Druckwandler: Kalibrierung mit einem Pitot-statischen Rohr

Aeronautical Engineering

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Concepts

Quelle: Shreyas Narsipur, Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, North Carolina State University, Raleigh, NC

Der Flüssigkeitsdruck ist ein wichtiges Strömungsmerkmal, das zur Bestimmung der Aerodynamik eines Systems erforderlich ist. Eines der ältesten und noch existierenden Druckmesssysteme ist das Manometer aufgrund seiner Genauigkeit und Einfachheit der Bedienung. Das Manometer ist in der Regel ein U-förmiges Glasrohr, das teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, wie in Abbildung 1dargestellt. Das U-Rohr-Manometer erfordert keine Kalibrierung, da es keine beweglichen Teile hat, und seine Messungen sind Funktionen der Schwerkraft und der Dichte derFlüssigkeit. Daher ist das Manometer ein einfaches und genaues Messsystem.


Abbildung 1. Schaltplan eines U-Rohr-Manometers.

Echtzeit-Druckmessungen werden in Flugzeugen durch Anschluss der Stagnations- und statischen Druckanschlüsse einer pitotstatischen Sonde, einer Vorrichtung, die häufig zur Messung des Flüssigkeitsdurchflussdrucks verwendet wird, mit den Anschlüssen eines Druckmessgeräts erreicht. Dies ermöglicht es den Piloten, bestehende Flugbedingungen zu erhalten und sie zu warnen, wenn Änderungen der Flugbedingungen auftreten. Manometer liefern zwar sehr genaue Druckmessungen, sind aber von Natur aus sperrig. Eine realistischere Lösung ist erforderlich, um den Druck von Flugzeugen zu messen, da eines der primären Designziele darin besteht, das Gesamtgewicht des Flugzeugs so gering wie möglich zu halten. Heute werden elektromechanische Druckwandler, die den aufgebrachten Druck in ein elektrisches Signal umwandeln, häufig für Druckmessanwendungen in Flugzeugen eingesetzt, da sie klein, leicht sind und fast überall im Flugzeug platziert werden können. Die oben genannten Eigenschaften tragen nicht nur zur Gewichtsreduktion bei, sondern auch zur Verringerung der Anzahl der Schläuche, die erforderlich sind, um die pitot-statische Sonde mit dem Messumformer zu verbinden, wodurch die Datenreaktionszeit verringert wird. Darüber hinaus sind Miniaturdruckwandler bei experimentellen Flugzeugflugtests praktisch, da sie es Forschern ermöglichen, die Druckdatenerfassung zu maximieren, ohne das Gewicht des Flugzeugs erheblich zu erhöhen. Während es verschiedene Arten von Druckaufnehmern mit unterschiedlichen Messtechniken gibt, ist einer der gebräuchlicheren Arten von Messumformern der kapazitive Druckaufnehmer. Da Wandler nur Signale in Spannung und Strom senden können, ist eine Kalibrierung des Messumformers erforderlich, um die Stärke eines bestimmten Signals mit dem Druck in Beziehung zu setzen, der den Messumformer veranlasst, das Signal zu erzeugen. Die endgültige Kurvenanpassung, die den Wandlerstrom oder die Spannung mit einer physikalischen Messung in Beziehung setzt, in unserem Fall Druck, wird gemeinhin als Diekwandlerkalibrierungskurve bezeichnet.

In diesem Experiment wird eine pitotstatische Sonde in einem Unterschall-Windkanal mit den Stagnations- und statischen Druckanschlüssen platziert, die mit den Gesamt- und statischen Anschlüssen des U-Rohr-Manometers und des Druckwandlers verbunden sind. Der Windkanal wird dann mit unterschiedlichen dynamischen Druckeinstellungen betrieben, und die entsprechende Druckmessung aus dem U-Rohr-Manometer und die vom Messumformer erzeugten Stromwerte werden aufgezeichnet. Diese Daten werden dann verwendet, um Kalibrierkurven für den Druckwandler zu erzeugen.

