[공학실험보고서] 교축 유량계를 이용한 유량 측정

소개글

[공학실험보고서] 교축 유량계를 이용한 유량 측정에 대한 보고서 자료입니다.

목차

없음

본문내용

반복법을 이용하여 각각 계산하였고 계속되는 계산결과는 어느 일정값에 수렴함을 알 수 있었다. 이 값을 로 결정하였다. 값을 알면 를 구할 수 있고 유량측정식에 대입하면 를 구할 수 있다. 그리고 실험을 비교했을 때, 유동의 속도가 증가하자 오차가 늘어났다는 것을 알 수 있는데, 여러 번 실험을 통한 확신은 아니지만 이는 속도가 커지면서 수두손실이 커지므로 유량측정에 대하여 정밀도가 떨어진다고 추정해 볼 수 있다. 그리고 측정간의 기준위치 간격을 1.5~2mm로 했는데 이 간격이 좁을수록 데이터가 많아지고 적분값도 더 정확해지므로 따라서 더 정밀하게 유량을 측정할 수 있다. 그리고 데이터 표에서 중심에서의 속도가 가장 빠른 것을 알 수 있는데 그 이유는 관에서 난류는 중심에서 속도가 가장 크게 나오기 때문이며, 벽에서 속도가 0 인 이유는 no slip이라 가정함을 유체역학 응용에서 공부하였다. 그리고 피토관에서 측정한 유량과 비교했을 때, 벤츄리에서의 오차보다 유동노즐에서의 오차가 더 큰 것을 알 수 있는데 그 이유는 벤츄리관은 목 하류인 원추형 디퓨저에서 압력회복이 아주 잘되므로 수두손실이 낮고, 유동노즐에서는 완만한 확대부가 없기 때문에 회복성 손실이 더 많이 일어났기 때문이라 볼 수 있다.
실험의 이론적인 내용 이외에도 유량을 구하기 위해 구분구적법 말고 curve fitting을 이용하는 방법을 실험1에서 해보았다. 데이터들 간의 V를 r의 함수로 나타내고 이를 이용하여 적분을 계산하여도 피토관에서의 유량을 알 수 있었다. 또한 curve fitting 하여 함수를 추정할 때, 위의 그래프에서는 다항식의 차수를 4차,5차로 계산하였는데 이는 4차일 때 유량값이 대략 적절했으며 5차부터 오차가 커지기 시작했다. 위의 그래프에서 B5~B1,intercept는 각각 최고차항부터 상수항까지의 계수이다. 원래 차수를 높이면 더 정밀해지는 것으로 알고 있지만 위의 결과를 보았을 때, 벤츄리와 유동노즐에서 구한 유량과의 오차가 커지는 것으로 보아 overfitting했음을 알 수 있었고 이는 수치해석에서 공부하였다.
비록 오차가 더 크게 나왔고 구분구적법보다 부정확한 방법이지만 대략적으로 유량을 구하는 다른 공학적인 방법도 사용해 볼 수 있었다.
- 오차분석
이번 실험에서는 벤츄리, 유동노즐 등의 유동 방해물을 사용하여 관로 내부의 유량을 측정하고, 이를 관로 출구에서 피토관을 이용하여 측정된 출구 속도분포에서 계산되어진 유량값과 비교, 관찰 하였다. 하지만 피토관을 이용하여 측정된 유량값과 비교하여 벤츄리, 유동노즐로 측정한 유량값은 오차를 갖고 있다. 그 오차요인으로 다음과 같이 생각해 보았다.
1) 기준이 되는 유량의 값은 연속적인 적분을 하여야하지만, 무한개의 지점에 대한 속도를 알기에는 한계가 있기 때문에 간격을 갖고 측정하였다. 피토관을 이용하여 알아낸 유동의 속도분포는 1.5mm라는 간격을 갖고 있고 그 사이사이의 속도분포는 linear하다는 가정을 하였고, 또한 피토관 지름이 3mm이기 때문에 관내 양끝의 속도분포는 측정할 수 없어서 no slip condition이라고 가정하고 구간적분법을 통해서 계산하여서 실제 유량과는 오차가 생겼다.
