어 값을 어림잡아 측정한것도 오차발생의 원인이 되리라 생각이 된다.처음에는 한번 실험후 전원을 끄고 10분후 다시 시험을 하는줄 알고 실험을 하였다가 처음부터 다시 실험을 하는 실수도 범했다.하지만, 열역학시간 배웠던 열교환기를 사용함으로써 효율을 증가시키는 것을 확실히 이해할 수 있었다.계산예1)실험 1에서(열교환기가 없는 경우). P=Pe+101.3=211.3kPa T1=20.20MPa 0.2113MPa 0.25Mpa0 189.669 189.429 188.6442 190.6810 195.878 195.676 194.9690 일 때 100.05:0.0113=1.025:{x0.05:0.0113=0.909:{x{x=0.23165 {x=0.2052따라서, 2 일 때10:2=6.247:{x{x=1.2494h1=190.68. T2=58 P=Pc+101.3=761.3kPa=0.7613Mpa0.7MPa 0.7613Mpa 0.8MPa50 214.745 214.416213.29058 220.13260 221.854 221.561220.55850 일 때 600.05:0.0113=1.455:{x0.05:0.0113=1.2929:{x{x=0.3288 {x=0.292958 일 때10:8=7.145:{x{x=5.716h2=220.132. T3=22.5에서hf20 54.82825 59.6535:1)=228.337h=221.193+{(64-60)/(70-60)}(228.337-221.193)=224.051. Pc=0.75MPa T3=2220 hf=54.82825 hf=59.653h3'=54.828+{(22-20)/(25-20)}(59.653-54.828)=56.758. Pc=0.75MPa T4=1410 hf=45.33715 hf=50.058h3=45.337+{(14-10)/(15-10)}(50.058-45.337)=49.114. Pe=0.217MPa T5=-13.5h3=h4=49.114. Pe=0.217MPa T6=-50.2MPa -10 h=185.7070.25MPa -10 h=184.682h=185.3590.2MPa 0 h=189.6690.25MPa 0 h=188.644h=189.321h1'=185.359+{(-5+10)/(10)}(189.321-185.359)=187.34{열교환기h1h2h3'h3h4h1'없는경우190.68220.13257.24155.79355.739187.852있는경우194.944224.05156.75849.11449.114187.341.냉동부하를 구하라.{R_L =Q_L times dot m_r =(h_1 -h_5 ) times dot m_r(1) 열교환기가 작동하지 않을 때RL=(190.68-55.793) 0.0045=0.607(2) 열교환기가 작동할 때RL=(194.944-49.114) 0.0044=0.6422.압축기의 {eta _isen과{eta_mech (={W_{i n}}over{W_s})을 구하라.1)열교환기가 없는 경우. P=Pe+101.3=211.3kPa=0.2113MPa T1=2 일 때0.2MPa 0.2113MPa 0.25MPa0 0.7320 0.7279 0.713910 0.7543 0.7503 0.73660 일 때0.05:0.0113=0.0181:{x{x=0.0040910 일 때0.05:0.0113=0.0177:{x2 일 때10:2=0.0224:{x{x=0.00448온도를 구하면 (50+{x라 하면){0.70M.01106760 일 때0.1:0.051=0.0221:{x{x=0.011271온도를 구하면10:{x=0.0123:0.0023 {x=1.869918T2"=51.87엔탈피를 구하면{0.7MPa0.751MPa0.8MPa50214.745214.003213.29051.87215.34760221.854221.19220.55850 일 때0.1:0.051=1.455:{x{x=0.7420560 