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JoVE Science Education Database. flugzeugbau. Druckwandler: Kalibrierung mit einem Pitot-statischen Rohr. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

Um den dynamischen Druck zu messen, wird jedes Bein des U-Rohrmanometers mit unbekannten Drücken aus den statischen und Gesamtdruckanschlüssen des pitotstatischen Rohres verbunden. Die resultierende Differenz ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

(1)

was zu einem Unterschied in der Säulenhöhe auf dem U-Rohr-Manometer führt. Dieser Unterschied in den Drücken oder dynamischen Druck kann mit dem Ausdruck berechnet werden:

(2)

wobei Wasser die Dichte des Wassers (die Flüssigkeit im U-Rohr-Manometer) ist, g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft und h-Manometer der Unterschied in den Säulenhöhen im U-Rohr-Manometer ist. In einigen Fällen kann das Manometer einen Offset aufgrund unzureichender Flüssigkeitsmenge in der Kammer haben und der Offset in der Höhe, haus, muss in der obigen Gleichung wie:

(3)

Der Druckwandler basiert auf dem Arbeitsprinzip eines Kondensators, der aus zwei leitfähigen Platten besteht, die durch einen Isolator getrennt sind (Abbildung 2).


Abbildung 2. Schaltpläne eines Kondensators (A) und eines Kapazitätsdruckwandlers (B).

Die Kapazität wird mit der Gleichung gemessen:

(4)

wobei die Dielektrizitätskonstante des Materials, A die Fläche der Platten und d der Abstand zwischen den Platten ist. In einem Kapazitätsdruckwandler wird eine der leitfähigen Platten durch eine flexible Leitmembran ersetzt, wie in Abbildung 2dargestellt. Wenn Druck ausgeübt wird, lenkt die Membran ab, was zu einer Änderung der d führt, was zu einer Änderung der Kapazität führt. Die Elektronik im Messumformer ist so kalibriert, dass sie spezifische Spannungsänderungen für entsprechende Kapazitätsänderungen erzeugt, die wiederum zur Messung des Stroms für einen gegebenen Druck verwendet werden können.

Procedure

1. DruckaufnehmerKalibrierung

In dieser Demonstration wurde ein Unterschall-Windkanal mit einem 2,6 ft x 3,7 ft Testabschnitt und einer maximalen dynamischen Druckeinstellung von 25 psf verwendet. Ein vorkalibrierter Druckwandler wurde verwendet, um den dynamischen Druck im Windkanaltestabschnitt einzustellen, und ein Differenz-U-Rohr-Manometer mit farbigem Wasser und Skala wurde verwendet, um die Flüssigkeitshöhe zu messen (Abbildung 3). Ein Differenzdruckwandler(Abbildung 4), eine Standardspannungsversorgung (zur Stromversorgung des Messumformers) und ein Multimeter (zum Ablesen des Ausgangsstroms aus dem Messumformer) wurden ebenfalls verwendet (siehe Abbildung 5).


Abbildung 3. Differenzdruck U-Rohr Manometer.


Abbildung 4. Differenzdruckwandler.


Abbildung 5. Stromversorgung (links) und Multimeter (rechts).

  1. Montieren Sie ein standardmäßiges pitotstatisches Rohr (Abbildung 6) von der Oberseite des Windkanals mit einer vertikalen Stachelhalterung. Stellen Sie sicher, dass sich die Sonde in der Mitte des Testabschnitts befindet und in Richtung des Durchflusses ausgerichtet ist, wobei der primäre Anschluss direkt in den Durchfluss ausgerichtet ist.


Abbildung 6. Pitot-statisches Rohr.

