열유체 공학 실험내연기관 예비리포트서론석유고갈과 온실가스 등 환경문제는 에너지 재활용 및 새로운 에너지 개발이라는 과제를 인류에 던졌습니다. 그렇기에 궁극적으로 온실가스가 발생하지 않는 친환경 에너지 개발이 향후 국가간 에너지 전쟁에서 생존할 수 있다는 평가를 받으면서 여러 대체에너지 개발에 불이 붙기 시작했습니다. 이런 신에너지 시스템은 아직 기술적인 전망은 정확하지 않지만, 개념적으로는 다음과 같은 시스템이 고찰되고 있습니다.우선 원자력에서 우선 발전한 시스템으로 하던지 고온원자로의 열로 직접 물을 촉매로 사용하여 600~700°C에서 열화학분해하여 수소를 만들고 수소에서 액체연료를 합성하는 안이 있습니다. 원자력의 세계 보유량은 핵분열형의 현용원자로에서는 20-30년분의 우라늄 밖에 매장되어 있지 않지만, 만약 증식로의 실용화가 성공하면 250년 또는 그 이상, 즉 반영구적인 에너지원이 됩니다. 그러나 그전에 증식로의 개발, 방사성 폐기물처리법의 확립, 냉각수에 의한 강과 바다의 온도상승대책 등의 난점이 있습니다.다음 태양에너지는, 매일 지구표면에 내리쬐는 에너지는 막대하지만, 면적당으로는 매우 밀도가 적은 것이 이용상 가장 큰 결점입니다. 예를 들어 우리나라에서 1m2 당 맑은 날씨에 약 700kcal/h이므로 1일 8시간, 년 반절이 유효일수라고 전망해도 1년간 106 kcal/m (석유의 약 130 분) 에 지나지 않습니다. 총량으로는 지구상의 1%의 면적에서 효율 10%의 태양열을 이용하면 서기 2000년의 수요를 공급하고도 남음이 있습니다.원자력과 태양에너지의 공통점은 밀집지를 멀리 떠난 넓은 장소, 해상의 무인도와 사막의 대형의 plant를 만들어 도시까지 그것을 이송하는 형태로 하지 않을 수 없습니다. 이 에너지 이송방법으로써 300~500km이상의 경우에 지상의 전선에 의한것보다 수소가스의 파이프 이송 방법이 비용이 저렴합니다. 또한 전력은 저장할 수 없으나 수소는 가능하다는 등의 것으로부터 장래의 clean에너지 시스템으로서 수소를 매체로습니다.이를 요약하면 수소엔진은 저부하에서 희박연소시 극히 우수한 성능을 가진다는 것입니다. 자동차용으로서의 수소에너지의 특징으로는 자동차는 대부분의 운전이 1/2부하 이하의 저출력에서 사용하며 무공해의 요구가 강하므로 수소는 그 점이 가장 적합합니다. 그러나 자동차 특히 승용차에 사용하기 위해서는 중량의 점에서 액체 수소 밖에 이용할 수가 없습니다. 액체수소의 저온을 이용함에 따라 수소엔진의 결점을 보완할 수가 있습니다.액체수소엔진의 주요한 점은첫째, 냉각효과로서는 최대출력이 대폭적으로 증대합니다.둘째, 최대출력시의 열효율은 가솔린보다 오히려 뒤떨어지나 자동차 주행시와 같은 부분부하에서는 희박하기 때문에 열효율이 높습니다.셋째, NOx생성이 급상승하는 점이 고출력측으로 이동하고 일반적인 운전시의 배출량은 적어집니다.또한 액체수소를 사용하면 고압수소를 적은 동력으로 얻을 수 있는 가능성도 있으므로 저온공학역시 진보하게되는 장점이 있습니다.저는 이러한 여러 장점들 때문에 수소기관으로 가야된다고 생각합니다.본론1. 일반 엔진에 있어서 방식 2가지 (가솔린(SI)와 디젤(DI))조사+ 가솔린기관 +가솔린 기관은 가솔린을 연료로 하는 내연기관이다.가솔린기관은 작동방식에 따라 4행정(사이클) 기관과 2행정 기관이 있다.- 4행정기관 -4행정 기관은 2회전·4행정으로 이루어져 있다. 즉,① 흡입행정: 피스톤이 하강하면서 연료와 공기의 혼합기를 기화기를 통하여 흡입한다(흡입밸브 열림, 배기밸브 닫힘).② 압축행정: 피스톤이 올라가면서 흡입된 혼합기를 압축한다(흡입밸브 ·배기밸브 모두 닫힘).③ 팽창행정: 압축된 혼합기에 전기불꽃으로 점화 ·폭발시켜 그 가스의 압력으로 피스톤이 내려가면서 동력을 발생시킨다(흡입밸브 ·배기밸브 모두 닫힘).④ 배기행정: 피스톤이 올라감으로써 연소 가스가 배출된다(흡입밸브 닫힘, 배기밸브 열림).- 2행정 기관 -2행정 기관은 회전마다 폭발하는 기관이다. 2행정(크랭크케이스 압축식)은 피스톤이 올라갈 때 흡입구에서 크랭크케이스 안으로 흡입하고,기 ·소방 펌프 ·발전기 등에도 널리 사용된다. 모형비행기용의 1마력(hp) 이하의 것을 비롯하여 비행기용의 3,500 마력 정도의 것까지 여러 가지가 있다.-4행정사이클 엔진의 장단점-장점① 각 행정이 완전히 구분되어 있어 불확실한 곳이 없다.② 흡입행정 기간이 길어 냉각 효과가 양호하며 열적부하가 적다.③ 저속에서 고속까지 회전속도범위가 넓다.④ 흡입행정 기간이 길어 체적효율이 좋다.⑤ 기동이 쉽고 실화가 일어나지 않는다.단점① 밸브기구가 복잡하며 충격이나 기계적 소음이 크다.② 실린더 수가 적을 경우 사용이 곤란하며 1마력당 중량이 무겁다.-2행정사이클 엔진의 장단점-장점① 4행정 사이클엔진에 비해 1.6∼1.7배의 출력이 있다.② 회전력의 변동이 적으며 실린더 수가 적어도 회전이 원활하다.③ 밸브장치가 간단하여 소음이 적으며 마력 당 중량이 가볍다.단점① 배기행정이 4사이클 엔진에 비해 1/2 밖에 되지 않기 때문에 배기가 불안정 하다.