Overview
מקור: שרייאס נרסיספור, הנדסת מכונות וחלל, אוניברסיטת צפון קרוליינה סטייט, ראלי, NC
לחץ נוזלים הוא מאפיין זרימה חשוב הנדרש כדי לקבוע את האווירודינמיקה של מערכת. אחת ממערכות מדידת הלחץ העתיקות והעדיין הקיימות היא מד המנומטר בשל דיוקו ופשטות הפעולה שלו. המנומטר הוא בדרך כלל צינור זכוכית בצורת U, המלא חלקית בנוזל, כפי שמוצג באיור 1. מד הצינורות U אינו דורש כיול מכיוון שאין לו חלקים נעים, והמדידות שלו הן פונקציות של כוח המשיכה וצפיפותהנוזל. לכן, המנומטר הוא מערכת מדידה פשוטה ומדויקת.
איור 1. סכמטי של מד צינור יו.
מדידות לחץ בזמן אמת מתקבלות במטוסים על ידי חיבור יציאות הקיפאון והלחץ הסטטי של גשושית פיטו-סטטית, מכשיר המשמש בדרך כלל למדידת לחץ זרימת נוזלים, לנמלים של התקן מדידת לחץ. הדבר מאפשר לטייסים לקבל תנאי טיסה קיימים ולהזהיר אותם אם מתרחשים שינויים בתנאי הטיסה. בעוד מנומטרים מספקים קריאות לחץ מדויקות מאוד, הם מגושמים מטבעם. יש צורך בפתרון מציאותי יותר כדי למדוד את לחצי המטוסים, שכן אחת ממטרות התכנון העיקריות היא לשמור על משקל המטוס הכולל נמוך ככל האפשר. כיום, מתמרים לחץ אלקטרומכני, הממירים את הלחץ המופעל לאות חשמלי, נמצאים בשימוש נרחב עבור יישומי חישת לחץ במטוס מכיוון שהם קטנים, קלים, וניתן למקם אותם כמעט בכל מקום במסגרת האוויר. המאפיינים לעיל לא רק לעזור להפחית את המשקל, אלא גם להפחית את כמות הצינורות הנדרשים כדי לחבר את הבדיקה pitot-סטטית המתמר, ובכך להקטין את זמן התגובה של הנתונים. בנוסף, בבדיקות טיסה ניסיוניות של מטוסים, מתמרי לחץ זעירים שימושיים מכיוון שהם מאפשרים לחוקרים למקסם את איסוף נתוני הלחץ מבלי להוסיף באופן משמעותי למשקל המטוס. בעוד קיימים סוגים שונים של מתמרים לחץ עם טכניקות מדידה שונות, אחד הסוגים הנפוצים יותר של מתמר הוא מתמר הלחץ הקיבליבי. כמו מתמרים מסוגלים רק לשלוח אותות במונחים של מתח וזרם, כיול של המתמר נדרש לקשר את הכוח של אות מסוים ללחץ שגורם למתמר ליצור את האות. התאמת העקומה הסופית המקשרת את זרם המתמר או המתח למדידה פיזית, במקרה שלנו לחץ, מכונה בדרך כלל עקומת הכיול של המתמר.
בניסוי זה, גשושית פיטו-סטטית ממוקמת במנהרת רוח תת-קולית עם יציאות הקיפאון והלחץ הסטטי המחוברות לנמלים הכוללים והסטטיים של מד הצינור U ומתמר הלחץ. מנהרת הרוח מופעלת לאחר מכן בהגדרות לחץ דינמיות שונות, וקריאת הלחץ המתאימה ממנומטר צינור U, והקריאות הנוכחיות המיוצרות על ידי המתמר נרשמות. נתונים אלה משמשים לאחר מכן ליצירת עקומות כיול עבור מתמר הלחץ.