  1. Richten Sie die Oberseite der Manometerflüssigkeit an der doppelten O-Ring-Markierung auf dem Glasrohr aus. Wenn der Messwert auf der Hauptskala (in braun, Abbildung 3) nicht Null entspricht, wählen Sie einen anderen Referenzpunkt aus, richten Sie die Manometerflüssigkeit an der neuen Referenz aus und zeichnen Sie den Versatz in der Höhe auf (haus).
  2. Verbinden Sie die Stagnations- und statischen Druckausgänge am pitotstatischen Rohr mit den entsprechenden Anschlüssen des U-Rohr-Manometers und des Druckwandlers mit flexiblen Kunststoffschläuchen und T-Kanal-Steckverbindern. Beachten Sie, dass der Druckwandler auf jeder flachen vertikalen Oberfläche montiert werden kann, solange er gemäß Abbildung 4ausgerichtet ist.
  3. Sichern Sie die Windkanaltüren und schalten Sie alle Systeme ein.
  4. Nehmen Sie den Messwert für die No-Air-Flow-Bedingung (Null-Lesung).
  5. Starten Sie den Windkanal und stellen Sie den dynamischen Druck im Testabschnitt auf 1psf ein.
  6. Zeichnen Sie die Daten auf, die Tabelle 1 entsprechen.
  7. Erhöhen Sie die dynamische Druckeinstellung im Windkanal in Schritten von 1psf bis zu einer maximalen Einstellung von 20psf und wiederholen Sie Schritt 1,7 bei jeder dynamischen Druckeinstellung.
  8. Um die Wandlerhysterese zu überprüfen, verringern Sie den dynamischen Druck in Schritten von 1psf bis 0psf und wiederholen Sie Schritt 1,7 bei jeder dynamischen Druckeinstellung.
  9. Schalten Sie nach Abschluss des Tests alle Systeme herunter.

Tabelle 1. Für das Druckkalibrierungsexperiment gesammelte Daten

P-Wandler
(psf)
hManometer
(in)
Ichwandlere
(mA)
WT-Wandler Manometer Multimeter

Alle Flugzeuge verwenden Druckmessungen, um Echtzeitberechnungen der Windgeschwindigkeit durchzuführen. In einem Flugzeug werden diese Druckmessungen mit einem pitotstatischen Rohr durchgeführt.

Ein pitotstatisches Rohr hat Öffnungen, die den Stagnationsdruck und den statischen Druck messen. Erinnern Sie sich daran, dass Stagnationsdruck die Summe des statischen Drucks und des dynamischen Drucks ist, so dass das pitot-statische Rohr verwendet wird, um den dynamischen Druck und damit die Strömungsgeschwindigkeit zu messen. Eine Methode, um Windgeschwindigkeit mit Druck mit dem pitot-statischen Rohr zu korrelieren, ist die Verwendung eines flüssigen Manometers.

Ein Fluidmanometer ist in der Regel ein U-förmiges Glasrohr, das teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist. Ein Arm des Manometers ist mit dem Stagnationsdruckanschluss am pitotstatischen Rohr und der andere mit dem statischen Druckanschluss verbunden. In stagnierender Luft, wo dies kein Unterschied zwischen dem statischen Druck und dem Stagnationsdruck ist, ist der Höhenunterschied des Manometers Flüssigkeit null.

Wenn das Manometer ein Druckdifferenzial erfährt, wird es durch eine Änderung der Flüssigkeitshöhe visualisiert. Die Druckdifferenz oder der dynamische Druck wird aus Delta H mit dieser Gleichung berechnet. Hier ist rho L die Dichte der Flüssigkeit im Manometer und G ist Gravitationsbeschleunigung. Diese Beziehung wird verwendet, um die Windgeschwindigkeit zu berechnen, indem sie in die Geschwindigkeitsgleichung ersetzt wird. Wir können dann für die Freistromgeschwindigkeit, V unendlich, mit der Free-Stream-Dichte, rho unendlich lösen.

Flüssigmanometer sind jedoch sperrig und erfordern ein manuelles Lesen an Bord des Flugzeugs. Eine bequemere Methode zur Messung des Druckunterschieds besteht daher darin, anstelle des Manometers einen Druckwandler zu verwenden. Dadurch können wir das Druckdifferenzial in ein elektrisches Signal umwandeln.

Ein Kapazitätsdruckwandler basiert auf dem Arbeitsprinzip eines Kondensators, der aus zwei leitfähigen Platten besteht, die durch einen Isolator getrennt sind. Die Kapazität wird durch die folgende Gleichung gemessen, wobei mu die dielektrische Konstante des Isolatormaterials, A die Fläche der Platten und D der Abstand zwischen den Platten ist.

Um den Kapazitätsdruckwandler zu machen, wird eine der leitfähigen Platten durch eine flexible leitfähige Membran ersetzt. Wenn Druck ausgeübt wird, lenkt die Membran ab, was zu einer Änderung des Abstands zwischen den Platten D führt, was zu einer Änderung der Kapazität führt. Die Elektronik im Messumformer ist so kalibriert, dass sie spezifische Stromänderungen für entsprechende Kapazitätsabweichungen erzeugt. Somit entspricht eine Strommessung einem gegebenen Druck.

