농도 계측

 

   

농도 계측 실험보고서

 

 

 

1.실험목적

특정 화학종의 농도를 계측한다. 이때 많은 측정 장치가 있으며, 그중 가스분석기로 질소, 산소의 농도를 측정한다. Chamber에 질소, 산소가스를 혼합하여 각기 원소의 농도를 계산을 하고 가스분석기로 농도를 확인하여 두 값을 비교해본다. 농도를 계산할 때 PV=nRT 공식을 활용하여 압력과 몰수의 관계로 가스원소의 농도를 직접 계산해 보도록 한다.

 

 

2. 실험 구성품

 

	가스분석기 :기체의 성질을 이용하여 그 성분을 측정하는 기구, 즉 기체분석 계기		유량 Controller :원하는 유량값을 설정하여 현재의 유량과 원하는 유량과의 상태를 보여주는 기구
	Chamber :실험을 할 때 시험용기역할을 함. 세라믹에 다른 물질을 첨가하여 단열 및 시험용기역할을 함.		MFC :관로내의 단위시간에 통과하는 유체의 질량을 검출하는 장치, 질량유량계
	Digital pressure gague :챔버안의 압력을 측정해주는 장치이며 단위는 bar로 되어있고, 게기압이기 때문에 진공상태의 압력은 –1.01325bar가됨		공기 gas :보통 공기는 산소 21%와 질소 79% 정도로 이루어져있으며 이때 공기통안에 있는 공기는 99%공기이기에 1%의 불순물 있음.
	magnetic stirrer :농도계측실험에서 hot plate의 역할은 하지 않고 chamber내의 공기를 잘 섞어주는 stirrer역할만 하게 됨.		질소 gas : 질소는 보통공기중에 79%이며 이 질소통안에는 99% 질소 와 1% 의 불순물이 섞여있음.
	진공펌프 :chamber내의 공기를 실험하기전 최대한 진공상태로 만들어주기 위해 필요한 장치.		regulator :산소와 질소를 챔버 내부로 주입시키기 위해서 양조절과 주입을 결정시키는 장치임.

 

 

 

<가스분석기 옵티마7>

 

농도 산출방식

-연속측정이 가능할 경우

:30분 연속 측정으로검사가 완료되었을 경우 측정결과 기록을 검사 시작시점부터 6개의 5분데이터를 활용하여30분 평균값 산출

-연속측정이 불가능한 경우

:10분 간격으로 혹은 불가하다면 5분데이터를 활용하여 30분 평균값 산출

 

 

 

 

3.실험 과정

 

<1. 초기에 Chamber안에 공기만 있게 해주는 상태>

 

1) 진공펌프를 이용하여 Chamber의 압력을 최대한 진공상태로 만든다. 최대한 감압하도록 한다. 이때 0기압(진공상태)의 값은 gauge압력 기준 –1.01325bar가 되므로 최대한 이 값에 맞추려고 노력해본다

2) Chamber에 초기에 공기만 찰수있게 만들어준뒤 (-0.95bar이상되면 안에 공기로 가득찼다고 가정하도록 하자. –1.01325bar로 만들어 주는 것은 어렵기 때문이다.)질소를 어느정도 주입한다.

3) 값이 일정하게 유지되는 상태라면, Chamber에 공기를 어느정도 주입한다.

4) 값이 일정하게 유지되는 상태라면, Chamber에 질소를 어느정도 주입한다.

5) 산소의 농도와 질소의 농도를 직접 계산하여 값을 구해본다.

6) 가스분석기를 이용해 내가 구한 농도값과 차이가 있는지 확인해본후 두 값을 비교해본다.

 

<2. 초기에 Chamber안에 질소만 있게 해주는 상태>

 

1) 진공펌프를 이용하여 Chamber의 압력을 최대한 진공상태로 만든다. 최대한 감압하도록 한다. 이때 0기압(진공상태)의 값은 gauge압력 기준 –1.01325bar가 되므로 최대한 이 값에 맞추려고 노력해본다

2) Chamber에 초기에 질소만 찰수있게 만들어준뒤 (-0.95bar이상되면 안에 공기로 가득찼다고 가정하도록 하자. –1.01325bar로 만들어 주는 것은 어렵기 때문이다.)질소를 어느정도 주입한다.

