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Transductor de presión: Calibración mediante un tubo estático Pitot

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Todos los aviones utilizan mediciones de presión para hacer cálculos en tiempo real de la velocidad del viento. En un avión, estas mediciones de presión se obtienen utilizando un tubo estático pitot.

Un tubo pitót-estático tiene aberturas que miden la presión de estancamiento y la presión estática. Recuerde que la presión de estancamiento es la suma total de la presión estática y la presión dinámica, por lo que el tubo pitot-estático se utiliza para medir la presión dinámica y, por lo tanto, la velocidad de flujo. Un método para correlacionar la velocidad del viento con la presión utilizando el tubo pitot-estático es mediante el uso de un manómetro fluido.

Un manómetro fluido es generalmente un tubo de vidrio en forma de U que está parcialmente lleno de líquido. Un brazo del manómetro está conectado al puerto de presión de estancamiento en el tubo pitot-estático, y el otro al puerto de presión estática. En el aire estancado, donde esto no es diferencia entre la presión estática y la presión de estancamiento, la diferencia de altura del fluido del manómetro es cero.

Cuando el manómetro experimenta un diferencial de presión, se visualiza mediante un cambio en la altura del fluido. El diferencial de presión, o presión dinámica, se calcula a partir del delta H utilizando esta ecuación. Aquí, rho L es la densidad del fluido en el manómetro y G es la aceleración gravitacional. Esta relación se utiliza para calcular la velocidad del viento sustituyéndola en la ecuación de velocidad. A continuación, podemos resolver para la velocidad de flujo libre, V infinito, utilizando la densidad de flujo libre, rho infinito.

Sin embargo, los manómetros fluidos son voluminosos y requieren lectura manual a bordo de la aeronave. Por lo tanto, un método más conveniente para medir el diferencial de presión es utilizar un transductor de presión en lugar del manómetro. Esto nos permite convertir el diferencial de presión en una señal eléctrica.

Un transductor de presión de capacitancia se basa en el principio de funcionamiento de un condensador, que consta de dos placas conductoras separadas por un aislante. La capacitancia se mide mediante la siguiente ecuación, donde mu es la constante dieléctrica del material aislante, A es el área de las placas y D es el espaciado entre las placas.

Para fabricar el transductor de presión de capacitancia, una de las placas conductoras es reemplazada por un diafragma de conducción flexible. Cuando se aplica presión, el diafragma se desvía causando un cambio en el espaciado entre las placas D, lo que resulta en un cambio en la capacitancia. La electrónica del transductor está calibrada para generar cambios de corriente específicos para las desviaciones correspondientes en la capacitancia. Por lo tanto, una lectura actual corresponde a una presión aplicada dada.

Al igual que el manómetro, el transductor de presión está conectado al tubo de pitot y está calibrado en un túnel de viento con velocidades de viento conocidas. Esto nos permite generar una relación matemática entre la corriente y la presión, y por extensión, corriente y velocidad del viento.

En esta demostración de laboratorio, usaremos un tubo pitot-estático en un túnel de viento conectado a un transductor de presión. A continuación, calibraremos el transductor de presión a varias velocidades de viento y determinaremos la relación entre voltaje y velocidad.

Para este experimento, necesitará utilizar un túnel de viento con su propio transductor de presión calibrado y la capacidad de alcanzar una presión dinámica de 25 psf. También utilizará un tubo estándar pitot-static y un manómetro diferencial de tubo En U con agua de color para calibrar este transductor de presión diferencial.

Para empezar, monte el tubo pitot-estático dentro del túnel de viento en la parte superior de la sección de prueba utilizando un soporte de picadura vertical. Asegúrese de que la sonda esté en el centro de la sección de prueba. Alinee el tubo pitot con la dirección del flujo, de modo que el puerto primario se dirija directamente al flujo de aire.

A continuación, alinee la parte superior del fluido del manómetro con el marcador de doble anillo tórica en el tubo de vidrio. Si la lectura en la escala principal no corresponde a cero, alinee el fluido con un punto de referencia diferente y registre la altura de desfase.

Utilice un conector En T para dividir el flujo de un tubo a dos, luego conecte las salidas de estancamiento y presión estática en el tubo pitón-estático, a los puertos correspondientes en el manómetro de tubo En U. Monte el transductor de presión fuera de la sección de prueba del túnel de viento en una superficie vertical. Configure una fuente de tensión estándar para alimentar el transductor de presión y un multímetro para leer la corriente de salida. A continuación, conecte las salidas de estancamiento y presión estática a los puertos de presión correspondientes del transductor.

Ahora, asegure las puertas del túnel de viento y encienda todos los sistemas. A continuación, tome las lecturas de la presión del transductor del túnel de viento, la altura del manómetro y la corriente del transductor de presión diferencial. Registre las mediciones para la condición sin flujo de aire como la lectura de la línea base cero. Ahora encienda el túnel de viento, y fije la presión dinámica en la sección de prueba a un psf.

Una vez que el flujo se haya estabilizado, registre la presión del transductor, la diferencia de altura del manómetro y la corriente del transductor. Aumente la configuración de presión dinámica en el túnel de viento en pasos de un psf, hasta un ajuste máximo de 20 psf, registrando los datos en cada paso. Para comprobar si hay histéresis, disminuya la presión dinámica en pasos de un psf, de nuevo a cero psf, registrando de nuevo los datos en cada paso. Cuando se hayan recogido todas las mediciones, apague todos los sistemas.

Ahora, echemos un vistazo a los resultados. En primer lugar, nos fijamos en una gráfica de las lecturas de altura del manómetro con una presión dinámica creciente y decreciente. Aquí se muestran dos mediciones para cada traza. Una es la lectura del manómetro real, y la otra se ha corregido con la altura de desplazamiento de 0,8 pulgadas. Podemos calcular la presión del manómetro a partir de la altura del manómetro, usando la ecuación simple mostrada. Aquí, utilizamos la densidad del líquido en el manómetro, que es en este caso el agua, la aceleración gravitacional, y las mediciones de desplazamiento y altura del manómetro.

Ahora que hemos calculado la presión a partir de la lectura del manómetro, la trazaremos contra las lecturas de corriente del transductor de presión. Para obtener la curva de calibración para el transductor de presión, ajustaremos los datos crecientes y decrecientes por separado, lo que resulta en dos ecuaciones lineales de mejor ajuste.

Sin embargo, vemos que el aumento y la disminución de la línea de datos. Así que podemos concluir que el transductor de presión no presenta histéresis. Por lo tanto, podemos simplificar a una sola ecuación de calibración, lo que nos permite medir la presión utilizando la lectura actual del transductor de presión, en lugar del manómetro de fluidovo. Al conectar la sonda pitot-estática al transductor calibrado, podemos medir directamente la presión dinámica y, por lo tanto, las velocidades del viento.

En resumen, aprendimos cómo los diferenciales de presión medidos durante el vuelo se correlacionan con la velocidad de flujo. Luego calibramos un transductor de presión sometiendo un tubo pitt-estático a diferentes velocidades de viento, y determinamos la relación entre el voltaje y la velocidad del viento.

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