Wie das Manometer ist auch der Druckaufnehmer mit dem Pitotrohr verbunden und wird in einem Windkanal mit bekannten Windgeschwindigkeiten kalibriert. Dies ermöglicht es uns, eine mathematische Beziehung zwischen Strom und Druck zu erzeugen, und durch die Erweiterung, Strom und Windgeschwindigkeit.

In dieser Laborvorführung verwenden wir eine pitotstatische Röhre in einem Windkanal, der mit einem Druckaufnehmer verbunden ist. Anschließend kalibrieren wir den Druckwandler bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten und bestimmen die Beziehung zwischen Spannung und Geschwindigkeit.

Für dieses Experiment müssen Sie einen Windkanal mit einem eigenen kalibrierten Druckaufnehmer und der Fähigkeit verwenden, einen dynamischen Druck von 25 psf zu erreichen. Sie verwenden auch ein Standard-Pitot-statisches Rohr und ein Differential-U-Rohr-Manometer mit farbigem Wasser, um diesen Differenzdruckwandler zu kalibrieren.

Montieren Sie zunächst das pitotstatische Rohr im Inneren des Windkanals oben auf dem Testabschnitt mit einer vertikalen Stachelhalterung. Stellen Sie sicher, dass sich die Sonde in der Mitte des Testabschnitts befindet. Richten Sie das Pitotrohr an der Strömungsrichtung aus, sodass der primärport direkt in den Luftstrom einsteigt.

Richten Sie als Nächstes die Oberseite der Manometerflüssigkeit an der doppelten O-Ring-Markierung auf dem Glasrohr aus. Wenn der Messwert auf der Hauptskala nicht Null entspricht, richten Sie die Flüssigkeit an einem anderen Referenzpunkt aus, und notieren Sie die Versatzhöhe.

Verwenden Sie einen T-Stecker, um den Durchfluss von einem Rohr auf zwei zu teilen, und verbinden Sie dann die Stagnations- und statischen Druckausgänge am pitotstatischen Rohr mit den entsprechenden Anschlüssen des U-Rohr-Manometers. Montieren Sie den Druckwandler außerhalb des Windkanalprüfabschnitts auf einer vertikalen Oberfläche. Richten Sie eine Standardspannungsversorgung ein, um den Druckaufnehmer mit Strom zu versorgen, und ein Multimeter, um den Ausgangsstrom zu lesen. Schließen Sie dann die Stagnations- und statischen Druckausgänge an die entsprechenden Druckanschlüsse am Messumformer an.

Sichern Sie nun die Windkanaltüren und schalten Sie alle Systeme ein. Nehmen Sie dann die Messwerte des Windkanal-Wandlerdrucks, der Manometerhöhe und des Differenzdruckstroms. Zeichnen Sie die Messungen für die Bedingung "Kein Luftstrom" als Basislinie Nullwert auf. Schalten Sie nun den Windkanal ein und stellen Sie den dynamischen Druck im Testabschnitt auf ein psf ein.

Sobald sich der Durchfluss stabilisiert hat, erfassen Sie den Schallwandlerdruck, den Manometerhöhenunterschied und den Geberstrom. Erhöhen Sie die dynamische Druckeinstellung im Windkanal in Schritten von einem psf, bis zu einer maximalen Einstellung von 20 psf, wobei die Daten bei jedem Schritt aufgezeichnet werden. Um die Hysterese zu überprüfen, verringern Sie den dynamischen Druck in Schritten von einem psf, zurück auf Null psf, und wieder Daten bei jedem Schritt aufzeichnen. Wenn alle Messungen gesammelt wurden, schalten Sie alle Systeme herunter.

Werfen wir nun einen Blick auf die Ergebnisse. Zuerst betrachten wir eine Darstellung der Manometerhöhenwerte mit steigendem und abnehmendem dynamischen Druck. Für jede Spur werden hier zwei Messungen angezeigt. Das eine ist der tatsächliche Manometerwert, und das andere wurde mit der Versatzhöhe von 0,8 Zoll korrigiert. Wir können den Manometerdruck aus der Manometerhöhe berechnen, indem wir die gezeigte einfache Gleichung verwenden. Hier verwenden wir die Dichte der Flüssigkeit im Manometer, die in diesem Fall Wasser, Gravitationsbeschleunigung und die Manometeroffset- und Höhenmessungen ist.

