Overview
Source: Shreyas Narsipur, Génie mécanique et aérospatial, North Carolina State University, Raleigh, Caroline du Nord
La pression des fluides est une caractéristique importante du débit qui est nécessaire pour déterminer l'aérodynamique d'un système. L'un des systèmes de mesure de pression les plus anciens et encore existants est le manomètre en raison de sa précision et de sa simplicité de fonctionnement. Le manomètre est généralement un tube en verre en forme de U qui est partiellement rempli de liquide, comme le montre la figure 1. Le manomètre u-tube ne nécessite aucun étalonnage parce qu'il n'a pas de pièces mobiles, et ses mesures sont des fonctions de gravité et la densitéduliquide. Par conséquent, le manomètre est un système de mesure simple et précis.
Figure 1. Schéma d'un manomètre en U-tube.
Les mesures de pression en temps réel sont obtenues dans les aéronefs en reliant les ports de stagnation et de pression statique d'une sonde pitot-statique, un dispositif couramment utilisé pour mesurer la pression du débit de fluide, aux ports d'un dispositif de mesure de la pression. Cela permet aux pilotes d'obtenir les conditions de vol existantes et de les avertir si des changements aux conditions de vol se produisent. Bien que les manomètres fournissent des lectures de pression très précises, ils sont intrinsèquement volumineux. Une solution plus réaliste est nécessaire pour mesurer la pression de l'avion, car l'un des principaux objectifs de conception est de maintenir le poids global de l'avion aussi bas que possible. Aujourd'hui, les transducteurs de pression électromécanique, qui convertissent la pression appliquée en signal électrique, sont largement utilisés pour les applications de détection de pression sur les aéronefs parce qu'ils sont petits, légers, et peuvent être placés presque n'importe où dans la cellule. Les caractéristiques ci-dessus aident non seulement à réduire le poids, mais aussi à réduire la quantité de tubes nécessaires pour connecter la sonde pitot-statique au transducteur, diminuant ainsi le temps de réponse des données. De plus, lors des essais en vol d'aéronefs expérimentaux, les transducteurs de pression miniatures sont utiles, car ils permettent aux chercheurs de maximiser la collecte de données sur la pression sans augmenter considérablement le poids de l'avion. Bien qu'il existe différents types de transducteurs de pression avec des techniques de mesure variées, l'un des types de transducteur les plus courants est le transducteur de pression capacitif. Comme les transducteurs ne sont capables d'envoyer que des signaux en termes de tension et de courant, l'étalonnage du transducteur est nécessaire pour relier la force d'un signal particulier à la pression qui provoque le transducteur à générer le signal. L'ajustement final de courbe qui relie le courant ou la tension de transducteur à une mesure physique, dans notre cas la pression, est généralement appelé la courbe d'étalonnage de transducteur.
Dans cette expérience, une sonde pitot-statique est placée dans une soufflerie subsonique avec la stagnation et les ports de pression statiques reliés aux ports totaux et statiques du manomètre U-tube et du transducteur de pression. La soufflerie est ensuite gérée à différents réglages de pression dynamique, et la lecture de pression correspondante du manomètre u-tube, et les lectures actuelles produites par le transducteur sont enregistrées. Ces données sont ensuite utilisées pour générer des courbes d'étalonnage pour le transducteur de pression.
Principles
Afin de mesurer la pression dynamique, chaque jambe du manomètre U-tube est reliée à des pressions inconnues des ports de pression statiqueet et total du tube pitot-statique. La différence résultante est donnée par l'équation suivante :
(1)
ce qui se traduit par une différence de hauteur de colonne sur le manomètre U-tube. Cette différence de pression, ou pression dynamique, peut être calculée à l'aide de l'expression :
(2)
où l'eau est la densité de l'eau (le fluide dans le manomètre u-tube), g est l'accélération due à la gravité, et hmanomètre est la différence dans les hauteurs de colonne dans le manomètre U-tube. Dans certains cas, le manomètre peut avoir une compensation en raison de la quantité insuffisante de liquide dans la chambre et le décalage en hauteur, hoff, devra être pris en compte dans l'équation ci-dessus comme:
(3)
Le transducteur de pression est basé sur le principe de travail d'un condensateur, qui se compose de deux plaques conductrices séparées par un isolant (Figure 2).
Figure 2. Schémas d'un condensateur (A) et d'un transducteur de pression de capacité (B).
