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온도측정 평가A좋아요

1. 서론온도를 측정하는 여러 가지 방법 중, 열전대를 이용한 측정 방법을 익힌다. 온도계로 측정한 온도와 열전대를 이용한 값을 Voltage로 읽고, 이 값들의 상관관계를 살핀다. 또, 이 상관관계를 이용하여 Voltage 값만으로 온도를 측정할 수 있는지 확인한다.2. 이론적 배경2.1 온도보통 온도계에 새겨진 눈금으로 표시한다. 물체의 상태를 나타내는 양의 하나로서, 통계역학에서는 물질 내에 있는 원자 또는 분자의 평균운동에너지라고 정의한다. 일상생활에서는 열과 혼동하여 사용하는 경우가 많은데, 열은 물체에 출입하는 총에너지의 양인 반면, 온도는 물체가 가지고 있는 에너지의 수준이다.물질에 온도 변화가 일어나면 특징적인 성질이 함께 변화하게 되는데 이를 이용하여 온도를 측정할 수 있다. 이는 곧 1) 물리적 상태의 변화, 2) 화학적 상태의 변화, 3) 물리적 크기의 변화, 4) 전기적 성질의 변화, 5) 복사량의 변화 등이다. 위의 1), 2)의 성질을 직접 온도 측정에 응용하지는 않으나 물리적 상태의 변화, 즉 응고, 용해, 비등에 따라 온도의 표준을 정한다.2.1.1 온도의 표시온도를 수량적으로 나타내는 데는, 온도에 따라 변화하는 여러 물리현상을 이용하여 두 표준점의 물리량을 일정한 간격으로 나누는 방법이 있다. 가장 간단하고 오래 전부터 사용하고 있는 방법은 물체의 열팽창을 이용하는 것이다. 예를 들면, 알코올온도계나 수은온도계는 녹기 시작하는 얼음에 모세관을 넣었을 때 관내 액체기둥의 높이와, 끓는 물에 넣었을 때의 높이를 온도의 두 기준점으로 하여 그 이외 온도는 모세관 내 액체기둥의 높이로 정한다. 단, 온도계의 눈금은 사용한 물질의 성질에 의해 영향을 받지 않아야 한다. 예를 들면 알코올과 수은은 팽창방식이 달라서 똑같이 온도를 측정해도 표준점에서는 같은 온도가 나타나지만 그 이외 상태에서는 눈금이 일치하지 않는다. 이 때문에 현재는 물질 종류에 의존하지 않는 열역학적 온도를 기준으로 눈금을 정하고 있다.2.1.2 섭씨눈금과 화씨눈금보편적끓는점을 80℃로 하는 열씨눈금(기호 °R)이 R.A.F.레오뮈르에 의해 제안되었는데, 지금은 거의 사용하지 않는다. 어떤 온도를 섭씨, 화씨 및 열씨눈금으로 표시하였을 때 그들 사이에는 다음과 같은 관계가 있다. C=5/9 (F－32)=5/4 RT(℉) = 1.8 T(℃) + 32T(K) = T(℃) + 273.15T(R) = T(℉) + 459.672.1.3 절대온도열역학 제2법칙에 의해 물질성질과는 관계없이 절대적인 온도를 정의하기도 한다. 이 온도눈금은 전부를 양의 수치로 나타내며, 그 기준점인 0℃는 이상기체의 부피가 0이 되는 극한온도인 －273.15℃와 일치한다. 이 점을 기준으로 하여 섭씨눈금으로 나타낸 수치에 273.15를 더한 것을 절대온도(기호 K)라 한다. 켈빈(W.톰슨)이 1848년 도입한 것으로서, 켈빈온도라고도 하며, 특히 열역학에서는 주로 이 방법으로 온도를 표시한다.2.2 열전달일반적으로 물체들 사이의 열전도 ·대류 ·열복사 등 3가지 열이동 과정을 총칭하지만, 좁은 의미로는 유체와 고체 표면 사이에서 열을 주고 받는 현상만을 가리킨다.열전달에는 크게 유체 흐름이 자연(자유)대류일 경우(가열된 방바닥이나 벽면에 의한 난방)와 강제대류일 경우(비행체 표면으로부터의 열방출이나 열교환기 관벽 내외의 열교환), 유체의 상이 변화하지 않을 경우와 변화할 경우(비등이나 응축을 수반하여 보일러나 콘덴서 등의 성능을 좌우하는 열전달) 등이 있다. 경계층이 층류를 이룰 때와 난류를 이룰 때, 또는 그 둘이 함께 공존할 때 등에 따라 열전달 현상은 달라진다.이 경우 유체와 고체 표면 사이 유체의 얇은 층(경계층)에서는 열전도에 의해 열이 전달되지만, 경계층 밖 유체에서는 열이 유체 자체의 대류에 의해 운반된다. 