Principles
על מנת למדוד את הלחץ הדינמי, כל רגל של מנורת צינור U מחוברת ללחצים לא ידועים מנמלי הלחץ הסטטיים והסהדרים של הצינור הפיתות-סטטי. ההפרש המתקבל ניתן על-ידי המשוואה הבאה:
(1)
אשר מתרגם להבדל בגובה העמודה על מנורת ה- U-tube. הבדל זה בלחצים, או בלחץ דינמי, ניתן לחשב באמצעות הביטוי:
(2)
כאשר מים הם צפיפות המים (הנוזל במנומטר צינור U), g הוא התאוצה עקב כוח המשיכה, ו manometer h הוא ההבדל בגבהים בעמודה במנומטר צינור U. במקרים מסוימים, manometer יכול להיות היסט עקב כמות מספקת של נוזל בתא ואת היסט בגובה, hoff, יצטרך להיות בחשבון במשוואה לעיל כמו:
(3)
מתמר הלחץ מבוסס על עיקרון העבודה של קבל, המורכב משתי לוחות מוליכים המופרדים על ידי מבודד (איור 2).
איור 2. שרטוטים של קבל (A) ומתמר לחץ קיבוליות (B).
קיבוליות נמדדת באמצעות המשוואה:
(4)
כאשר μ הוא הקבוע הדיאלקטרי של החומר, A הוא אזור הלוחות, ו- d הוא המרווח בין הלוחות. במתמר לחץ קיבוליות, אחת הלוחות המוליכים מוחלפת בסרעפת מוליכת גמישה, כפי שמוצג באיור 2. כאשר מופעל לחץ, הסרעפת מסיט, מה שגורם לשינוי ב- d, ובכך מוביל לשינוי קיבוליות. האלקטרוניקה במתמר מכויל כדי ליצור שינויי מתח ספציפיים לשינויים המתאימים בהקבליות, אשר בתורו ניתן להשתמש כדי למדוד את הזרם עבור לחץ מיושם נתון.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. כיול מתמר לחץ
בהדגמה זו, נעשה שימוש במנהרת רוח תת-קולית עם קטע בדיקה בגובה 2.6 רגל על 3.7 רגל והגדרת לחץ דינמי מקסימלית של 25 psf. מתמר לחץ מכויל מראש שימש למדידת הלחץ הדינמי בקטע הבדיקה של מנהרת הרוח, ומנומטר צינור U דיפרנציאלי עם מים צבעוניים וקנה מידה שימש למדידת גובה הנוזלים(איור 3). מתמר לחץ דיפרנציאלי (איור 4), אספקת מתח סטנדרטית (להפעלת המתמר) ומולטימטר (לקריאת זרם היציאה מהמתמר) שימשו גם הם, המוצגים באיור 5.
איור 3. מנומטר צינור הלחץ ההפרשי.
איור 4. מתמר לחץ דיפרנציאלי.
איור 5. ספק כוח (משמאל) ורב-מטר (מימין).
- הרכיבו צינור פיתות-סטטי סטנדרטי(איור 6)מראש מנהרת הרוח באמצעות הרכב עוקץ אנכי. ודא כי הבדיקה נמצאת במרכז מקטע הבדיקה ומיושרת לכיוון הזרימה כאשר היציאה הראשית פונה ישירות לזרימה.
איור 6. צינור פיטו-סטטי.
- יישר את החלק העליון של נוזל המנומטר לסמן טבעת O כפול על צינור הזכוכית. אם הקריאה בסולם הראשי (בחום, איור 3) אינה תואמת לאפס, בחר נקודת התייחסות אחרת, יישר את נוזל המנומטר להפניה החדשה ותיעד את ההיסט בגובה (hoff).
- חבר את שקעי הקיפאון והלחץ הסטטי בצינור הפיתות-סטטי לנמלים המתאימים במנומטר צינור U ואת מתמר הלחץ באמצעות צינורות פלסטיק גמישים ומחברי ערוץ T. שימו לב שניתן להרכיב את מתמר הלחץ על כל משטח אנכי שטוח כל עוד הוא מיושר בהתאם לאיור 4.
- אבטחו את דלתות מנהרת הרוח והדליקו את כל המערכות.
- קח את הקריאה עבור מצב זרימה ללא אוויר (אפס קריאה).
- התחל את מנהרת הרוח והגדר את הלחץ הדינמי בקטע הבדיקה ל- 1psf.