2) 벤츄리노즐은 노즐 수축부와 확산부를 15도 이내의 원추형으로 만들어 확산부 단면에서의 압력회복이 잘 되게 만들어져있다. 수두손실을 최소화하였지만 수두손실이 0이 아니기 때문에 실제 유량과 오차가 발생한다..
3) 유동노즐의 경우 수축부를 매끈하고 둥글게 가공하여 vena contracta의 영향이 거의 없다.
(vena contracta(축류) : 넓은 유로에서 급하게 좁고 작은 구멍과 틈의 유출구를 통할 때 유체는 관성 때문에 작은 구멍 등의 단면보다 작은 단면으로 수축해서 유출한다.)
하지만 유동노즐의 경우 수축부만 가공되어 있고 완만한 확대부가 없기 때문에 회복성 손실이 적지않게 나타난다. 이러한 요인 때문에 실제 유량과 오차가 발생한다.
4) 모든 실험 중에 환경적인 요인은 오차를 수반 할 수 밖에 없다. 실험 중에 디지털온도계를 통하여 측정한 유체의 온도는 900rpm일 때 21.6℃, 1400rpm일 때 24.9℃였다. 이 온도가 유체 전 구간의 온도와 일치한다고 할 수 없고 우리는 이 온도를 통하여 유체의 밀도와 점도를 계산하였기 때문에 정확하다고 볼 수 없다.
5) 유체의 속도를 조정하는 기계에서 rpm이 높아질 때 소음과 진동이 증가하는 것을 실험도중에 알 수 있었다. 소음과 진동은 유동의 흐름에 영향을 끼치고 그로 인하여 마노미터의 수두는 정확한 압력차를 가리키지 않고 계속 흔들려서 우리는 근사값을 압력차로 사용하여 유량을 계산하였고, 또한 심지어는 기기의 rpm 바늘 또한 미세하게 떨리고 있었기 때문에 부정확했고, 오차가 발생하였다.
6) 피토관을 통한 압력차를 구하는데 디지털 압력계가 정확히 하나의 값을 가리키지 않았고 계속 변하였다. 따라서 평균이 되는 값을 임의로 설정하여 그 값을 압력차로 설정하였다.
7) 본 실험장치와 같이 급수축 노즐일 경우 부차적 수두손실이 있으며 이 때의 손실계수 K값에도 오차가 발생한다.
8) 계산적인 오차로 반올림 계산 등이 있다.
- 고찰
유량계를 이용하여 유량측정이 실생활에서 이용되는 사례를 생각해보면 도시가스 사용량, 송유관을 통한 원유의 양 측정, 주유소에서 주유되는 기름의 양 측정 등이 있다. 이번 실험에서는 교축유량계를 사용하였지만 다른 종류의 유량계로는 플로트식 유량계, 초음파 유량계, 자기 유량계, 와류유량계, 층류 유량계, 차압식 유량계, 용적식 유량계, 터빈 유량계, 카르만 소용돌이 유량계, 열식 유량계, 전자 유량계, 면적식 유량계 등이 있는 것도 조사를 통해 알 수 있었다. 이처럼 많은 분야에서 유량을 측정하기 위해 유량계를 이용하는데 이 때 정확성을 위해 오차가 최대한 작아야 함을 느꼈다.
이번 실험을 통해서 공학적으로 접근하여 실험을 하고 오차를 분석해 보면서 실험내용이 실생활과도 밀접한 연관이 있다는 것을 간접적으로 느꼈고 이러한 오차를 줄여가는 방법을 연구하며 더 정밀한 측정을 하는 것이 공학도로서의 역할인 것 같았다.

키워드

교축유량계,   유량측정,   실험