3) 값이 일정하게 유지되는 상태라면, Chamber에 공기를 어느정도 주입한다.

4) 값이 일정하게 유지되는 상태라면, Chamber에 질소를 어느정도 주입한다.

5) 산소의 농도와 질소의 농도를 직접 계산하여 값을 구해본다.

6) 가스분석기를 이용해 내가 구한 농도값과 차이가 있는지 확인해본후 두 값을 비교해본다.

 

<3. 초기에 Chamber안에 공기만 있게 해주는 상태>

 

1) 진공펌프를 이용하여 Chamber의 압력을 최대한 진공상태로 만든다. 최대한 감압하도록 한다. 이때 0기압(진공상태)의 값은 gauge압력 기준 –1.01325bar가 되므로 최대한 이 값에 맞추려고 노력해본다

2) Chamber에 초기에 공기만 찰수있게 만들어준뒤 (-0.95bar이상되면 안에 공기로 가득찼다고 가정하도록 하자. –1.01325bar로 만들어 주는 것은 어렵기 때문이다.)질소를 어느정도 주입한다.

3) 값이 일정하게 유지되는 상태라면, Chamber에 공기를 어느정도 주입한다.

4) 값이 일정하게 유지되는 상태라면, Chamber에 질소를 어느정도 주입한다.

5) 산소의 농도와 질소의 농도를 직접 계산하여 값을 구해본다.

6) 가스분석기를 이용해 내가 구한 농도값과 차이가 있는지 확인해본후 두 값을 비교해본다.

4.실험 결과 및 분석

 

압력 (bar)	실험 과정
-0.9203
↓	계속 공기를 조금씩 넣어줌 (초기에 챔버내에 공기만 차게 하려고)
-0.9567
↓	질소 주입 (이때 압력이0.9303으로 높아졌다가 감소)
+0.9070
↓	공기 주입 (이때 압력이 3.5285까지 높아졌다가 감소)
+3.3286
↓	질소 주입
+4.1040

1차 실험

계산 값		가스 분석기 값
산소 농도(%)	10.12	산소 농도(%)	10.2 %
질소 농도(%)	89.88	질소 농도(%)	89.8 %

 

 

산소의 농도와 질소의 농도를 구하기 앞서 압력과 몰수의 관계를 잘 이해해야한다. 먼저 PV=nRT에 따르면 압력과 몰수는 비례관계에 있기 때문에 농도=특정성분 몰수/전체몰수 비율이기 때문에 압력을 통해 농도를 구할 수 있다.

 

산소의 농도구하기

= (공기주입량)/(전체 주입량) x 0.21 x100

= (공기주입시 압력변화량)/(전체 압력변화량) x 0.21 x100

= (3.3286-0.9070)/(4.1010-(-0.9203)) x 0.21 x100

= 10.12(%)

 

질소의 농도구하기

= (질소 주입량)/(전체 주입량) x100

= (질소 주입시 압력변화량)/(전체 압력변화량) x100

= (0.9070+0.9567)+(4.1040-3.3268)/(4.1010-(-0.9203)) x100

= 89.88(%)

 

2차 실험

압력 (bar)	실험 과정
-0.8000
↓	계속 질소를 조금씩 넣어줌 (초기에 챔버내에 질소만 차게 하려고)
-0.9500
↓	질소 주입
-0.9550
↓	공기 주입 (이때 압력이 0.24 까지 높아졌다가 감소)
+0.2388
↓	질소 주입 (이때 압력이 4까지 높아졌다가 감소)
+3.7413

계산 값		가스 분석기 값
산소 농도(%)	5.3%	산소 농도(%)	5.2 %
질소 농도(%)	94.7%	질소 농도(%)	94.8 %

 

산소의 농도와 질소의 농도를 구하기 앞서 압력과 몰수의 관계를 잘 이해해야한다. 먼저 PV=nRT에 따르면 압력과 몰수는 비례관계에 있기 때문에 농도=특정성분 몰수/전체몰수 비율이기 때문에 압력을 통해 농도를 구할 수 있다.

