Transductor de presión: Calibración mediante un tubo de Pitot estático

Pressure Transducer: Calibration Using a Pitot-static Tube

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Pressure Transducer: Calibration Using a Pitot-static Tube

8.1: Real-time Flight Control: Embedded Sensor Calibration and Data Acquisition

8.4: Cross Cylindrical Flow: Measuring Pressure Distribution and Estimating Drag Coefficients

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08:12 min

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October 13, 2017

Overview

Fuente: Shreyas Narsipur, Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh, Carolina del Norte

La presión de fluido es una característica de flujo importante que se requiere para determinar la aerodinámica de un sistema. Uno de los sistemas de medición de presión más antiguos y aún existentes es el manómetro debido a su precisión y simplicidad de funcionamiento. El manómetro es generalmente un tubo de vidrio en forma de U que está parcialmente lleno de líquido, como se muestra en la Figura 1. El manómetro de tubo En U no requiere calibración porque no tiene ninguna parte móvil, y sus medidas son funciones de gravedad y la densidad del líquidos. Por lo tanto, el manómetro es un sistema de medición simple y preciso.

Figura 1. Esquema de un manómetro de tubo en U.

Las mediciones de presión en tiempo real se obtienen en aeronaves conectando los puertos de estancamiento y presión estática de una sonda pitot-estática, un dispositivo que se utiliza comúnmente para medir la presión de flujo de fluido, a los puertos de un dispositivo de medición de presión. Esto permite a los pilotos obtener las condiciones de vuelo existentes y advertirles si se producen cambios en las condiciones de vuelo. Mientras que los manómetros proporcionan lecturas de presión muy precisas, son inherentemente voluminosos. Se necesita una solución más realista para medir las presiones de las aeronaves, ya que uno de los principales objetivos de diseño es mantener el peso total de la aeronave lo más bajo posible. Hoy en día, los transductores de presión electromecánicos, que convierten la presión aplicada en una señal eléctrica, se utilizan ampliamente para aplicaciones de detección de presión en aeronaves porque son pequeños, ligeros y se pueden colocar casi en cualquier lugar del fuselaje. Las características anteriores no solo ayudan a reducir el peso, sino que también reducen la cantidad de tubos necesarios para conectar la sonda pitotestática al transductor, lo que reduce el tiempo de respuesta de los datos. Además, en las pruebas de vuelo de aeronaves experimentales, los transductores de presión en miniatura son útiles, ya que permiten a los investigadores maximizar la recopilación de datos de presión sin aumentar significativamente el peso de la aeronave. Mientras que existen diferentes tipos de transductores de presión con diferentes técnicas de medición, uno de los tipos más comunes de transductor es el transductor de presión capacitivo. Como los transductores son capaces de enviar sólo señales en términos de voltaje y corriente, se requiere calibración del transductor para relacionar la fuerza de una señal en particular con la presión que hace que el transductor genere la señal. El ajuste de curva final que relaciona la corriente o voltaje del transductor con una medición física, en nuestro caso la presión, se conoce comúnmente como la curva de calibración del transductor.

En este experimento, se coloca una sonda pitotestática en un túnel de viento subsónico con los puertos de estancamiento y presión estática conectados a los puertos totales y estáticos tanto del manómetro del tubo U como del transductor de presión. A continuación, el túnel de viento se ejecuta a diferentes ajustes de presión dinámica, y se registra la lectura de presión correspondiente del manómetro del tubo U y las lecturas de corriente producidas por el transductor. Estos datos se utilizan para generar curvas de calibración para el transductor de presión.

Principles

Para medir la presión dinámica, cada tramo del manómetro del tubo U está conectado a presiones desconocidas de los puertos de presión estática y total del tubo pitot-estático. La diferencia resultante se da por la siguiente ecuación:

(1)

lo que se traduce en una diferencia en la altura de la columna en el manómetro del tubo En U. Esta diferencia en las presiones, o presión dinámica, se puede calcular utilizando la expresión:

(2)

donde el _agua es la densidad del agua (el fluido en el manómetro del tubo U), g es la aceleración debido a la gravedad, y el_manómetro h es la diferencia en las alturas de las columnas en el manómetro del tubo U. En algunos casos, el manómetro puede tener un desplazamiento debido a la cantidad insuficiente de líquido en la cámara y el desplazamiento en altura, h_apagado, tendrá que tenerse en cuenta en la ecuación anterior como:

(3)

El transductor de presión se basa en el principio de funcionamiento de un condensador, que consta de dos placas conductoras separadas por un aislante(Figura 2).

Figura 2. Esquemas de un condensador (A) y un transductor de presión de capacitancia (B).

