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Alle Flugzeuge verwenden Druckmessungen, um die Windgeschwindigkeit in Echtzeit berechnen zu können. In einem Flugzeug werden diese Druckmessungen mit Hilfe eines pitotstatischen Rohrs durchgeführt.
Ein pitot-statisches Rohr hat Öffnungen, die den Stagnationsdruck und den statischen Druck messen. Denken Sie daran, dass der Stagnationsdruck die Summe aus dem statischen Druck und dem dynamischen Druck ist, daher wird das pitot-statische Rohr verwendet, um den dynamischen Druck und damit die Strömungsgeschwindigkeit zu messen. Eine Methode, um die Windgeschwindigkeit mit Hilfe des pitotstatischen Rohrs mit dem Druck zu korrelieren, ist die Verwendung eines Fluidmanometers.
Ein Flüssigkeitsmanometer ist im Allgemeinen ein U-förmiges Glasrohr, das teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist. Ein Arm des Manometers ist mit dem Stagnationsdruckanschluss am Staurohr verbunden, der andere mit dem statischen Druckanschluss. In stehender Luft, wo es keine Differenz zwischen dem statischen Druck und dem Stagnationsdruck gibt, ist die Höhendifferenz der Manometerflüssigkeit Null.
Wenn das Manometer eine Druckdifferenz erfährt, wird dies durch eine Änderung der Flüssigkeitshöhe visualisiert. Die Druckdifferenz oder der dynamische Druck wird mit dieser Gleichung aus Delta H berechnet. Dabei ist rho L die Dichte des Fluids im Manometer und G die Gravitationsbeschleunigung. Diese Beziehung wird verwendet, um die Windgeschwindigkeit zu berechnen, indem sie in die Geschwindigkeitsgleichung eingefügt wird. Wir können dann die Freistromgeschwindigkeit V unendlich mit Hilfe der Freistromdichte rho unendlich auflösen.
Flüssigkeitsmanometer sind jedoch sperrig und müssen an Bord des Flugzeugs manuell abgelesen werden. Eine bequemere Methode zur Messung der Druckdifferenz ist daher die Verwendung eines Druckmessumformers anstelle des Manometers. Dadurch können wir die Druckdifferenz in ein elektrisches Signal umwandeln.
Ein kapazitiver Druckmessumformer basiert auf dem Funktionsprinzip eines Kondensators, der aus zwei leitfähigen Platten besteht, die durch einen Isolator getrennt sind. Die Kapazität wird nach der folgenden Gleichung gemessen, wobei mu die Dielektrizitätskonstante des Isolatormaterials, A die Fläche der Platten und D der Abstand zwischen den Platten ist.
Bei der Herstellung des kapazitiven Druckmessumformers wird eine der leitfähigen Platten durch eine flexible leitende Membran ersetzt. Wenn Druck ausgeübt wird, biegt sich die Membran aus, was zu einer Änderung des Abstands zwischen den Platten D führt, was zu einer Änderung der Kapazität führt. Die Elektronik im Wandler ist so kalibriert, dass sie bei entsprechenden Kapazitätsabweichungen spezifische Stromänderungen erzeugt. Somit entspricht ein Strommesswert einem gegebenen angelegten Druck.
Der Druckmessumformer ist wie das Manometer mit dem Staurohr verbunden und wird in einem Windkanal mit bekannten Windgeschwindigkeiten kalibriert. Dies ermöglicht es, eine mathematische Beziehung zwischen Strömung und Druck und damit auch zwischen Strömung und Windgeschwindigkeit zu erzeugen.
In dieser Labordemonstration werden wir ein pitotstatisches Rohr in einem Windkanal verwenden, das mit einem Druckwandler verbunden ist. Anschließend kalibrieren wir den Druckmessumformer bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten und ermitteln den Zusammenhang zwischen Spannung und Drehzahl.
Für dieses Experiment müssen Sie einen Windkanal mit einem eigenen kalibrierten Druckmessumformer verwenden, der einen dynamischen Druck von 25 psf erreichen kann. Sie verwenden auch ein Standard-Staurohr und ein Differenz-U-Rohr-Manometer mit farbigem Wasser, um diesen Differenzdruckmessumformer zu kalibrieren.
Montieren Sie zunächst das pitot-statische Rohr im Windkanal mit einer vertikalen Stachelhalterung oben auf der Teststrecke. Stellen Sie sicher, dass sich die Sonde in der Mitte der Prüfstrecke befindet. Richten Sie das Staurohr in der Strömungsrichtung aus, so dass der Primäranschluss direkt in den Luftstrom zeigt.