- הקלט את הנתונים המתאימים לטבלה 1.
- הגדל את הגדרת הלחץ הדינמי במנהרת הרוח בשלבים של 1psf עד להגדרה מקסימלית של 20psf וחזור על שלב 1.7 בכל הגדרת לחץ דינמית.
- כדי לבדוק אם יש היסטזיס של מתמרים, הפחיתו את הלחץ הדינמי בשלבים של 1psf עד ל- 0psf וחזרו על שלב 1.7 בכל הגדרת לחץ דינמית.
- עם השלמת הבדיקה, כבו את כל המערכות.
טבלה 1. נתונים שנאספו לניסוי כיול הלחץ
| מתמר P (psf) |
hמנומטר (ב) |
אנימתמר (מ.א) |
| מתמר WT | מנורומטר | ריבוי מטר |
כל המטוסים משתמשים במדידות לחץ כדי לבצע חישובים בזמן אמת של מהירות הרוח. במטוס, מדידות לחץ אלה מתקבלות באמצעות צינור פיטו-סטטי.
לצינור פיתות-סטטי יש פתחים שמודדים את לחץ הקיפאון ואת הלחץ הסטטי. זכור כי לחץ הקיפאון הוא סך כל הלחץ הסטטי והלחץ הדינמי, ולכן הצינור פיטו-סטטי משמש למדידת הלחץ הדינמי ולכן מהירות הזרימה. שיטה אחת לתאם את מהירות הרוח ללחץ באמצעות הצינור פיטו-סטטי היא באמצעות מנור נוזלים.
מד נוזלים הוא בדרך כלל צינור זכוכית בצורת U כי הוא מלא חלקית בנוזל. זרוע אחת של מד האדם מחוברת ליציאת לחץ הקיפאון בצינור הפיתות-סטטי, והשנייה ליציאת הלחץ הסטטי. באוויר קיפאון, שבו זה לא הבדל בין הלחץ הסטטי ללחץ הקיפאון, הפרש גובה נוזל המנומטר הוא אפס.
כאשר המנומטר חווה דיפרנציאל לחץ, הוא מדמיין על ידי שינוי בגובה הנוזלים. דיפרנציאל הלחץ, או הלחץ הדינמי, מחושב מדלתא H באמצעות משוואה זו. כאן, רו L הוא צפיפות הנוזלים במנומטר ו- G הוא תאוצת כבידה. קשר גומלין זה משמש לחישוב מהירות הרוח על-ידי החלפתה במשוואת המהירות. לאחר מכן אנו יכולים לפתור עבור מהירות הזרם החופשי, V אינסוף, באמצעות צפיפות זרם חופשי, רו אינסוף.
עם זאת, מנומטרים נוזליים הם מגושמים, ודורשים קריאה ידנית במטוס. לכן, שיטה נוחה יותר למדוד את דיפרנציאל הלחץ היא להשתמש במתמר לחץ במקום המנומטר. זה מאפשר לנו להמיר את הפרש הלחץ לאות חשמלי.
מתמר לחץ קיבוליות מבוסס על עיקרון העבודה של קבל, המורכב משתי לוחות מוליכים המופרדים על ידי מבודד. הקיבול נמדד על ידי המשוואה הבאה, כאשר mu הוא הקבוע הדיאלקטרי של חומר המבודד, A הוא אזור הלוחות, ו- D הוא המרווח בין הלוחות.
כדי להפוך את מתמר לחץ הקיבול, אחד הלוחות מוליכים מוחלף על ידי דיאפרגמה מוליך גמיש. כאשר מופעל לחץ, הסרעפת מסיט גורם לשינוי המרווח בין הלוחות D, וכתוצאה מכך שינוי קיבוליות. האלקטרוניקה במתמר מכוילת כדי ליצור שינויים נוכחיים ספציפיים עבור סטיות מתאימות בהתקבלות. לפיכך, קריאה עדכנית תואמת ללחץ נתון.
כמו המנומטר, מתמר הלחץ מחובר לצינור הפיתות ומכויל במנהרת רוח עם מהירויות רוח ידועות. זה מאפשר לנו ליצור קשר מתמטי בין זרם ללחץ, ובהרחבה, מהירות הזרם והרוח.
