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풍속계

풍속계 소개, 원리와 종류

풍속계 는 배관 내의 공기흐름과 같은 통제된 흐름이나 대기 풍과 같은 자유로운 흐름 속에서의 기체의 속도를 측정하는데 사용되는 장치입니다. 속도를 파악하기 위하여 풍속계는 유체의 물리적 속성 변화 또는 그러한 흐름 속에 삽입된 기계장치에 대한 유체의 영향을 감지합니다.

열선 풍속계는 항온 풍속계 중에서 가장 보편적인 종류입니다. 열선 풍속계는 끝에 달린 바늘이 지탱하는 전기적으로 가열된 가는 철선 소자(직경 0.00016인치 및 길이 0.05 인치)로 이루어져 있습니다. 열선 풍속계가 풍속이 낮은 청정 기체에 가장 적합한 반면 벤츄리미터는 일부 액체(슬러리 포함) 흐름 적용분야용으로 사용할 수 있습니다.
anemometer

풍속계에 관한 더 자세한 정보

풍속계의 용도

풍속계는 전체 속도 등급, 수평면의 속도 등급 또는 특정 방향의 속도 성분을 측정할 수 있습니다.

풍속계 유형

바람과 기체의 속도를 직접 측정하기 위한 다양한 풍속계가 있습니다. 가장 보편적인 네 가지 풍속계는 날개형 풍속계, 풍속/온도 프로파일링을 갖춘 열 풍속계 그리고 컵 풍속계입니다. 풍속계는 보통 항온 또는 정전력 풍속계로 구분됩니다. 항온 풍속계


항온 풍속계는 풍속계가 가진 고주파 반응과 저 전자 노이즈 수준을 가지고 있으며 공기흐름이 갑자기 감소할 때 센서 소진의 영향을 받지 않고 열막 센서와 호환 가능하며 액체 또는 기체 흐름에 적용 가능하기 때문에 보편적으로 사용되고 있습니다.

정전력 풍속계 는 피드백 시스템을 갖추고 있지 않습니다. 온도는 단순히 유속에 비례합니다. 정전력 풍속계는 흐름이 없을 경우의 인식이 안정적이지 않고 온도 및 속도 반응이 느리며 온도 보상이 제한되기 때문에 자주 쓰이지는 않습니다.


가장 흔한 풍속계 적용분야

풍속계는 보통 난류 환경에서 기체 흐름을 측정합니다. 날개형 풍속계, 열 풍속계 그리고 컵 풍속계(보통 기상관측소에서 사용)는 대부분 평균 속도를 측정하기 위하여 사용하는 반면에 열선 풍속계는 일반적으로 단면의 횡단 측정과 같은 난류의 특성을 측정할 때 사용합니다. “열 풍속계”라는 용어는 열 전달과 속도를 결정하기 위한 속도 간의 관계를 활용하는 풍속계를 의미하는데 사용됩니다.

풍속계의 기원

풍속계라는 용어는 그리스어로 “바람”을 뜻하는 anemos와 “측정”을 뜻하는 metron에서 유래하였습니다. 바람의 속도를 측정하기 위하여 15세기에 처음으로 기계식 풍속계가 개발되었습니다.

기상관측소용 풍속계

컵 풍속계(기상관측소에서 사용)는 회전 컵의 축에 수직인 평면의 속도를 측정합니다. 컵 풍속계가 수평면에 수직인 축에 장착되는 경우 풍속계는 땅과 평행하게 부는 바람의 성분만을 측정합니다. 날개형 풍속계와 같은 기타 풍속계들은 그 끝을 전체 속도 벡터에 맞춰서 사용합니다. 풍속계를 사용하기 전에 풍속계를 어떻게 위치시길 것인지 그리고 전체 성분 중 어떤 것을 측정할 것인지를 판단하는 것이 중요합니다.