La capacité est mesurée à l'aide de l'équation :
(4)
où est la constante diélectrique du matériau, A est la zone des plaques, et d est l'espacement entre les plaques. Dans un transducteur de pression de capacité, l'une des plaques conductrices est remplacée par un diaphragme conducteur flexible, comme le montre la figure 2. Lorsque la pression est appliquée, le diaphragme dévie, ce qui provoque un changement dans d, conduisant ainsi à un changement de capacité. L'électronique du transducteur est calibrée pour générer des changements de tension spécifiques pour les changements de capacité correspondants, qui à leur tour peuvent être utilisés pour mesurer le courant d'une pression appliquée donnée.
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Procedure
1. Calibration de transducteur de pression
Dans cette démonstration, une soufflerie subsonique avec une section d'essai de 2,6 pi x 3,7 pi et un réglage de pression dynamique maximale de 25 psf a été utilisée. Un transducteur de pression précalibré a été utilisé pour régler la pression dynamique dans la section d'essai de la soufflerie, et un manomètre à tube U différentiel avec de l'eau et de l'échelle colorées a été utilisé pour mesurer la hauteur des fluides (figure 3). Un transducteur de pression différentiel(figure 4),l'alimentation standard en tension (pour alimenter le transducteur) et le multimètre (pour lire le courant de sortie du transducteur) ont également été utilisés, illustrés à la figure 5.
Figure 3. Manomètre à pression différentielle U-tube.
Figure 4. Transducteur de pression différentiel.
Figure 5. Alimentation (gauche) et multimètre (droite).
- Montez un tube pitot-statique standard (Figure 6) du haut de la soufflerie à l'aide d'une monture verticale. Assurez-vous que la sonde est au centre de la section d'essai et est alignée dans la direction du flux avec le port principal faisant face directement dans le flux.
Figure 6. Tube Pitot-statique.
- Alignez le dessus du fluide du manomètre sur le double marqueur de l'anneau O sur le tube de verre. Si la lecture sur l'échelle principale (en brun, figure 3) ne correspond pas à zéro, choisissez un point de référence différent, alignez le fluide du manomètre à la nouvelle référence, et enregistrez le décalage en hauteur(hoff).
- Connectez les prises de pression statiques et de stagnation du tube pitot-statique aux ports correspondants du manomètre à tube U et au transducteur de pression à l'aide de tubes en plastique flexibles et de connecteurs à canal T. Notez que le transducteur de pression peut être monté sur n'importe quelle surface verticale plane tant qu'il est aligné conformément à la figure 4.
- Sécurisez les portes de la soufflerie et allumez tous les systèmes.
- Prenez la lecture de l'état de flux sans air (lecture zéro).
- Démarrer la soufflerie et définir la pression dynamique dans la section d'essai à 1psf.
- Enregistrez les données correspondant au tableau 1.
- Augmenter le réglage de pression dynamique dans la soufflerie en étapes de 1psf jusqu'à un réglage maximum de 20psf et répéter l'étape 1.7 à chaque réglage de pression dynamique.
- Pour vérifier l'hystérèse du transducteur, diminuez la pression dynamique en étapes de 1psf jusqu'à 0psf et répétez l'étape 1.7 à chaque réglage de pression dynamique.
- À la fin du test, arrêtez tous les systèmes.
Tableau 1. Données recueillies pour l'expérience d'étalonnage de pression
| Transducteur P (psf) |
h manomètre (entre) |
Jetransduiseur (mA) |
| Transducteur WT | Manomètre | Multimètre |
Tous les avions utilisent des mesures de pression afin de faire des calculs en temps réel de la vitesse du vent. Dans un avion, ces mesures de pression sont obtenues à l'aide d'un tube pitot-statique.
Un tube pitot-statique a des ouvertures qui mesurent la pression de stagnation et la pression statique. Rappelons que la pression de stagnation est la somme totale de la pression statique et de la pression dynamique, de sorte que le tube pitot-statique est utilisé pour mesurer la pression dynamique et donc la vitesse d'écoulement. Une méthode pour corréler la vitesse du vent à la pression à l'aide du tube pitot-statique est en utilisant un manomètre fluide.
Un manomètre liquide est généralement un tube en verre en forme de U qui est partiellement rempli de liquide. Un bras du manomètre est relié au port de pression de stagnation sur le tube pitot-statique, et l'autre au port de pression statique. Dans l'air stagnant, où ce n'est pas une différence entre la pression statique et la pression de stagnation, la différence de hauteur du fluide du manomètre est nulle.
