Trasduttore di pressione: calibrazione mediante tubo statico Pitot

Fonte: Shreyas Narsipur, Ingegneria meccanica e aerospaziale, North Carolina State University, Raleigh, NC

La pressione del fluido è un'importante caratteristica del flusso necessaria per determinare l'aerodinamica di un sistema. Uno dei sistemi di misurazione della pressione più antichi e ancora esistenti è il manometro grazie alla sua precisione e semplicità di funzionamento. Il manometro è generalmente un tubo di vetro a forma di U che è parzialmente riempito di liquido, come mostrato nella Figura 1. Il manometro a tubo a U non richiede alcuna calibrazione perché non ha parti mobili, e le sue misure sono funzioni di gravità e densitàdelliquido. Pertanto, il manometro è un sistema di misurazione semplice e preciso.

Figura 1. Schema di un manometro a tubo a U.

Le misurazioni della pressione in tempo reale si ottengono negli aeromobili collegando le porte di ristagno e pressione statica di una sonda pitot-statica, un dispositivo comunemente usato per misurare la pressione del flusso del fluido, alle porte di un dispositivo di misurazione della pressione. Ciò consente ai piloti di ottenere le condizioni di volo esistenti e di avvisarli in caso di modifiche alle condizioni di volo. Mentre i manometri forniscono letture della pressione molto accurate, sono intrinsecamente ingombranti. È necessaria una soluzione più realistica per misurare le pressioni degli aeromobili, poiché uno degli obiettivi di progettazione primari è quello di mantenere il peso complessivo dell'aeromobile il più basso possibile. Oggi, i trasduttori di pressione elettromeccanici, che convertono la pressione applicata in un segnale elettrico, sono ampiamente utilizzati per applicazioni di rilevamento della pressione sugli aeromobili perché sono piccoli, leggeri e possono essere posizionati quasi ovunque nella cellula. Le caratteristiche di cui sopra non solo aiutano a ridurre il peso, ma riducono anche la quantità di tubi necessari per collegare la sonda pitot-statica al trasduttore, diminuendo così il tempo di risposta dei dati. Inoltre, nei test di volo sperimentali degli aerei, i trasduttori di pressione in miniatura sono utili in quanto consentono ai ricercatori di massimizzare la raccolta dei dati sulla pressione senza aumentare significativamente il peso dell'aeromobile. Mentre esistono diversi tipi di trasduttori di pressione con diverse tecniche di misurazione, uno dei tipi più comuni di trasduttore è il trasduttore di pressione capacitivo. Poiché i trasduttori sono in grado di inviare solo segnali in termini di tensione e corrente, è necessaria la calibrazione del trasduttore per correlare la potenza di un particolare segnale alla pressione che induce il trasduttore a generare il segnale. L'adattamento finale della curva che mette in relazione la corrente o la tensione del trasduttore con una misurazione fisica, nel nostro caso la pressione, è comunemente indicato come curva di calibrazione del trasduttore.

In questo esperimento, una sonda pitot-statica viene collocata in una galleria del vento subsonica con le porte di ristagno e pressione statica collegate alle porte totali e statiche sia del manometro a tubo a U che del trasduttore di pressione. La galleria del vento viene quindi alicata con diverse impostazioni di pressione dinamica e vengono registrate la corrispondente lettura della pressione dal manometro a U e le letture di corrente prodotte dal trasduttore. Questi dati vengono quindi utilizzati per generare curve di calibrazione per il trasduttore di pressione.

Per misurare la pressione dinamica, ogni gamba del manometro a U è collegata a pressioni sconosciute dalle porte di pressione statiche e totali del tubo pitot-statico. La differenza risultante è data dalla seguente equazione:

(1)

che si traduce in una differenza di altezza della colonna sul manometro del tubo a U. Questa differenza di pressione, o pressione dinamica, può essere calcolata usando l'espressione:

(2)

dove ρ_acqua è la densità dell'acqua (il fluido nel manometro a tubo u), g è l'accelerazione dovuta alla gravità e h_manometro è la differenza di altezza della colonna nel manometro a U. In alcuni casi, il manometro può avere un offset a causa di una quantità insufficiente di fluido nella camera e l'offset in altezza, h_off, dovrà essere contabile nell'equazione di cui sopra come:

(3)

Il trasduttore di pressione si basa sul principio di funzionamento di un condensatore, che consiste di due piastre conduttive separate da un isolante (Figura 2).

Figura 2. Schemi di un condensatore (A) e di un trasduttore di pressione di capacità (B).

La capacità viene misurata usando l'equazione:

(4)

dove μ è la costante dielettrica del materiale, A è l'area delle piastre e d è la spaziatura tra le piastre. In un trasduttore di pressione capacitivo, una delle piastre conduttive è sostituita da un diaframma conduttore flessibile, come mostrato nella Figura 2. Quando viene applicata la pressione, il diaframma devia, causando un cambiamento in d, portando così a un cambiamento di capacità. L'elettronica nel trasduttore è calibrata per generare variazioni di tensione specifiche per le corrispondenti variazioni di capacità, che a loro volta possono essere utilizzate per misurare la corrente per una data pressione applicata.