적합한 풍속계 선택하기

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풍향풍속계 풍향풍속계 Vane Anemometer
회전형 기계식 풍속계의 형태는 풍차형 또는 추진기형에 속한다고 할 수 있습니다. 이러한 형태의 풍속계는 회전축이 바람의 방향과 평행하여야 하므로 보통은 수평면에 위치합니다. 열린 공간에서는 바람의 방향이 바뀌고 축은 그러한 방향에 맞춰져야 합니다. 예를 들어 광산과 건물의 통풍구 내부와 같이 기류의 방향이 항상 일정한 경우 미풍계로 알려진 바람개비를 사용하면 가장 만족스러운 결과를 얻을 수 있습니다. 풍차형 풍속계는 온도, 습도 및 노점 측정, 용적 전환 그리고 데이터 로깅과 같은 추가 기능을 사용할 수도 있습니다.
열선풍속계 열선풍속계 Thermal Anemometer
열 풍속계는 상온보다 높은 온도로 가열된 매우 가는 철사(대략 수 마이크로미터) 또는 소자를 사용합니다. 이를 통과하는 공기흐름은 냉각효과를 가집니다. 대부분의 금속이 가진 전기저항은 금속의 온도에 따라 다르기 때문에(텅스텐이 열선에 가장 많이 쓰이는 금속임) 열선의 저항과 유속 간의 관련을 파악할 수 있습니다.

이를 실행하기 위한 여러 가지 방법이 존재하며 그러한 열선 장비는 CCA(정전류 풍속계), CVA(정전압 풍속계) 및 CTA(항온 풍속계)로 분류할 수 있습니다. 이러한 풍속계의 전압 출력은 그러므로 특정 변수(전류, 전압 또는 온도)를 유지하고자 하는 장치 내부 순환의 결과입니다. 추가적으로 열선을 일정 저항수준까지 올려주고 한계 “층”에 다다를 때까지 멈추게 되는 전류펄스의 반복 시간 길이로 속도를 추정할 수 있다는 점에서 PWM(펄스 폭 변조) 풍속계 또한 사용 가능하며 한계 층에 다다르게 되면 펄스를 다시 보내게 됩니다.

열선 풍속계는 매우 섬세한 구조를 가지지만 그만큼 기타 측정 방식과 비교하여 상당히 높은 주파수 반응과 양호한 공간 분해능을 나타냅니다. 또한 난류 또는 급격한 풍속 변화가 발생하는 공기흐름에 대한 자세한 연구를 위하여 가장 보편적으로 활용됩니다. 열 풍속계는 온도측정, 데이터 로깅과 같은 추가 기능과 함께 사용할 수 있습니다.
Velocity and Temp Measurement System 풍속/온도 프로파일링을 갖춘 열선풍속계
열 풍속계의 프로파일링 시스템은 가능한 최소의 센서를 갖추고 있습니다. 센서는 풍속과 온도 모두를 측정합니다. 다지점 데이터 로깅 장비는 사용자가 해당 적용분야에서의 공기흐름의 특성을 프로파일링 하고 데이터를 도표로 분석하도록 해줍니다. 이러한 풍속계는 보통 회로판용 풍동 및 열 싱크 분석에 사용됩니다.
WMS-20 Series
컵 풍속계 Cup Anemometer
컵 풍속계는 단순한 형태의 풍속계입니다. 세 개 또는 네 개의 밀폐된 컵으로 구성되며 각 컵은 수평에 위치한 암의 한쪽 끝에 장착되고 암은 수직 축에 각각 동일각도로 장착됩니다. 수평 방향으로 컵을 통과하는 공기흐름은 풍속과 비례하게 컵을 돌리게 되고 정해진 기간 동안 컵이 회전한 숫자가 넓은 범위의 풍속의 평균이 됩니다. 네 개의 컵을 갖춘 풍속계에서는 컵들이 암의 끝 부분에 대칭적으로 배치되기 때문에 이를 쉽게 파악할 수 있습니다. 바람은 언제나 바로 앞의 컵의 빈 공간으로 들어가 십자의 반대편 끝에 있는 컵의 뒤쪽으로 흐릅니다.

로빈슨이 최초로 그의 풍속계를 설계하였을 때 그는 컵의 크기나 암의 길이와 상관없이 컵이 언제나 풍속의 1/3 속도로 움직인다는 잘못된 주장을 하였습니다. 초기에는 이러한 주장이 독립적인 실험에 의하여 확인된 것처럼 보였지만 이는 사실과는 상당이 동떨어진 주장이었습니다. 풍속계 인수로 불리는 풍속과 컵의 속도 간의 실재 관계가 컵과 암의 치수에 따라 달라지며 2에서 3보다 야간 더 큰 수치 사이에 있음이 나중에 밝혀졌습니다. 풍속계에 관한 모든 실험이 다시 이루어져야 했습니다.