이렇게 열전도와 대류가 복잡하게 얽힌 열전달을 대류열전달이라 한다. 그 외에도 고체와 유체 사이에는 복사에 의한 복사열전달이 있는데, 보통 열전달이라 하면 대류열전달을 가리킨다. 이 경우 고체 표면의 온도를 tS, 유체의 온도를 t라 하면,분자의 불규칙한 운동(random motion of molecules)에 의해, 액체 내에서의 전도는 기체보다 더 조밀하고 강한 상호영향을 가진 분자의 운동에 의해 이루어진다. 고체 내에서는 격자 진동(lattice waves)의 형태인 원자의 운동(atomic activity)에 의해 이루어진다.대류열전달은 고체 표면과 움직이는 유체 사이에서 분자의 불규칙한 운동과 거시적인 유체의 유동(bulk motion of the fluid), 두 가지의 메커니즘에 의해 이루어진다. 대류열전달은 유체의 유동이 외부로부터 작용하는 힘에 의해 이루어지는가 또는 온도차로 인한 부력에 의해 발생하는 가에 따라 강제 대류(forced convection)와 자연대류(natural convection)로 구분된다.복사 열전달은 물질에서 방사되는 에너지가 전자기적인 파동에 의해 전달됨으로써 이루어진다. 전도와 대류는 매질이 있어야 이루어지지만 복사의 경우 진공상태와 같이 매질이 없는 상태에서도 이루어진다. 온도 T인 물체 표면으로부터 방사되는 에너지의 최대량은 Stefan- Boltzmann식에 의해 정의되며 최대량을 복사하는 즉 방사율 ε이 1.0인 표면을 흑체(black body)라 부른다. 이 세 가지 형태의 열전달은 Fig.1과 같은 형태이며, Table. 1과 같이 수식으로 정의된다. 실제 상황에서는 이들 형태가 중첩되어 나타나게 되며 이때의 전체 열전달을 총 열전달율(total heat transfer rate), 또는 총 열유속(total heat flux) 등으로 부른다.a) 전도 열전달 b) 대류열전달 c) 복사열전달Fig. 1 열전달의 세 가지 형태구분관계식파라미터비고전도열전달q^〃 ```=``` k {DELTA T} over {DELTA L}열전도율 k(물질의 고유 성질)Fourier의 열전도법칙대류열전달q^〃 ```=``` h DELTA T열전달 계수 h(유체의 상황)Newton의 냉각법칙복사열전달q^〃 ```=``` epsilon sigma (T_1^4 ``증폭, 제조, 변환 등의 정보처리가 용이하다. 또, 고온에도 기계적 강도가 뛰어나며, 내식성이 강하고, 안전성이 높다.2.3.3 열전대의 종류열전대의 구성 재료와 특징에 따라 B-TYPE, S-TYPE, R-TYPE, K-TYPE, E-TYPE, J-TYPE, T-TYPE로 나눈다. Table. 2 은 각 TYPE별 열전대의 특징을 보기 좋게 정리하였다.종류특징온도분포B-TYPE+쪽에 RH 30%를 포함한 백금 RH과 -쪽에 RH 6%를 포함한 백금 RH 합금을 사용한 열전대이다.고온에 있어서 정밀 측정과 내구성이 요구 되는 경우 주로 이용한다.0~1700℃R-TYPE+쪽에 Pt, Rh(13%)합금과 -쪽에 순 Pt를 사용한 열전대로서 극히 고순도 백금의 귀금속을 사용하고 있기 때문에 KS규격에 의한 0.25%의 오차를 충분히 만족시키는 고정도를 갖고 있다.보호관 및 전열관에는 철함류량이 낮은 고순도 알루미나 재질을 사용하여야 한다. 또 열전대 자체의 취급도 주의를 요하며 손의 땀이나 기름으로 오손되지 않도록 알코올, 벤젠등으로 오염을 제거하는 것이 중요하다.600~1600℃S-TYPE+쪽에 Pt, Rh(10%) 합금과 -쪽에 순 Pt를 사용한 열전대이다. 사용할 때에는 R 열전대와 같은 주의가 필요하다.0~1600℃K-TYPE+쪽에 Cr을 약 10% 포함한 Ni-Cr 합금과 -쪽에 Al, Mn을 조금 포함한 Ni합금을 사용한 열전대 이다. 현재 공업용의 열전대로서 가장 넓게 사용되며 신로성이 높다.