Nun, da wir den Druck aus dem Manometer-Messwert berechnet haben, werden wir ihn gegen die Stromwerte des Druckmessumformers darstellen. Um die Kalibrierkurve für den Druckwandler zu erhalten, passen wir die steigenden und abnehmenden Daten separat an, was zu zwei linearen Gleichungen führt, die am besten angepasst werden.

Wir sehen jedoch, dass die steigenden und abnehmenden Daten anstehen. So können wir schlussfolgern, dass der Druckaufnehmer keine Hysterese aufweist. So können wir eine einzige Kalibriergleichung vereinfachen, wodurch wir den Druck anhand des aktuellen Messwerts vom Druckaufnehmer und nicht mit dem sperrigen Fluidmanometer messen können. Durch den Anschluss der pitotstatischen Sonde an den kalibrierten Messumformer können wir den dynamischen Druck und damit die Windgeschwindigkeiten direkt messen.

Zusammenfassend haben wir gelernt, wie während des Fluges gemessene Druckdifferenzen mit der Strömungsgeschwindigkeit korrelieren. Anschließend kalibrierten wir einen Druckaufnehmer, indem wir ein pitotstatisches Rohr unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten unterwarfen, und ermittelten die Beziehung zwischen Spannung und Windgeschwindigkeit.

Results

Bei der Analyse wurden folgende Konstanten verwendet: Wasserdichte, Wasser: 61,04 lb/ft3; Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft, g: 32,15 ft/s2; und Manometer abgesetzt, hab = 0,8 in. Die Variation der Manometerdaten zur Erhöhung und Abnahme dynamischer Drücke (mit und ohne Korrektur für das Instrument off-set) ist in Abbildung 7dargestellt. Abbildung 8 zeigt ein Diagramm der Messumformerstromwerte gegen den Manometerdruck, der mit Gleichung 3 berechnet wurde.

Um die Kalibrierkurve für den Druckwandler zu erhalten, werden zwei lineare Kurven durch die steigenden bzw. abnehmenden Datenpunkte angepasst. Die entsprechenden linearen Anpassungsgleichungen sind:

(5)

(6)

Die Gleichungen für die steigenden und abnehmenden Kurven sind fast ähnlich, und die beiden Kurven richten sich aneinander aus, wie in Abbildung 8beobachtet. Daraus lässt sich ableiten, dass der Druckaufnehmer keine Hysterese hat. Für den Messumformer kann eine einzige Kalibriergleichung verwendet werden, die den Strom auf den Druck bezieht (Gleichungen 5 oder 6), wodurch die Notwendigkeit entsteht, das sperrige U-Rohr-Manometersystem für alle zukünftigen Druckmessungen zu verwenden.


Abbildung 7. Variation der Manometer-Flüssigkeitshöhe mit dynamischem Windkanaldruck. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.


Abbildung 8. Kalibrierkurven für den Druckaufnehmer. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Applications and Summary

Elektromechanische Messumformer sind beliebte Ersatzfürst für einige der sperrigeren Messsysteme. Um effektive Versuchswerkzeuge zu sein, müssen Wandler jedoch regelmäßig mit standardisierten Messgeräten kalibriert werden. In diesem Experiment wurde ein kapazitiver Druckaufnehmer vom Typ off-the-shelf kalibriert, indem die vom Messumformer erzeugten Stromsignale für eine Reihe dynamischer Druckbedingungen in einem Unterschall-Windkanal mit dem Druck verglichen wurden. Messungen von einem U-Rohr-Manometer. Die Ergebnisse zeigten, dass einelineare Beziehung zwischen dem Stromsignal des Messumformers und dem Druck mit vernachlässigbarer Sensorhysterese besteht. Es wurde eine einzige Kalibriergleichung erhalten, die den Drehstromausgang mit dem Druck in Beziehung setzt.