일 때0.1:0.051=1.296:{x{x=0.6609610:1.87=7.187:{x{x=1.343969 h2"=241.003+1.344=215.347{열교환기h2"작동하지않을때214.768작동할때215.347Fs=24N, Ff=5N{eta_mech ={W_{i n}}over{W_s}{={F_s -F_f }over {F_s}{={24-5}over{24}=0.792{W_s ={2picdotN cdotF_s cdotL}over{60}~~~~~~~W_{i n}={2pi cdot N cdot L cdot (F_s -F_f )}over{60}1) 열교환기가 작동하지 않을 때Wi=h2"-h1=214.768-190.68=24.088Wr=h2-h1=220.132-190.68=29.452{eta_i~sen ={W_i}over{W_r} ={24.088}over{29.452}=0.81792) 열교환기가 작동할 때Wi=h2"-h1=215.347-190.68=24.667Wr=h2-h1=224.051-194.944=29.107{eta_i~sen ={W_i}over{W_r} ={24.667}over{29.107}=0.84753. QH를 구하고, 쉘과 코일 형태인 응축 열교환기의 총체 열전달 계수 U를 구하라.{Q_H =Q_L +W_r =(h_1 -h_4 )+(h_2 -h_1 ){U={Q_H}over{A cdot DELTA T_m}{A=0.075 m^2{DELTA T_m ={(T_h_2 -T_c_2 ) -(T_h_1 -T_c_1 )}over {ln[(T_h_2 -T_c_2)/(T_h_1 -T_c_1 )]}{T_c_99

자연과학| 2005.05.15| 12페이지| 1,000원| 조회(336)

열실험, 냉동기, 전공실험, 냉동기성능계수, 냉동기 성능계수 측정

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[DC 모터] DC 모터실험 평가A+최고예요

1. DC Motor Control1-1.모터 속도의 개 루우프제어1-1-1. 실험 결과(1) 회전이 막 시작했을 때의 측정치 [표1-1]1회2회3회평균U-157 눈금23232222.7모터입력전압[V]0.710.740.680.71(2) 모터 회전시 전압에 대한 전류 및 RPM 측정 [표1-2]전압[V]1234567891회전류[A]0.070.080.090.100.110.110.120.130.14RPM3*************20*************037002회전류[A]0.070.080.090.100.110.110.120.130.13RPM3*************20*************037003회전류[A]0.070.080.090.100.100.110.120.130.14RPM3*************21*************03800평균전류[A]0.070.080.090.100.110.110.120.130.137RPM30*************0*************337331-1-2. Servo계의 모터 회전수와 입력전압의 관계를 그래프로 표 시 하여라.[그림1-1]1-1-3. 모터에 흐르는 전류는 입력전압에 비례하지 않고 모터가 어느 속도 이상이 되면 전압을 증가시켜도 전류는 별로 증가하지 않는다. 이 현상에 대하여 약술하여라[그림1-2]▶ 입력전압과 전류와의 관계를 보면 전체적으로는 비례하는 관계 처럼 보이지만, 전 구간에서 비례관계에 있다고 볼 수는 없다. 모터 입력전압이 약 0.71V에서 모터가 회전하기 시작했는데, 이는 0.71V가 되기 전까지는 모터를 회전시킬 수 있는 토크가 나오지 않았음을 의미한다. 입력전압을 증가시키면 RPM이 증가하고 전류도 증가하지만, 회로내부에 역기전력이 생기게 된다. 그러면 증가된 전압이 인가되었지만역기전력이 그 인가된 전압값을 낮추는 역할을 하므로 실제로는 증가되지 않은 전압이 회로에 주어지는 것과 동일한 경우가 된다. 