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Fonte: Shreyas Narsipur, Engenharia Mecânica e Aeroespacial, Universidade Estadual da Carolina do Norte, Raleigh, NC
A pressão do fluido é uma característica importante de fluxo que é necessária para determinar a aerodinâmica de um sistema. Um dos sistemas de medição de pressão mais antigos e ainda existentes é o manômetro devido à sua precisão e simplicidade de operação. O manômetro é geralmente um tubo de vidro em forma de U que é parcialmente preenchido com líquido, como mostrado na Figura 1. O manômetro do tubo U não requer calibração porque não tem partes móveis, e suas medidas são funções de gravidade e densidadedolíquido. Portanto, o manômetro é um sistema de medição simples e preciso.
Figura 1. Esquema de um manômetro u-tube.
As medidas de pressão em tempo real são obtidas em aeronaves conectando as portas de estagnação e pressão estática de uma sonda pitot-estática, um dispositivo que é comumente usado para medir a pressão de fluxo de fluidos, às portas de um dispositivo de medição de pressão. Isso permite que os pilotos obtenham as condições de voo existentes e avisem-os caso ocorram alterações nas condições de voo. Embora os manômetros forneçam leituras de pressão muito precisas, eles são inerentemente volumosos. Uma solução mais realista é necessária para medir as pressões das aeronaves, já que um dos principais objetivos do projeto é manter o peso geral da aeronave o mais baixo possível. Hoje, transdutores de pressão eletromecânica, que convertem a pressão aplicada em um sinal elétrico, são amplamente utilizados para aplicações de sensoriamento de pressão em aeronaves porque são pequenos, leves, e podem ser colocados em quase qualquer lugar na estrutura aérea. As características acima não só ajudam a reduzir o peso, mas também reduzem a quantidade de tubos necessários para conectar a sonda pitot-estática ao transdutor, diminuindo assim o tempo de resposta dos dados. Além disso, em testes experimentais de voo de aeronaves, transdutores de pressão em miniatura são úteis, pois permitem aos pesquisadores maximizar a coleta de dados de pressão sem aumentar significativamente o peso da aeronave. Enquanto existem diferentes tipos de transdutores de pressão com diferentes técnicas de medição, um dos tipos mais comuns de transdutor é o transdutor de pressão capacitiva. Como os transdutores são capazes de enviar apenas sinais em termos de tensão e corrente, a calibração do transdutor é necessária para relacionar a força de um determinado sinal à pressão que faz com que o transdutor gere o sinal. O ajuste final da curva que relaciona a corrente do transdutor ou a tensão a uma medição física, no nosso caso, é comumente referido como a curva de calibração do transdutor.
Neste experimento, uma sonda pitot-estática é colocada em um túnel de vento subsônico com as portas de estagnação e pressão estática conectadas às portas totais e estáticas do manômetro do tubo U e do transdutor de pressão. O túnel de vento é então executado em diferentes configurações de pressão dinâmica, e a leitura de pressão correspondente do manômetro do tubo U, e as leituras atuais produzidas pelo transdutor são registradas. Esses dados são então usados para gerar curvas de calibração para o transdutor de pressão.
1. Calibração transdutor de pressão
Nesta demonstração, foi utilizado um túnel de vento subsônico com uma seção de teste de 2,6 pés x 3,7 pés e ajuste máximo de pressão dinâmica de 25 psf. Um transdutor de pressão pré-calibrado foi usado para definir a pressão dinâmica na seção de teste do túnel de vento, e um manômetro diferencial do tubo U com água e escala coloridas foi usado para medir a altura do fluido(Figura 3). Também foram utilizados um transdutor de pressão diferencial(Figura 4),fonte de tensão padrão (para alimentar o transdutor) e um multimetro (para ler a corrente de saída do transdutor), mostrado na Figura 5.
Figura 3. Manômetro de tubo U de pressão diferencial.
Figura 4. Transdutor de pressão diferencial.
Figura 5. Fonte de alimentação (esquerda) e multimétrica (direita).
Figura 6. Tubo pitot-estático.
Mesa 1. Dados coletados para o experimento de calibração de pressão
| Ptransdutor (psf) |
hmanômetro (in) |
Transdutor (mA) |
| Transdutor WT | manómetro | Multímetro |
Todos os aviões usam medidas de pressão para fazer cálculos em tempo real da velocidade do vento. Em um avião, essas medidas de pressão são obtidas usando um tubo pitot-estático.