La capacitancia se mide utilizando la ecuación:

(4)

donde es la constante dieléctrica del material, A es el área de las placas, y d es el espaciado entre las placas. En un transductor de presión de capacitancia, una de las placas conductoras es reemplazada por un diafragma de conducción flexible, como se muestra en la Figura 2. Cuando se aplica presión, el diafragma se desvía, lo que provoca un cambio en d, lo que conduce a un cambio en la capacitancia. La electrónica del transductor está calibrada para generar cambios de voltaje específicos para los cambios correspondientes en la capacitancia, que a su vez se puede utilizar para medir la corriente para una presión aplicada determinada.

Procedure

1. Calibración del transductor de presión

En esta demostración, se utilizó un túnel de viento subsónico con una sección de prueba de 2,6 pies x 3,7 pies y un ajuste de presión dinámica máxima de 25 psf. Se utilizó un transductor de presión precalibrado para ajustar la presión dinámica en la sección de prueba del túnel de viento, y se utilizó un manómetro diferencial de tubo U con agua de color y escala para medir la altura del fluido(Figura 3). También se utilizó un transductor de presión diferencial(Figura 4),una fuente de tensión estándar (para alimentar el transductor) y un multímetro (para leer la corriente de salida del transductor), que se muestran en la Figura 5.

Figura 3. Manómetro de tubo U de presión diferencial.

Figura 4. Transductor de presión diferencial.

Figura 5. Fuente de alimentación (izquierda) y multímetro (derecha).

Monte un tubo estándar de pitot estático(Figura 6) desde la parte superior del túnel de viento utilizando un soporte de picadura vertical. Asegúrese de que la sonda está en el centro de la sección de prueba y está alineada en la dirección del flujo con el puerto primario orientado directamente al flujo.

Figura 6. Tubo ppít-estático.

Alinee la parte superior del fluido del manómetro con el marcador de doble anillo tórica en el tubo de vidrio. Si la lectura en la escala principal (en marrón, Figura 3) no corresponde a cero, elija un punto de referencia diferente, alinee el fluido del manómetro con la nueva referencia y registre el desplazamiento en altura (h_off).
Conecte las salidas de estancamiento y presión estática del tubo pitot-estático a los puertos correspondientes del manómetro utubo y el transductor de presión mediante tubos de plástico flexibles y conectores de canal En. Tenga en cuenta que el transductor de presión se puede montar en cualquier superficie vertical plana siempre y cuando esté alineado de acuerdo con la Figura 4.
Asegure las puertas del túnel de viento y encienda todos los sistemas.
Tome la lectura para la condición de flujo sin aire (lectura cero).
Inicie el túnel de viento y establezca la presión dinámica en la sección de prueba en 1psf.
Registre los datos correspondientes al Cuadro 1.
Aumente el ajuste de presión dinámica en el túnel de viento en pasos de 1psf hasta un ajuste máximo de 20psf y repita el paso 1.7 en cada ajuste de presión dinámica.
Para comprobar si hay histéresis del transductor, disminuya la presión dinámica en pasos de 1psf hasta 0psf y repita el paso 1.7 en cada ajuste de presión dinámica.
Al finalizar la prueba, apague todos los sistemas.

Tabla 1. Datos recopilados para el experimento de calibración de presión

Transductor P (psf)	_manómetro h (pulg)	I_transductor (mA)
Transductor WT	Manómetro	Multímetro

Todos los aviones utilizan mediciones de presión para hacer cálculos en tiempo real de la velocidad del viento. En un avión, estas mediciones de presión se obtienen utilizando un tubo estático pitot.

Un tubo pitót-estático tiene aberturas que miden la presión de estancamiento y la presión estática. Recuerde que la presión de estancamiento es la suma total de la presión estática y la presión dinámica, por lo que el tubo pitot-estático se utiliza para medir la presión dinámica y, por lo tanto, la velocidad de flujo. Un método para correlacionar la velocidad del viento con la presión utilizando el tubo pitot-estático es mediante el uso de un manómetro fluido.

Un manómetro fluido es generalmente un tubo de vidrio en forma de U que está parcialmente lleno de líquido. Un brazo del manómetro está conectado al puerto de presión de estancamiento en el tubo pitot-estático, y el otro al puerto de presión estática. En el aire estancado, donde esto no es diferencia entre la presión estática y la presión de estancamiento, la diferencia de altura del fluido del manómetro es cero.