② 유효행정이 짧아 흡입효율이 저하된다.③ 소기 및 배기공이 열려있는 시간이 길어 평균유효압력 및 효율이 저하된다.④ 실린더 벽에 구멍이 있기 때문에 피스톤 링의 소손 및 마멸이 쉽다.⑤ 흡·배기가 불안정하여 열 손실이 크며 HC의 배출이 많다.- 가솔린 기관의 장단점 -장점① 연료의 효율이 좋다.② 연료의 효율이 좋으므로, 빠른 원동력을 얻을 수 있다.③ 전기 점화기관의 장치로 점화가 정확하고 쉽다.④ 기관의 효율이 75-80%로 디젤기관 보다 높다.단점① 연료 소모률이 높다.② 전기 점화장치를 사용하므로 전파의 혼선을 가지 고 올 수 있다.+ 디젤기관 +디젤기관은 경유 또는 중유를 연료로 압축 ·점화에 의해서 작동하는 왕복운동형 내연기관으로 디젤엔진 ·압축점화기관이라고도 한다.먼저 실린더 내에 공기를 흡입 ·압축해서 고온 ·고압으로 한다. 여기에 액체연료를 분사하여 자연발화시킨 다음 피스톤을 작동시킴으로써 동력을 얻는 내연기관이다. 디젤기관은 1893년 독일의 기술자 R.디젤에 의해서 제작되었다. 디젤은 처음 중유(重또 기동도 쉬워서 내연기관 중에서 가장 널리 사용되고 있다. 대형은 대형선박의 주기관으로 사용되며, 5,000마력 이상으로 2사이클의 것이 많다. 중형은 발전용·선박용으로 사용되고 있다. 1,000마력 이상의 것에는 2사이클도 사용되고 있지만, 일반적으로 4사이클이 사용된다. 소형의 것은 자동차용·철도차량용·소형선박용·건설기관용 등 그 용도가 매우 넓다. 또 경운기·관개용펌프·분무기 등의 농업용이나 압축기 구동, 양수펌프 구동, 비상용 통신 전원 등에도 사용되고 있다. 이 밖에 도로공사 등에 사용되는 토사운반용 컨베이어의 구동에도 사용되고 있다. 또 큰 빌딩이나 학교·병원 등에서 정전시에 자동적으로 디젤기관이 가동된다. 이는 발전기를 회전시켜 송전함으로써 사고를 방지하는 데 사용되고 있다.- 장점 -① 연료 소비율이 적고 열효율이 높다.② 연료의 인화점이 높아서 화재의 위험성이 적다.③ 전기 점화장치가 없어 고장률이 적다.④ 2사이클이 비교적 유리하다.⑤ 경부하 때의 효율이 그다지 나쁘지 않다.⑥ 저질 연료를 사용할 수 있으므로 연료비 가 싸다.⑦ 회전력의 변화가 적고 저속회전이 가능 하다.⑧ 전기 점화장치가 없으므로 라디오, 텔레 비젼의 수신이 편리하다.⑨ 배기가스의 유독성이 적다.- 단점 -① 회전수를 그다지 높일 수 없다.② 마력당의 무게가 크다.③ 저속 운전에서는 진동이 크다.④ 시동이 비교적 곤란하다.⑤ 연료 공급장치에 세밀한 조정이 필요하다.⑥ 폭발압력이 높기 때문에 소음이 크다.⑦ 과부하 운전 때 불완전연소가 되기 쉽고, 따라서 흑연(黑煙)을 내기 쉽다.⑧ 보수 및 정비비가 비싸다+ 가솔린기관과 디젤기관의 차이 +[연소사이클의 차이]4사이클엔진은 크랭크샤프트가 2회전할때 행정을 순차적으로 진행하며, 흡기행정시 가솔린엔진은 공기와 가솔린의 혼합기를 흡입하고 출력은 혼합기의 흡입량에 따라서 변한다.그러나 디젤엔진은 공기만을 흡입하며 연소실로 분사되는 연료량에 따라서 출력이 조절된다.또한, 가솔린엔진은 실린더내의 혼합기를 9분의 1정도를 압축하여 그압축달하여 연소가 잘되지 않기 때문에 부연소실을 두고 이곳에 연료를 분사하며, 이에따라 고속운전도 가능하진다.또한, 가솔린엔진의 연소가스 최고폭발 압력은 최고 60kg/㎠정도이지만, 디젤엔진은 최소한 70kg/㎠ 이상이 되기 때문에 실린더 압력이 걸리는 부품은 디젤엔진이 훨씬 강성이 커야하며, 실린더 헤드가스켓도 고압에 견뎌야 한다.그외 압축비가 높고 압축으로 인한 공기온도 상승을 이용해서 착화하는 메카니즘이므로 강력한 스타터와 배터리가 필요하다.[배기가스의 차이]배기가스성분으로 문제가 되는 것은 불완전연소에 의해서 생성되는 일산화탄소(CO) 탄화수소(HC)와 질소와 산소가 고온에서 결합하여 생성되는 질소산화물(NOx)이다.가솔린엔진에서는 연료-공기 혼합비에 따라 배기가스의 성분이 크게 변한다. 공연비가 15보다 큰 공기과잉측에서는 완전연소에 가까와 CO, HC의 배출가스가 적어지지만, NOx는 연소가스 온도가 가장 높은 이론공연비보다 조금 공기과잉일때 가장많이 발생한다.엄격한 배기규제를 극복하기 위해서 개발된 각종연소방식도 종래의 구조에 연소실내의 가스의 선회운동등을 가미하는 것으로 대체되고 있다.경량소형차에는 EGR을 주체로 하는 배기가스대책이, 이것보다 큰 승용차에서는 NOx의 환원과 CO, HC의 산화를 동시에 수행하는 삼원촉매의 채용이 일반화 되어 있다.디젤엔진에서는 노즐에서 분사된 연료의 하나의 유적주위로 범위를 제한하여 고찰해보면 가솔린엔진의 경우와 마찬가지로 생각할 수가 있다.즉, 고온의 공기중에서 연료미립자는 증발하여 주위의 공기와 혼합기가 되어 연소되지만, 연료입자 주위에는 공연비가 각기 다른 부분이 존재하므로 배기가스의 성분이 균일하지는 않다.스모크가 발생하지 않을 정도로 연료분사량을 억제하면 공기가 매우 과잉되어 불완전연소가 되므로 CO, HC의 발생은 줄어들지만, NOx는 미시적으로는 다량 발생되는 부분도 있다.대책은 연료분사를 늦게하는 것이며, EGR도 NOx의 대책으로 효과적이지만,경유중에 포함된 유황분에 의한 아황산가스 및 매연도 함께.