Lorsque le manomètre subit un différentiel de pression, il est visualisé par un changement de hauteur des fluides. Le différentiel de pression, ou pression dynamique, est calculé à partir du delta H à l'aide de cette équation. Ici, rho L est la densité de fluide dans le manomètre et G est l'accélération gravitationnelle. Cette relation est utilisée pour calculer la vitesse du vent en la substituant à l'équation de vitesse. Nous pouvons ensuite résoudre pour la vitesse du flux libre, V infini, en utilisant la densité du flux libre, rho infini.
Cependant, les manomètres fluides sont volumineux et nécessitent une lecture manuelle à bord de l'avion. Ainsi, une méthode plus pratique pour mesurer le différentiel de pression est d'utiliser un transducteur de pression à la place du manomètre. Cela nous permet de convertir le différentiel de pression en un signal électrique.
Un transducteur de pression de capacité est basé sur le principe de travail d'un condensateur, qui se compose de deux plaques conductrices séparées par un isolant. La capacité est mesurée par l'équation suivante, où mu est la constante diélectrique du matériau isolant, A est la zone des plaques, et D est l'espacement entre les plaques.
Pour faire le transducteur de pression de capacité, une des plaques conductrices est remplacée par un diaphragme conducteur flexible. Lorsque la pression est appliquée, le diaphragme dévie provoquant un changement dans l'espacement entre les plaques D, ce qui entraîne un changement de capacité. L'électronique du transducteur est calibrée pour générer des changements spécifiques à jour pour les écarts correspondants dans la capacité. Ainsi, une lecture actuelle correspond à une pression appliquée donnée.
Comme le manomètre, le transducteur de pression est relié au tube pitot et est calibré dans une soufflerie avec des vitesses de vent connues. Cela nous permet de générer une relation mathématique entre le courant et la pression, et par extension, le courant et la vitesse du vent.
Dans cette démonstration de laboratoire, nous utiliserons un tube pitot-statique dans une soufflerie reliée à un transducteur de pression. Nous calibrerons ensuite le transducteur de pression à différentes vitesses de vent et déterminerons la relation entre la tension et la vitesse.
Pour cette expérience, vous aurez besoin d'utiliser une soufflerie avec son propre transducteur de pression calibré et la capacité d'atteindre une pression dynamique de 25 psf. Vous utiliserez également un tube pitot-statique standard et un manomètre différentiel U-tube avec de l'eau colorée pour calibrer ce transducteur de pression différentiel.
Pour commencer, montez le tube pitot-statique à l'intérieur de la soufflerie sur le dessus de la section d'essai à l'aide d'une monture de piqûre verticale. Assurez-vous que la sonde est au centre de la section de test. Alignez le tube pitot avec la direction du débit, de sorte que le port principal fait face directement dans le flux d'air.
Ensuite, alignez le haut du fluide du manomètre sur le double marqueur de l'anneau O sur le tube de verre. Si la lecture sur l'échelle principale ne correspond pas à zéro, alignez le fluide sur un point de référence différent et enregistrez la hauteur de décalage.
Utilisez un connecteur T pour diviser le flux d'un tube à deux, puis connectez les prises de pression statiques et de stagnation sur le tube pitot-statique, aux ports correspondants sur le manomètre U-tube. Montez le transducteur de pression à l'extérieur de la section d'essai de la soufflerie sur une surface verticale. Configurez un approvisionnement standard en tension pour alimenter le transducteur de pression et un multimètre pour lire le courant de sortie. Ensuite, connectez les prises de pression statiques et de stagnation aux ports de pression correspondants sur le transducteur.
Maintenant, sécurisez les portes de la soufflerie et allumez tous les systèmes. Ensuite, prenez des lectures de la pression du transducteur de la soufflerie, de la hauteur du manomètre et du courant de transducteur de pression différentiel. Enregistrez les mesures pour la condition de flux d'air sans que la ligne de base de lecture zéro. Maintenant, allumez la soufflerie, et fixez la pression dynamique dans la section d'essai à un psf.
Une fois que le flux s'est stabilisé, enregistrez la pression du transducteur, la différence de hauteur du manomètre et le courant de transducteur. Augmenter le réglage de pression dynamique dans la soufflerie en étapes d'un psf, jusqu'à un réglage maximum de 20 psf, en enregistrant les données à chaque étape. Afin de vérifier l'hystére, diminuer la pression dynamique dans les étapes d'un psf, de retour à zéro psf, encore l'enregistrement des données à chaque étape. Lorsque toutes les mesures ont été recueillies, arrêtez tous les systèmes.