1. Calibrazione del trasduttore di pressione

In questa dimostrazione, è stata utilizzata una galleria del vento subsonica con una sezione di prova di 2,6 piedi x 3,7 piedi e l'impostazione della pressione dinamica massima di 25 psf. Un trasduttore di pressione pre-calibrato è stato utilizzato per impostare la pressione dinamica nella sezione di prova della galleria del vento e un manometro differenziale a tubo a U con acqua colorata e scala è stato utilizzato per misurare l'altezza del fluido (Figura 3). Sono stati utilizzati anche un trasduttore di pressione differenziale(Figura 4),un'alimentazione di tensione standard (per alimentare il trasduttore) e un multimetro (per leggere la corrente di uscita dal trasduttore), mostrato nella Figura 5.

Figura 3. Manometro a tubo a U a pressione differenziale.

Figura 4. Trasduttore di pressione differenziale.

Figura 5. Alimentatore (a sinistra) e multimetro (a destra).

1. Montare un tubo pitot-statico standard (Figura 6) dalla parte superiore della galleria del vento utilizzando un supporto verticale per punture. Assicurarsi che la sonda si trova al centro della sezione di prova e sia allineata nella direzione del flusso con la porta primaria rivolta direttamente nel flusso.

Figura 6. Tubo pitot-statico.

2. Allineare la parte superiore del fluido manometrico al doppio marcatore O-ring sul tubo di vetro. Se la lettura sulla scala principale (in marrone, Figura 3) non corrisponde a zero, scegliere un punto di riferimento diverso, allineare il fluido manometro al nuovo riferimento e registrare l'offset in altezza (h_off).
3. Collegare le uscite di ristagno e di pressione statica sul tubo pitot-statico alle porte corrispondenti sul manometro a U e sul trasduttore di pressione utilizzando tubi flessibili in plastica e connettori a canale T. Si noti che il trasduttore di pressione può essere montato su qualsiasi superficie verticale piana purché sia allineato in conformità con la Figura 4.
4. Fissare le porte della galleria del vento e accendere tutti i sistemi.
5. Prendi la lettura per la condizione di flusso d'aria zero (lettura zero).
6. Avviare la galleria del vento e impostare la pressione dinamica nella sezione di prova su 1psf.
7. Registrare i dati corrispondenti alla Tabella 1.
8. Aumentare l'impostazione della pressione dinamica nella galleria del vento a passi di 1 psf fino a un'impostazione massima di 20 psf e ripetere il passaggio 1,7 a ciascuna impostazione di pressione dinamica.
9. Per verificare l'isteresi del trasduttore, ridurre la pressione dinamica in passi da 1 psf a 0 psf e ripetere il passaggio 1,7 a ciascuna impostazione dinamica della pressione.
10. Al termine del test, arrestare tutti i sistemi.

Tabella 1. Dati raccolti per l'esperimento di calibrazione della pressione

Nell'analisi sono state utilizzate le seguenti costanti: densità dell'acqua, ρ_acqua:61,04 lb/ft³; accelerazione dovuta alla gravità, g:32.15 ft/s²; e manometro off-set, h_off = 0.8 in. La variazione dei dati del manometro per aumentare e diminuire le pressioni dinamiche (con e senza correzione per lo strumento off-set) è mostrata nella Figura 7. La Figura 8 mostra un grafico delle letture della corrente del trasduttore rispetto alla pressione del manometro, che è stato calcolato utilizzando l'equazione 3.

Per ottenere la curva di taratura per il trasduttore di pressione, due curve lineari sono montate attraverso i punti dati crescenti e decrescenti, rispettivamente. Le equazioni di adattamento lineare corrispondenti sono:

(5)

(6)

Le equazioni per le curve crescente e decrescente sono quasi simili e le due curve si allineano tra loro, come osservato nella Figura 8. Pertanto, si può dedurre che il trasduttore di pressione non ha alcuna isteresi. Una singola equazione di calibrazione che collega la corrente alla pressione (equazioni 5 o 6) può essere utilizzata per il trasduttore, eliminando così la necessità di utilizzare l'ingombrante sistema di manometro a tubo a U per tutte le future misurazioni della pressione.

Figura 7. Variazione dell'altezza del fluido manometrico con la pressione dinamica della galleria del vento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8. Curve di taratura per il trasduttore di pressione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

I trasduttori elettromeccanici sono popolari sostituti di alcuni dei sistemi di misura più ingombranti. Tuttavia, i trasduttori devono essere calibrati regolarmente utilizzando dispositivi di misurazione standardizzati per essere strumenti sperimentali efficaci. In questo esperimento, un trasduttore di pressione elettromeccanico di tipo capacitivo standard è stato calibrato confrontando i segnali di corrente generati dal trasduttore per una serie di condizioni di pressione dinamica in una galleria del vento subsonica con le misurazioni della pressione da un manometro a tubo u. I risultati mostrarono che esiste una relazione lineare tra il segnale correntedeltrasduttore e la pressione con un'isteresi del sensore trascurabile. È stata ottenuta un'unica equazione di calibrazione che collega l'uscita di corrente del trasduttore alla pressione.

I moderni sistemi di misura elettromeccanici forniscono un percorso per automatizzare l'acquisizione dei dati sperimentali e possono essere utilizzati in sistemi statici e dinamici in tempo reale per il monitoraggio e l'analisi dei dati. Tuttavia, sono necessarie pratiche di calibrazione adeguate, come quella dimostrata in questo esperimento, per aiutare gli utenti a ottenere dati accurati e ripetibili utilizzando tali sensori.