 

산소의 농도구하기

= (공기주입량)/(전체 주입량) x 0.21 x100

= (공기주입시 압력변화량)/(전체 압력변화량) x 0.21 x100

= (0.2388-(-0.955))/(3.7413+0.95) x 0.21 x100

= 5.3(%)

 

질소의 농도구하기

= (질소 주입량)/(전체 주입량) x100

= (질소 주입시 압력변화량)/(전체 압력변화량) x100

= (-0.955-(-0.95)+(3.7413-0.2388))/(3.7413+0.95) x100

= 94.7(%)

 

 

 

 

 

 

3차 실험

압력 (bar)	실험 과정
-0.9623
↓	계속 공기를 조금씩 넣어줌 (초기에 챔버내에 공기만 차게 하려고)
+1.3265
↓	질소 주입 (이때 압력이2.xxx으로 높아졌다가 감소)
+1.6609
↓	공기 주입
+2.1545
↓	질소 주입
+2.9126

계산 값		가스 분석기 값
산소 농도(%)	2.4 %	산소 농도(%)	3.2 %
질소 농도(%)	97.6%	질소 농도(%)	96.8 %

 

산소의 농도와 질소의 농도를 구하기 앞서 압력과 몰수의 관계를 잘 이해해야한다. 먼저 PV=nRT에 따르면 압력과 몰수는 비례관계에 있기 때문에 농도=특정성분 몰수/전체몰수 비율이기 때문에 압력을 통해 농도를 구할 수 있다.

 

산소의 농도구하기

= (공기주입량)/(전체 주입량) x 0.21 x100

= (공기주입시 압력변화량)/(전체 압력변화량) x 0.21 x100

= (2.1545-1.6609)/(2.9126-1.3265) x 0.21 x100

= 2.4(%)

 

질소의 농도구하기

= (질소 주입량)/(전체 주입량) x100

= (질소 주입시 압력변화량)/(전체 압력변화량) x100

= ((1.6609-1.3265)+(2.9126-2.1545))/(2.9126-1.3265) x100

= 97.6(%)

 

 

 

 

 

 

 

<1차 실험>

계산 값		가스 분석기 값
산소 농도(%)	10.12	산소 농도(%)	10.2 %
질소 농도(%)	89.88	질소 농도(%)	89.8 %

 

<2차 실험>

계산 값		가스 분석기 값
산소 농도(%)	5.3%	산소 농도(%)	5.2 %
질소 농도(%)	94.7%	질소 농도(%)	94.8 %

 

<3차 실험>

계산 값		가스 분석기 값
산소 농도(%)	2.4 %	산소 농도(%)	3.2 %
질소 농도(%)	97.6%	질소 농도(%)	96.8 %

 

 

 

x축 :실험 1,2,3

y축 :농도(%)

 

 

 

 

 

 

 

 

<오차율>

 

	농도	계산 값	가스 분석기 값	오차율(%)
1차 실험	산소 농도(%)	10.12	10.2 %	0.7
	질소 농도(%)	89.88	89.8 %	0.8
2차 실험	산소 농도(%)	5.3%	5.2 %	1.8
	질소 농도(%)	94.7%	94.8 %	0.1
3차 실험	산소 농도(%)	2.4 %	3.2 %	33
	질소 농도(%)	97.6%	96.8 %	0.8

 

- 산값과 실제 가스 분석기 값의 산소 농도아 질소농도를 비교해보면 거의비슷하며 낮은 오차율을 보인다.

-PV=nRT값을 가지고 몰수비를 계산하여 농도를 구하는 방식은 상당히 높은 정확도를 보이며 몰수와 압력이 비례관계에 있음을 확실히 알 수 있다.

-처음에 완전진공을 가정하고 그 안에 질소로 꽉채우고 실험을 하든 공기로 안을 채우고 실험을 하나 계산값과 가스 분석기의 값의 차이는 크게 다르지 않음을 알 수 있다.

 

 

5.오차 원인

-공기의 농도는 정확히 1%의 불순물과 99%의 공기이기 때문에 완벽한 공기조성을 가지고 실험을 했다고 말하기는 어려움

-질소통안에 있는 질소의 조성도 99%의 질소와 1% 모르는 가스이기 때문에 완벽히 100%의 질소를 가지고 실험을 했다고 말하기는어려움

-초기에 완전진공을 가정하고 실험을 진행하였는데 우주가 아닌이상 완전진공이 어려움

-가스분석기 기기에 오차가 있을 수도있음

-압력단위도 소숫점 4째자리까지만 나오기 때문에 정확한 압력단위로 계산하기 어려움