Moderne elektromechanische Messsysteme bieten den Weg zur Automatisierung der experimentellen Datenerfassung und können in statischen und dynamischen Echtzeitsystemen zur Datenüberwachung und -analyse eingesetzt werden. Allerdings sind geeignete Kalibrierungspraktiken, wie sie in diesem Experiment gezeigt wurden, notwendig, um Benutzern zu helfen, genaue und wiederholbare Daten mithilfe dieser Sensoren zu erhalten.

1. DruckaufnehmerKalibrierung

In dieser Demonstration wurde ein Unterschall-Windkanal mit einem 2,6 ft x 3,7 ft Testabschnitt und einer maximalen dynamischen Druckeinstellung von 25 psf verwendet. Ein vorkalibrierter Druckwandler wurde verwendet, um den dynamischen Druck im Windkanaltestabschnitt einzustellen, und ein Differenz-U-Rohr-Manometer mit farbigem Wasser und Skala wurde verwendet, um die Flüssigkeitshöhe zu messen (Abbildung 3). Ein Differenzdruckwandler(Abbildung 4), eine Standardspannungsversorgung (zur Stromversorgung des Messumformers) und ein Multimeter (zum Ablesen des Ausgangsstroms aus dem Messumformer) wurden ebenfalls verwendet (siehe Abbildung 5).


Abbildung 3. Differenzdruck U-Rohr Manometer.


Abbildung 4. Differenzdruckwandler.


Abbildung 5. Stromversorgung (links) und Multimeter (rechts).

  1. Montieren Sie ein standardmäßiges pitotstatisches Rohr (Abbildung 6) von der Oberseite des Windkanals mit einer vertikalen Stachelhalterung. Stellen Sie sicher, dass sich die Sonde in der Mitte des Testabschnitts befindet und in Richtung des Durchflusses ausgerichtet ist, wobei der primäre Anschluss direkt in den Durchfluss ausgerichtet ist.


Abbildung 6. Pitot-statisches Rohr.

  1. Richten Sie die Oberseite der Manometerflüssigkeit an der doppelten O-Ring-Markierung auf dem Glasrohr aus. Wenn der Messwert auf der Hauptskala (in braun, Abbildung 3) nicht Null entspricht, wählen Sie einen anderen Referenzpunkt aus, richten Sie die Manometerflüssigkeit an der neuen Referenz aus und zeichnen Sie den Versatz in der Höhe auf (haus).
  2. Verbinden Sie die Stagnations- und statischen Druckausgänge am pitotstatischen Rohr mit den entsprechenden Anschlüssen des U-Rohr-Manometers und des Druckwandlers mit flexiblen Kunststoffschläuchen und T-Kanal-Steckverbindern. Beachten Sie, dass der Druckwandler auf jeder flachen vertikalen Oberfläche montiert werden kann, solange er gemäß Abbildung 4ausgerichtet ist.
  3. Sichern Sie die Windkanaltüren und schalten Sie alle Systeme ein.
  4. Nehmen Sie den Messwert für die No-Air-Flow-Bedingung (Null-Lesung).
  5. Starten Sie den Windkanal und stellen Sie den dynamischen Druck im Testabschnitt auf 1psf ein.
  6. Zeichnen Sie die Daten auf, die Tabelle 1 entsprechen.
  7. Erhöhen Sie die dynamische Druckeinstellung im Windkanal in Schritten von 1psf bis zu einer maximalen Einstellung von 20psf und wiederholen Sie Schritt 1,7 bei jeder dynamischen Druckeinstellung.
  8. Um die Wandlerhysterese zu überprüfen, verringern Sie den dynamischen Druck in Schritten von 1psf bis 0psf und wiederholen Sie Schritt 1,7 bei jeder dynamischen Druckeinstellung.
  9. Schalten Sie nach Abschluss des Tests alle Systeme herunter.

Tabelle 1. Für das Druckkalibrierungsexperiment gesammelte Daten

P-Wandler
(psf)
hManometer
(in)
Ichwandlere
(mA)
WT-Wandler Manometer Multimeter

Alle Flugzeuge verwenden Druckmessungen, um Echtzeitberechnungen der Windgeschwindigkeit durchzuführen. In einem Flugzeug werden diese Druckmessungen mit einem pitotstatischen Rohr durchgeführt.