בהדגמת המעבדה הזו, נשתמש בצינור פיתות-סטטי במנהרת רוח המחוברת למתמר לחץ. לאחר מכן כייל את מתמר הלחץ במהירויות רוח שונות ונקבע את הקשר בין מתח ומהירות.
לניסוי זה, יהיה עליך להשתמש במנהרת רוח עם מתמר לחץ מכויל משלה ויכולת להגיע ללחץ דינמי של 25 psf. תוכלו גם להשתמש בצינור פיתות-סטטי סטנדרטי ובמנומטר צינור U דיפרנציאלי עם מים צבעוניים לכייל את מתמר הלחץ ההפרשי הזה.
כדי להתחיל, הר את הצינור פיטו-סטטי בתוך מנהרת הרוח בחלק העליון של קטע הבדיקה באמצעות הרכב עוקץ אנכי. ודא כי הבדיקה נמצאת במרכז סעיף הבדיקה. יישר את צינור הפיתות עם כיוון הזרימה, כך שהיציאה הראשית פונה ישירות לזרימת האוויר.
לאחר מכן, יישר את החלק העליון של נוזל המנומטר לסמן O-טבעת כפול על צינור הזכוכית. אם הקריאה בקנה המידה הראשי אינה תואמת לאפס, יישר את הנוזל לנקודת התייחסות אחרת ורשום את גובה ההיסט.
השתמש במחבר T כדי לפצל את הזרימה מצינור אחד לשניים, ולאחר מכן חבר את שקעי הקיפאון והלחץ הסטטי בצינור הפיתות-סטטי, לנמלים המתאימים במנומטר צינור U. הר את מתמר הלחץ מחוץ למקטע בדיקת מנהרת הרוח על משטח אנכי. הגדר אספקת מתח סטנדרטית כדי להפעיל את מתמר הלחץ ואת multimeter כדי לקרוא את זרם היציאה. לאחר מכן, חבר את שקעי הקיפאון והלחץ הסטטי ליציאות הלחץ המתאימות על המתמר.
עכשיו, לאבטח את דלתות מנהרת הרוח ולהדליק את כל המערכות. לאחר מכן, קח קריאות של לחץ מתמר מנהרת הרוח, גובה המנומטר, ואת זרם מתמר הלחץ הדיפרנציאלי. הקלט את המדידות עבור מצב ללא זרימת אוויר כקריאת קו הבסיס אפס. עכשיו להפעיל את מנהרת הרוח, ולהגדיר את הלחץ הדינמי בחלק הבדיקה לPSF אחד.
לאחר שהזרימה התייצבה, תיעדו את לחץ המתמר, את הפרש גובה המנומטר ואת זרם המתמר. הגדל את הגדרת הלחץ הדינמי במנהרת הרוח בשלבים של psf אחד, עד להגדרה מקסימלית של 20 psf, רישום הנתונים בכל שלב. כדי לבדוק היסטזיס, להקטין את הלחץ הדינמי בשלבים של psf אחד, בחזרה למטה לאפס psf, שוב להקליט נתונים בכל שלב. כאשר כל המדידות נאספו, כבה את כל המערכות.
עכשיו, בואו נסתכל על התוצאות. ראשית, אנו מסתכלים על חלקה של קריאות גובה האחוז עם לחץ דינמי הולך וגדל. שתי מדידות מוצגות כאן עבור כל עקבות. אחד הוא קריאת המנומטר בפועל, והשני תוקן בגובה ההיסט של 0.8 אינץ '. אנחנו יכולים לחשב את לחץ המנומטר מגובה האחוז, באמצעות המשוואה הפשוטה המוצגת. כאן, אנו משתמשים בצפיפות הנוזל במנומטר, שהוא במקרה זה מים, תאוצת כבידה, ומידות היסט הגובה והמנומטר.
