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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 pitot-estático.
Un tubo pitot-estático tiene aberturas que miden la presión de estancamiento y la presión estática. Recordemos 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 tanto, la velocidad del flujo. Un método para correlacionar la velocidad del viento con la presión utilizando el tubo pitot-estático es mediante el uso de un manómetro de fluido.
Un manómetro de 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 aire estancado, donde no hay 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 de delta H utilizando esta ecuación. Aquí, rho L es la densidad del fluido en el manómetro y G es la aceleración gravitatoria. Esta relación se utiliza para calcular la velocidad del viento sustituyéndola en la ecuación de velocidad. Entonces podemos resolver la velocidad de flujo libre, V infinito, usando la densidad de flujo libre, rho infinito.
Sin embargo, los manómetros de 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 usar 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 hacer el transductor de presión de capacitancia, una de las placas conductoras se reemplaza por un diafragma conductor flexible. Cuando se aplica presión, el diafragma se desvía causando un cambio en el espacio 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 de corriente corresponde a una presión aplicada dada.
Al igual que el manómetro, el transductor de presión está conectado al tubo de Pitot y se calibra 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, la corriente y la velocidad del viento.
En esta demostración de laboratorio, utilizaremos 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 del viento y determinaremos la relación entre el voltaje y la velocidad.
Para este experimento, deberá utilizar un túnel de viento con su propio transductor de presión calibrado y capacidad para alcanzar una presión dinámica de 25 psf. También utilizará un tubo pitot-estático estándar y un manómetro de tubo diferencial en U con agua coloreada 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 aguijón vertical. Asegúrese de que la sonda esté en el centro de la sección de prueba. Alinee el tubo de Pitot con la dirección del flujo, de modo que el puerto primario mire directamente hacia el flujo de aire.
A continuación, alinee la parte superior del líquido del manómetro con el marcador de doble junta 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 desplazamiento.
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 pitot-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 voltaje 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. Luego, tome 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 de sin flujo de aire como la lectura de cero de la línea base. Ahora encienda el túnel de viento y ajuste 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 el ajuste de la 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 la histéresis, disminuya la presión dinámica en pasos de una psf, vuelva a bajar a cero psf, registrando nuevamente los datos en cada paso. Cuando se hayan recopilado todas las mediciones, apague todos los sistemas.
Ahora, echemos un vistazo a los resultados. En primer lugar, observamos un gráfico de las lecturas de altura del manómetro con presión dinámica creciente y decreciente. Aquí se muestran dos mediciones para cada traza. Uno es la lectura real del manómetro y el otro 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, utilizando la sencilla ecuación que se muestra. Aquí, usamos la densidad del líquido en el manómetro, que en este caso es 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 del transductor de presión, ajustaremos los datos crecientes y decrecientes por separado, lo que da como resultado dos ecuaciones lineales de mejor ajuste.
Sin embargo, vemos que los datos crecientes y decrecientes se alinean. Por lo tanto, 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 de corriente del transductor de presión, en lugar del voluminoso manómetro de fluido. 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 del flujo. A continuación, calibramos un transductor de presión sometiendo un tubo pitot-estático a diferentes velocidades del viento, y determinamos la relación entre el voltaje y la velocidad del viento.