1. 실험 이론① 단진자아래에 다음과 같은 가정이 성립할 경우① 길이이 일정하고 ②가벼운 실의 선단에 질량 m의 ③작은 추를 달고, 항상 ④정지하고 있는 O점에 묶는다. 이 실은 ⑤ 구부러지지 않고 또 꺽이지도 않으며, ⑥ 하나의 평면 내에서 운동하고, 또한 실이나 추도 공기와의 마찰등에 의한 ⑦ 저항력이 없는 것으로 한다.추는 O점을 중심으로 한 원호운동을 한다. 실의 흔들림각을로 나타낼 때, 추의 접선방향의 속도는이다.접선방향의 추의 가속도는 이 방향의 힘이 -mgsin이기 때문에(2.16)법선방향의 추의 가속도는 이 방향의 힘이 T-mgcos이기 때문에(2.17)로 된다. 가정 ①을 이용하여, 이들 식을 변형하면(2.18)(2.19)식 (2.18)은 실의 흔들림각, 즉 추의 위치를 결정하는 식으로 단진자의 운동방정식이다. 분명히 추의 운동은 단지 1개의만을 변수로 하고 있기 때문에, 이 단자를 1자유도진동계라고 한다. 추의 위치는 가정 ⑥에 의해,(2.20)로 주어지고, 실의 장력 T는 식 (2.19)로 주어진다.일반적으로(2.21)로 되고,가 매우 작은 경우는의 고차항을 0으로 볼 수 있다. 즉(2.22)물리적인 의미는 운동방정식의 가속도항의 계수를 1로 했을 때의의 계수을(2.23)으로 하면, 식 (2.18)은(2.24)식 (2.23)의를 고유진동수[rad/sec]라고 한다. 이를 이용하여 얻어진다.(2.25)을 고유주기 [sec]라고 한다.② 복합진자I : 관성모멘트?: 받힘점과 질량중심과의 수직거리m : 질량운동방정식:?()인 지점 :평형점 :평형점에서 운동방정식을 1차 테일러 전개하면 다음과 같이 근사된다.③ 단진자와 복합진자복합진자의 고유진동수단진자 고유진동수과 비교시 복합진자의 등가 단진자 길이0점에 대한 질량관성 모멘트는 평행축의 정리에 의해(k= 물체의 회전반경)0점에 대한 회전반경 G점에 대한물체의 관성반경을로 놓으면 위 식은 다음과 같이된다따라서 위 식은선 OG를되도록 A점까지 연장하면따라서 이러한 A점을 충격중심이라고 한다.(충격중심 : 복합진자의 주기를 단진자의 주기와 일치시킬수 있는 점)여기서 OA의 길이은 단진자에서와 같이 복합진자의 주기를 결정하는 것을 알 수 있다.④ 단진자와 복합진자2그림 1.18의 복합진자를 고려해보자. 복합진자는 질량이 길이에 따라 분포해 있기 때문에 상당한 질량관성모멘트를 갖는 진자이다. 그림에서 G는 질량중심이고 O는 중심점, 그리고( t) 는 O점에서 z축에 대하여 측정한 진자의 질량 m과 모멘트 I 의 중심선의 각변위이다. 점 C는 충격중심인데 반경이인 단진자가 같은 주기를 갖도록 해주는, 중심선상의 거리로 정의한다. 따라서이며 여기서 r은 중심점으로부터 질량 중심까지의 거리이다. 중심점 O와 충격 중심 C는 같은 진동수를 갖는 진자가 되기 위해 서로 바뀔 수 있다는 것을 주목하라. 관성회전 반경는 강체가 각가속도에 대해 저항하는 것과 같은 크기의 저항을 갖는 링의 반경이다. 관성회전 반경과 충격중심 사이에는 다음과 같은 관계가 있다복합진자의 운동방정식을 고려해보자. 중심점 O주위의 모멘트를 취하면이 되며, 작은에 대해서 이 비선형 방정식은이 된다. 고유진동수는이 되며, 이것을 충격중심으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.위 식은 길이가인 단진자의 주파수와 같으며 이것은 그림 1.19(a)의 단순(질량을 무시할만한) 진자에 작용하는 힘들을 검토하거나 에너지 방법에 의해 얻은 결과를 상기하면 알 수 있다.O점 주위의 모멘트를 합하면이 되며,를로 근사화 시키면이 된다. 이것은의 단진자의 진동수가 되는데 복합진자에 대해서는를 이용하여 얻은 것과 같다.⑤ 자유 진동평형위치에서 약간 변위가 생긴 상태 혹은 충격을 가해 속도를 갖게 하면 즉, 초기 조건을 평형상태에서 벗어나게 하면 스스로 진동을 한다. 이러한 진동을 자유진동이랗나다. 질점에 주기적으로 힘을 가하면 가진 주기에 따라 진폭이 달라지는 강제진동을 일으킨다.질량 m인 블록 끝을 스프링 상수 K인 스프링에 매달면만큼 길이가 늘어난다.(5.1)∴이러한 상태를 평형 상태라 하면 블록을 약간 아래로 잡아당겼다 놓으면 블록은 상하로 진동하며 아래의 운동방정식이 성립한다.(5.2)식 (5.1)을 식 (5.2)식에 대입하면(5.3)이 경우 고유진동수는자유응답일 경우⑥ 스프링 상수◎병렬연결◎스프링들이 그림 1-21에서와 같이의 스프링 상수를 갖는 스프링들로 병렬로 연결되어 있는 경우를 단일의 스프링으로 등가 스프링으로 나타내는 과정은 다음과 같다.질량 m에 의하여 스프링이 늘어난 길이가일 때, 스프링에 의한 힘은 식 F=kx를 이용하여 다음과 같이 쓸 수 있다.실제의 경우와 등가 스프링의 경우와 늘어난 길이는 동일하여야 하므로 다음과 같이 표현할 수 있다.즉, 병렬회로 혹은 병렬연결의 등가 스프링 상수 값은 각각의 스프링 상수를 더 한 값과 같다. 