그래서 전류가 제한되게 되는 것이다.1-1-4. 앞에서 실험된 바와 같이 모터에는 어느 전압 질 량관성 모멘트를 이길 수 있는 가속도가 나오도록 어느정도의 전 압이 인가되어서 힘을 낼 수 있어야 한다.1-1-5.이 개회로(open-loop)제어계의 블록다이어그램을 그리시오.1yrTacho-Motor Generator가부착된 DC MotorMotor Drive Amp.1-2. 폐 루우프 속도제어(비례제어기)1-2-1. 실험결과브레이크 설정에 따른 RPM과 오차전압 측정 [표1-3]브레이크012345678910ATT-2(10일때)RPM25***************************************210오차전압[V]5.015.015.015.015.015.015.015.015.015.015.01ATT-2(5일때)RPM*************3**************************2000오차전압[V]5.034.994.964.924.894.864.814.734.664.584.571-2-2. 브레이크 눈금에 대한 속도계 눈금, 또한 브레이크 눈금에 대한 오차전압을 그래프로 정리하고 그 결과에 대하여 약 술하라.[그림1-3][그림1-4]▶ 브레이크 눈금에 대한 오차전압 :Open-loop Control System에서는 오차전압이 브레이크가 크게 걸릴 때나 작게 걸릴때나 관계없이 인가된 만큼 그 전압이 그대 로 나옴을 알 수 있고, Closed-loop Control System에서는 Feedback이 일어나기 때문에 오차전압이 브레이크의 양에 따라 차이가 남을 알 수 있다.브레이크 눈금에 대한 RPM 곡선을 보면, Closed-loop Control System에서 RPM이 더 떨어지는 것을 볼 수 있다. Feedback이 작용해서 일정한 RPM을 유지하는 것이 목적인데, 오히려 Open-loop System보다 더 RPM이 일정하지 않음을 볼 수 있다. 하지만 오차전압을 살펴보면, Open-loop System에서는 일정한 전압이 인가됨에도 불구하고 RPM이 떨어짐을 볼 수 있고, Closed-loop Control System에서는 전압이M이 2500으로 항상 일정 하지는 않다. 이는 만약에 ATT-2의 값을 5가 아닌 더 작은 다 른 값으로 했다면 RPM이 2500으로 일정한 값이 나왔을 것이다.1-2-3. 이 폐루프 제어계의 블록 다이어그램을 그리시오.ryKpt∑-1Kat1Kpa1Kat1Kta1-2-4. 폐루프에서는 부하로 인한 속도감소에 비례한 오차전압을 발생시켜 속도오차를 줄이게 한다. 이를 수식적으로 설명 하라.▶ Open-loop System= Kpt×Kat1×Kpa×(Km/JS(s+b))▶ Closed-loop Control Systemu=rKpt-yKat2y==▶ Open-loop System에서는 출력이y=r×Kpt×Kat1×Kpa×(Km/JS(s+b)) 만큼 변하고,Closed-loop Control System에서는 출력이y=만큼 변한다.따라서 Closed-loop Control System에서는 Feedback되면서만큼 속도를 보상해준다.1-2-5. 속도검출 피드백 전압이 너무 크면 상대적으로 피드백 전 압이 속도설정 전압보다 커진다. 좋은 결과를 위해서는 Summing-Amp에 입력되는 피드백 신호를 적절히 조절해 야 한다. 이를 수식으로 설명하라.▶=식의 괄호 안의 값이 (-)이며 입력 값은 양수고 괄호 안의 값이 음이며, Summing-Amp에서 출력되는 속도가 양이므로 Feedback 신호는 기준보다 작아야 한다.1-3. 폐 루우프 위치제어계(비례제어기)1-3-1. 