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Tutti gli aeroplani utilizzano misurazioni della pressione per effettuare calcoli in tempo reale della velocità del vento. In un aereo, queste misure di pressione sono ottenute utilizzando un tubo statico di Pito.
Un tubo statico di Pitot ha aperture che misurano la pressione di ristagno e la pressione statica. Ricordiamo che la pressione di ristagno è la somma totale della pressione statica e della pressione dinamica, quindi il tubo pitot-statico viene utilizzato per misurare la pressione dinamica e quindi la velocità del flusso. Un metodo per correlare la velocità del vento alla pressione utilizzando il tubo statico di Pitot è l'utilizzo di un manometro a fluido.
Un manometro per fluidi è generalmente un tubo di vetro a forma di U parzialmente riempito di liquido. Un braccio del manometro è collegato alla porta di pressione di ristagno sul tubo statico di pitot e l'altro alla porta di pressione statica. In aria stagnante, dove questa non c'è differenza tra la pressione statica e la pressione di ristagno, la differenza di altezza del fluido del manometro è zero.
Quando il manometro subisce un differenziale di pressione, viene visualizzato da una variazione dell'altezza del fluido. Il differenziale di pressione, o pressione dinamica, viene calcolato dal delta H utilizzando questa equazione. Qui, rho L è la densità del fluido nel manometro e G è l'accelerazione gravitazionale. Questa relazione viene utilizzata per calcolare la velocità del vento sostituendola nell'equazione della velocità. Possiamo quindi risolvere per la velocità del flusso libero, V infinito, usando la densità del flusso libero, rho infinito.
Tuttavia, i manometri dei fluidi sono ingombranti e richiedono una lettura manuale a bordo dell'aereo. Pertanto, un metodo più conveniente per misurare il differenziale di pressione consiste nell'utilizzare un trasduttore di pressione al posto del manometro. Questo ci permette di convertire il differenziale di pressione in un segnale elettrico.
Un trasduttore di pressione capacitiva si basa sul principio di funzionamento di un condensatore, che consiste in due piastre conduttive separate da un isolante. La capacità è misurata dalla seguente equazione, dove mu è la costante dielettrica del materiale isolante, A è l'area delle piastre e D è la spaziatura tra le piastre.
Per realizzare il trasduttore di pressione capacitivo, una delle piastre conduttive viene sostituita da un diaframma conduttore flessibile. Quando viene applicata una pressione, il diaframma si flette provocando una variazione della spaziatura tra le piastre D, con conseguente variazione della capacità. L'elettronica del trasduttore è calibrata per generare variazioni di corrente specifiche per le corrispondenti deviazioni di capacità. Pertanto, una lettura di corrente corrisponde a una data pressione applicata.
Come il manometro, il trasduttore di pressione è collegato al tubo di Pitot ed è calibrato in una galleria del vento con velocità del vento note. Questo ci permette di generare una relazione matematica tra corrente e pressione e, per estensione, corrente e velocità del vento.
In questa dimostrazione di laboratorio, utilizzeremo un tubo statico di Pitot in una galleria del vento collegato a un trasduttore di pressione. Tabreremo quindi il trasduttore di pressione a varie velocità del vento e determineremo la relazione tra tensione e velocità.
Per questo esperimento, dovrai utilizzare una galleria del vento con il proprio trasduttore di pressione calibrato e la capacità di raggiungere una pressione dinamica di 25 psf. Per calibrare questo trasduttore di pressione differenziale utilizzerai anche un tubo statico di pitot standard e un manometro differenziale a tubo a U con acqua colorata.
Per iniziare, montare il tubo statico pitot all'interno della galleria del vento sulla parte superiore della sezione di prova utilizzando un supporto a puntura verticale. Assicurarsi che la sonda sia al centro della sezione di test. Allineare il tubo di Pitot con la direzione del flusso, in modo che la porta primaria sia rivolta direttamente nel flusso d'aria.
Quindi, allineare la parte superiore del fluido del manometro al doppio O-ring sul tubo di vetro. Se la lettura sulla scala principale non corrisponde a zero, allineare il fluido a un punto di riferimento diverso e registrare l'altezza di offset.
Utilizzare un connettore a T per dividere il flusso da un tubo a due, quindi collegare le uscite di ristagno e pressione statica sul tubo pitot-statico, alle porte corrispondenti sul manometro del tubo a U. Montare il trasduttore di pressione all'esterno della sezione di prova della galleria del vento su una superficie verticale. Impostare un'alimentazione di tensione standard per alimentare il trasduttore di pressione e un multimetro per leggere la corrente di uscita. Quindi, collegare le uscite di ristagno e di pressione statica alle corrispondenti porte di pressione sul trasduttore.
A questo punto, fissate le porte della galleria del vento e accendete tutti i sistemi. Quindi, effettuare le letture della pressione del trasduttore della galleria del vento, dell'altezza del manometro e della corrente del trasduttore di pressione differenziale. Registrare le misurazioni per la condizione di assenza di flusso d'aria come lettura zero della linea di base. Ora accendi la galleria del vento e imposta la pressione dinamica nella sezione di prova su una psf.
Una volta che il flusso si è stabilizzato, registra la pressione del trasduttore, la differenza di altezza del manometro e la corrente del trasduttore. Aumentare l'impostazione della pressione dinamica nella galleria del vento a passi di una psf, fino a un'impostazione massima di 20 psf, registrando i dati ad ogni passo. Per verificare l'isteresi, diminuire la pressione dinamica a passi di una psf, tornare a zero psf, registrando nuovamente i dati ad ogni passo. Quando tutte le misurazioni sono state raccolte, spegnere tutti i sistemi.
Ora, diamo un'occhiata ai risultati. Innanzitutto, esaminiamo un grafico delle letture dell'altezza del manometro con pressione dinamica crescente e decrescente. Qui sono mostrate due misurazioni per ogni traccia. Uno è la lettura effettiva del manometro e l'altro è stato corretto con l'altezza di offset di 0,8 pollici. Possiamo calcolare la pressione del manometro dall'altezza del manometro, utilizzando la semplice equazione mostrata. Qui, usiamo la densità del liquido nel manometro, che in questo caso è l'acqua, l'accelerazione gravitazionale e le misure di offset e altezza del manometro.
Ora che abbiamo calcolato la pressione dalla lettura del manometro, la tracceremo con le letture della corrente del trasduttore di pressione. Per ottenere la curva di calibrazione per il trasduttore di pressione, adatteremo separatamente i dati crescenti e decrescenti, ottenendo due equazioni di best fit lineari.
Tuttavia, vediamo che i dati in aumento e in diminuzione si allineano. Quindi possiamo concludere che il trasduttore di pressione non presenta isteresi. Pertanto, possiamo semplificare in un'unica equazione di calibrazione, consentendoci così di misurare la pressione utilizzando la lettura della corrente dal trasduttore di pressione, piuttosto che l'ingombrante manometro del fluido. Collegando la sonda pitot-static al trasduttore calibrato, possiamo misurare direttamente la pressione dinamica e quindi la velocità del vento.
In sintesi, abbiamo appreso come i differenziali di pressione misurati durante il volo siano correlati alla velocità del flusso. Abbiamo quindi calibrato un trasduttore di pressione sottoponendo un tubo statico a velocità del vento variabili e determinato la relazione tra tensione e velocità del vento.