고온에서 사용 가능하고, 기전력특성의 직선성이 양호하여 비교적 내열, 내식성이 높은 것이 특징이다.200~1370℃E-TYPE+쪽에 K열전대와 같은 Ni-Cr합금과 -쪽에 Cu-Ni합금을 사용한 열전대이다. 공업용 열전대로서 기전력 특성이 가장 높은 것이 특징이다. 현재 사용되고 있는 열전대 중에서는 전기 저항이 가장 높기 때문에 사용계기의 선택에서 충분한 주의가 필요하다.-200~800℃J-TYPE+쪽에는 순철(Fe)이, -쪽에는 Cu-Ni합금을 사용한 열전대이다를 AD converter를 통해서 digital 값으로 변환 시켜서 자동으로 기록하여 주는 장치를 말한다.비이커알콜램프막대 온도계3.2 실험 방법Fig. 4처럼 비이커에 물을 담아 알코올 램프 위에 올리고 열전대와 막대 온도계를설치한다.열전대는 PC를 통해 실험 Data를 얻을 수 있게 준비한다.알코올 램프에 불을 붙이고, 30℃ 이후부터 각 5℃ 간격으로 Fig. 5처럼 PC를 통해 출력되는 전압값을 기록한다.실험이 끝나고 알코올 램프의 불을 끈다.조교가 비이커에 차가운 물을 붓고 저은 후, PC를 통해 전압 값을 기록하고 실험을통해 얻은 Data를 이용해 이때의 온도를 예측해 본다.Fig. 4 실험 준비Fig. 5 출력화면4. 실험결과4.1 열전대를 통해 얻은 온도에 따른 전압 값온도가 5℃씩 증가할 때 마다 각 온도에서의 전압 값을 측정하여 Table.3 에 기록하였다.온도(℃)전압(mv)온도(℃)전압(mv)301.679652.446351.772702.573401.943752.641452.034802.744502.089852.849552.216902.917602.341Table. 3 온도에 따른 전압값4.2 온도와 전압과의 상관 관계실험을 통해 얻은 온도와 전압과의 상관 관계를 확인하기 위하여 Table. 3 값을 Fig.6으 로 나타내었다.Fig. 6 온도와 전압값과의 관계4.3 관계식응용프로그램을 이용하여 Table. 3의 Data를 이차 다항식으로 구하고, Fig. 7에서 곡선의 모양과 수식을 설명하였다. (부록)Fig. 7 온도와 전압의 관계식을 나타내는 곡선관계식 :4.4 Voltage 값에 따른 온도차가운 물을 붓고 그 당시의 Voltage 값을 측정한다. 실험을 통해 얻은 열전대의 관계식을 이용하여 각 상황의 온도를 예측할 수 있다.Table. 4는 차가운 물을 한번 부었을 때(상황1)와 두 번 부었을 때(상황2)의 전압 값이다.전압(mV)상황12.687상황22.38Table. 4 각 상황에서의 전압관계식 :상황 1 : 전압(mV) = 2.있었다.

공학/기술| 2003.09.17| 13페이지| 1,000원| 조회(635)

열전대, 온도, 실험

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샬피 충격 실험 평가A좋아요

1. 서론충격시험은 충격력에 대한 재료의 저항 또는 인성(Toughness)을 측정하는 시험으로서, 일반적으로 시편에 노치를 만들어 일회의 충격력을 가하여 재료가 파단될 때의 흡수되는 에너지를 측정한다. 충격시험은 기존의 인장강도 실험으로는 나타낼 수 없는 재료의 성질을 평가하는 필수적인 실험이며, 재료에 홈이나 notch가 생겼을 때의 파괴 인성을 측정하여 구조물의 안정성을 평가할 수 있다.이번 실험에서는 charpy 실험기를 이용하여 brass, steel, aluminum 시편의 파괴 양상과 파단면의 형상을 관찰하고 충격량을 구한다.시험목적- 충격에 대한 재료의 저항력. 즉, 인성(Toughness)이나 취성(Brittleness)을 측정함을 목적- 재료의 정적 인장실험만으로는 동적하중, 금속조직, 사용온도의 변화에 따른 기계적 성질의 변화를 알 수 없다. (Ex. 열처리한 강의 인성은 정적시험에서는 근소하나 충격시험 결과는 차이가 크다.)- 하중을 가하는 방법에 따라 충격인장, 충격압축, 충격 비틀림, 충격굽힘시험이 있으나 공업적으로는 Notch가 있는 시험편의 충격 굽힘 시험이 사용된다.2. 