실험결과(1) 시계방향일 때 [표1-4]U-151U-157 입력각(도)1*************0*************080U-158지시각9일때1**************************109897일때18**************************4855일때1**************************93813일때18**************************0821일때1**************************9283(2) 반 시계방향일 때 [표1-5]U-151U-157 입력각()제어계의 블로 다이어그램을 그리 시오ry∑-1Kat-Kpa1Kpt2Kpt▶1-3-4. Servo회로의 이득이 크면 그 만큼 회전오차 각이 작아지 고 또한 응답속도가 빨라짐을 알 수 있다. 이를 수식으로 설명하라.에서, Servo회로의 이득이 크면 가변저항 값이 커지고 회전 오차각 이 작아진다. 따라서 오차가 작으므로 응답속도 값을 찾는데 빨라 진다.1-3-5.위치제어의 정밀도를 높일 수 있는 방법에 대하여 약술하라▶ 위치설정 Potentiometer와 위치검출 Potentiometer의 회전각 분해 능력에 따라 그 각도 분해력 만큼 정밀한 위치제어를 할 수 있다.▶ Potentiometer의 실효 원둘레가 커야한다.▶ 내부 저항선이 가늘고 고밀도로 감겨져야 한다.▶ 고정밀도의 Potentiometer를 사용한다.▶ Potentiometer의 회전각에 의한 저항비를 일정하게 한다.1-4. D.C 모터 위치제어 실험(PC 이용)1-4-1. P와 D의 이득에 따른 시스템의 반응을 기술하시오.P(Proportional)제어기의 경우 기준 입력과 현재값과의 편차를 줄이는 방향으로 제어를 한다.이때 제어장치에 동작신호 Z(t)가 주어졌을 때, 조작량 y(t)가 얻어지는 경우, 즉 조작량 y(t)가 동작신호 Z(t)에 비례하여 변할 때의 그 관계식은y(t) = K Z(t)가 된다. 이것을 비례동작이라 한다. 여기서 K는 비례정수로 비례동작을 강하게 할 것인가. 약하게 할 것인가를 결정한다.비례정수의 크기가 크면 기준입력에 현재치가 빠르게 접근하나 출력이 진동하여 제어의 안정성에 악영향을 미칠 수 있고, 비례정수의 크기가 작으면 기준입력에 천천히 현재치가 접근하며 잔류편차가 생길 우려가 있다.D 제어기의 경우조작량 y(t)가 동작신호 Z(t)에 미분동작을 한다. 미분동작은 편차의 변화율에 상응하는 조작량을 연산하여 편차의 변화를 억제한다. 미분동작의 관계식은y(t) = K dZ(t)/dt가 된다. 일반적으로 미분동작을 사용한 제어기는 기준 입력에 접근하는 속도다 빨라지고 른응답과 큰오버슈트가 발생하게 된다. 미분제어기는 정상상태 오차가 줄어들면 rise time over shot은 줄어들고 settling time은 늘어났다.그리고 미분제어기는 기준입력이 미분되지 않는 점에 주의해야하며, 또한 미분제어기는 두가지 형태로 피드백 루프에 삽입될 수 있다.하나는 DC 모터의 테코미터를 적용하는 것이고 다른 하나는 포워드 루프에 동적 보상기를 삽입하는 것이다. 이외에는 비분제어기는 단독으로는 쓰일 수 없으므로 비례제어기와 함께 쓰여야 한다.1-4-2. 최적의 이득을 구하고 , 그렇게 판단한 근거를 기술하시오.TR(Rrise time)0.760%TS(settling time)1.255%MP(over shot)0.234%입력(각)180.72。비례(P)1.03적분(I)0.063미분(D)0.035TR: 초기 10-90%사이의 도달 시간TS: 원하는 오차 한계에서 ?1 안에 드는데 걸리는 시간MP: 정상에 도달한후 최고진폭과 최적 진폭이 30%안에 드는데 걸리는 시간비례제어의 경우 정상상태 오차가 줄어들면 MP가 상승하고 TR ,TS 가 감소하게 된다.적분제어는 정상상태 오차가 증가하면 TR, TS가 증가하고 MP가 감소하게 된다.그리고 미분제어는에서 정상상태 오차가 줄어들면 TR, TS 가 줄어들고 MP 가 증가하게 된다. 