Um tubo pitot-estático tem aberturas que medem a pressão de estagnação e a pressão estática. Lembre-se que a pressão de estagnação é a soma total da pressão estática e da pressão dinâmica, de modo que o tubo pitot-estático é usado para medir a pressão dinâmica e, portanto, a velocidade de fluxo. Um método para correlacionar a velocidade do vento à pressão usando o tubo estático pitot é usando um manômetro fluido.
Um manômetro fluido é geralmente um tubo de vidro em forma de U que é parcialmente preenchido com líquido. Um braço do manômetro está conectado à porta de pressão de estagnação no tubo estático pitot, e o outro à porta de pressão estática. No ar estagnado, onde isso não é diferença entre a pressão estática e a pressão de estagnação, a diferença de altura do fluido do manômetro é zero.
Quando o manômetro experimenta um diferencial de pressão, ele é visualizado por uma mudança na altura do fluido. O diferencial de pressão, ou pressão dinâmica, é calculado a partir do delta H usando esta equação. Aqui, rho L é a densidade de fluido no manômetro e G é aceleração gravitacional. Esta relação é usada para calcular a velocidade do vento substituindo-a na equação de velocidade. Podemos então resolver para a velocidade de fluxo livre, V infinito, usando a densidade de fluxo livre, rho infinito.
No entanto, os manômetros fluidos são volumosos e requerem leitura manual a bordo da aeronave. Assim, um método mais conveniente para medir o diferencial de pressão é usar um transdutor de pressão no lugar do manômetro. Isso nos permite converter o diferencial de pressão em um sinal elétrico.
Um transdutor de pressão de capacitância baseia-se no princípio de trabalho de um capacitor, que consiste em duas placas condutoras separadas por um isolador. A capacitância é medida pela equação seguinte, onde mu é a constante dielétrica do material isolador, A é a área das placas, e D é o espaçamento entre as placas.
Para tornar o transdutor de pressão de capacitância, uma das placas condutoras é substituída por um diafragma de condução flexível. Quando a pressão é aplicada, o diafragma desvia causando uma mudança no espaçamento entre as placas D, resultando em uma mudança na capacitância. Os eletrônicos do transdutor são calibrados para gerar alterações de corrente específicas para desvios correspondentes na capacitância. Assim, uma leitura atual corresponde a uma determinada pressão aplicada.
Como o manômetro, o transdutor de pressão é conectado ao tubo pitot e é calibrado em um túnel de vento com velocidades de vento conhecidas. Isso nos permite gerar uma relação matemática entre corrente e pressão, e por extensão, corrente e velocidade do vento.
Nesta demonstração de laboratório, usaremos um tubo pitot-estático em um túnel de vento conectado a um transdutor de pressão. Em seguida, calibraremos o transdutor de pressão a várias velocidades do vento e determinaremos a relação entre tensão e velocidade.
Para este experimento, você precisará usar um túnel de vento com seu próprio transdutor de pressão calibrado e capacidade de atingir uma pressão dinâmica de 25 psf. Você também usará um tubo estático pitot padrão e um manômetro diferencial u-tube com água colorida para calibrar este transdutor de pressão diferencial.
Para começar, monte o tubo estático pitot dentro do túnel de vento na parte superior da seção de teste usando um suporte vertical de picada. Certifique-se de que a sonda está no centro da seção de teste. Alinhe o tubo pitot com a direção do fluxo, de modo que a porta primária fique diretamente no fluxo de ar.
Em seguida, alinhe a parte superior do fluido do manômetro ao marcador duplo o-ring no tubo de vidro. Se a leitura na escala principal não corresponder a zero, alinhe o fluido a um ponto de referência diferente e regissuça a altura de deslocamento.
Use um conector T para dividir o fluxo de um tubo para dois, em seguida, conectar a estagnação e as saídas de pressão estática no tubo pitot-estático, às portas correspondentes no manômetro do tubo U. Monte o transdutor de pressão fora da seção de teste do túnel de vento em uma superfície vertical. Configure uma fonte de tensão padrão para alimentar o transdutor de pressão e um multimetro para ler a corrente de saída. Em seguida, conecte as saídas de estagnação e pressão estática às portas de pressão correspondentes no transdutor.
Agora, proteja as portas do túnel de vento e ligue todos os sistemas. Em seguida, faça leituras da pressão do transdutor do túnel de vento, da altura do manômetro e da corrente do transdutor de pressão diferencial. Registo as medidas para a condição de não saída de ar como a linha de base zero leitura. Agora ligue o túnel de vento, e coloque a pressão dinâmica na seção de teste para um psf.
