$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Tüm uçaklar, rüzgar hızının gerçek zamanlı hesaplamalarını yapmak için basınç ölçümlerini kullanır. Bir uçakta, bu basınç ölçümleri pitot-statik bir tüp kullanılarak elde edilir.
Pitot-statik bir tüp, durgunluk basıncını ve statik basıncı ölçen açıklıklara sahiptir. Durgunluk basıncının statik basınç ve dinamik basıncın toplamı olduğunu hatırlayın, bu nedenle pitot-statik tüp dinamik basıncı ve dolayısıyla akış hızını ölçmek için kullanılır. Pitot-statik tüpü kullanarak rüzgar hızını basınçla ilişkilendirmenin bir yöntemi, bir sıvı manometresi kullanmaktır.
Bir sıvı manometresi genellikle kısmen sıvı ile doldurulmuş U şeklinde bir cam tüptür. Manometrenin bir kolu pitot-statik tüp üzerindeki durgunluk basınç portuna, diğeri ise statik basınç portuna bağlanır. Statik basınç ile durgunluk basıncı arasında bir fark olmadığı durgun havada, manometre sıvısı yükseklik farkı sıfırdır.
Manometre bir basınç farkı yaşadığında, sıvı yüksekliğindeki bir değişiklikle görselleştirilir. Basınç farkı veya dinamik basınç, bu denklem kullanılarak delta H'den hesaplanır. Burada, rho L manometredeki sıvının yoğunluğudur ve G yerçekimi ivmesidir. Bu ilişki, rüzgar hızını hız denklemine koyarak hesaplamak için kullanılır. Daha sonra serbest akış yoğunluğunu, rho sonsuzu kullanarak serbest akış hızını, V sonsuzunu çözebiliriz.
Bununla birlikte, sıvı manometreleri hantaldır ve uçakta manuel olarak okunması gerekir. Bu nedenle, basınç farkını ölçmek için daha uygun bir yöntem, manometre yerine bir basınç dönüştürücü kullanmaktır. Bu, basınç farkını bir elektrik sinyaline dönüştürmemizi sağlar.
Bir kapasitans basınç dönüştürücüsü, bir yalıtkan ile ayrılmış iki iletken plakadan oluşan bir kapasitörün çalışma prensibine dayanır. Kapasitans, mu'nun yalıtkan malzemenin dielektrik sabiti olduğu, A'nın plakaların alanı ve D'nin plakalar arasındaki boşluk olduğu aşağıdaki denklemle ölçülür.
Kapasitans basınç dönüştürücüsünü yapmak için, iletken plakalardan biri esnek bir iletken diyafram ile değiştirilir. Basınç uygulandığında, diyafram saparak plakalar D arasındaki boşlukta bir değişikliğe neden olur ve bu da kapasitansta bir değişikliğe neden olur. Dönüştürücüdeki elektronikler, kapasitansta karşılık gelen sapmalar için belirli akım değişiklikleri üretecek şekilde kalibre edilir. Bu nedenle, bir akım okuması, belirli bir uygulanan basınca karşılık gelir.
Manometre gibi, basınç dönüştürücü de pitot tüpüne bağlanır ve bilinen rüzgar hızlarına sahip bir rüzgar tünelinde kalibre edilir. Bu, akım ve basınç ve buna bağlı olarak akım ve rüzgar hızı arasında matematiksel bir ilişki kurmamızı sağlar.
Bu laboratuvar gösteriminde, bir basınç dönüştürücüsüne bağlı bir rüzgar tünelinde pitot-statik bir tüp kullanacağız. Daha sonra basınç dönüştürücüsünü çeşitli rüzgar hızlarında kalibre edeceğiz ve voltaj ile hız arasındaki ilişkiyi belirleyeceğiz.
Bu deney için, kendi kalibre edilmiş basınç dönüştürücüsüne ve 25 psf'lik dinamik bir basınca ulaşma yeteneğine sahip bir rüzgar tüneli kullanmanız gerekecek. Bu diferansiyel basınç dönüştürücüsünü kalibre etmek için standart bir pitot-statik tüp ve renkli su içeren bir diferansiyel U-tüp manometre de kullanacaksınız.
