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Tous les avions utilisent des mesures de pression afin de calculer en temps réel la vitesse du vent. Dans un avion, ces mesures de pression sont obtenues à l’aide d’un tube pitot-statique.
Un tube Pitot-statique a des ouvertures qui mesurent la pression de stagnation et la pression statique. Rappelons que la pression de stagnation est la somme totale de la pression statique et de la pression dynamique, donc le tube pitot-statique est utilisé pour mesurer la pression dynamique et donc la vitesse d’écoulement. Une méthode pour corréler la vitesse du vent à la pression à l’aide du tube pitot-statique consiste à utiliser un manomètre à fluide.
Un manomètre à fluide est généralement un tube de verre en forme de U qui est partiellement rempli de liquide. Un bras du manomètre est relié à l’orifice de pression de stagnation sur le tube pitot-statique, et l’autre à l’orifice de pression statique. Dans l’air stagnant, où il n’y a pas de différence entre la pression statique et la pression de stagnation, la différence de hauteur du fluide du manomètre est nulle.
Lorsque le manomètre subit une différence de pression, celle-ci est visualisée par un changement de hauteur du fluide. La différence de pression, ou pression dynamique, est calculée à partir du delta H à l’aide de cette équation. Ici, rho L est la masse volumique du fluide dans le manomètre et G est l’accélération gravitationnelle. Cette relation est utilisée pour calculer la vitesse du vent en la substituant dans l’équation de la vitesse. Nous pouvons alors calculer la vitesse du flux libre, V infini, en utilisant la densité du flux libre, rho infini.
Cependant, les manomètres de fluide sont encombrants et nécessitent une lecture manuelle à bord de l’avion. Ainsi, une méthode plus pratique pour mesurer la différence de pression consiste à utiliser un transducteur de pression à la place du manomètre. Cela nous permet de convertir la différence de pression en un signal électrique.
Un transducteur de pression capacitif est basé sur le principe de fonctionnement d’un condensateur, qui se compose de deux plaques conductrices séparées par un isolant. La capacité est mesurée par l’équation suivante, où mu est la constante diélectrique du matériau isolant, A est l’aire des plaques et D est l’espacement entre les plaques.
Pour fabriquer le transducteur de pression capacitif, l’une des plaques conductrices est remplacée par un diaphragme conducteur flexible. Lorsqu’une pression est appliquée, le diaphragme dévie, ce qui entraîne une modification de l’espacement entre les plaques D, ce qui entraîne une modification de la capacité. L’électronique du transducteur est calibrée pour générer des changements de courant spécifiques pour les écarts de capacité correspondants. Ainsi, une lecture de courant correspond à une pression appliquée donnée.
Comme le manomètre, le transducteur de pression est connecté au tube de Pitot et est calibré dans une soufflerie dont la vitesse du vent est connue. Cela nous permet de générer une relation mathématique entre le courant et la pression, et par extension, le courant et la vitesse du vent.
Dans cette démonstration en laboratoire, nous utiliserons un tube Pitot-statique dans une soufflerie relié à un transducteur de pression. Nous étalonnerons ensuite le transducteur de pression à différentes vitesses de vent et déterminerons la relation entre la tension et la vitesse.
Pour cette expérience, vous devrez utiliser une soufflerie avec son propre transducteur de pression calibré et sa capacité à atteindre une pression dynamique de 25 psf. Vous utiliserez également un tube pitot-statique standard et un manomètre différentiel à tube en U avec de l’eau colorée pour calibrer ce transducteur de pression différentielle.
Pour commencer, montez le tube Pitot-statique à l’intérieur de la soufflerie sur le dessus de la section d’essai à l’aide d’un support d’infiltration vertical. Assurez-vous que la sonde se trouve au centre de la section de test. Alignez le tube de Pitot avec le sens de l’écoulement, de sorte que l’orifice primaire fasse face directement au flux d’air.
Ensuite, alignez le haut du liquide du manomètre sur le marqueur à double joint torique sur le tube en verre. Si la lecture sur l’échelle principale ne correspond pas à zéro, alignez le fluide sur un point de référence différent et enregistrez la hauteur de décalage.
À l’aide d’un connecteur en T, répartissez le débit d’un tube à deux, puis connectez les sorties de stagnation et de pression statique sur le tube pitot-statique aux orifices correspondants sur le manomètre à tube en U. Montez le transducteur de pression à l’extérieur de la section d’essai en soufflerie sur une surface verticale. Configurez une alimentation en tension standard pour alimenter le transducteur de pression et un multimètre pour lire le courant de sortie. Ensuite, connectez les sorties de pression stagnante et statique aux orifices de pression correspondants sur le transducteur.
Maintenant, sécurisez les portes de la soufflerie et allumez tous les systèmes. Ensuite, prenez des relevés de la pression du transducteur de soufflerie, de la hauteur du manomètre et du courant du transducteur de pression différentielle. Enregistrez les mesures de l’absence de débit d’air comme lecture du zéro de base. Allumez maintenant la soufflerie et réglez la pression dynamique dans la section de test sur un psf.
Une fois que le débit s’est stabilisé, notez la pression du transducteur, la différence de hauteur du manomètre et le courant du transducteur. Augmentez le réglage dynamique de la pression dans la soufflerie par pas d’une psf, jusqu’à un réglage maximum de 20 psf, en enregistrant les données à chaque étape. Afin de vérifier l’hystérésis, diminuez la pression dynamique par pas d’une psf, redescendez à zéro psf, en enregistrant à nouveau les données à chaque étape. Lorsque toutes les mesures ont été recueillies, arrêtez tous les systèmes.
Jetons maintenant un coup d’œil aux résultats. Tout d’abord, nous regardons un graphique des relevés de hauteur du manomètre avec une pression dynamique croissante et décroissante. Deux mesures sont indiquées ici pour chaque trace. L’un est la lecture réelle du manomètre, et l’autre a été corrigé avec la hauteur de décalage de 0,8 pouce. Nous pouvons calculer la pression du manomètre à partir de la hauteur du manomètre, en utilisant l’équation simple indiquée. Ici, nous utilisons la masse volumique du liquide dans le manomètre, qui est dans ce cas l’eau, l’accélération gravitationnelle, et les mesures de décalage et de hauteur du manomètre.
Maintenant que nous avons calculé la pression à partir de la lecture du manomètre, nous allons la comparer aux lectures de courant du transducteur de pression. Pour obtenir la courbe d’étalonnage du transducteur de pression, nous allons ajuster les données croissantes et décroissantes séparément, ce qui donne deux équations linéaires de meilleur ajustement.
Cependant, nous constatons que l’augmentation et la diminution des données s’alignent. Nous pouvons donc conclure que le transducteur de pression ne présente pas d’hystérésis. Ainsi, nous pouvons simplifier en une seule équation d’étalonnage, ce qui nous permet de mesurer la pression en utilisant la lecture de courant du transducteur de pression, plutôt que le manomètre à fluide encombrant. En connectant la sonde pitot-statique au transducteur calibré, nous pouvons mesurer directement la pression dynamique et donc la vitesse du vent.
En résumé, nous avons appris comment les différences de pression mesurées pendant le vol sont corrélées à la vitesse d’écoulement. Nous avons ensuite calibré un transducteur de pression en soumettant un tube pitot-statique à différentes vitesses de vent, et déterminé la relation entre la tension et la vitesse du vent.