이론적 배경2.1. 원리위로 올린 hammer를 시험편에 낙하시키는 것에 의하여 시험편을 파단시킬때 시험편 에 흡수되는 에너지를 측정하는 것으로, charpy식과 Izod식이 있다.2.1.1 하중과 굽힘량 사이의 관계(a) 연성재료: 최대하중에서 노치에 균열이 생기나 곧 파단하지 않고 변형은 증가하 면서 유효단면적은 감소.(b) 취성재료: 균열이 발생하면 급격히 진행되어 영구변형 없이 파단된다.(c) 일반재료: 최대하중을 지나 어떤 하중까지는 영구변형이 증가하다 하중이 급격 히 감소하면서 파단.* 흡수에너지는 곡선아래의 면적으로 충격치(충격energy)는 재료의 강도보다는 변형 의 대소에 더 많은 영향을 받음2.1.2 파단 Energy의 계산- 충격 굽힘 시험법의 원리* 중량 W(Kg)의 Hammer가 회전반경 R(m)로 α 만큼 들어 올렸다가 회전 낙하하 여 시편파단시 에너지를 방출하고 β 만큼 올라간다.* 이때, 소요 Energy E(Kg m)는 Hammer의 위치 Energy 감소량에서 기타 손실 Energy를 뺀 량이다.E=WR(cosβ - cosα)-(E1+E2)where, E1: Hammer의 공기저항 및 회전축의 마찰저항 Energy.E2: 시험편 파편의 운동 Energy* KS 에서는E=W(h1-h2)=WR(cosβ - cosα)2.1.3 충격치의 계산E/A=WR(cosβ - cosα)/A [Kg m/cm2]단면적 A: Notch부의 단면적충격치는 소숫점 1자리까지 반올림하여 표시.2.2. 충격시험의 종류2.2.1. 샬피 충격 시험샬피 충격 시험기는 진자형 해머가 눈금판과 동축지 둘레를 부드럽게 회전할 수 있는 구조로, 일정한 올림 각도에서 정지 시켰다가 빗장을 풀면 해머의 자중에 의해 낙하하여 축의 둘레를 회전한다. 시편은 중심축의 직하 지지대 위에 올려놓고, 그 중앙을 해머가 치도록 하여 고속으로 굽힘 파단을 시킨다. 해머는 시편을 파단시키는 에너지를 잃어도 남은 에너지에 의해 반대측으로 들어올려지며, 이때 눈금판의 바늘을 회전시켜 해머의 움직임 각을 눈금으로 읽을 수 있도록 되어 있다. 파단을 요하는 정확한 에너지를 측정하기 위해 회전부의 마찰 저항이나 공기 저항 등을 가능한 한 적게 받도록 만들어져 있다. Fig. 1과 Fig 2는 샤르피충격시험기의 원리도이다.Fig. 1 샤르피충격시험기의 원리도 Fig. 2 샤르피충격시험기 시편지지대와 해머아 암 :기계 구조용 강으로 제작되어 있으며 회전축과 타격햄머를 연결하고 있다.타격 핸들 : 해머를 들어올린 상태에서 낙하시키는 역할을 한다.워엄 핸들 : 해머를 들어올리는 핸들워엄 기어 : 해머를 들어올리는 아암과 붙어있어 워엄 핸들을 돌려주면 회전하여 해머를 들어올린다.시편 고정대 : 시편을 정확히 고정시킬수 있도록 되어있다.2.2.2. 아이조드 충격 시험샤르피 충격 시험과 같은 진자 충격 시험으로 재료의 점도, 혹은 무른 정도(軟度)의 판정을 목적으로 행해진다. 시편을 세로로 설치하고 노치부와 같은 방향에 진자에 의해 충격하중을 주어, 시편을 절단하는데에 요하는 에너지를 충격치를 kg-m 단위로 나타낸다. 시험편의 한끝을 노치부에 고정하고, 다른 한쪽 끝을 노치부로부터 22㎜ 떨어진 위치에서 노치부와 같은쪽면을 해머로 1회만 충격을 주어 시험편을 파단 시키고 아이조드 충격치를 측정한다. Fig 4과 Fig 5는 아이조드 시험기의 구조와 원리를 나타낸다. 충격 시편의 규격이 정해져 있는데, 이는 Fig 3와 같고, Fig 6은 아이조드 충격 실험시 시편의 고정 방법을 설명한다.Fig. 3 아이조드 충격시험편의 규격 Fig. 4 아이조드 시험기Fig. 5 아이조드 충격시험기의 원리 Fig. 6 아이조드 시편고정법2.3. 충격 시험 계산법2.3.1. 샤르피식(단순보 상태에서 시험)U= { WR(cos beta- cos alpha)} over {A} = {E} over {A} (Kgm/m^2 )U: 충격값2.3.2. 