일반적으로 스프링 상수을 갖는 n개의 스프링이 병렬로 연결되어 있다면 그 때 등가 스프링 상수는◎직렬연결◎그림 1-22와 같이 스프링이 직렬로 연결되어 있는 경우 질량 m에 의해 스프링이 받는 힘은 동일하므로 다음과 같이 표현할 수 있다.(1-18)그러나 전체 스프링의 늘어난 길이는 각각의 늘어난 길이의 총합이다. 따라서 전체 늘어난 길이는 다음과 같다.(1-19)여기서는 각 스프링의 변형량이다. 따라서 식 (1-19)는 식 (1-18)의 관계를 이용하여 다음과 같이 다시 정리할 수 있다.(1-20)등가 회로의 경우의 늘어난 길이는의 관계로부터 다음과 같이 쓸 수 있다.(1-21)직렬로 연결된 실제 시스템의 늘어난 길이와 등가회로의 늘어난 길이는 같으므로 식 (1-20)과 식 (1-21)을 같다고 한다면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.(1-22)따라서 그림 1-22와 같이 두 개의 스프링이 직렬로 연결된 스프링의 등가 스프링은 다음과 같다.(1-23)n개의 직렬로 연결된 스프링의 경우로 일반화 시키면 다음과 같다.(1-24)그러나 여러 개 스프링이 직렬로 연결된 경우의 등가 스프링을 한번에 계산하는 것은 번거로우므로 두개씩 묶어 계산하는 것이 편리하며, 이 경우의 등가 스프링은 다음과 같이 계산된다.(1-25)⑦ 비감쇠 2자유도계의 자유 응답일반 좌표로 표현된 선형 N자유도계의 운동방정식의 일반적인 형태는이다. 2자유도계의 운동방정식을 유도해 보면이된다. 따라서 운동방정식을 세워보면,이 나오게 된다.위에서 구한 운동방정식은 상수 계수를 갖는 선형계의 상미분 방정식 이므로, 위의 방정식에 대한 해는형태로 가정한다.t는 시간, 지수는 복소수값일수 가 있다.를 앞의 운동방정식에 대입하면,이고 이식은 모든 시간에서 충족되어야 하므로2. 실험 결과① 단진자와 복합진자 실험◎ 단진자 주기 측정◎회전반경=17.5peak 개수주기(sec)1회188/9=0.8892회188/9=0.8893회188/9=0.8894회198/9.5=0.8425회188/9=0.889평균18.20.879-이론 값 -오차율 :◎ 복합진자 주기 측정◎peak 개수주기(sec)1회189/8=1.1252회189/8=1.1253회199.5/8=1.1884회189/8=1.1255회189/8=1.125평균18.21.138단진자와 복합진자의 주기를 비교해보면 완벽하게 똑같다는 것을 알 수 있다. 그러므로 복합진자의 등가 단진자의 길이는 단진자의 길이와 같다는 것을 알 수 있다.∴ 복합진자의 충격중심 : O점으로부터 17.5cm떨어진 지점∴ 복합진자의 주기 : 0.839s② 자유 진동 실험m=440g◎측정◎10회 왕복시간(sec)주기(sec)고유진동수()(rad/sec)()(N/m)1회9초 030.9036.35821.3022회9초 190.9196.83720.5683회9초 060.9066.93521.1614회9초 130.9136.88220.8395회9초 220.9226.81520.434평균= 20.861◎ 직렬연결 등가강성측정 ◎10회왕복시간(sec)주기(sec)고유진동수()(rad/sec)()(N/m)()(N/m)1회12초 721.2724.94010.73622.1202회12초 721.2724.94010.73622.1203회12초 821.2824.90110.50921.4224회12초 691.2694.95110.78522.3295회12초 791.2794.91310.62121.637평균= 21.926◎ 병렬연결 등가강성측정 ◎10회왕복시간(sec)주기(sec)고유진동수()(rad/sec)()(N/m)(=)(N/m)1회6초 410.6419.80242.27521.4142회6초 410.6419.80242.27521.4143회6초 500.6509.66641.19920.2494회6초 530.6539.62240.73619.8755회6초 650.6659.44839.27618.415평균= 20.2733. 결과분석① 단진자와 복합진자 실험우선 단진자의 주기의 경우 0.879s로 이론값 0.839s과 비교해보았을 때 4.27% 정도의 약간의 오차가 있었다. 하지만 놀라운 점은 단진자와 복합진자의 실험에서 단진자와 복합진자의 주기가 너무나도 완벽하게 일치하였다. 이는 이번에 한 실험이 완벽하였다는 것을 나타낸다. 사람의 눈과 타임워치로 직접 측정할 경우에는 오차가 생길 수도 있었는데 FFT 장비를 사용해서 오차를 없앨수 있었던 것 같다. 사실 실험을 하다보면 사람의 힘이 일정하지 않고, 진자가 양옆으로만 흔들리지 않고 좌우로도 흔들리며 공기 저항도 받는등 여러 가지 오차의 원인이 존재하며 그로 인한 오차가 생기지만 이번 실험은 그러한 오차가 전혀 없는 완벽한 실험이었다. 그렇기에 복합진자의 충격중심은 단진자와 같은 17.7cm 이고 복합진자의 주기역시 단진자와 같은 0.843s 값이다.