Maintenant, jetons un oeil aux résultats. Tout d'abord, nous regardons une parcelle des lectures de hauteur de manomètre avec la pression dynamique croissante et décroissante. Deux mesures sont montrées ici pour chaque trace. L'un est la lecture du manomètre réel, et l'autre a été corrigé avec la hauteur de décalage de 0,8 pouces. Nous pouvons calculer la pression du manomètre à partir de la hauteur du manomètre, en utilisant l'équation simple montrée. Ici, nous utilisons la densité du liquide dans le manomètre, qui est dans ce cas l'eau, l'accélération gravitationnelle, et le décalage du manomètre et les mesures de hauteur.
Maintenant que nous avons calculé la pression de la lecture du manomètre, nous allons l'tracer contre les lectures actuelles transducteur de pression. Pour obtenir la courbe d'étalonnage du transducteur de pression, nous adapterons séparément les données croissantes et décroissantes, ce qui donne deux équations linéaires de meilleure ajustement.
Cependant, nous constatons que les données de plus en plus nombreuses et en diminution s'alignent. Ainsi, nous pouvons conclure que le transducteur de pression ne présente pas d'hystére. Ainsi, nous pouvons simplifier à une équation d'étalonnage unique, nous permettant ainsi de mesurer la pression en utilisant la lecture actuelle du transducteur de pression, plutôt que le manomètre fluide volumineux. En reliant la sonde pitot-statique au transducteur calibré, nous pouvons mesurer directement la pression dynamique et donc, les vitesses du vent.
En résumé, nous avons appris comment les écarts de pression mesurés pendant le vol se corrèlent à la vitesse d'écoulement. Nous avons ensuite calibré un transducteur de pression en soumettant un tube pitot-statique à des vitesses de vent variables, et avons déterminé la relation entre la tension et la vitesse du vent.
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Results
Les constantes suivantes ont été utilisées dans l'analyse : densité de l'eau, eau: 61,04 lb/pi3; accélération due à la gravité, g: 32,15 pi/s2; et manomètre décalé, hoff 0,8 po. La variation des données du manomètre pour augmenter et diminuer les pressions dynamiques (avec et sans correction pour l'instrument décalé) est indiquée dans la figure 7. La figure 8 montre une parcelle des lectures actuelles du transducteur contre la pression du manomètre, qui a été calculée à l'aide de l'équation 3.
Afin d'obtenir la courbe d'étalonnage pour le transducteur de pression, deux courbes linéaires sont installées à travers les points de données croissants et décroissants, respectivement. Les équations d'ajustement linéaire correspondantes sont les suivante :
(5)
(6)
Les équations pour les courbes croissantes et décroissantes sont presque similaires, et les deux courbes s'alignent les unes avec les autres, comme on l'observe à la figure 8. Par conséquent, on peut déduire que le transducteur de pression n'a pas d'hystére. Une seule équation d'étalonnage reliant le courant à la pression (Équations 5 ou 6) peut être utilisée pour le transducteur, éliminant ainsi la nécessité d'utiliser le système volumineux de manomètre u-tube pour toutes les mesures de pression futures.
Figure 7. Variation de la hauteur du fluide du manomètre avec la pression dynamique de soufflerie. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 8. Courbes de calibration pour le transducteur de pression. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Applications and Summary
Les transducteurs électromécaniques sont des remplacements populaires pour certains des systèmes de mesure plus volumineux. Cependant, les transducteurs doivent être étalonnés régulièrement à l'aide de dispositifs de mesure normalisés afin d'être des outils expérimentaux efficaces. Dans cette expérience, un transducteur de pression électromécanique de type capacitif a été calibré en comparant les signaux actuels générés par le transducteur pour une gamme de conditions de pression dynamique dans une soufflerie subsonique à la pression mesures d'un manomètre U-tube. Les résultats ont montré qu'il existe une relation linéaire entre le signal actueldutransducteur et la pression avec une hystérèse négligeable du capteur. Une seule équation d'étalonnage reliant la sortie actuelle du transducteur à la pression a été obtenue.
Les systèmes modernes de mesure électromécanique permettent d'automatiser l'acquisition expérimentale de données et peuvent être utilisés dans des systèmes statiques et dynamiques en temps réel pour la surveillance et l'analyse des données. Cependant, des pratiques d'étalonnage appropriées, comme celle démontrée dans cette expérience, sont nécessaires pour aider les utilisateurs à obtenir des données précises et reproductibles à l'aide de ces capteurs.
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