Uma vez que o fluxo tenha estabilizado, registo a pressão do transdutor, a diferença de altura do manômetro e a corrente transdutor. Aumente a configuração de pressão dinâmica no túnel de vento em etapas de um psf, até uma configuração máxima de 20 psf, registrando os dados em cada etapa. Para verificar se há histerese, diminua a pressão dinâmica nas etapas de um psf, volte para zero psf, registrando novamente dados a cada etapa. Quando todas as medidas tiverem sido coletadas, desligue todos os sistemas.
Agora, vamos dar uma olhada nos resultados. Primeiro, olhamos para um enredo das leituras de altura do manômetro com crescente e diminuição da pressão dinâmica. Duas medidas são mostradas aqui para cada traço. Um é a leitura real do manômetro, e o outro foi corrigido com a altura de deslocamento de 0,8 polegadas. Podemos calcular a pressão do manômetro a partir da altura do manômetro, usando a equação simples mostrada. Aqui, usamos a densidade do líquido no manômetro, que é neste caso água, aceleração gravitacional, e as medidas de deslocamento e altura do manômetro.
Agora que calculamos a pressão da leitura do manômetro, vamos traçar contra as leituras atuais do transdutor de pressão. Para obter a curva de calibração para o transdutor de pressão, encaixaremos os dados de aumento e diminuição separadamente, resultando em duas equações lineares de melhor ajuste.
No entanto, vemos que os dados crescentes e decrescentes se alinham. Assim podemos concluir que o transdutor de pressão não exibe histerese. Assim, podemos simplificar para uma única equação de calibração, permitindo assim medir a pressão usando a leitura atual do transdutor de pressão, em vez do manômetro fluido volumoso. Ao conectar a sonda pitot-estática ao transdutor calibrado, podemos medir diretamente a pressão dinâmica e, portanto, as velocidades do vento.
Em resumo, aprendemos como os diferenciais de pressão medidos durante o voo se correlacionam com a velocidade de fluxo. Em seguida, calibramos um transdutor de pressão submetendo um tubo pitot-estático a velocidades de vento variadas, e determinamos a relação entre tensão e velocidade do vento.
Todos os aviões usam medições de pressão para fazer cálculos em tempo real da velocidade do vento. Em um avião, essas medições de pressão são obtidas usando um tubo estático de pitot.
Um tubo pitot-estático tem aberturas que medem a pressão de estagnação e a pressão estática. Lembre-se de que a pressão de estagnação é a soma total da pressão estática e da pressão dinâmica, então o tubo pitot-estático é usado para medir a pressão dinâmica e, portanto, a velocidade do fluxo. Um método para correlacionar a velocidade do vento com a pressão usando o tubo pitot-estático é usando um manômetro de fluido.
Um manômetro de fluido é geralmente um tubo de vidro em forma de U que é parcialmente preenchido com líquido. Um braço do manômetro é conectado à porta de pressão de estagnação no tubo pitot-estático e o outro à porta de pressão estática. No ar estagnado, onde não há diferença entre a pressão estática e a pressão de estagnação, a diferença de altura do fluido do manômetro é zero.
Quando o manômetro experimenta um diferencial de pressão, ele é visualizado por uma mudança na altura do fluido. O diferencial de pressão, ou pressão dinâmica, é calculado a partir do delta H usando esta equação. Aqui, rho L é a densidade do fluido no manômetro e G é a aceleração gravitacional. Essa relação é usada para calcular a velocidade do vento, substituindo-a na equação de velocidade. Podemos então resolver a velocidade de fluxo livre, V infinito, usando a densidade de fluxo livre, rho infinito.
No entanto, os manômetros de fluido são volumosos e requerem leitura manual a bordo da aeronave. Assim, um método mais conveniente para medir o diferencial de pressão é usar um transdutor de pressão no lugar do manômetro. Isso nos permite converter o diferencial de pressão em um sinal elétrico.
Um transdutor de pressão de capacitância é baseado no princípio de funcionamento de um capacitor, que consiste em duas placas condutoras separadas por um isolador. A capacitância é medida pela seguinte equação, onde mu é a constante dielétrica do material isolante, A é a área das placas e D é o espaçamento entre as placas.
Para fazer o transdutor de pressão de capacitância, uma das placas condutoras é substituída por um diafragma condutor flexível. Quando a pressão é aplicada, o diafragma desvia causando uma mudança no espaçamento entre as placas D, resultando em uma mudança na capacitância. Os componentes eletrônicos no transdutor são calibrados para gerar mudanças de corrente específicas para desvios correspondentes na capacitância. Assim, uma leitura de corrente corresponde a uma determinada pressão aplicada.