1. 실험 목적본 실험은 Oscilloscope , Function Generator , Digital Multimeter 기능을 이용하여 기본 계측 능력을 배양하는데 있다. 이 과정에서 National Instruments사의 Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite (NI ELVIS)를 이용하여 상기 과정을 수행한다. NI ELVIS는 기초 계측 능력 배양과 단순 회로 설계 및 검사에 적절하다. Digital Multimeter 기능을 사용하여 DC , AC 전압 및 저항을 측정하고, Function Generator 기능을 사용하여 여러 형태의 함수를 발생시킨다. Oscilloscope를 사용하여 Function Generator 에서 발생된 출력을 읽고 저장한다.2. 실험결과 및 고찰① 실험 1저항저항색계산값3k30k300k3MR1빨빨오은22*10^3Ω±10% = 22kΩ±10%+OVER22.04kΩ22.0kΩ0.022MΩR2갈검노금10*10^4Ω±5% =100kΩ±5%+OVER+OVER99.8kΩ0.1MΩR3갈검녹금10*10^5Ω±5% = 1MΩ±5%+OVER+OVER+OVER1.003MΩ실험에 사용된 저항(순서대로 R1,R2,R3)- 고찰 -실험을 시작하며 3개의 저항을 받았다.아래와 같은 과정을 거쳐서 직접 저항값을 계산해 보았다.[1]금색이나 은색이 인쇄된 쪽이 오른쪽으로 가도록 저항을 읽는다.[2]왼쪽부터 순서대로 색띠를 읽으며, 제1색띠와 제2색띠를 읽어 숫자로 환산하면 두 자릿수의 유효숫자가 된다.[3]여기에 제3색띠에 해당하는 숫자를 곱해 주면 저항값이 된다.[4]단위는 '옴'이다. 필요하면 사용하기 편리한 단위로 고쳐준다.[5]저항의 정밀도는 제4색띠로 판별한다.∴ 저항 값 = (A + B*10)*D (Ω)그 다음 저항값을 NI ELVIS 시스템을 이용하여 측정해보았다. 그리고 그 저항값들을 저항범위를 조절하여 측정해보았다. 위에 나와있는 표에서 알수 있듯이 그 결과값은 저항범위를 조 여기서 주의할점은 저항의 크기보다 낮은 저항범위로 설정할 경우 +OVER라고 표시되며 측정이 되지 않았다. 이 실험 결과로부터 저항의 크기가 설정한 범위보다 클 경우 측정을 하지 못한다는 것을 알수 있었다. 그렇기때문에 저항 측정 실습의 경우 다음 순서에 따라 실시해야 된다는 것을 알 수 있다.[1] 측정 범위 선택 다이얼을 저항 측정 범위의 가장 큰 값에 맞춘다.[2] 저항을 연결한후 표시창에 나타난 측정값을 살펴본다.[3] 측정 범위 선택 다이얼을 차례로 낮은 범위로 변경하면서 측정값 표시창에 나타나는 변화를 살펴본다. 이때 측정되는 값과 저항 표면에 표시된 저항값과 비교한다.[4] 측정 범위 선택 다이얼을 계속 낮추어 가면서 측정 범위를 벗어나는 선택 다이얼 값이 어디인지 확인한다. 측정대상의 값이 측정 범위를 벗어나면 표시창에 +OVER라고 표시 된다.[5] 지급된 나머지 저항들도 동일한 측정 과정을 반복한다.② 실험2- 직렬연결시 -계 산 값3k30k300k3MR1-R2R1+R2=121.8kΩ+OVER+OVER121.8kΩ0.122MΩR2-R3R2+R3=1.103MΩ+OVER+OVER+OVER1.102MΩR3-R1R3+R1=1.025MΩ+OVER+OVER+OVER1.025MΩ- 병렬연결시 -계 산 값3k30k300k3MR1-R2=18.03kΩ+OVER18.05kΩ18.1kΩ0.018MΩR2-R3=0.091kΩ+OVER+OVER90.8kΩ0.091MΩR3-R1=0.022kΩ+OVER21.57kΩ21.6kΩ0.022MΩ우선 첫 번째로 위의 R1,R2,R3 저항을 각각 직렬로 연결하여 저항값을 측정하였다. 계산값과 측정값을 비교해본 결과값의 차이가 거의 없는 것을 알 수가 있다.2번째 실험의 경우 R1,R2,R3 저항을 각각 병렬로 연결하여 저항값을 측정하였다. 그 결과 직렬로 연결했을 경우보다는 오차가 약간 크게 나왔지만 역시 마찬가지로 오차값이 적은것을 알수 있었다. 이정도의 오차는 측정기기 저항값이거나 사람이 측정한 것이기 때문에 생길수 있는 허용 .NI ELVIS 시스템에서 함수를 발생시키고 오실로스코프를 작동시킨 후 Source를 함수발생기의 출력값으로 설정해놓으면 함수발생기가 만들어내는 함수를 오실로스코프처럼 생긴 모니터를 통해 출력해준다. 채널이 A와B로 두 개로 되어 있어서 두 개의 입력값을 받아들여 두 개의 함수출력이 가능하도록 해주었다. 함수발생기에서는 다양한 함수를 발생할 수 있지만 이것의 데이터를 받아 출력해주는 오실로스코프는 기존의 데이터를 표시해주는 형식만 바꿔주는 것 일뿐 함수자체를 변화시키는 것은 아니다.WaveformPeakAmp.FrequencyDcOffsetTimebase1sine2v1000hz0v2sine1v1000hz0v3sine2v1000hz0v1ms/div4sine1v1000hz0v1ms/div5sine2v2000hz2v6sine1v2000hz2v7sine2v1500hz0v8sine2v3000hz0v위의 표에서 보면 timebase 값,Vertical Pos, Scale 메뉴 값이 표에 빠져있다. 아쉽게도 실험을 할 때 적어놨어야 하는 중요한 변수들인데 적어놓지 못하였다. 그 값들이 있었으면 보다 정확한 데이터 값을 얻을 수 있었는데 그렇게 하지 못하여 많은 아쉬움이 남는다.