이런 상관관계에서 이 세 조건을 조절해서 TR, TS, MP 가 모두 원하는 범위안에 드는 값을 가지므로 우리가 원하는 최적의 이득을 가진 것으로 볼 수 있다.결과 및 토의스탭 모터는 구조가 복잡 하지만 제어 하기는 DC 모터에 비해 훨씬 쉽다. 하지만 DC 모터라고 해서 제어를 하지 못하는 것은 아니다. 우리는 이번 실험에서 간단한 회로를 통해서 DC모터 제어를 직접 실험 해 보면서 전압과 모터 RPM과의 관계, 전압과 전류와의 관계에 대해서 고찰해 보았고, 또한 일정한 RPM을 얻기 위해서 Feedback이 있을 때와 Feedback이 없을 때의 각각의 경우에 대해서 RPM에 어떠한 변화가 있는지 고찰했다. 또한 위치

공학/기술| 2005.05.03| 12페이지| 1,000원| 조회(1,855)

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[공기압제어] 공기압제어 실험

공기압 제어 실험1. 실험 목적공기압 기술(pneumatics engineering)이란 압축공기에 의해 작동되는 실린더, 모터 등의 구동 기기와 이를 제어하는 밸브, 유체소자를 산업기술에 응용하는 기술을 말하며 1950년부터 산업분야에 본격적으로 이용하여 근래에는 고도의 산업용로봇이나 의료기기에까지 광범위하게 이용되고 있다.자동화 기술에 있어서의 공기압 기술은 시스템의 기술에 따라 전 공기압 제어방식과 전기-공기압 제어방식이 도입되고 있는데 일반적으로 액추에이터는 공기압 기기를 체택하고 제어부분은 저기, 전자 방식을 채택하는 전기-공기압 제어방식이 많이 이용되고 있다.따라서, 본 실험의 목적은 현재 산업 현장에서 많이 이용되고 있는 전기-공기압 제어 시스템을 판독하고, 구성할 수 있는 능력을 배양하는데 있다.2. 이론(1) 공기압 시스템의 특징공기압 방식의 특징을 동력전달과 그 제어성의 측면에서 살펴보자.(a) 작동유체는 압축성이 있는 공기이다.① 압축성이 있으므로 에너지축적이 용이하다. 유압으로는 큰 축적이 어 려워 축적장치(Accumulator) 따위의 기기를 사용해야만 축적할 수가 있다. 공기압으로는 공기탱크의 사용으로 정전시 같은 비상시의 운전 이나 단시간의 고속운전이 가능해진다.② 불연속작동으로 시간의 평균동력이 공기압축기의 토출용량내라면 공 기탱크를 사용하므로써 소형의 공기압축기로 상당히 큰 출력을 단시 간 벌 수 있다.③ 유압처럼 서지(surge)압력이 발생하지 않는다. 이 때문에 과부하에 대한 안전대책은 통상압력 조정만으로 쉽게 이루어진다.④ 압축성 때문에 액추에이터의 위치제어가 어렵다. 또한 부하의 변동에 대해 작동속도가 영향을 쉽게 받아 정밀한 속도제어가 어렵다.⑤ 액추에이터의 작동개시시에 배관이나 액추에이터 내부의 용적에 의 한 압축성으로 작동개시까지는 약간의 기간이 지체된다. 또한 신호의 전달속도는 전기신호계에서초, 반도체에서～초인데 대해 공기계의 제어소자에서는～로서 응답성은 떨어진다.(b) 압축공기의 동력원은 쉽게 조달된다.① 공기의 은 순환방식으로 되어있는 데다 기기간의 영향도 크므로 각 장치마다 유압원이 설치되어있지만, 공기압은 하나의 공기압원에 집중할 수 있다.(c) 공기압축기를 사용하고 있다.① 공기압력은 1단에서, 2단에서정도가 일반적으로 유 압의 1/10～1/30 정도이고, 그 출력은 3톤 이하의 경?중작업에 걸맞 다.② 액추에이터의 출력은 한 채로 작동시키지 않는 한 동력은 소비되 지 않아, 열의 발생이 없다. 유압에서는 항상 유압펌프의 구동이 필요 하다. 그러나 압축성유체를 압축해서 에너지를 지닌 유체로 하기 위해 에너지효율이 전기방식이나 유압방식에 비해 떨어진다.③ 수분을 함유한 대기를 흡입해서 압축공기를 만들기 때문에 압축공기 속에 드레인이 발생한다.