Overview
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.
Principles
Para medir a pressão dinâmica, cada perna do manômetro do tubo U está conectada a pressões desconhecidas das portas estáticas e de pressão total do tubo pitot-estático. A diferença resultante é dada pela seguinte equação:
(1)
o que se traduz em uma diferença na altura da coluna no manômetro do tubo U. Essa diferença de pressões, ou pressão dinâmica, pode ser calculada usando a expressão:
(2)
onde aágua é a densidade da água (o fluido no manômetro do tubo U), g é a aceleração devido à gravidade, e hmanômetro é a diferença nas alturas das colunas no manômetro do tubo U. Em alguns casos, o manômetro pode ter uma compensação devido à quantidade insuficiente de fluido na câmara e o deslocamento em altura, hoff, terá que ser contabilizado na equação acima como:
(3)
O transdutor de pressão baseia-se no princípio de trabalho de um capacitor, que consiste em duas placas condutoras separadas por um isolador(Figura 2).
Figura 2. Esquemas de um capacitor (A) e um transdutor de pressão de capacitância (B).
A capacitância é medida usando a equação:
(4)
onde μ é a constante dielétrica do material, A é a área das placas, e d é o espaçamento entre as placas. Em um transdutor de pressão de capacitância, uma das placas condutoras é substituída por um diafragma de condução flexível, como mostrado na Figura 2. Quando a pressão é aplicada, o diafragma se desvia, o que causa uma mudança no d, levando assim a uma mudança na capacitância. Os eletrônicos do transdutor são calibrados para gerar alterações específicas de tensão para as alterações correspondentes na capacitância, que por sua vez podem ser usadas para medir a corrente para uma determinada pressão aplicada.
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Procedure
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).
- Monte um tubo pitot-estático padrão(Figura 6) do topo do túnel de vento usando um suporte vertical de picada. Certifique-se de que a sonda está no centro da seção de teste e esteja alinhada na direção do fluxo com a porta primária voltada diretamente para o fluxo.
Figura 6. Tubo pitot-estático.
- Alinhe a parte superior do fluido do manômetro ao marcador duplo de anel O no tubo de vidro. Se a leitura na escala principal (em marrom, Figura 3) não corresponder a zero, escolha um ponto de referência diferente, alinhe o fluido manômetro à nova referência e regisse o deslocamento em altura(hoff).
- Conecte a estagnação e as saídas de pressão estática no tubo pitot-estático às portas correspondentes no manômetro do tubo U e no transdutor de pressão usando tubos de plástico flexíveis e conectores de canal T. Observe que o transdutor de pressão pode ser montado em qualquer superfície vertical plana, desde que esteja alinhado de acordo com a Figura 4.
- Proteja as portas do túnel de vento e ligue todos os sistemas.
- Faça a leitura para a condição de fluxo de ar sem ar (leitura zero).
- Inicie o túnel de vento e coloque a pressão dinâmica na seção de teste para 1psf.
- Regissuário os dados correspondentes à Tabela 1.
- Aumente a configuração de pressão dinâmica no túnel de vento em passos de 1psf até uma configuração máxima de 20psf e repita o passo 1.7 em cada configuração de pressão dinâmica.
- Para verificar se há histerese transdutor, diminua a pressão dinâmica em passos de 1psf até 0psf e repita o passo 1.7 em cada ajuste dinâmico de pressão.
- Após a conclusão do teste, desligue todos os sistemas.
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.
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Results
Na análise foram utilizadas as seguintes constantes: densidade hídrica, ρ água: 61,04 lb/ft3; aceleração devido à gravidade, g: 32,15 ft/s2; e manômetro off-set, hoff = 0,8 in. A variação dos dados do manômetro para aumento e diminuição das pressões dinâmicas (com e sem correção para o instrumento off-set) é mostrada na Figura 7. A Figura 8 mostra um enredo das leituras atuais do transdutor contra a pressão do manômetro, que foi calculada usando a Equação 3.
Para obter a curva de calibração para o transdutor de pressão, duas curvas lineares são montadas através dos pontos de dados crescentes e decrescentes, respectivamente. As equações de ajuste linear correspondentes são:
(5)
(6)
As equações para as curvas crescentes e decrescentes são quase semelhantes, e as duas curvas se alinham entre si, como observado na Figura 8. Portanto, pode-se deduzir que o transdutor de pressão não tem nenhuma histerese. Uma única equação de calibração relacionando a corrente à pressão (Equações 5 ou 6) pode ser usada para o transdutor, removendo assim a necessidade de usar o volumoso sistema de manômetro u-tube para todas as medições futuras de pressão.
Figura 7. Variação da altura do fluido do manômetro com pressão dinâmica do túnel de vento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8. Curvas de calibração para o transdutor de pressão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Applications and Summary
Transdutores eletromecânicos são substitutos populares para alguns dos sistemas de medição mais volumosos. No entanto, os transdutores precisam ser calibrados regularmente usando dispositivos de medição padronizados para serem ferramentas experimentais eficazes. Neste experimento, um transdutor de pressão eletromecânica do tipo fora da prateleira foi calibrado comparando os sinais atuais gerados pelo transdutor para uma série de condições dinâmicas de pressão em um túnel de vento subsônico às medidas de pressão de um manômetro u-tube. Os resultados mostraram que existe uma relação linear entre o sinal atualdotransdutor e a pressão com histerese sensor insignificante. Uma única equação de calibração relacionando a saída de corrente do transdutor à pressão foi obtida.
Os modernos sistemas de medição eletromecânica fornecem um caminho para automatizar a aquisição experimental de dados e podem ser usados em sistemas estáticos e dinâmicos em tempo real para monitoramento e análise de dados. No entanto, práticas adequadas de calibração, como a demonstrada neste experimento, são necessárias para ajudar os usuários a obter dados precisos e repetíveis usando esses sensores.
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