함수 발생기를 사인곡선[sine curve]으로, Frequency를 1000hz로 dc(직류)성분을 0으로 고정시켜놓고 peak amp 값만 2와 1로 조정하여 멀티미터로 교류전압을 측정하였다. 이때 함수 발생기는 peak amp 값을 2로 했을 경우에는 대략 2~-2V 사이에서 진동하는 사인곡선[sine curve]을 그리는 함수를 발생한다. 위의 그래프에서는 정확하게 2~-2V 값을 가지지는 않는데 이는 Vertical Pos값 때문이다. Vertical Pos는 함수의 출력위치를 상하로 조절하여 보여준다. 그렇기에 그래프가 전체적으로 약간씩 아래에 위치하게 된것이다. Vertical Pos는 두 개의 파형을 출력 시에 겹쳐보이지 않게 조절할 수 있도록 해준다. 위의 그래프에서 이 상황에서 여 파형은 sine, square, triangle의 3가지 타입이 있음을 알수 있었다. peak amp 값을 1로 했을 경우에는 대략 1~-1V 사이에서 진동하는 사인곡선을 볼 수 있었다. 이 2가지 실험을 통하여 peak amp 값을 통하여 함수의 진폭을 결정함을 알 수 있었다.우리 조의 경우 처음의 데이터에서 timebase 값만 추가로 변형을 주어서 그래프를 관찰해 보았다. timebase 값을 1ms/div로 조절하였을 경우 한 칸에 1ms의 시간으로 표시가 되게 된다. 처음의 데이터의 경우 timebase가 0.5ms/div이었는데 1ms/div로 2배로 늘어나면서 결과적으로 한 칸에 2배의 시간이 표시되게 되므로 2배로 조밀하게 그려지고 주기가 짧아진 것처럼 보이게 된다.2번째 실험으로는 위의 조건에서 Frequency(hz) 와 dc offset 값에 변화를 주어 그래프를 구해 보았다. DC offset은 직류편차를 조절하여 함수의 진동의 구간을 Y축 이동하여 V값의 범위를 바꾸어 줄 수 있도록 되어 있다. 일반적으로 신호라 하는 것은 0점을 중심으로 상하 같은 전압으로 움직이는 것을 말한다. 예를 들어 교류신호 1V의 경우 0점을 중심으로 +1V ~ -1V 로 스윙을 하게된다. 그런데 여기에 dc(직류)성분을 첨가 하게된다. 만약 위의 교류신호에 직류1V를 첨가하게 되면 전압은 +2V ~ 0V 로 스윙하게 되는 것이다.마지막으로 Frequency(hz)값을 다양하게 바꾸어 실험을 해보았다.Frequency(hz)는 진동수로서 진동운동에서 물체가 일정한 왕복운동을 지속적으로 반복하여 보일 때 단위시간당 이러한 반복 운동이 일어난 회수를 진동수라고 한다. Frequency 메뉴의 다이얼과 직접입력을 통해 함수의 주파수를 조절할 수 있었다. 위의 그래프를 보면 알수 있듯이 진동수를 1500hz에서 3000hz로 2배 늘렸더니 단위 시간당 진동수가 2배로 늘어 났음을 알수가 있다.이 외에도 그래프를 싣지는 못했지만 Scale 메뉴라는 것이 있는데 이는 하면 함수의 V값을 읽을 때에는 한 칸이 2V에서 1V로 변하게된다.이렇게 여러번의 실험을 했지만 아쉬움이 많이 남는다. 여러 가지 데이터로 실험을 하고 그 실험값을 통하여 충분한 데이터를 얻었어야 했지만 그렇게 하지 못하여 보다 정확한 데이터 값을 얻을수가 없었다.4. Labview 와 Data Acquisition Board 에 대한 조사① LabVIEWLabVIEW는 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench를 줄인 말이 다. 이것은 마이크로소프트 윈도우즈, 애플 매킨토시, 선 스파크스테이션을 이용하는 PC에서 운영되는 강력하고 유연성 있는 장치이며 해석 소프트웨어 시스템의 일종이다.LabVIEW는 여러 범용의 C 또는 BASIC 개발 시스템처럼 프로그램 개발 도구이다. 다른 프로그래밍 시스템들이 코드를 생성하기 위하여 텍스트 기반의 언어를 사용하는 데 반하여 LabVIEW는 여러 가지 문법적인 사항들을 없애고 블록 다이어그램이라 불리는 흐름도를 사용하여 프로그램을 생성하는데, 우리는 이 언어를 그래피컬 프로그래밍(graphical programming)이라고 부르며 간단히 G언어라고 한다.LabVIEW는 과학자와 공학자들에게 익숙한 개념 및 용어들을 사용한다. LabVIEW는 프로그래밍을 하기 위해 문자화된 언어를 사용하기보다는 그림기호(graphical symbol)에 의존한다. 프로그래밍 경험이 전혀 없는 사람일지라도 LabVIEW를 쉽게 배울 수 있으나 프로그래밍에 대한 기본 지식이 있으면 더 좋을 것이다. 그렇다면 LabVIEW를 통해서 우리가 얻을 수 있는 것은 무언인가? LabVIEW는 우리가 수행하려는 대부분의 프로그래밍 업무에 도움이 되는 서브루틴과 광범위한 함수들의 라이브러리를 가지고 있다. 또한 데이터 수집, GPIB, 시리얼계측기 제어, 데이터 해석, 데이터 표현 및 데이터 저장 등을 위한 라이브러리도 포함하고 있다. LabVIEW는 프로그램을 통해서 라인 단위의 실행이나 디버깅을 할있다.