Ein pitotstatisches Rohr hat Öffnungen, die den Stagnationsdruck und den statischen Druck messen. Erinnern Sie sich daran, dass Stagnationsdruck die Summe des statischen Drucks und des dynamischen Drucks ist, so dass das pitot-statische Rohr verwendet wird, um den dynamischen Druck und damit die Strömungsgeschwindigkeit zu messen. Eine Methode, um Windgeschwindigkeit mit Druck mit dem pitot-statischen Rohr zu korrelieren, ist die Verwendung eines flüssigen Manometers.

Ein Fluidmanometer ist in der Regel ein U-förmiges Glasrohr, das teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist. Ein Arm des Manometers ist mit dem Stagnationsdruckanschluss am pitotstatischen Rohr und der andere mit dem statischen Druckanschluss verbunden. In stagnierender Luft, wo dies kein Unterschied zwischen dem statischen Druck und dem Stagnationsdruck ist, ist der Höhenunterschied des Manometers Flüssigkeit null.

Wenn das Manometer ein Druckdifferenzial erfährt, wird es durch eine Änderung der Flüssigkeitshöhe visualisiert. Die Druckdifferenz oder der dynamische Druck wird aus Delta H mit dieser Gleichung berechnet. Hier ist rho L die Dichte der Flüssigkeit im Manometer und G ist Gravitationsbeschleunigung. Diese Beziehung wird verwendet, um die Windgeschwindigkeit zu berechnen, indem sie in die Geschwindigkeitsgleichung ersetzt wird. Wir können dann für die Freistromgeschwindigkeit, V unendlich, mit der Free-Stream-Dichte, rho unendlich lösen.

Flüssigmanometer sind jedoch sperrig und erfordern ein manuelles Lesen an Bord des Flugzeugs. Eine bequemere Methode zur Messung des Druckunterschieds besteht daher darin, anstelle des Manometers einen Druckwandler zu verwenden. Dadurch können wir das Druckdifferenzial in ein elektrisches Signal umwandeln.

Ein Kapazitätsdruckwandler basiert auf dem Arbeitsprinzip eines Kondensators, der aus zwei leitfähigen Platten besteht, die durch einen Isolator getrennt sind. Die Kapazität wird durch die folgende Gleichung gemessen, wobei mu die dielektrische Konstante des Isolatormaterials, A die Fläche der Platten und D der Abstand zwischen den Platten ist.

Um den Kapazitätsdruckwandler zu machen, wird eine der leitfähigen Platten durch eine flexible leitfähige Membran ersetzt. Wenn Druck ausgeübt wird, lenkt die Membran ab, was zu einer Änderung des Abstands zwischen den Platten D führt, was zu einer Änderung der Kapazität führt. Die Elektronik im Messumformer ist so kalibriert, dass sie spezifische Stromänderungen für entsprechende Kapazitätsabweichungen erzeugt. Somit entspricht eine Strommessung einem gegebenen Druck.

Wie das Manometer ist auch der Druckaufnehmer mit dem Pitotrohr verbunden und wird in einem Windkanal mit bekannten Windgeschwindigkeiten kalibriert. Dies ermöglicht es uns, eine mathematische Beziehung zwischen Strom und Druck zu erzeugen, und durch die Erweiterung, Strom und Windgeschwindigkeit.

In dieser Laborvorführung verwenden wir eine pitotstatische Röhre in einem Windkanal, der mit einem Druckaufnehmer verbunden ist. Anschließend kalibrieren wir den Druckwandler bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten und bestimmen die Beziehung zwischen Spannung und Geschwindigkeit.

Für dieses Experiment müssen Sie einen Windkanal mit einem eigenen kalibrierten Druckaufnehmer und der Fähigkeit verwenden, einen dynamischen Druck von 25 psf zu erreichen. Sie verwenden auch ein Standard-Pitot-statisches Rohr und ein Differential-U-Rohr-Manometer mit farbigem Wasser, um diesen Differenzdruckwandler zu kalibrieren.

Montieren Sie zunächst das pitotstatische Rohr im Inneren des Windkanals oben auf dem Testabschnitt mit einer vertikalen Stachelhalterung. Stellen Sie sicher, dass sich die Sonde in der Mitte des Testabschnitts befindet. Richten Sie das Pitotrohr an der Strömungsrichtung aus, sodass der primärport direkt in den Luftstrom einsteigt.

