기계공학실험 - 압력 측정

소개글

기계공학실험 - 압력 측정에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

Gauge가 있다.
① McLeod 압력계
일정체적의 측정기체를 압축해 그 압력을 상승시켜, 압축 후의 압력을 압축차법으로 측정해 보일의 법칙을 적용하므로써 압축전의 압력을 구하는 원리의 진공계이다
여기서, h, V, s, ρ, g는 각각 모세관 내의 수은면차, 압축부와 모세관 내에 있던 체적, 모세관의 단면적, 수은의 밀도, 중력가속도이다.
맥라우드 진공계는 압력의 절대측정이 가능해 진공도의 표준으로써 쓰인다. 진공계의 교정에는 이 밖에 표준진공압력의 발생법인 팽창법과 유량법이 이용된다.
② Pirani Gauge
피라니 진공계는 기체 분자에 의한 열전도가 압력에 의존하는 현상을 이용하는 진공계의 일종으로서, 전류를 흘려 가열한 금속의 열선으로부터 열전도에 의해 잃게 되는 열량을 온도 변화에 의한 저항변화를 측정하여 검출한다.
3. 실험장치
- 이번 실습에서는 브로돈관과 스트레인 게이지를 부착한 압력계를 사용하였다.
브로돈관 압력계와 압력센서가 설치된 블록의 왼쪽에 레귤레이터와 수동 밸브가 설치되어있다.
① 레귤레이터
펌프로부터 들어오는 공기를 이용하여 압력을 조절하는 장치이다. 그 원리는 손잡이로 내부 스프링을 조절하여 그 스프링의 힘조절에 의해 압력을 조절한다. 이때 스프링의 힘이 손잡이에 작용하므로 위로 뽑아 올리면서 조절하는 것이 레귤레이터에 큰 무리가 가지 않는다. 그 옆에는 공기압을 차단하는 밸브가 있다.
② 압력센서
스트레인 게이지를 격막에 부착해서 압력에 따른 변화를 이용하여 압력을 측정한다. 증폭기가 내장되어 있어 실험에서는 영점조절 및 스팬조절을 하지 않고, 제조사에서 공급한 보정작업표의 출력값을 이용, 보정 그래프를 작성하여 사용한다.
③ 압력 측정블록
공기가 유입되는 연결구와 배출구가 있는데, 이 실험에서는 정압의 경우를 실습하므로 공기 유동이 없도록 배출구의 밸브를 잠가놓고 실험을 한다.
4. 실험방법
1. 초기(대기압)에 출력값이 제조사에서 제공한 다음 보정표와 같은지 확인한다.
압력값()
기준 출력값(VDC)
실제 출력값(VDC)
0.0
0.000
0.011
2.5
2.50
2.526
5.0
5.000
5.024
7.5
7.500
7.516
10.0
10.000
10.021
- 보정표 -
2. 레귤레이터로 0~10의 범위 내에서 압력과 그때의 출력값을 측정한다.
3. 동일한 압력에서 각각 3회씩 5회 측정 기록한다.
5. 결과
5.1 브로돈관 입력계 입력값
압력 ()
기준출력
실제출력
측정값
0
0.000
0.011
0
2.5
2.500
2.526
2.4
5
5.000
5.024
4.8
- 실제로 출력되어야 하는 값과 어느 정도의 오차가 있지만 비슷하게 일치 했다.
5.2 브로돈관 입력계 입력값의 보정 그래프
5.3 브로돈관 입력계 임의의 입력값
실험횟수
입력값
측정값
1
1.00
0.34
2
1.00
0.35
3
1.00
0.35
평균값
1.00
0.35
1
1.90
1.18
2
2.00
1.32
3
1.90
1.16
평균값
1.93
1.22
1
2.90
2.18
2
2.90
2.07
3
3.00
2.11
평균값
2.93
2.12
1
3.90
3.09
2
3.90
2.96
3
4.00
3.10
평균값
3.93
3.05
1
5.80
4.87
2
5.80
4.83
3
5.70
4.84
평균값
5.77
4.85
6. 고찰
실험 시 오차 원인
실험 결과 제조사에서 주어진 보정 표보다 전체적으로 출력값이 낮게 나왔다. 이러한 오차의 원인은 다음과 같다.
○ 압력센서에 사용하는 스트레인 게이지는 미세한 변화에도 민감하게 반응한다. 실험실의 온도변화나 진동 등 외부 환경요인이 출력값에 영향을 미쳤을 것이다.
○ 부르돈관 압력계 자체의 오차
초기 대기상태에서는 차이가 거의 없었던 것으로 보아 부르돈관 압력계 자체의 오차도 큰 원인으로 보인다. 압력계 자체의 제작공차나 사용에 따라 생긴 마모도 오차의 원인이 된다.
이론에서 언급했듯이 부르돈관 압력계는 가해지는 압력에 따른 변형의 정도로 압력을 측정하는 장치이다. 여기서 오랜 사용이나 주위 환경에 의한 탄성계수의 변화가 오차의 한 원인이 된 것 같다.
또한 부르돈관 압력계가 기계식 측정장치인 만큼 기계적 마찰에 의한 오차도 원인이 됐을 것이다.
측정치가 그 때까지의 측정 이력(履歷)에 의해 영향을 받아, 같은 측정량에 대해 다른 값을 갖는 히스테리시스 오차(hysteretic error)도 한 원인이다. 여기에서 세부적인 원인으로는 측정기기의 여러 요소에서의 에너지 흡수를 생각하고 있으며, 에너지 흡수는 분자마찰, 이른 바 내부마찰에 의해 생긴다고 생각되고 있다.
이외에 보통 측정장치는 출력의 변화 없이 입력을 변화할 수 있는 사각범위를 갖는데, 결과4)의 그래프에서 보듯이 낮은 압력에서는 압력 차이가 크고, 압력이 높아질수록 오차가 작아진 것은 사각범위의 하한계 값과도 관계가 있는 것 같다.
○ 처음에는 관의 형상에 따른 압력 손실도 고려해 봤으나, 그것은 제조시 보정표에 이미 고려된 요인이고, 더구나 이번 실습은 공기의 유동이 없는 정압을 측정하므로 압력손실에 따른 오차는 원인이 되지 않는 것으로 생각된다.
7. 결론
이번 실험은 압력의 측정 원리와 압력계의 종류에 대해 알아보는 기회가 되었다. 또한 압력 측정 장치를 사용하여 실제로 압력을 측정해봄으로써 몸으로 느낄 수 있는 공부가 된 것 같다.
물론 아주 간단하게 실험을 하여 많을 것을 제대로 알지는 못했지만 보고서를 쓰고 관련 자료를 찾아봄으로써 그동안 조금이나마 알고 있었던 원리에 대해 이해하는 시간이 되었고 압력 측정 시 고려해야 할 점이 많다는 것을 느끼게 되었다. 그 중 압력의 손실로 인한 오차가 가장 큰 문제점임을 알 수 있었는데, 이를 어떻게 줄이고 측정을 할 것인지가 앞으로의 과제인 것 같다. 어떤 실험이든 오차가 없을 수 없겠지만 최대한으로 오차를 줄이고 정확한 측정이 이루어질 수 있도록 하는 것이 매 실험에서의 목표라고 생각이 들었다. 다음 실험에서도 이런 오차에 대해 항상 생각하고 실험에 임하는 자세를 가져야겠다.

키워드

압력 측정,   압력계의 종류,   부르돈관 방식의 압력계,   U 자관 마노미터