아이조드식(외팔보 상태에서 시험)E=WR(cos beta-cos alpha)2.3.3. 충격 시험시 필요한 에너지 EE=W(h_1 -h_2 )=W CDOT R(cos beta - cos alpha)alpha: 해머의 지상각도, beta: 파단후의 진상각, W: 해머의 중량,R: 회전중심에서 중심까지의 거리, E: 흡수에너지2.4. 전단 에너지중랑 W[N]의 해머가 회전축 중심으로부터 중심까지의 거리 R[m]을 반지름으로 하여, 각 만큼 올린 위치에서 회전 낙하하여 시편을 파단한 후, 각 만큼 올라갔다면 전단에 소요된 에너지 E[Nm = J]는이 된다. 위 식에서 은 운동중의 공기 저항 및 베어링 부의 마찰에 대한 손실이고, 는 시편과 지지대 또는 해머 날과의 마찰에 의한 흡수 에너지이며, 는 시편이 절단된 후 비산할 때의 운동에너지 이다. KS 규정에서 그 손실을 무시하였지만, 취성 재료의 경우 그 크기가 작지 않으며, 특히 은 상당한 영향을 미친다.초기 해머가 갖고 있는 위치에너지()[Nm]시편을 파괴한 후의 위치 에너지 ()[Nm]시험편을 전단하는데 소요된 에너지 (E)[Nm]샤르피의 충격값 (U)[Nm/] 또는 [J/]3.실험 장치 및 방법3.1. 시편샬피 충격시험의 시편은 노치가 있으므로 정밀하게 만들고 노치 감도의 영향을 극히 적도록 하여야 한다. 특히 노치부 제작에는 게이지를 사용하여 측정하든가 또는 확대 하여 검사하는 것이 필요하다.주철 및 주강은 온도차가 시험결과에 미치는 영향이 크므로 시험한 온도를 기록하는 것이 필요하다3.1.1. 시편의 재료Table 1과 같이, 각 재료에 따른 충격량을 실험하기위해, Fig 7과 같이 동일한 치수로 만들어진 Steel, Brass, Aluminum으로 만들어진 시편을 준비한다.Table. 1 재료에 따른 시편SteelBrassAluminumFig.7 시편의 치수[mm]3.1.2. 시편의 고정방법팬들럼 해머의 타격단은 시편을 타격하였을 때 팬들럼 부분의 진동을 감소시키기 위하여 관성체의 중심 또는 충격중심에 있어야 한다. 만약 팬들럼의 회전축에서 타격단까지의 거리 L=0.8/R2 라면 타격선단은 충격의 중심에 있어야한다.3.2. 실험 방법샬피 실험기의 모습과 실험 방법을 Table 2에서 설명 하였다.Table 2 실험 방법CHARPY IMPACT TESTER실험 방법1. 시험편을 올려놓고 Hammer의 Strking edge를 시험편 의 오른쪽에 가볍게 접촉시킨다.2. Pointer 와 Pusher arm을 Dial plate의 최대값 (169.4Joules)에 맞추어 놓는다. 이때 고정 볼트를 꽉 죈다.3. 시험편을 제거한다.4. Operating lever를 Latched mode 쪽으로 돌려서 Safety catch를 걸어놓는다.5. Hammer를 원하는 무게가 가해지는 곳까지 들어 올린다.6. Pointer를 Dial plate의 최대 값에 맞춘다.7. 주위에 사람이 없음을 확인 후 Operating lever를 Latched mode에서 Release mode로 조작한다.8. 일단 Hammer가 움직여서 반대방향에서 내려올 때 Stop pin을 제거 후 Brake mode로 조작한다.9. Pointer가 0값을 가리키는지 확인한다.(만약 0값이 아니면 위의 과정을 한 번 더 반복한다.)10. Gage를 이용, 정확하게 시험편을 장착한다.11. 위의 4번부터 8번까지의 조작을 따른 후에 Pointer가 가리키는 값이 충격 시험 값이 된다.4.실험 결과4.1. 시편 전단에 소요된 에너지Table 3은 실험 결과로서, 해머가 시편의 전단에 소요된 에너지를 측정한 값이다.Table 3. 시편 전단에 소요된 에너지[J]

공학/기술| 2003.09.17| 8페이지| 1,000원| 조회(1,647)

실험, 충격, 샬피, 시험기

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