Richten Sie als Nächstes die Oberseite der Manometerflüssigkeit an der doppelten O-Ring-Markierung auf dem Glasrohr aus. Wenn der Messwert auf der Hauptskala nicht Null entspricht, richten Sie die Flüssigkeit an einem anderen Referenzpunkt aus, und notieren Sie die Versatzhöhe.

Verwenden Sie einen T-Stecker, um den Durchfluss von einem Rohr auf zwei zu teilen, und verbinden Sie dann die Stagnations- und statischen Druckausgänge am pitotstatischen Rohr mit den entsprechenden Anschlüssen des U-Rohr-Manometers. Montieren Sie den Druckwandler außerhalb des Windkanalprüfabschnitts auf einer vertikalen Oberfläche. Richten Sie eine Standardspannungsversorgung ein, um den Druckaufnehmer mit Strom zu versorgen, und ein Multimeter, um den Ausgangsstrom zu lesen. Schließen Sie dann die Stagnations- und statischen Druckausgänge an die entsprechenden Druckanschlüsse am Messumformer an.

Sichern Sie nun die Windkanaltüren und schalten Sie alle Systeme ein. Nehmen Sie dann die Messwerte des Windkanal-Wandlerdrucks, der Manometerhöhe und des Differenzdruckstroms. Zeichnen Sie die Messungen für die Bedingung "Kein Luftstrom" als Basislinie Nullwert auf. Schalten Sie nun den Windkanal ein und stellen Sie den dynamischen Druck im Testabschnitt auf ein psf ein.

Sobald sich der Durchfluss stabilisiert hat, erfassen Sie den Schallwandlerdruck, den Manometerhöhenunterschied und den Geberstrom. Erhöhen Sie die dynamische Druckeinstellung im Windkanal in Schritten von einem psf, bis zu einer maximalen Einstellung von 20 psf, wobei die Daten bei jedem Schritt aufgezeichnet werden. Um die Hysterese zu überprüfen, verringern Sie den dynamischen Druck in Schritten von einem psf, zurück auf Null psf, und wieder Daten bei jedem Schritt aufzeichnen. Wenn alle Messungen gesammelt wurden, schalten Sie alle Systeme herunter.

Werfen wir nun einen Blick auf die Ergebnisse. Zuerst betrachten wir eine Darstellung der Manometerhöhenwerte mit steigendem und abnehmendem dynamischen Druck. Für jede Spur werden hier zwei Messungen angezeigt. Das eine ist der tatsächliche Manometerwert, und das andere wurde mit der Versatzhöhe von 0,8 Zoll korrigiert. Wir können den Manometerdruck aus der Manometerhöhe berechnen, indem wir die gezeigte einfache Gleichung verwenden. Hier verwenden wir die Dichte der Flüssigkeit im Manometer, die in diesem Fall Wasser, Gravitationsbeschleunigung und die Manometeroffset- und Höhenmessungen ist.

Nun, da wir den Druck aus dem Manometer-Messwert berechnet haben, werden wir ihn gegen die Stromwerte des Druckmessumformers darstellen. Um die Kalibrierkurve für den Druckwandler zu erhalten, passen wir die steigenden und abnehmenden Daten separat an, was zu zwei linearen Gleichungen führt, die am besten angepasst werden.

Wir sehen jedoch, dass die steigenden und abnehmenden Daten anstehen. So können wir schlussfolgern, dass der Druckaufnehmer keine Hysterese aufweist. So können wir eine einzige Kalibriergleichung vereinfachen, wodurch wir den Druck anhand des aktuellen Messwerts vom Druckaufnehmer und nicht mit dem sperrigen Fluidmanometer messen können. Durch den Anschluss der pitotstatischen Sonde an den kalibrierten Messumformer können wir den dynamischen Druck und damit die Windgeschwindigkeiten direkt messen.

Zusammenfassend haben wir gelernt, wie während des Fluges gemessene Druckdifferenzen mit der Strömungsgeschwindigkeit korrelieren. Anschließend kalibrierten wir einen Druckaufnehmer, indem wir ein pitotstatisches Rohr unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten unterwarfen, und ermittelten die Beziehung zwischen Spannung und Windgeschwindigkeit.

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