개념 한 쪽
유체 계측은 국소 속도 측정과 체적 유량 측정, 그리고 압력과 점도를 잴 수 있는 장치들로 구분된다. 각 계측기는 작동 원리가 다르므로 이름과 원리를 연결하여 구분하는 것이 중요하다.
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출제기준 단원 「점도계, 압력계 등」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 피토관 유속 계산 | 1 | 액주 읽음과 비중으로 중심선 유속을 계산하는 과정 |
| 보정계수 적용 피토관 | 1 | 보정계수와 수은주 높이로 유속을 구하는 계산 |
| 계측기 용도 판별 | 1 | 주어진 계측기들 가운데 유량계가 아닌 장비를 고르는 문제 |
유체 계측은 크게 두 가지 목적을 가진다. 하나는 특정 지점의 국소 속도(속도 센서)를 측정하는 것이고, 다른 하나는 단위 시간당 흐르는 유체의 양인 체적 유량을 측정하는 것이다. 열선 속도계는 특정 지점의 속도를 측정하는 대표 계측기이고, 벤투리미터·오리피스·로터미터 등은 주로 유량을 측정하는 장치이다.
피토관과 정압관을 이용한 속도 측정은 압력차를 속도로 환산하는 원리를 따른다. 마노미터나 액주계를 통해 얻은 높이 차이는 계기유체와 측정유체의 밀도 차이에 의해 압력차로 변환되며, 이를 베르누이식으로 풀어 속도를 구한다. 보정계수(C)가 적용될 수 있으며, 밀도비 보정과 제곱근 취하기가 핵심 계산 과정이다.
점도 측정에는 여러 원리가 적용된다. 하겐-포아젤의 관류 법칙을 이용하는 세관식 점도계는 모세관을 흐르는 유량과 점도의 관계를 이용하여 점도를 구하는 방식이다. 낙구식은 낙하체의 낙하시간을 이용하고, 회전형 점도계는 회전 저항을 통해 점도를 판정하는 등 원리별 구분이 가능하다.
압력계들은 측정 대상 유체와 사용 목적에 따라 적합성이 달라진다. 피에조미터관은 액체의 정압 측정에 적합하며 기체 압력 측정에는 부적합한 한계가 있다. 부르돈관은 기계적 변형을 이용한 압력계로 유량 측정과 직접적인 관계가 없다.
피토관 문제는 계기유체의 비중과 액주 높이 Δh를 이용해 V = C√[2gΔh(ρ_m/ρ_f - 1)] 식으로 계산한다는 점을 확인한다. 예를 들어 보정계수 C=0.98, 수은 비중 13.6, Δh=0.2m일 때 계산 과정을 차례로 적용하면 약 6.9m/s가 된다. 마노미터 문제는 계기유체와 측정유체의 밀도차로 압력차를 구한 뒤 베르누이식으로 유속을 구하는 흐름을 따른다.
점도계 관련 문제는 하겐-포아젤 법칙을 사용하는 장비를 찾는 것이다. 모세관을 통해 흐르는 시간 또는 유량과 점도 사이의 관계를 이용하는 세관식 점도계(세이볼트)가 해당된다. 낙구식이나 회전형의 원리와 혼동하지 않도록 구분한다.
유량계 분류 문제는 원리별로 차압식(오리피스·벤투리·노즐)과 부력식(로터미터), 수위식(위어) 등으로 나눠서 접근한다. 문제에서 '직접적인 유량 측정과 무관한 것'을 묻는 경우 부르돈관이나 피에조미터처럼 압력 측정 장치를 골라야 한다.
지름이 15cm인 관에 원유(비중 0.88)가 흐르고 있고 피토-정압관(수은:비중 13.6)에 의하여 4 cm의 높이 차이를 나타냈다면 중심선에서의 유속은 약 몇 m/s 인가? (단, 보정계수(C)는 1 이다.)
정답 ③ · 피토-정압관의 수은 주높이 차이로 관 중심선 유속을 구하는 계산 문제이다. 측정 유체와 작동 유체의 밀도 차를 반영한 유속 공식 V=C√[2gΔh(ρm/ρf-1)]을 사용한다.
피토관 유속 공식 V=√(2gΔh·(ρm/ρf-1))에 수치를 대입하여 중심선 유속을 계산한다.
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.
다음 중 유량을 측정하기 위한 것이 아닌 것은?
정답 ④ · 유량 측정 장치가 아닌 것을 고르는 문제이다. 오리피스와 벤튜리미터는 관 내 압력차를 이용한 대표적인 유량 측정 장치이고, 위어는 개수로에서 수위를 측정하여 유량을 구하는 장치이다.
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