Richten Sie als Nächstes die Oberseite der Manometerflüssigkeit auf die doppelte O-Ring-Markierung auf dem Glasrohr aus. Wenn der Messwert auf der Hauptskala nicht Null ist, richten Sie das Fluid an einem anderen Referenzpunkt aus und notieren Sie die Versatzhöhe.
Verwenden Sie einen T-Verbinder, um den Durchfluss von einem Rohr auf zwei aufzuteilen, und verbinden Sie dann die Stagnations- und statischen Druckausgänge am Staurohr mit den entsprechenden Anschlüssen am U-Rohr-Manometer. Montieren Sie den Druckmessumformer außerhalb der Windkanal-Teststrecke auf einer senkrechten Fläche. Richten Sie eine Standardspannungsversorgung ein, um den Druckmessumformer mit Strom zu versorgen, und ein Multimeter zum Ablesen des Ausgangsstroms. Verbinden Sie dann die Stagnations- und statischen Druckausgänge mit den entsprechenden Druckanschlüssen am Messumformer.
Sichern Sie nun die Windkanaltüren und schalten Sie alle Systeme ein. Nehmen Sie dann Messungen des Windkanal-Wandlerdrucks, der Manometerhöhe und des Differenzdruck-Wandlerstroms vor. Notieren Sie die Messungen für den Zustand ohne Luftstrom als Nullwert der Basislinie. Schalten Sie nun den Windkanal ein und stellen Sie den Staudruck in der Teststrecke auf eins psf.
Sobald sich die Strömung stabilisiert hat, erfassen Sie den Schallkopfdruck, den Höhenunterschied des Manometers und den Aufnehmerstrom. Erhöhen Sie die Einstellung des Staudrucks im Windkanal in Schritten von einem psf bis zu einer maximalen Einstellung von 20 psf, wobei die Daten bei jedem Schritt aufgezeichnet werden. Um die Hysterese zu überprüfen, verringern Sie den dynamischen Druck in Schritten von einem psf, senken Sie ihn wieder auf null psf und zeichnen Sie bei jedem Schritt erneut Daten auf. Wenn alle Messungen erfasst wurden, fahren Sie alle Systeme herunter.
Werfen wir nun einen Blick auf die Ergebnisse. Zuerst betrachten wir ein Diagramm der Manometer-Höhenmesswerte mit zunehmendem und abnehmendem dynamischem Druck. Für jede Spur werden hier zwei Messungen angezeigt. Einer ist der tatsächliche Manometerstand, und der andere wurde mit der Versatzhöhe von 0,8 Zoll korrigiert. Wir können den Manometerdruck aus der Manometerhöhe berechnen, indem wir die gezeigte einfache Gleichung verwenden. Hier verwenden wir die Dichte der Flüssigkeit im Manometer, die in diesem Fall Wasser ist, die Gravitationsbeschleunigung sowie die Versatz- und Höhenmessungen des Manometers.
Nachdem wir nun den Druck aus dem Manometermesswert berechnet haben, vergleichen wir ihn mit den Strommesswerten des Druckmessumformers. Um die Kalibrierkurve für den Druckmessumformer zu erhalten, passen wir die aufsteigenden und abnehmenden Daten getrennt an, was zu zwei linearen Best-Fit-Gleichungen führt.
Wir sehen jedoch, dass die zunehmenden und abnehmenden Daten übereinstimmen. Daraus lässt sich schließen, dass der Druckmessumformer keine Hysterese aufweist. Auf diese Weise können wir auf eine einzige Kalibriergleichung vereinfachen, wodurch wir den Druck anhand des aktuellen Messwerts des Druckmessumformers messen können, anstatt mit dem sperrigen Flüssigkeitsmanometer. Durch den Anschluss der pitotstatischen Sonde an den kalibrierten Messumformer können wir den Staudruck und damit die Windgeschwindigkeiten direkt messen.
Zusammenfassend haben wir gelernt, wie die während des Fluges gemessenen Druckunterschiede mit der Strömungsgeschwindigkeit korrelieren. Anschließend kalibrierten wir einen Druckmessumformer, indem wir ein pitotstatisches Rohr unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten aussetzten, und bestimmten den Zusammenhang zwischen Spannung und Windgeschwindigkeit.
