개념 한 쪽
오리피스 유량계는 관로에 단면 축소를 만들어 압력강하를 유도하고 그 압력차로 유량을 산출하는 차압식 유량계의 한 형태이다. 피토관과 마노미터, U자관 등과 결합해 국소 압력차를 측정하고 베르누이 관계를 적용하여 속도나 체적유량을 구하는 문제가 빈출한다. 문제는 압력차의 단위 변환, 밀도 계산, 보정계수 적용 등 단위 일관성과 공식 적용 실수에서 오류가 발생한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
출제기준 단원 「오리피스 유량계」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 피토관 액주계 계산 | 1 | 액주계 높이와 비중으로부터 유속를 계산하는 절차와 단위 변환을 묻는 문제 |
| U자관과 공기 밀도 이용 속도 계산 | 1 | U자관 읽음과 대기압·온도로 공기 밀도를 구하고 속도를 산출하는 방법을 묻는 문제 |
| 계측기 용도 구별 | 1 | 열선 풍속계와 차압식 유량계 등 계측기의 목적을 구분하도록 묻는 문제 |
오리피스 유량계는 관의 단면에 오리피스 판을 삽입하여 그 전후에 발생하는 압력강하를 이용해 유량을 산출하는 장치이다. 관 단면을 축소시켜 유속을 증가시키면 압력이 감소하는 베르누이 원리를 이용하며, 일차적으로 차압을 측정해 체적유량 또는 국소속도를 계산한다.
피토관은 총압과 정압의 차이를 측정하여 국소 속도를 구하는 장치이며, 측정된 압력차는 V = √(2ΔP/ρ) 또는 액주계 연동 시 V = C√[2gΔh(Sm/Sw - 1)] 등의 형태로 변환한다. 여기에서 C는 보정계수, g는 중력가속도, Δh는 액주계의 높이 차, Sm과 Sw는 각각 마노미터 액체와 기준 유체의 비중이다.
유량계는 원리에 따라 분류된다. 오리피스·벤튜리·노즐 등은 차압식으로 압력차를 이용해 유량을 구하고, 로터미터는 부력 원리를 이용하며, 열선(열선풍속계)은 금속선의 냉각에 따른 저항 변화를 이용해 국소 속도를 재는 장치이다. 문제 풀이에서는 장치의 목적(체적유량 vs 국소속도)과 사용 원리를 먼저 판단해야 오답을 신속히 소거할 수 있다.
계산 문제에서는 단위 통일이 핵심이다. 액주계 높이는 미터로 변환하고, mmH2O나 mmHg 등을 Pa로 환산하며, 기체의 밀도는 이상기체 상태방정식 ρ = P/(RT)를 이용해 절대압력과 절대온도로 계산해야 한다. 또한 마노미터 액체의 비중을 물의 밀도로 환산해 압력차 계산에 적용하는 과정에서 실수가 자주 발생하므로 주의해야 한다.
대표 계산 예시 — 보정계수 C = 0.98이 사용된, 정압관을 포함한 피토관과 수은(비중 13.6)이 채워진 액주계에서 200 mm의 눈금차가 관측되었을 때의 유속을 구하는 절차는 다음과 같은 절차에 따라 계산한다. 먼저 액주계 높이 차 Δh = 200 mm = 0.2 m로 단위를 통일한다. 수은과 물의 비중 비율은 Sm/Sw = 13.6/1 = 13.6이므로 괄호 안 값은 13.6 - 1 = 12.6이 된다. 중력가속도 g = 9.8 m/s²를 적용하면 2gΔh = 2 × 9.8 × 0.2 = 3.92가 되고, 여기에 비중 차 12.6을 곱하면 3.92 × 12.6 ≈ 49.4가 된다. 제곱근을 취하면 √49.4 ≈ 7.03이고, 보정계수 C = 0.98을 곱하면 유속 V ≈ 6.9 m/s가 된다. 계산 실수는 주로 Δh 단위 미변환이나 비중비를 (Sm - Sw)로 잘못 적용하는 경우에서 발생한다.
계측기 분류 예시 — 금속선의 온도와 저항 변화를 이용해 국소 유속을 측정하는 장치는 열선풍속계이며, 명칭만 보고 유량계인지 압력계인지 착각하면 오답이 된다. 유량을 직접 측정하는 장치들(오리피스, 벤튜리, 위어 등)과 압력을 측정하는 장치(피에조미터, 부르돈관 등)를 용도 기준으로 구분하면 선지 소거가 쉽다.
보정계수 C = 0.98 인 피토 정압관으로 물의 유속을 측정하려고 한다. 액주계에는 비중이 13.6 인 수은이 들어 있고 액주계의 읽음이 200 mm 일 때 유속은 몇 m/s 인가?
정답 ② · 피토정압관을 이용한 유속 측정 공식은 V = C × √(2g × Δh × (S_m/S_w - 1)) 입니다. 여기서 C는 보정계수(0.98), g는 중력가속도(9.8m/s²), Δh는 수은주 높이(0.2m), S_m은 수은의 비중(13.6), S_w는 물의 비중(1)입니다.
피토관 유속 공식 V=C√[2gΔh(Sm/Sw-1)]에 각 값을 대입하여 계산한다.
비중 0.8 인 알콜이 든 U 자관 압력계가 있다. 이 압력계의 한 끝은 피토(pitot)관의 전압부(全壓部)에 다른 끝은 정압부(靜壓部)에 연결하여 피토관으로 기류의 속도를 재려고 한다. U 자관의 읽음의 차가 78.8 mm, 대기압력이 1.0266 × 105Pa abs, 온도 21℃ 일 때 기류의 속도는 (단, 기체상수 R = 287 Nㆍm/kgㆍK) 알맞은 것을 고르시오.
정답 ④ · U자관 압력계를 이용해 피토관으로 기류 속도를 구하는 문제이다. 먼저 U자관의 압력차를 구하면 ΔP = ρ알콜 × g × h = 800 × 9.8 × 0.0788 ≈ 617.5Pa이다.
피토관 속도 공식 V = √(2ΔP/ρ)에서 ΔP는 U자관 압력차로 구하고, 공기 밀도는 이상기체 상태방정식으로 계산한다.
금속선에 전류가 흐를 때 일어나는 온도와 전기 저항과의 관계를 이용하여 유속을 측정하는 장치는?
정답 ① · 금속선의 온도와 전기 저항 변화를 이용해 유속을 측정하는 장치를 찾는 문제이다. 열선풍속계는 가열된 백금 등 금속선에 유체가 흐르면 냉각되어 저항이 변하는 원리를 이용하며, 이 저항 변화로 유속을 측정한다.
열선풍속계는 금속선(열선)의 냉각 효과로 인한 저항 변화로 유속을 측정하는 장치이다.
건설기계설비기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.