개념 한 쪽
계측은 압력, 유량, 유속, 대기압 같은 측정 대상에 맞는 계기를 선택하고 그 작동 원리를 이해하는 일이다. 같은 유체라도 무엇을 측정하려는지에 따라 마노미터, 피토관, 기압계, 유량계를 구분해 쓴다. 계기 이름만 외우지 않고 측정 대상과 원리를 함께 연결해야 한다.
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출제기준 단원 「계측의 원리와 특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 도플러 효과 유량계 식별 | 1 | 도플러 효과를 이용하는 유량계의 종류를 가린다 |
| 대기압 계기 판별 | 1 | 대기압을 직접 측정하는 계기를 고른다 |
| 마노미터 압력차 계산 | 1 | 비중차와 액주 높이로 압력차를 환산한다 |
계측기의 종류는 측정 대상에 따라 갈린다. 압력이나 압력차를 재는 계기, 유량이나 유속을 재는 계기, 대기압을 재는 계기, 밀도를 재는 계기를 먼저 구분한다. 오리피스미터와 로타미터는 유량을 측정하고, 벤튜리미터와 아네모미터도 유체 흐름을 측정하는 장치로 분류한다. 피크노미터는 밀도를 측정하는 장치이므로 유량이나 유속 측정 장치와 구분한다. 둑은 개수로에서 수위를 측정하거나 유량을 계산할 때 쓰는 구조물이다.
U자관 마노미터는 압력차를 액주 높이 차로 바꾸어 읽는다. 압력차는 마노미터 액체의 비중에서 측정 유체의 비중을 뺀 값에 높이와 중력가속도를 곱해 구한다. 수은의 비중은 13.6이고 물의 비중은 1이므로 두 비중의 차이를 계산에 넣는다. 계산한 값을 kgf/cm²로 바꾸려면 1kgf/cm²가 약 98,000Pa임을 이용한다.
피토관은 정체압과 정압의 차이를 측정하여 동압을 구한다. 정체압은 정압과 동압을 더한 값이므로 정체압에서 정압을 빼면 동압만 남는다. 동압과 정압의 차이를 측정한다는 설명은 피토관의 원리에 어긋난다. 비행기의 속도 측정에는 피토정압관이 적합하고, 이 장치는 정체압과 정압의 차이를 베르누이 방정식과 연결해 속도를 산출한다.
대기압을 직접 측정하는 대표 계기는 수은 바로미터와 수은 기압계이다. 수은 바로미터는 수은의 높은 밀도를 이용해 대기압과 균형을 맞추고, 물을 사용하면 관이 너무 길어져 실용적이지 않으므로 수은을 사용한다. 오리피스미터, 로타미터, 둑은 대기압 측정 계기가 아니고 유량이나 수위와 관련된 장치이다. 수은 바로미터가 물을 이용해 대기압을 측정한다는 설명은 틀린 설명이 된다.
도플러 효과는 파동의 주파수가 변하는 현상을 이용한다. 유량계에서는 유체에 포함된 입자나 기포에 반사된 초음파의 주파수 변화를 측정하여 유속을 계산한다. 따라서 도플러 효과를 이용한 유량계는 초음파 유량계가 된다. 에뉴바 유량계는 압력차를 이용하고, 오벌 유량계는 기하학적 체적을 이용하며, 열선 유량계는 열전달 현상을 이용하므로 도플러 효과와 구분한다.
U자관 마노미터에서 수은 비중 13.6, 물 비중 1, 마노미터 읽음 20cm를 주면 압력차를 계산한다. 높이를 0.2m로 바꾸고 (13.6-1)×1000×9.8×0.2를 계산하면 24,696Pa가 된다. 1kgf/cm²를 약 98,000Pa로 보고 나누면 약 0.25kgf/cm²가 된다.
계측기 문제는 측정 대상과 원리를 뒤바꾸어 출제한다. 피크노미터를 유량계로 설명하거나, 수은 바로미터가 물을 사용한다고 하거나, 피토관이 동압과 정압의 차이를 측정한다고 하면 원리와 어긋난다. 도플러 효과 유량계를 초음파 유량계가 아니라 압력차식 유량계로 연결하는 선지도 함정이 된다.
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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