Cuando el manómetro experimenta un diferencial de presión, se visualiza mediante un cambio en la altura del fluido. El diferencial de presión, o presión dinámica, se calcula a partir del delta H utilizando esta ecuación. Aquí, rho L es la densidad del fluido en el manómetro y G es la aceleración gravitacional. Esta relación se utiliza para calcular la velocidad del viento sustituyéndola en la ecuación de velocidad. A continuación, podemos resolver para la velocidad de flujo libre, V infinito, utilizando la densidad de flujo libre, rho infinito.

Sin embargo, los manómetros fluidos son voluminosos y requieren lectura manual a bordo de la aeronave. Por lo tanto, un método más conveniente para medir el diferencial de presión es utilizar un transductor de presión en lugar del manómetro. Esto nos permite convertir el diferencial de presión en una señal eléctrica.

Un transductor de presión de capacitancia se basa en el principio de funcionamiento de un condensador, que consta de dos placas conductoras separadas por un aislante. La capacitancia se mide mediante la siguiente ecuación, donde mu es la constante dieléctrica del material aislante, A es el área de las placas y D es el espaciado entre las placas.

Para fabricar el transductor de presión de capacitancia, una de las placas conductoras es reemplazada por un diafragma de conducción flexible. Cuando se aplica presión, el diafragma se desvía causando un cambio en el espaciado entre las placas D, lo que resulta en un cambio en la capacitancia. La electrónica del transductor está calibrada para generar cambios de corriente específicos para las desviaciones correspondientes en la capacitancia. Por lo tanto, una lectura actual corresponde a una presión aplicada dada.

Al igual que el manómetro, el transductor de presión está conectado al tubo de pitot y está calibrado en un túnel de viento con velocidades de viento conocidas. Esto nos permite generar una relación matemática entre la corriente y la presión, y por extensión, corriente y velocidad del viento.

En esta demostración de laboratorio, usaremos un tubo pitot-estático en un túnel de viento conectado a un transductor de presión. A continuación, calibraremos el transductor de presión a varias velocidades de viento y determinaremos la relación entre voltaje y velocidad.

Para este experimento, necesitará utilizar un túnel de viento con su propio transductor de presión calibrado y la capacidad de alcanzar una presión dinámica de 25 psf. También utilizará un tubo estándar pitot-static y un manómetro diferencial de tubo En U con agua de color para calibrar este transductor de presión diferencial.

Para empezar, monte el tubo pitot-estático dentro del túnel de viento en la parte superior de la sección de prueba utilizando un soporte de picadura vertical. Asegúrese de que la sonda esté en el centro de la sección de prueba. Alinee el tubo pitot con la dirección del flujo, de modo que el puerto primario se dirija directamente al flujo de aire.

A continuación, alinee la parte superior del fluido del manómetro con el marcador de doble anillo tórica en el tubo de vidrio. Si la lectura en la escala principal no corresponde a cero, alinee el fluido con un punto de referencia diferente y registre la altura de desfase.

Utilice un conector En T para dividir el flujo de un tubo a dos, luego conecte las salidas de estancamiento y presión estática en el tubo pitón-estático, a los puertos correspondientes en el manómetro de tubo En U. Monte el transductor de presión fuera de la sección de prueba del túnel de viento en una superficie vertical. Configure una fuente de tensión estándar para alimentar el transductor de presión y un multímetro para leer la corriente de salida. A continuación, conecte las salidas de estancamiento y presión estática a los puertos de presión correspondientes del transductor.

Ahora, asegure las puertas del túnel de viento y encienda todos los sistemas. A continuación, tome las lecturas de la presión del transductor del túnel de viento, la altura del manómetro y la corriente del transductor de presión diferencial. Registre las mediciones para la condición sin flujo de aire como la lectura de la línea base cero. Ahora encienda el túnel de viento, y fije la presión dinámica en la sección de prueba a un psf.

Una vez que el flujo se haya estabilizado, registre la presión del transductor, la diferencia de altura del manómetro y la corriente del transductor. Aumente la configuración de presión dinámica en el túnel de viento en pasos de un psf, hasta un ajuste máximo de 20 psf, registrando los datos en cada paso. Para comprobar si hay histéresis, disminuya la presión dinámica en pasos de un psf, de nuevo a cero psf, registrando de nuevo los datos en cada paso. Cuando se hayan recogido todas las mediciones, apague todos los sistemas.

Ahora, echemos un vistazo a los resultados. En primer lugar, nos fijamos en una gráfica de las lecturas de altura del manómetro con una presión dinámica creciente y decreciente. Aquí se muestran dos mediciones para cada traza. Una es la lectura del manómetro real, y la otra se ha corregido con la altura de desplazamiento de 0,8 pulgadas. Podemos calcular la presión del manómetro a partir de la altura del manómetro, usando la ecuación simple mostrada. Aquí, utilizamos la densidad del líquido en el manómetro, que es en este caso el agua, la aceleración gravitacional, y las mediciones de desplazamiento y altura del manómetro.