עכשיו, לאחר חישבנו את הלחץ מקריאת האחוז, נתווה אותו כנגד קריאות זרם מתמר הלחץ. כדי להשיג את עקומת הכיול עבור מתמר הלחץ, נתאים את הנתונים הגדלים וההולכים ומצטמצמים בנפרד, וכתוצאה מכך שתי משוואות התאמה ליניאריות מתאימות ביותר.
עם זאת, אנו רואים שהנתונים הגדלים וההולכת וגדלים מסתדרים בשורה. אז אנחנו יכולים להסיק כי מתמר הלחץ אינו מציג היסטריה. לכן, אנו יכולים לפשט למשוואת כיול אחת, ובכך לאפשר לנו למדוד לחץ באמצעות הקריאה הנוכחית ממתמר לחץ, ולא במנומטר הנוזל המגושם. על ידי חיבור הגשושית הפיתות-סטטית למתמר המכויל, אנו יכולים למדוד ישירות את הלחץ הדינמי ולכן, מהירויות רוח.
לסיכום, למדנו כיצד הפרשי לחץ נמדדים במהלך הטיסה בקורלציה למהירות הזרימה. לאחר מכן כיילנו מתמר לחץ על ידי חשיפת צינור פיתות-סטטי למהירויות רוח משתנות, וקבענו את הקשר בין מתח ומהירות רוח.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
הקבועים הבאים שימשו בניתוח: צפיפות מים, מיםρ: 61.04 lb / ft3; תאוצה עקב כוח המשיכה, ז: 32.15 רגל / s2; ומנומטר מחוץ לסט, hoff = 0.8 ב. השונות בנתוני המנומטר להגברה וירידה בלחצים דינמיים (עם ובלי תיקון עבור המכשיר מחוץ לסט) מוצגת באיור 7. איור 8 מציג חלקה של קריאות הזרם של המתמר כנגד לחץ המנומטר, שחושב באמצעות משוואה 3.
על מנת להשיג את עקומת הכיול עבור מתמר הלחץ, שתי עקומות ליניאריות מותאמות דרך נקודות הנתונים הגדלות והקטנות, בהתאמה. משוואות ההתאמה הליניארית המתאימות הן:
(5)
(6)
המשוואות של העקומות הגדלות וההולכת ומצטמצמות כמעט דומות, ושתי העקומות מתיישרות זו עם זו, כפי שנצפו באיור 8. לכן, ניתן להסיק כי מתמר הלחץ אין שום היסטריה. משוואת כיול אחת המתייחסת לזרם ללחץ (משוואות 5 או 6) יכולה לשמש עבור המתמר, ובכך להסיר את הצורך להשתמש במערכת מנורת ה- U-tube המגושמת לכל מדידות הלחץ העתידיות.
איור 7. וריאציה של גובה נוזל מנומטר עם לחץ דינמי של מנהרת רוח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8. עקומות כיול עבור מתמר הלחץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
מתמרים אלקטרומכניים הם תחליפים פופולריים עבור חלק ממערכות המדידה המגושמים יותר. עם זאת, מתמרים צריכים להיות מכוילים באופן קבוע באמצעות התקני מדידה סטנדרטיים על מנת להיות כלים ניסיוניים יעילים. בניסוי זה, מתמר לחץ אלקטרומכני מסוג קיבוליות מחוץ למדף כויל על ידי השוואת האותות הנוכחיים שנוצרו על ידי המתמר למגוון תנאי לחץ דינמיים במנהרת רוח תת-קולית למדידות הלחץ ממנומטר צינור U. התוצאות הראו שקיימת מערכת יחסים ליניארית בין האות הנוכחישלהמתמר לבין הלחץ עם היסטריסת חיישן זניחה. הושגה משוואת כיול אחת המתייחסת לפלט הנוכחי של המתמר ללחץ.
מערכות מדידה אלקטרומכניות מודרניות מספקות נתיב לאוטומטיות של רכישת נתונים ניסיוניים וניתן להשתמש בהן במערכות סטטיות ודינמיות בזמן אמת לניטור וניתוח נתונים. עם זאת, שיטות כיול נאות, כמו זו שהודגמה בניסוי זה, נחוצות כדי לסייע למשתמשים להשיג נתונים מדויקים וחוזרים באמצעות החיישנים האמורים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