(2) 공기압 시스템의 구성품1) 공기압원압축공기의 에너지를 이용하여 각종 기계적 일이나 자동화를 위해 대기 의 공기를 흡입하여 압력에너지를 부여하고 이것을 공기압시스템으로 공 급하는 장치로써 압력에너지를 생산하는 공기압축기, 송풍기 및 진공 펌프 와, 압력에너지를 저장하거나 맥동을 흡수하여 압력을 안정시키는 공기탱 크로 구성된다.2) 공기청정화 기기공기압원 장치로부터 송출되는 공기 속에는 대기로부터 흡입된 먼지나 수분, 배관 내부의 녹, 윤활유의 탄화물 등이 포함되어 있는데 이들 불순 물은 공기압 기기의 여러 가지 고장의 원인이 되며 내구성, 신뢰성을 저하 시킨다. 이들 불순물을 제거하여 깨끗한 건조 공기를 공기압 기기에 공급 하는 기기를 공기청정화 기기라고 하며 후부냉각기, 에어드라이어, 공기압 필터 등이 있다.3) 윤활기기공기압 필터로부터 공급되는 압축공기는 건조공기이므로 윤활기능이 없 다. 따라서 윤활 기기를 사용하여 압축공기에 미립화된 윤활유를 급유하므 로써 공기압 기기의 윤활을 하게 된다.이때 사용하는 윤활기기를 투브리케이터(윤활기)라고 하며 전 양식 루브 리케이터와 선택식 루브리케이터가 있다.4) 제어밸브제어밸브는 크게 압력제어밸브, 방향제어밸브, 유량제어밸브의 3가지로 구분된다. 압력제어밸브는 공기압회로내의 압력여 사용된다.5) 액추에이터공기압 액추에이터는 압축공기의 압력에너지를 기계적 에너지로 변환하 여 직선운동, 회전운동, 요동운동 등을 하도록 하여 기계적인 일을 하는 기기로써 직선운동을 하는 공기압 실린더, 회전운동을 하는 공기압모터, 제한된 회전각도의 요동운동을 하는 요동 액추에이터 등이 있다.(3) 시퀀스 제어회로시퀀스 제어란, 미리 정해놓은 순서에 따라 제어의 각 단계를 차례로 행하는 제어를 말하며, 제어명령이 스위치나 전압 등의 “개”, “폐”, “증”, "감“, ”ON", "OFF" 등 서로 상반되는 두 가지 작업을 대상으로 한 “0”, “1” 의 디지털 신호(digital signal)인 두 값 신호로 이루어지는 정성적인 제어이다. 또 신호의 방향이 피드백이 아닌 한 방향으로만 행해지는 오픈루프 제어(open loop control)로서 불연속적인 작업을 행하는 공정제어, 엘리베이터 제어 등이 여기에 속한다.전자밸브는 여러 가지 종류가 있으나 3포트 2위치 전자 밸브와 5포트 2위치 전자밸브의 작동방법을 설명하고자 한다.3포트 2위치 전자밸브의 도면기호는 그림 1.1과 같다. 그림에서 솔레노이드 코일 SOL1이 여자되면 밸브는 우측으로 이동하여 압력구 P가 A포트에 연결된다. 반대로 SOL1이 소자되면 스프링의 힘에 의하여 밸브는 좌측으로 이동하여 압력구 P는 단절되고 A포트 R포트에 연결된다.5포트 2위치 전자밸브의 도면기호는 그림 1.2와 같다. 그림에서 솔레노이드 코일 SOL2가 여자되면(이때 SOL1은 소자되어야 함) 밸브는 좌측으로 이동하게 되고 압력구 P는 A포트에, B포트는 배기구 R2에 연결되며 R1포트는 닫히게 괸다. 반대로 솔레노이드 코일 SOL1이 여자되면 (이때 SOL2는 소자되어야 함) 밸브는 우측으로 이동하고 압력구 P는 B포트에, A포트는 배기구 R1에 접속되고 R2포트는 닫히게 된다. 릴레이란, 전자 코일에 전류가 흐르면 전자석이 되며, 이의 전자력에 의하여 가동 철편을 흡입하고, 이와 연동한 기구가 작동하여 접점을 닫거나동실린더를 사용한 공압회로를 이용하여 기본적인 몇 가지 시퀀스회로를 예를 들어보면 다음과 같다.1) 단동 실린더의 작동단동실린더를 작동하기 위하여 그림 1.5와 같이 전기회로를 연결한 경우 초기에 밸브의 위치가 후진상태에서 푸시버튼 PBS1을 누르면 솔레노이드 코일 SOL1이 여자 되고 밸브의 제어위치가 전환되어 실린더는 전진을 하 게 된다. 푸시버튼 PBS1을 놓으면 솔레노이드 코일 SOL1이 소자되고 스 프링력에 의해 밸브의 위치는 원위치가 되므로 실린더는 후진을 한다.2) AND 회로그림 1.6은 AND회로의 예를 보여준다. 