Ahora que hemos calculado la presión a partir de la lectura del manómetro, la trazaremos contra las lecturas de corriente del transductor de presión. Para obtener la curva de calibración para el transductor de presión, ajustaremos los datos crecientes y decrecientes por separado, lo que resulta en dos ecuaciones lineales de mejor ajuste.

Sin embargo, vemos que el aumento y la disminución de la línea de datos. Así que podemos concluir que el transductor de presión no presenta histéresis. Por lo tanto, podemos simplificar a una sola ecuación de calibración, lo que nos permite medir la presión utilizando la lectura actual del transductor de presión, en lugar del manómetro de fluidovo. Al conectar la sonda pitot-estática al transductor calibrado, podemos medir directamente la presión dinámica y, por lo tanto, las velocidades del viento.

En resumen, aprendimos cómo los diferenciales de presión medidos durante el vuelo se correlacionan con la velocidad de flujo. Luego calibramos un transductor de presión sometiendo un tubo pitt-estático a diferentes velocidades de viento, y determinamos la relación entre el voltaje y la velocidad del viento.

Results

En el análisis se utilizaron las siguientes constantes: densidad de agua, _agua:61,04 lb/pie³; aceleración debido a la gravedad, g: 32,15 ft/s²; y manómetro apagado, h_apagado a 0,8 pulgadas. La variación en los datos del manómetro para aumentar y disminuir las presiones dinámicas (con y sin corrección para el instrumento desactivado) se muestra en la Figura 7. La Figura 8 muestra una gráfica de las lecturas de corriente del transductor contra la presión del manómetro, que se calculó utilizando la Ecuación 3.

Para obtener la curva de calibración para el transductor de presión, se ajustan dos curvas lineales a través de los puntos de datos crecientes y decrecientes, respectivamente. Las ecuaciones de ajuste lineal correspondientes son:

(5)

(6)

Las ecuaciones para las curvas crecientes y decrecientes son casi similares, y las dos curvas se alinean entre sí, como se observa en la Figura 8. Por lo tanto, se puede deducir que el transductor de presión no tiene ninguna histéresis. Se puede utilizar una única ecuación de calibración que relaciona la corriente con la presión (Ecuaciones 5 o 6) para el transductor, eliminando así la necesidad de utilizar el voluminoso sistema de manómetro de tubo en U para todas las mediciones de presión futuras.

Figura 7. Variación de la altura del fluido del manómetro con presión dinámica del túnel de viento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8. Curvas de calibración para el transductor de presión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Applications and Summary

Los transductores electromecánicos son reemplazos populares para algunos de los sistemas de medición más voluminosos. Sin embargo, los transductores deben calibrarse regularmente utilizando dispositivos de medición estandarizados para ser herramientas experimentales eficaces. En este experimento, se calibraba un transductor de presión electromecánico de tipo capacitivo listo para usar comparando las señales de corriente generadas por el transductor para una serie de condiciones de presión dinámica en un túnel de viento subsónico con la presión mediciones de un manómetro de tubo en U. Los resultados mostraron que existe una relación lineal entre la señal de corriente del transductor‘s y la presión con histéresis sensor insignificante. Se obtuvo una única ecuación de calibración que relacionaba la salida de corriente del transductor con la presión.

Los modernos sistemas de medición electromecánica proporcionan un camino para automatizar la adquisición de datos experimentales y se pueden utilizar en sistemas estáticos y dinámicos en tiempo real para la monitorización y el análisis de datos. Sin embargo, las prácticas de calibración adecuadas, como la que se muestra en este experimento, son necesarias para ayudar a los usuarios a obtener datos precisos y repetibles utilizando dichos sensores.

Transcript

All airplanes use pressure measurements in order to make real-time calculations of wind speed. In an airplane, these pressure measurements are obtained using a pitot-static tube.

A pitot-static tube has openings that measure the stagnation pressure and the static pressure. Recall that stagnation pressure is the sum total of the static pressure and the dynamic pressure, so the pitot-static tube is used to measure the dynamic pressure and therefore the flow velocity.One method to correlate wind speed to pressure using the pitot-static tube is by using a fluid manometer.

A fluid manometer is generally a U-shaped glass tube that is partially filled with liquid. One arm of the manometer is connected to the stagnation pressure port on the pitot-static tube, and the other to the static pressure port. In stagnant air, where this is no difference between the static pressure and stagnation pressure, the manometer fluid height difference is zero.

