개념 한 쪽
원격감시를 위해 계측기는 압력과 유량, 유속, 대기압을 구분해 읽는 도구로 쓰인다. 계기의 이름과 작동 원리를 알면 측정 대상이 무엇인지 가려낼 수 있다. 마노미터와 피토관, 수은 기압계, 초음파 유량계의 원리를 구분하는 것이 이 개념의 핵심이다.
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출제기준 단원 「원격감시」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 도플러 효과 유량계 식별 | 1 | 주파수 변화 원리를 이용하는 유량계를 가리기 |
| 대기압 계기 구분 | 1 | 대기압을 직접 측정하는 계기를 고르기 |
| 마노미터 압력차 계산 | 1 | 수은과 물의 비중 차와 읽음으로 압력차를 구하기 |
원격감시 개념에서 계측기는 압력과 유량, 유속, 대기압을 구분해 읽는 도구로 다룬다. 계기의 이름만 보고 측정 대상을 판별하는 문제가 중심을 이룬다. 수은 기압계는 대기압을 직접 측정하고, 오리피스미터와 로타미터는 유량을 측정하며, 둑은 수위나 유량 조절에 쓰인다. 피크노미터는 밀도를 측정하므로 유량이나 유속 측정 장치가 아니다.
U자관 마노미터는 두 액체의 비중 차와 높이 차로 압력차를 구한다. 수은의 비중은 13.6이고 물의 비중은 1이며, 읽음이 20㎝이면 높이 차는 0.2m가 된다. 압력차는 (13.6-1)×1000×9.8×0.2로 계산해 24,696Pa가 된다. 1kgf/cm²를 약 98,000Pa로 보면 이 값은 약 0.25kgf/cm²가 된다.
피토관은 정체압과 정압의 차이로 동압을 구해 유속을 계산한다. 정체압은 정압과 동압을 더한 값이므로 정체압에서 정압을 빼면 동압이 남는다. 비행기의 속도는 피토정압관으로 측정하며, 이 장치는 정압과 정체압의 차이를 이용한다. 벤튜리관과 오리피스는 관류 유량 측정에, 부르동 압력계는 정적 압력 측정에 주로 쓰인다.
도플러 효과는 파원과 관측자의 상대 운동에 따라 관측 주파수가 변하는 현상이다. 초음파 유량계는 유체 입자나 기포에 반사된 초음파의 주파수 변화를 측정해 유속을 계산한다. 에뉴바 유량계는 압력차를, 오벌 유량계는 기하학적 체적을, 열선 유량계는 열전달 현상을 이용한다. 따라서 도플러 효과를 이용한 유량계는 초음파 유량계가 된다.
대기압 측정 계기는 수은 기압계로 구분한다. 수은 기압계는 수은의 높은 밀도를 이용해 대기압을 측정하며, 물을 사용하면 관이 너무 길어져 실용적이지 않다. 피조미터는 작은 압력을 액주의 높이로 측정하고, 마이크로마노미터는 매우 작은 압력차를 정밀하게 측정한다. 경사관 마노미터는 관을 경사지게 해 액주 이동 거리를 늘려 측정 감도를 높인다.
U자관 마노미터에서 수은의 비중은 13.6이고 물의 비중은 1이며, 마노미터 읽음이 20㎝일 때 압력차를 구한다. 높이 차 0.2m를 적용하면 (13.6-1)×1000×9.8×0.2=24,696Pa가 된다. 1kgf/cm²를 약 98,000Pa로 보면 24,696÷98,000은 약 0.25가 되어 압력차는 약 0.25kgf/cm²가 된다. 이 계산은 비중 차를 적용한 뒤 단위를 kgf/cm²로 환산하는 순서로 정리한다.
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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