개념 한 쪽
가스누출 검지 영역의 계측 원리는 압력차와 대기압, 유량과 유속을 재는 장치를 구분하는 데서 출발한다. U자관 마노미터는 비중차와 액주 높이로 압력차를 구하고, 수은 기압계는 대기압을 측정한다. 도플러 효과를 이용하는 유량계는 초음파 유량계이다.
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출제기준 단원 「가스누출 검지」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 도플러 효과 유량계 판별 | 1 | 주파수 변화 원리를 이용하는 유량계를 식별한다 |
| 대기압 측정 계기 구분 | 1 | 대기압 측정 장치와 유량 측정 장치를 구분한다 |
| 마노미터 압력차 계산 | 1 | 비중차와 액주 높이로 압력차를 계산한다 |
U자관 마노미터의 압력차는 마노미터 액체의 비중과 측정 유체의 비중 차, 액주 높이, 중력가속도를 곱해 구한다. 수은의 비중은 13.6이고 물의 비중은 1이므로 두 비중의 차를 이용한다. 높이 차이가 20㎝이면 0.2m로 바꾸어 계산한다. 계산한 압력차를 kgf/cm²로 바꾸려면 1kgf/cm²가 약 98kPa임을 적용한다.
대기압을 직접 측정하는 대표 계기는 수은 기압계이다. 수은 기압계는 수은의 높은 밀도를 이용해 대기압과 수은주의 압력이 균형을 이루는 높이를 읽는다. 물을 사용하면 관이 지나치게 길어져 실용적이지 않으므로 수은을 사용한다. 오리피스미터와 로타미터는 유량을 재는 장치이고, 둑은 수위나 유량과 관련된 구조물이다.
유량과 유속을 재는 장치로는 벤튜리미터, 로타미터, 아네모미터가 있다. 피크노미터는 밀도를 재는 장치이므로 유량이나 유속을 재는 장치로 분류하지 않는다. 도플러 효과는 파동의 주파수 변화를 이용하는 원리이므로 초음파 유량계와 연결한다. 에뉴바 유량계는 압력차를 이용하고, 오벌 유량계는 기하학적 체적을 이용하며, 열선 유량계는 열전달 현상을 이용한다.
피토관은 정체압과 정압의 차이를 측정해 동압을 구한다. 정체압은 정압과 동압을 더한 값이므로 정체압에서 정압을 빼면 동압이 남는다. 피토정압관은 정압과 정체압의 차이를 이용해 비행기의 속도를 측정하는 장치로 적합하다. 벤튜리관과 오리피스는 관로의 유량 측정에 쓰고, 부르동 압력계는 정적인 압력 측정에 쓴다.
매끄러운 원관에서 손실수두를 구할 때는 먼저 레이놀즈 수를 계산해 유동 상태를 판별한다. 다음으로 모디 선도에서 마찰계수를 결정하고, 다이스-바이스바흐 공식에 대입해 손실수두를 계산한다. 이 순서는 물성치와 조건에서 무차원 수를 거쳐 경험적 계수와 결과로 나아가는 흐름을 따른다.
U자관 마노미터에서 수은 비중 13.6과 물 비중 1의 차, 높이 0.2m, 중력가속도 9.8m/s²를 곱하면 약 24,696Pa가 된다. 이를 98,000Pa로 나누면 약 0.25kgf/cm²가 된다. 비중차를 무시하거나 단위 환산을 잘못하면 다른 값이 나온다.
대기압 측정 계기를 묻는 자리에서 오리피스미터와 로타미터를 고르면 유량 측정 장치와 대기압 측정 장치를 혼동한 것이 된다. 유량 또는 유속 측정 장치를 묻는 자리에서 피크노미터를 고르면 밀도 측정 장치를 흐름 측정 장치로 착각한 것이 된다. 도플러 효과를 이용한 유량계를 묻는 자리에서는 초음파 유량계를 찾는다.
피토관에서는 정체압과 정압의 차이를 다루는지 확인한다. 동압과 정압의 차이를 측정한다고 서술하면 원리와 어긋난다. 비행기 속도 측정에는 피토정압관이 적합하고, 벤튜리관과 오리피스는 관로 유량 측정과 연결한다.
도플러효과(doppler effect)를 이용한 유량계는?
정답 ② · 도플러 효과를 이용하는 유량계를 묻는 문제이다. 도플러 효과는 파원이나 관측자의 운동에 따라 관측되는 주파수가 변하는 현상으로, 유체 내 부유물이나 기포에 의해 반사된 초음파의 주파수 이동을 측정하여 유속을 구하는 것이 도플러식 초음파 유량계이다.
도플러 효과는 파원의 운동에 따른 주파수 변화를 이용하므로 초음파 유량계가 해당된다.
다음 중 대기압을 측정하는 계기는 무엇인가.
정답 ① · 대기압을 측정하는 계기를 고르는 문제이다. 수은 기압계는 토리첼리 실험의 원리로 대기압을 직접 측정하는 대표적인 압력 측정 장치이다.
대기압을 직접 측정하는 전통적인 계기는 수은 기압계이며, 다른 보기들은 유량 측정 장치이다.
U자관 마노미터를 사용하여 오리피스 유량계에 걸리는 압력차를 측정하였다. 오리피스를 통하여 흐르는 유체는 비중이 1인 물이고 마노미터 속의 액체는 비중 13.6인 수온이다. 마노미터 읽음이 20㎝일 때 오리피스에 걸리는 압력차는 약 몇 ㎏f/cm²인가?
정답 ① · U자관 마노미터를 이용한 압력차 계산은 ΔP = (마노미터 액체의 비중 - 측정 유체의 비중) × 마노미터 읽음 높이 × 중력가속도 공식을 따릅니다. 측정 유체인 물의 비중은 1, 마노미터 내 수은의 비중은 13.6이며 읽음 높이는 20cm = 0.2m입니다.
마노미터 압력차는 유체 비중차와 높이 차로 계산하며, 단위 변환 시 1kgf/cm²는 약 98kPa임을 활용한다.
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