When the manometer experiences a pressure differential, it is visualized by a change in fluid height. The pressure differential, or dynamic pressure, is calculated from delta H using this equation. Here, rho L is the density of fluid in the manometer and G is gravitational acceleration. This relationship is used to calculate the wind speed by substituting it into the velocity equation. We can then solve for the free-stream velocity, V infinity, using the free-stream density, rho infinity.

However, fluid manometers are bulky, and require manual reading onboard the aircraft. Thus, a more convenient method to measure the pressure differential is to use a pressure transducer in place of the manometer. This enables us to convert the pressure differential into an electrical signal.

A capacitance pressure transducer is based on the working principle of a capacitor, which consists of two conductive plates separated by an insulator. Capacitance is measured by the following equation, where mu is the dielectric constant of the insulator material, A is the area of plates, and D is the spacing between the plates.

To make the capacitance pressure transducer, one of the conductive plates is replaced by a flexible conducting diaphragm. When pressure is applied, the diaphragm deflects causing a change in the spacing between the plates D, resulting in a change in capacitance. The electronics in the transducer are calibrated to generate specific current changes for corresponding deviations in capacitance. Thus, a current reading corresponds to a given applied pressure.

Like the manometer, the pressure transducer is connected to the pitot-tube and is calibrated in a wind tunnel with known wind speeds. This enables us to generate a mathematical relationship between current and pressure, and by extension, current and wind speed.

In this lab demonstration, we will use a pitot-static tube in a wind tunnel connected to a pressure transducer. We will then calibrate the pressure transducer at various wind speeds and determine the relationship between voltage and speed.

For this experiment, you’ll need to use a wind tunnel with its own calibrated pressure transducer and ability to reach a dynamic pressure of 25 psf. You will also use a standard pitot-static tube and a differential U-tube manometer with colored water to calibrate this differential pressure transducer.

To begin, mount the pitot-static tube inside of the wind tunnel on the top of the test section using a vertical sting mount. Ensure that the probe is at the center of the test section. Align the pitot tube with the direction of flow, so that the primary port faces directly into the air flow.

Next, align the top of the manometer fluid to the double O-ring marker on the glass tube. If the reading on the main scale does not correspond to zero, align the fluid to a different reference point, and record the offset height.

Use a T-connector to split the flow from one tube to two, then connect the stagnation and static pressure outlets on the pitot-static tube, to the corresponding ports on the U-tube manometer. Mount the pressure transducer outside of the wind tunnel test section on a vertical surface. Set up a standard voltage supply to power the pressure transducer and a multimeter to read the output current. Then, connect the stagnation and static pressure outlets to the corresponding pressure ports on the transducer.

Now, secure the wind tunnel doors and switch on all of the systems. Then, take readings of the wind tunnel transducer pressure, the manometer height, and the differential pressure transducer current. Record the measurements for the no airflow condition as the base line zero reading. Now turn on the wind tunnel, and set the dynamic pressure in the test section to one psf.

Once the flow has stabilized, record the transducer pressure, the manometer height difference, and transducer current. Increase the dynamic pressure setting in the wind tunnel in steps of one psf, up to a maximum setting of 20 psf, recording the data at each step. In order to check for hysteresis, decrease the dynamic pressure in steps of one psf, back down to zero psf, again recording data at each step. When all of the measurements have been collected, shut down all systems.

Now, lets take a look at the results. First, we look at a plot of the manometer height readings with increasing and decreasing dynamic pressure. Two measurements are shown here for each trace. One is the actual manometer reading, and the other has been corrected with the offset height of 0.8 inches. We can calculate the manometer pressure from the manometer height, using the simple equation shown. Here, we use the density of the liquid in the manometer, which is in this case water, gravitational acceleration, and the manometer offset and height measurements.

Now that we have calculated the pressure from the manometer reading, we’ll plot it against the pressure transducer current readings. To obtain the calibration curve for the pressure transducer, we’ll fit the increasing and decreasing data separately, resulting in two linear best fit equations.

However, we see that the increasing and decreasing data line up. So we can conclude that the pressure transducer does not exhibit hysteresis. Thus, we can simplify to a single calibration equation, thereby enabling us to measure pressure using the current reading from pressure transducer, rather than the bulky fluid manometer. By connecting the pitot-static probe to the calibrated transducer, we can directly measure the dynamic pressure and therefore, wind speeds.

In summary, we learned how pressure differentials measured during flight correlate to flow velocity. We then calibrated a pressure transducer by subjecting a pitot-static tube to varying wind speeds, and determined the relationship between voltage and wind speed.

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