3컵 풍속계는 캐나다의 존 패터슨에 의하여 1926년에 개발되었고 그 이후 1935년에 미국의 브레부트와 조이너에 의하여 컵의 개량이 이루어져 선형의 최대 60 mph까지 3% 아래의 오류를 가지는 컵휠 디자인으로 이어졌습니다. 패터슨은 각각의 컵이 바람의 흐름에 45도 기울어져서 위치할 때 최대 회전력을 가짐을 발견하였습니다. 3컵 풍속계는 4컵 풍속계보다 더 일정한 회전력을 가지고 있으며 바람에 더 빠르게 반응합니다.

3컵 풍속계는 풍향과 풍속을 동시에 측정할 수 있도록 1991년 호주의 데릭 웨스턴에 의하여 추가적인 수정이 이루어졌습니다. 웨스턴은 하나의 컵에 태그를 추가하여 태그가 바람에 엇갈리게 움직이게 함으로 컵휠의 스피드를 증가시켰습니다. 풍향은 이러한 컵휠 스피드의 주기적 변화로부터 계산되며 풍속은 다른 풍속계와 마찬가지로 컵휠의 평균속도로부터 계산됩니다.

3컵 풍속계는 현재 풍력자원 평가연구에 있어 산업표준으로 사용되고 있습니다. NRG 시스템 #40C는 이러한 목적으로 사용되는 컵 풍속계 중에 가장 보편적입니다. 역사적인 이유로 인하여 풍속계의 크기는 크로우 단위로 측정됩니다.

자주 묻는 질문

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열선 또는 풍차형 풍속계 선택 기준

때때로 풍속도계로도 불리는 풍속계는 보통 열선 또는 날개형으로 분류됩니다. 열선 풍속계는 매우 낮은 속도(예. 2000 ft/min미만)의 공기흐름을 정확히 측정하는데 있어 가장 적합합니다. 일부 제품들은 15,000 ft/min과 같은 높은 속도를 측정하도록 설계되어 있지만 여전히 훨씬 더 낮은 속도에서 정확한 측정을 할 수 있습니다. 날개형 풍속계는 풍속을 측정하는데 있어 회전식 추진기에 의존합니다. 날개형 풍속계는 풍속을 측정하기 위한 최선의 선택입니다. 많은 제품들이 다양한 적용분야에 대응할 수 있도록 ft/min, m/s, MPH, km/h 및 노트 중에서 사용자가 선택할 수 있는 측정 단위를 갖추고 있습니다. 열 풍속계는 열선 또는 날개형 풍속계에 공기온도 측정 기능이 추가된 것입니다. 온습도용 풍속계는 열 풍속계와 습도 센서를 포함하고 있으며 고객에게 완전한 환경정보를 제공합니다. 데이터 로깅 습도계는 차후의 검토를 위하여 측정치를 저장하도록 설계되어 있습니다. 일부 제품은 사용자가 컴퓨터로 검토, 도표화 및 추가 분석할 수 있도록 저장된 풍속 수치를 다운로드 합니다.

에어덕트 풍속 측정

풍속계는 통풍관 균형시험(Air Duct Balancing Test)을 위하여 폭넓게 사용됩니다. 이러한 작업은 여러 대의 풍속계를 통풍관이나 가스관의 단면에 위치시켜 이루어지게 되며 사용자는 여러 지점에서의 풍속 수치를 직접 기록합니다. 질량 유량율은 평균 속도를 계산하고 이를 밀도와 통풍관의 단면적으로 곱하면 얻을 수 있습니다. 원통형 통풍관의 경우 트래버스(Air Duct Traversing) 측량을 위한 로그 선형 방식은 통풍관 벽면을 따라 발생하는 마찰을 고려하기 때문에 가장 정확한 결과를 제공합니다. 측정 횟수로 인하여 통풍관 트래버스 측량은 시간이 오래 걸리는 작업입니다. 마이크로 프로세서 기반 풍속계는 이러한 절차를 자동화할 수 있게 해줍니다.

열선은 크기가 작고 쉽게 부서지기 때문에 열선 풍속계는 쌓이는 먼지와 파손에 민감합니다. 열선 풍속계가 가진 작은 질량의 장점은 빠른 반응 속도입니다. 열선 풍속계는 공조 및 통풍 분야에서 폭넓게 사용됩니다. 속도 프로파일이 제대로 형성됨을 보장하기 위하여 통풍관의 직선부가 보통 풍속계가 장착된 곳의 위로 지나가게 됩니다(일반적으로 10 직경 길이). 경계층 효과를 제거하기 위하여 조절 노즐이 사용됩니다. 직관을 사용할 수 없는 경우 벌집형 유동 교정기가 센서 조립부에 포함될 수 있습니다.