[일반 물리] 계측 실험 보고서 | 대학 물리 과제 보고서

계측 실험 보고서

개념 및 원리

 

일상에서 측정이란것은 많이 사용되고 있다. 태풍을 대비하기 위해 풍속을 측정하고,

감기기운이 있을때 체온계로 체온측정을 한다.

측정은 온도와 속도와 같은 물리량을 계측기로 정량화 하는것이다.

이러한 계측은 일상생활 뿐만 아니라 공학에서도 필수적이다.

무엇의 정확한 값을 측정한다는 것은 쉽지않다.

쉽고 단순해 보이지만 그동안 많은 과학자들과 공학자들의 계측기를 개발하고 발전해왔기 때문에

지금 그 결과를 쉽고 빠르게 도달할 수 있는것이다.

앞으로도 신뢰성있고 더욱 정밀한 제어를 하기 위해 계측을 하는것이 중요하다.

계측은 단순히 측정하고 끝나는 것이 아니고, 측정한 값을 통해 분석하고 작업하여 정리하는 과정이다.

측정값들의 오차범위를 이해하고 값들의 의미를 분석하여 공학적인 원리나 유용한 정보로 정리하는 것이다.

이번 실험에서는 두가지의 계측실험을 해볼것이다.

 

1. 열전대 온도계 (Thermocouple)

공학에서 열은 떼려야 뗄 수 없는 존재이다.

적정 열을 넘게되면 기계적인 변화가 일어나 열을 측정하는것은 중요하다.

열전대 온도계측은 두개의 서로 다른 금속선을 접합하고 양단에 온도차이를 주면 열기전력이 발생하게된다.

이러한 열전현상을 제벡효과라고 하며, 이를 통하여 온도를 측정하는 금속선의 쌍을 열전대라고 한다.

금속선의 종류에 따라 분류가 되며 이번 실험에서는

K타입 열전대(크로멜-알루멜)을 사용해 기존온도에 따른 mV출력의 열기전력을 이번 실험에서 알아보았다.

 

 

2. 컵풍속계 (cup anemometer)

역학적움직임 혹은 외부의 요인으로 유체 흐름이 발생할 수 있고,

그 유속이나 유량을 측정하는 것은 중요하다.

차압식 유량계, 면적식 유량계, 전자 유량계, 초음파 유량계, 열선 풍속계 등 많은 종류가 있는데

이번 실험에서는 컵을 이용한 컵풍속계를 이용해 유속을 측정해보았다.

컵풍속계는 컵의 회전속도가 풍속에 비례하는 원리를 이용하여

컵이 돌아가는 회전속도를 측정하여 풍속을 구하는 것이다.

수직축에 3개의 컵을 수평 arm으로 고정한 후 서큘레이터를 이용하여 수직축을 회전시킨다.

축 회전수로 풍속을 측정한다. 컵의 회전속도에 따라 컵풍속계에서는 전류 및 전압의 신호가 생성된다.

 

실험 방법 <온도 측정>

-재료
멀티미터, 보온수조, 악어클립, 열전대, 온도계, 뜨거운 물

실험 방법

1. 열전대 + 와 - 전선을 각각 멀티미터+전압 및 - 전압 단자에 연결하고 스위치를 mV 에 위치시킨다.
2. 보온수조에 물을 담고 온도계와 열전대를 사용하여 온도에 따른 열전대의 mV출력을 측정한다.

3. 보정곡선을 그려보고 민감도를 분석한다.
4. 수조 안의 물의 온도를 30도,40도,50도,60도,70도 까지 시행한다.