Como o manômetro, o transdutor de pressão é conectado ao tubo de pitot e é calibrado em um túnel de vento com velocidades de vento conhecidas. Isso nos permite gerar uma relação matemática entre corrente e pressão e, por extensão, corrente e velocidade do vento.
Nesta demonstração de laboratório, usaremos um tubo pitot-estático em um túnel de vento conectado a um transdutor de pressão. Em seguida, calibraremos o transdutor de pressão em várias velocidades do vento e determinaremos a relação entre tensão e velocidade.
Para este experimento, você precisará usar um túnel de vento com seu próprio transdutor de pressão calibrado e capacidade de atingir uma pressão dinâmica de 25 psf. Você também usará um tubo pitot-estático padrão e um manômetro diferencial de tubo em U com água colorida para calibrar este transdutor de pressão diferencial.
Para começar, monte o tubo estático de pitot dentro do túnel de vento na parte superior da seção de teste usando um suporte de picada vertical. Certifique-se de que a sonda esteja no centro da seção de teste. Alinhe o tubo pitot com a direção do fluxo, de modo que a porta primária fique voltada diretamente para o fluxo de ar.
Em seguida, alinhe a parte superior do fluido do manômetro com o marcador de anel de vedação duplo no tubo de vidro. Se a leitura na escala principal não corresponder a zero, alinhe o fluido a um ponto de referência diferente e registre a altura de deslocamento.
Use um conector em T para dividir o fluxo de um tubo para dois e, em seguida, conecte as saídas de estagnação e pressão estática no tubo estático de pitot às portas correspondentes no manômetro de tubo em U. Monte o transdutor de pressão fora da seção de teste do túnel de vento em uma superfície vertical. Configure uma fonte de tensão padrão para alimentar o transdutor de pressão e um multímetro para ler a corrente de saída. Em seguida, conecte as saídas de estagnação e pressão estática às portas de pressão correspondentes no transdutor.
Agora, proteja as portas do túnel de vento e ligue todos os sistemas. Em seguida, faça leituras da pressão do transdutor do túnel de vento, da altura do manômetro e da corrente do transdutor de pressão diferencial. Registre as medições para a condição sem fluxo de ar como a leitura zero da linha de base. Agora ligue o túnel de vento e defina a pressão dinâmica na seção de teste para um psf.
Assim que o fluxo se estabilizar, registre a pressão do transdutor, a diferença de altura do manômetro e a corrente do transdutor. Aumente a configuração de pressão dinâmica no túnel de vento em etapas de um psf, até uma configuração máxima de 20 psf, registrando os dados em cada etapa. Para verificar a histerese, diminua a pressão dinâmica em etapas de um psf, volte a zero psf, registrando novamente os dados em cada etapa. Quando todas as medições tiverem sido coletadas, desligue todos os sistemas.
Agora, vamos dar uma olhada nos resultados. Primeiro, analisamos um gráfico das leituras de altura do manômetro com pressão dinâmica crescente e decrescente. Duas medições são mostradas aqui para cada traço. Uma é a leitura real do manômetro e a outra foi corrigida com a altura de deslocamento de 0,8 polegadas. Podemos calcular a pressão do manômetro a partir da altura do manômetro, usando a equação simples mostrada. Aqui, usamos a densidade do líquido no manômetro, que é, neste caso, água, aceleração gravitacional e as medidas de deslocamento e altura do manômetro.
Agora que calculamos a pressão a partir da leitura do manômetro, vamos plotá-la em relação às leituras de corrente do transdutor de pressão. Para obter a curva de calibração do transdutor de pressão, ajustaremos os dados crescentes e decrescentes separadamente, resultando em duas equações lineares de melhor ajuste.
No entanto, vemos que os dados crescentes e decrescentes se alinham. Portanto, podemos concluir que o transdutor de pressão não apresenta histerese. Assim, podemos simplificar para uma única equação de calibração, permitindo-nos medir a pressão usando a leitura de corrente do transdutor de pressão, em vez do manômetro de fluido volumoso. Ao conectar a sonda pitot-estática ao transdutor calibrado, podemos medir diretamente a pressão dinâmica e, portanto, a velocidade do vento.
Em resumo, aprendemos como os diferenciais de pressão medidos durante o vôo se correlacionam com a velocidade do fluxo. Em seguida, calibramos um transdutor de pressão submetendo um tubo pitot-estático a velocidades de vento variáveis e determinamos a relação entre tensão e velocidade do vento.
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