Druckwandler: Kalibrierung mit einem Pitotrohr

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.