Başlamak için, pitot-statik tüpü rüzgar tünelinin içine dikey bir iğne montajı kullanarak test bölümünün üstüne monte edin. Probun test bölümünün merkezinde olduğundan emin olun. Pitot tüpünü akış yönüyle hizalayın, böylece birincil bağlantı noktası doğrudan hava akışına bakar.
Ardından, manometre sıvısının üst kısmını cam tüp üzerindeki çift O-ring işaretleyicisiyle hizalayın. Ana ölçekteki okuma sıfıra karşılık gelmiyorsa, sıvıyı farklı bir referans noktasına hizalayın ve ofset yüksekliğini kaydedin.
Akışı bir tüpten ikiye bölmek için bir T-konektörü kullanın, ardından pitot-statik tüp üzerindeki durgunluk ve statik basınç çıkışlarını U-tüp manometresindeki ilgili bağlantı noktalarına bağlayın. Basınç dönüştürücüsünü rüzgar tüneli test bölümünün dışına dikey bir yüzeye monte edin. Basınç dönüştürücüsüne güç sağlamak için standart bir voltaj kaynağı ve çıkış akımını okumak için bir multimetre ayarlayın. Ardından, durgunluk ve statik basınç çıkışlarını dönüştürücü üzerindeki ilgili basınç portlarına bağlayın.
Şimdi, rüzgar tüneli kapılarını emniyete alın ve tüm sistemleri açın. Ardından, rüzgar tüneli dönüştürücü basıncını, manometre yüksekliğini ve diferansiyel basınç dönüştürücü akımını ölçün. Hava akışı yok durumu için ölçümleri temel hat sıfır okuması olarak kaydedin. Şimdi rüzgar tünelini açın ve test bölümündeki dinamik basıncı bir psf'ye ayarlayın.
Akış stabilize olduğunda, dönüştürücü basıncını, manometre yükseklik farkını ve dönüştürücü akımını kaydedin. Rüzgar tünelindeki dinamik basınç ayarını bir psf'lik adımlarla maksimum 20 psf'lik bir ayara kadar artırın ve verileri her adımda kaydedin. Histerezisi kontrol etmek için, dinamik basıncı bir psf'lik adımlarla düşürün, tekrar sıfır psf'ye düşürün, her adımda tekrar veri kaydedin. Tüm ölçümler toplandıktan sonra, tüm sistemleri kapatın.
Şimdi sonuçlara bir göz atalım. İlk olarak, artan ve azalan dinamik basınçla manometre yükseklik okumalarının bir grafiğine bakıyoruz. Burada her iz için iki ölçüm gösterilmektedir. Biri gerçek manometre okuması, diğeri ise 0.8 inçlik ofset yüksekliği ile düzeltildi. Gösterilen basit denklemi kullanarak manometre yüksekliğinden manometre basıncını hesaplayabiliriz. Burada, manometredeki sıvının yoğunluğunu, bu durumda suyun, yerçekimi ivmesini ve manometre ofseti ve yükseklik ölçümlerini kullanıyoruz.
Artık manometre okumasından basıncı hesapladığımıza göre, bunu basınç dönüştürücü akım okumalarına karşı çizeceğiz. Basınç dönüştürücüsünün kalibrasyon eğrisini elde etmek için, artan ve azalan verileri ayrı ayrı sığdıracağız ve bu da iki doğrusal en uygun denklemle sonuçlanacaktır.
Ancak artan ve azalan verilerin de aynı çizgide olduğunu görüyoruz. Böylece, basınç dönüştürücüsünün histerezis göstermediği sonucuna varabiliriz. Böylece, tek bir kalibrasyon denklemini basitleştirebiliriz, böylece hacimli sıvı manometresi yerine basınç dönüştürücüsünden gelen akım okumasını kullanarak basıncı ölçmemizi sağlayabiliriz. Pitot-statik probu kalibre edilmiş dönüştürücüye bağlayarak, dinamik basıncı ve dolayısıyla rüzgar hızlarını doğrudan ölçebiliriz.
Özetle, uçuş sırasında ölçülen basınç farklarının akış hızıyla nasıl ilişkili olduğunu öğrendik. Daha sonra bir pitot-statik tüpü değişen rüzgar hızlarına maruz bırakarak bir basınç dönüştürücüsünü kalibre ettik ve voltaj ile rüzgar hızı arasındaki ilişkiyi belirledik.