圧力トランスデューサ:ピトースタティックチューブを用いてキャリブレーション

すべての航空機は、風速をリアルタイムで計算するために圧力測定を使用します。飛行機では、これらの圧力測定値はピトー静圧管を使用して取得されます。

ピトー静圧管には、停滞圧力と静圧を測定する開口部があります。よどみ圧力は静圧と動圧の合計であるため、ピトー静圧管を使用して動圧、したがって流速を測定することを思い出してください。ピトー静圧管を使用して風速を圧力に関連付ける方法の1つは、流体圧力計を使用することです。

流体圧力計は、一般に、部分的に液体で満たされたU字型のガラス管です。圧力計の一方のアームは、ピトー静圧管のよどみ圧力ポートに接続され、もう一方のアームは静圧ポートに接続されています。静圧と停滞圧力の差がない停滞空気では、圧力計の流体の高さの差はゼロです。

圧力計が圧力差を経験すると、流体の高さの変化によって視覚化されます。圧力差、または動圧は、この式を使用してデルタHから計算されます。ここで、rho Lは圧力計内の流体の密度、Gは重力加速度です。この関係は、風速を速度方程式に代入して風速を計算するために使用されます。次に、自由流密度 rho 無限大を使用して、自由流速度 V 無限大を解くことができます。

ただし、流体マノメーターはかさばり、航空機内で手動で読み取る必要があります。したがって、圧力差を測定するより便利な方法は、圧力計の代わりに圧力トランスデューサを使用することです。これにより、圧力差を電気信号に変換することができます。

静電容量式圧力トランスデューサは、コンデンサの動作原理に基づいており、コンデンサは絶縁体によって分離された2つの導電性プレートで構成されています。静電容量は次の式で測定され、muは絶縁体の誘電率、Aはプレートの面積、Dはプレート間の間隔です。

静電容量圧力トランスデューサを作成するために、導電板の1つを柔軟な導電性ダイヤフラムに置き換えます。圧力が加わるとダイヤフラムがたわみ、プレートDの間隔が変化し、静電容量が変化します。トランスデューサの電子機器は、静電容量の対応する偏差に対して特定の電流変化を生成するように校正されています。したがって、電流の読み取り値は、特定の印加圧力に対応します。

圧力計と同様に、圧力トランスデューサはピトー管に接続され、既知の風速で風洞で校正されます。これにより、電流と圧力、ひいては電流と風速との間に数学的関係を生成することができます。

このラボのデモンストレーションでは、圧力トランスデューサに接続された風洞内のピトー静圧管を使用します。次に、さまざまな風速で圧力トランスデューサを校正し、電圧と速度の関係を決定します。

この実験では、独自の校正済み圧力トランスデューサーと 25 psf の動圧に達する能力を備えた風洞を使用する必要があります。また、標準のピトー静圧管と、この差圧トランスデューサを校正するために、色付きの水を備えた差動U字管圧力計を使用します。

まず、垂直スティングマウントを使用して、テストセクションの上部にある風洞の内側にピトー静圧管を取り付けます。プローブがテストセクションの中心にあることを確認します。ピトー管を流れの方向に合わせ、一次ポートが空気の流れに直接向くようにします。

次に、圧力計液の上部をガラス管の二重Oリングマーカーに合わせます。メインスケールの読み取り値がゼロに対応していない場合は、流体を別の基準点に位置合わせし、オフセット高さを記録します。

Tコネクタを使用して流れを1つのチューブから2つのチューブに分割し、ピトー静圧チューブのよどみ出口と静圧出口をUチューブマノメーターの対応するポートに接続します。圧力トランスデューサーは、風洞試験セクションの外側の垂直面に取り付けます。圧力トランスデューサに電力を供給するための標準電圧供給と、出力電流を読み取るためのマルチメータを設定します。次に、よどみ圧力出口と静圧出口をトランスデューサーの対応する圧力ポートに接続します。

次に、風洞のドアを固定し、すべてのシステムのスイッチを入れます。次に、風洞トランスデューサの圧力、圧力計の高さ、および差圧トランスデューサの電流を読み取ります。エアフローなしの状態の測定値をベースラインゼロの読み取り値として記録します。次に、風洞をオンにし、テストセクションの動圧を1 psfに設定します。

流れが安定したら、トランスデューサーの圧力、圧力計の高さ差、トランスデューサーの電流を記録します。風洞の動圧設定を 1 psf 刻みで 1 psf まで上げ、最大で 20 psf まで上げ、各ステップでデータを記録します。ヒステリシスをチェックするには、動圧を1 psf刻みで下げてから psf を 0 psf まで下げ、各ステップでデータを再度記録します。すべての測定値が収集されたら、すべてのシステムをシャットダウンします。

では、結果を見てみましょう。まず、動圧の増減に伴う圧力計の高さの測定値のプロットを見ます。ここでは、トレースごとに 2 つの測定値を示します。1つは実際の圧力計の読み取り値で、もう1つは0.8インチのオフセット高さで修正されています。示されている簡単な式を使用して、圧力計の高さから圧力計の圧力を計算できます。ここでは、圧力計の液体の密度(この場合は水、重力加速度、圧力計のオフセットと高さの測定値)を使用します。

圧力計の読み取り値から圧力を計算したので、圧力トランスデューサの電流読み取り値に対してプロットします。圧力トランスデューサの検量線を取得するために、増加するデータと減少するデータを別々に適合させ、2つの線形最適方程式が得られます。

ただし、データの増加と減少が並んでいることがわかります。したがって、圧力トランスデューサはヒステリシスを示さないと結論付けることができます。したがって、1つの校正式に単純化できるため、かさばる流体圧力計ではなく、圧力トランスデューサからの電流読み取り値を使用して圧力を測定できます。ピトー静圧プローブを校正済みトランスデューサに接続することで、動圧、つまり風速を直接測定できます。

要約すると、飛行中に測定された圧力差が流速とどのように相関するかを学びました。次に、ピトー静圧管をさまざまな風速にさらして圧力トランスデューサを校正し、電圧と風速の関係を決定しました。