푸시버튼 PBS1과 PBS2를 동시에 누르면 릴레이 R1이 여자 되고, a접점 R1이 ON되어 솔레노이드 SOL1이 여자 된다. 따라서 밸브는 방향을 전환하게 되고 실린더는 전진을 한다. 푸시버튼 PBS1이나 PBS2를 놓으면 릴레이 R1은 소자 되고 a접점 R1이 OFF되어 솔레노이드 코일 SOL1도 소자되므로 밸브는 원위치가 되어 실 린더는 후진을 하게 된다.3) OR 회로그림 1.7은 OR 회로의 예를 보여준다. 푸시버튼 PBS1이나 PBS2중 어느 하나를 누르면 릴레이 R1이 여자 되고, a접점 R1이 ON되어 솔레노이드 코일 SOL1이 여자 된다. 따라서 밸브는 방향을 전환하게 되고 실린더는 전진을 한다. 푸시버튼을 놓으면 릴레이 R1은 소자 되고, 솔레노이드 코일 SOL1도 소자되므로 밸브는 스프링력에 의해 원위치 되어 실린더는 후진 을 하게 된다.4) NOT 회로그림 1.8은 NOT 회로의 예를 보여준다. 추기상태에서 회로를 연결하면 푸시버튼을 누르지 않아도 솔레노이드 코일 SOL1이 여자 되므로 밸브는 방향을 전환하게 되고 실린더는 전진을 한다. 푸시버튼을 누르면 SOL1이 소자되므로 실린더는 후진을 하게 된다. 단, 후진을 계속 유지하고자 할 때에는 푸시버튼을 계속해서 누르고 있어야 한다.5) NOR 회로그림 1.9는 NOR 회로의 예를 보여준다. 회로를 연결하면 밸브가 전환되 고 실린더는 전진을 한다. 이 상태에서 D회로의 결선 예이다. 회로를 연결하는 순간 릴레이 R1 이 여자로 솔레노이드 코일 SOL1도 여자 되어 밸브는 전환되고 실린더는 전진을 한다. 이 상태에서 푸시버튼 PBS1이나 PBS2중 어느 하나를 눌러 도 회로는 폐회로가 유지되므로 실린더는 전진 상태를 유지한다.푸시버튼 2개를 모두 누르면 릴레이 R1이 소자되어 솔레노이드 코일 SOL1이 소자되므로 밸브는 스프링력에 의해 원위치 되고 실린더는 후진 을 하게 된다.3. 실험 결과의 정리1) 각 실험의 회로도와 시퀀스회로를 이해하고 작동 순서를 서술하시오.☞ PBS1을 누르면 R1은 ON 상태가 되고 이로 인해 SOL1은 여자 되어 실린더는 우측으로 이동한다. 그리고 이후에는 PBS1과는 관계없이 계속적으로 이 상태를 유지하게 된다. 다음으로 PBS2를 누르면 R1은 OFF 상태가 되고 SOL1은 소자 되어 실린더는 좌측으로 이동을 하게 된다. 그리고 PBS2와는 관계없이 PBS1을 누르지 않는 이상 처음의 상태와 같이 계속적으로 이 상태를 유지하게 된다.☞ PBS1을 누르게 되면 OFF 상태의 LS2가 아닌 ON 상태의 LS1을 통해 R1은 ON 상태가 된다. 그리고 ON 상태의 R4를 통해 R3를 ON 상태로 되어 SOL1을 여자 시켜 실린더를 우측으로 이동시킨다. 실린더의 우측이동은 LS1은 OFF, LS2는 ON 상태로 바꾸게 되며, 이로 인해 R2가 ON 상태가 되어 ON 상태의 R3을 통해 R4를 ON 상태로 바꾸며, 이는 SOL2를 여자 시켜 실린더를 좌측으로 이동시킨다. 즉 처음의 상태로 되돌아가게 되는 것이다. 다시 PBS1을 누르면 위와 같은 작동을 반복하게 된다.☞ PBS를 누르게 되면 ON 상태의 b0을 통해 R1을 ON시켜 SOL1은 여자 되며 실린더 A는 우측으로 이동한다. 실린더 A의 우측이동으로 a1이 ON되어 R2를 ON시키면 SOL3는 여자 되며 실린더 B는 우측으로 이동한다. 그리고 이로 인해 b1은 ON 상태가 되며 이는 R3을 ON시켜 SOL2는 여자 되며 이는 실린더 된다.

공학/기술| 2005.05.03| 12페이지| 1,000원| 조회(863)

전공실험, 공기압제어, 시퀀스회로, 공기압제어 실험

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