1. 실험 목적① 전기회로를 수학적으로 해석하는 문제는 기계적인 진동계를 해석하는 것과 같다. 따라서 이 상사성을 이용하여 기계적인 스프링과 감쇠기 모델을 만드는 것보다 전기회로를 사용하면 복잡한 기계계의 진동을 보다 간단하게 실험할 수 있다.② Mechanical 2nd order system (M-K-C)의 구성과 그 특성을 이해하고 이를 Electrical equivalent system (R-L-C) 회로를 구성하여 주파수 특성을 측정 Bode 선도를 완성해 보도록 한다.③ Bode 선도를 통해 공진 주파수와 감쇠비를 구해본다.2. 실험 이론1) Mechanical 2nd order system (M-K-C)? x : 변위(m)? m : 질량(kg)? b : (점성)간쇠계수(Ns/m)? k : 스프링상수(N/m)? F(t) : 가진력(N)2) Electrical 2nd order system (R-L-C)? q : 전하(coulomb)? L : 인덕턴스 (H)? R : 저항 (Ohm)? C : 커패시턴스(F)? E(t) : 전압(V)3)주파수응답x(t)=많은경우 일반해로부터 천이상태 항을 무시정상상태응답에만 중점을 둠(감쇠비 때문)시스템이 비교적 큰 감쇠를 가지면은 과도응답으로 빨리 사라짐시스템의 감쇠력이 매우작으면(감쇠비가 매우 작으면) 해의 과도부분은 오래 유지되므로 무시하면 안된다.이런 사항을 염두에 두고 정상상태 크기 X와 위상를 구동 주파수의 함수로 표현해보면진폭비를 로그 스케일로 나타냄 →dB라고 한다dB=4) R L C 직렬공진회로의 주파수응답운동방정식의 해 = 과도상태의 해 + 정상상태의 해그러나 일반적으로 어느정도 시간이 경과하게 되면 과도해의 경우 저항의 영향으로 사라지게 되므로 정상상태의 해만이 중요하게 된다.L과 C에서도 순수저항 R과 같은 저항성분이 존재한다.회로전체의 저항 임피던스 Z = R+jwL+1/jwC = R+j()ohm의 법칙에 따라 복소수 전류는여기서는이제 복소수 임피던스의 방법을 도입 회로의 전류를 구해본다입력전압이적으로 특정주파수에 에너지를 모으는 것 자체가 모두 공진현상과 관련이 있으며, 필터의 경우 역시 일종의 공진회로이다. 공진의 특성은 특정 주파수에 에너지가 모이기 때문에, 공진되는 주파수가 아니라면 반사되어 튕겨내는 것이 바로 필터이기 때문이다.공진은 이렇듯 발진기와 필터, 커플러, 안테나 등 많은 RF 회로소자에서 응용되는 기본개념이다6) 감쇄(Attenuation)일정구간을 진행하면서 신호나 파형의 강도가 줄어든 정도를 나타내는 용어.주 원인은 진행구간의 손실(loss)로 인한 것으로서, 이러한 손실에 의한 감쇄의 원인은- 도체의 도전율- 유전체의 loss tangent (유전율의 허수부항)- 자성체의 투자율에 의한 자화손실- 대기중의 전파전달에 의한 각종 경로손실등이며, 위와 같은 원인에 의해 잔류 혹은 열에너지로 소모되어 잃어버리는 에너지를 나타내기 위해 attenation이라는 용어를 사용한다.결국 주로 회로나 소자, 시스템 내부를 진행하면서 발생하는 감쇄와 송신*수신단 사이의 대기전파전달의 에너지 감쇄량을 말하게 된다. 이러한 attenuation은 대체로 원하지 않는, 즉 줄여야 하는 대상이지만 경우에 따라서는 신호를 억제하기 위해, 또는 측정장비를 보호하기 위해 고의적으로 일정한 attenuation을 유발하는 attenuator를 사용해야 할 경우도 많다.7) Capacitance(캐패시턴스 C)전압을 가했을 때 축적되는 전하량의 비율을 나타내는 양. 단위는 F(패럿)이다. 이러한 캐패시턴스 값을 간단히 C 라 지칭하며, RF에선 pF 단위가 주로 사용된다.이것은 결국 전기장을 통해 순간적으로 축적되는 에너지를 의미하며, RF 입장에선 단절된 금속사이에서 전류/전압의 변화가 있을 때만 신호를 통과시키려는 성질, 또는 그 정도를 의미한다고 볼 수 있다.8) Capacitor (캐패시터)고의적으로 정해진 캐패시턴스를 유발할 수 있도록 만들어진 소자.두 금속판사이에 유전체를 삽입하는 식으로 만들어지며, 그 단면적과 금속판간의 거리에 의해 Capaci. 실제 amp관련 서적을 보면 Gain이 한가지만 있는게 아니라 여러가지가 있어서 헷갈려보이지만, Gain을 재는 위치가 조금씩 다를 뿐 근본적으로는 출력위치에서의 출력전력 / 입력위치에서의 입력전력 을 의미한다. 즉 matching단을 사이에 두고 어느 위치와 어느 위치간의 전력비를 보느냐에 따라 Avaliable Gain, Total Gain 등으로 분류한 것 뿐이다. 안테나에서 의미하는 Gain은 다소 의미가 다른데, 전 방향으로 전자파가 방사되는 Isotropic Antenna에 비해 특정 방향으로 방사형태가 얼마나 집중되는가를 나타낸다. 즉 신호 자체가 증폭되는게 아니라 안테나 패턴이 얼마나 특정방향으로 집중되느냐를 나타내는 지표이다. 결국 사방으로 나갈 에너지가 한 방향으로 집중되어, 그방향으로만 신호레벨이 더 커지는 셈이므로 일종의 이득으로 분류하는 것이다.12) 고유진동수어떤 물체가 가지고 있는 고유의 진동수인데, 이는 그 물체의 강성과 질량에 관련이 된다.