<풍속 측정> -재료

멀티미터, 4컵 풍속계, 기준풍속계, 에어써큘레이터 실험 방법

1. 4컵 풍속계를 멀티미터와 연결 시킨다.
2. 에어써큘레이터 앞에 4컵 풍속계를 위치시킨다.
3. 에어써큘레이터 전원을 켜고 세기와 거리에 따른 4컵 풍속계의 전압을 측정한다.
4. 기준풍속계를 이용하여 에어써큘레이터의 세기와 거리에 따른 풍속을 측정한다.
5. 에어써큘레이터의 1,2,3단계 세기일때와 에어써큘레이터와 4컵 풍속계&기준풍속계 사이의 거리 10,20,30,40,50cm일때를 각각 반복하여 측정한다.
6. 상관곡선 공식을 엑셀을 이용하여 생성한다.

 

실험결과

1.열전대 온도계

1차 실험에서는 70°C에서 찬물을 부어가며 30°C로 내려가며 측정했고

2,3차 실험에서는 30°C에서 뜨거운물을 부어가며 70°C로 올려가며 측정했다. 위 표와 같이 온도가

올라갈수록 전압값이 올라가는 것을 확인했다.

위 표를 토대로 아래와 같은 그래프를 만들었다.

 

2.컵풍속계

 

1,2,3차 실험 모두 100mm거리에서 500mm거리 순서로 풍속계를

이용하여 풍속을 먼저 측정했고 전압값을 측정했다.

거리가 멀어질수록 풍속이 낮아지는것을 확인했고 전압이 낮아지는 것을 보여준다.
위 표를 토대로 아래와 같은 그래프를 만들었다.

결론

<온도 측정 실험 오차원인>

1.멀티미터가 매우 민감하여 살짝의 변화만으로도 값이 변해 안정된 값을 알기 어렵다.

2.육안으로 측정하였기때문에 수은온도계의 눈금을 확인 할때 정밀한 값을 얻기 어렵다.

3.뜨거운 물을 부으며 온도를 올리는 방법과,

뜨거운 물에 찬물을 부으며 식히는 방법으로 실험하였고 두 실험과정이 다른 작용을 한 것 으로 예상된다.
4.스티로폼 보온수조의 보온력이 약해 온도가 지속적으로 변화하여 전압값이 불안정하였다.

 

<온도 측정 실험 해석>

 

실험결과 데이터 값을 보면 온도가 증가 할 수록 전압값이 높게 출력되는 것을 알 수있다.

물속에 담근 열전대속 두 종류의 다른금속으로 인해 온도차이로

열기전력이 발생하게 되고 이 열기전력은 온도와 비례하여 증가한다.

따라서 제백효과를 실험을 통해 알 수 있다.

 

<풍속 측정 실험 오차원인>

1.써큘레이터에서 풍속계로 측정할때 들고있는

각도 혹은 지점에 따라 바람을 쏘는것이 정밀하지 못했기에 정확도에 어려움이 있다.
2.같은 거리라고 생각했지만 줄자를 육안으로

측정하기때문에 정확도에 오차가 있을 수 있다.

3.써큘레이터의 중앙에 원모양 플라스틱 케이스에

바람이 막혀서 가까운 거리에서 측정하였을때 풍속에 오차가 생길 수 있다.
4.써큘레이터와 풍속계를 완벽히 동일선상에 놓고 측정하는 것에 어려움이 있다.

 

<풍속 측정 실험 해석>

그래프와 표를 보면써큘레이터의 1단-2단-3단으로 풍속이 세질수록 전압값과 풍속값이 더 커지는 것을 알 수있다.

또한 거리가 멀어짐에 따라 풍속값과 전압값이 점점 작아진다.

더 강한 바람을 받을수록 컵풍속계가 더 빨리 회전하면서 더 많은 전압을 발생시킴을 알 수있다.

하지만 표를 보면 중간에 튀는 값이 있는데

이는 써큘레이터와 풍속계가 완벽히 동일선상에 있지 않았고

풍속을 측정하는 지점이 매번 달라졌기 때문이다.

때문에 오차가 있지만 전압값이 풍속과 비례하고 거리와 반비례하는 경향을 알 수있다.