이를 식으로 표현하면, 고유진동수=(강성/질량)^(1/2)이므로강성이 4배증가하면 고유진동수는 2배 증가하고,질량이 4배 증가하면 고유진동수는 2배 감소한다.이러한 고유진동수와 외부진동수가 일치하게 되면,그 물체에 심각한 변형이 발생한다. 즉 파손이 될 수 있다는 뜻이다.13) 공진주파수RLC는 모두 수동소자(전류의 흐름을 제어할 수 없어서 그저 가해준 대로 반응하는 소자)이기 때문에 RLC가 주파수를 낸다는 표현은 적적할지 않다. 대신, L과 C가 동시에 포함되는 회로는 특정 주파수의 전류나 전압에 대해 공진이라는 특이한 반응을 나타내는 성질이 있어서, 계단형 전압 또는 전류(계단형 파형은 0에서 무한대까지의 모든 주파수 성분들의 합과 같음)와 같은 전기적 충격에 대해 이 특정 주파수의 발진이 일어나게 되는데, 이 특정 주파수를 회로의 공진 주파수라고 한다.이 공진 주파수를 결정하는 변수는 오직 L과 C이며, R은 공진 주파수에 전혀 영향을 미치지 않고 다만 공진의 감쇄(공진 파형이 사그러파수라는 것은 만들기도 어렵고 이용하기도 어렵다.14) Bode 선도보데선도(Bode diagram)는 1942년 보데(H.W. Bode)에 의해 개발된 기법으로서 주파수응답을 크기응답과 위상응답으로 분리하여 두 개의 그림표로써 나타낸다. 두 개의 응답선도 모두에서 가로축은 주파수에 대한 대수눈금을 쓰며, 세로축은 크기응답에서는 크기를 데시벨 [dB]로 나타내는 대수눈금을, 위상응답에서는 위상각을 각도단위 [˚]로 나타내는 선형눈금을 쓴다.3. 실험 장치- 컴퓨터, 모니터, NI ELVIS- R저항 R은 직류, 교류에 관계없이 전류가 흐른다.-L코일 L은 직류의 경우 도선과 같은 역할을 하며, 아무런 영향을 주지 못한다. 그러나 교류 가 공급된 경우에는 코일의 자체유도기전력에 의해 회로에 전류흐름을 방해하는 요인이 생 기게 된다. 이를 유도리액턴스라고 한다.-C콘덴서C에 직류가 걸리는 경우 완전충전이 되어버리면, 더 이상 전류가 흐르지 못하게 된 다. 따라서 콘덴서는 충분한 시간(콘덴서의 크기에 따라 다양)이 흐르면, 콘덴서에 흐르 는 전류가 0이 된다. 그러나 교류의 경우 충전과 방전을 반복하는 형식으로 전류가 흐르 게 된다. 이때 순간적으로 완전충전이 될 때, 전류의 흐름을 방해하는 요인인 용량리액턴 스가 생긴다.- 리드선전자,전기부품에서 인출해낸 전선을 리드선(Lead wire)이라 한다.의미는 "내부에 있는 전극을 외부로 연결해 낸 것"이다. 예를들어 저항의 다리나 트랜지스터다리를 리드선이라 한다.4. 실험 방법① 다음과 같이 NI ELVIS의 Prototyping board에 직렬 RLC 회로를 구성한다.② Function generator와 Oscilloscope를 연다③ Function generator에서 주파수(Frequency)와 인가전압(Peak Amp)를 설정하여 함수를 발생시킨다. 주파수를 변화시켜가면서 저항 양단에 걸리는 전압을 측정하고 그에 따른 위상차를 구하여 기록한다.④ 위에서 주파수 별로 측정한 저항양단의 전압을 아래 표에 작성8000-0.04784.3734.349110000-0.49944.3674.123120000-2.778214.383.181130000-4.831764.3362.486140000-6.713824.2891.98150000-8.522784.2551.595공진주파수 : 약 80kHz감쇠비 : 약 47-R, L, C 측정 후 공진주파수와 감쇠비 구해보기RLC4.72+4.7=9.42kohms10.0mH1.01공진주파수 :=감쇠비 :=공진주파수의 오차율 :감쇠비의 오차율 :6. 결과값 분석Mechanical 2nd order system (M-K-C) 과 Electrical 2nd order system (R-L-C) 의 상사성을 잘 살펴보면 Electrical 2nd order system (R-L-C)에서 저항(R) 양단에 걸리는 전압은 Mechanical 2nd order system (M-K-C) 에서의 가진에 대한 응답의 진폭에 해당하는 것이고, 입력 전압은 가진의 진폭에 해당하는 것이다. 그래서 이것을 측정하여 Mechanical 2nd order system (M-K-C) 에서의 가진에 대한 응답의 진폭이 가진의 진폭에 가장 가까운 점, 즉 공진(Resonance)이 일어나는 시점에서 저항양단전압/입력전압의 비가 Peak 값을 가지게 된다.실험 결과를 보면 알겠지만 전체적인 그래프는 이론적은 그래프의 모양과 비슷하게 나왔다고 생각한다. 다만 20000Hz~40000Hz 사이에서 그래프가 이상하게 나왔는데 이에 대한 원인은 전압을 측정할 때 측정값이 고정되지 않았기 때문이라고 생각한다. 왜 그런지는 정확하게 모르겠지만 이 사이에서는 측정값이 계속해서 큰 폭으로 바뀌었는데 그 때문에 저런 결과값이 나오지 않았나 생각된다.그래프의 모양은 비슷하지만 결과값은 이론값과 상당한 차이를 보였다. R,L,C를 멀티미터를 이용하여 직접 측정한 후 공진주파수와 감쇠비를 구해보았는데 공진주파수 값은 1583.65kHZ 가 나왔고 감쇠비는 47.335값이 나왔다. 보데선도를 이용하여이다.