圧力トランスデューサ:ピトースタティックチューブを用いてキャリブレーション

ソース:シュレヤス・ナルシプル、機械・航空宇宙工学、ノースカロライナ州立大学、ローリー、NC

流体圧力は、システムの空気力学を決定するために必要な重要な流れ特性です。最も古く、まだ既存の圧力測定システムの1つは操作の正確さおよび簡易性による圧力計である。マノメーターは、一般に、図1に示すように、部分的に液体で満たされたU字型のガラス管である。U管の間mmometerは可動部分を持たないので口径測定を要求しない、そしてその測定は重力および液体の密度の機能である。従って、間計は簡単で、正確な測定システムである。

図 1.U管のマノメーターの回路図。

リアルタイムの圧力測定は、ピトースタティックプローブの停滞と静圧ポート(流体流圧の測定に一般的に使用されるデバイス)を圧力測定装置のポートに接続することによって、航空機で得られます。これにより、パイロットは既存の飛行条件を取得し、飛行条件に変更が発生した場合に警告することができます。マノメーターは非常に正確な圧力測定値を提供しますが、本質的にかさばります。航空機の圧力を測定するには、航空機全体の重量をできるだけ低く抑えるため、より現実的な解決策が必要です。現在、加圧を電気信号に変換する電気機械式圧力トランスデューサは、航空機の圧力感知アプリケーションに広く使用されています。上記の特性は、重量を減らすだけでなく、ピトースタプローブをトランスデューサに接続するために必要なチューブの量を減らすのに役立ち、データ応答時間を短縮します。さらに、実験機の飛行試験では、研究者が航空機の重量を大幅に増やすことなく圧力データ収集を最大化できるため、小型圧力トランスデューサが便利です。さまざまな測定技術を持つ異なるタイプの圧力トランスデューサが存在しますが、より一般的なタイプのトランスデューサの1つは容量性圧力トランスデューサです。トランスデューサは電圧と電流の点でのみ信号を送信することができるので、トランスデューサのキャリブレーションは、トランスデューサが信号を生成する原因となる圧力に特定の信号の強度を関連付けるために必要とされます。トランスデューサ電流または電圧を物理的な測定に関連させる最終カーブフィットは、当社の場合、圧力において、一般にトランスデューサキャリブレーション曲線と呼ばれます。

この実験では、ピトースタプローブを、U管のマノメータと圧力トランスデューサの両方の合計および静的ポートに接続された停滞および静圧ポートを備えた亜音速風洞に配置します。風洞は異なる動的圧力設定で実行され、U管の圧力計からの対応する圧力読み取りと、トランスデューサによって生成される電流測定値が記録されます。このデータは、圧力トランスデューサのキャリブレーション曲線を生成するために使用されます。

動的圧力を測定するために、U管のマノメーターの各脚は、ピトー静的管の静的および全圧力ポートからの未知の圧力に接続される。結果の差は、次の式によって与えられます。

(1)

これは、U管のマノメーターの列の高さの違いに変換されます。この圧力の差、つまり動的圧力は、式を使用して計算できます。

(2)

ここで、_水は水の密度(U管マノメーターの流体)であり、gは重力による加速度であり、h_{マノメーター}はU管のマノメーターにおけるカラムの高さの違いです。場合によっては、チャンバ内の流体量が不十分なためにマノメーターがオフセットを持ち、高さのオフセットは、上記の式で次のように考慮する必要があります。

(3)

圧力トランスデューサは、絶縁体で分離された2つの導電性プレートで構成されるコンデンサの動作原理に基づいています(図2)。

図 2.コンデンサ(A)と静電容量圧力トランスデューサ(B)の回路図。

容量は、方程式を使用して測定されます。

(4)

μは材料の誘電定数であり、Aはプレートの面積であり、dはプレート間の間隔です。静電容量圧力トランスデューサでは、導電性プレートの1つが、図2に示すように、柔軟な導電ダイヤフラムに置き換えられます。圧力が加わると、ダイヤフラムが偏向し、d の変化を引き起こし、それによって容量の変化を引き起こす。トランスデューサ内の電子機器は、対応する容量変化に対して特定の電圧変化を生成するために校正され、所定の加圧の電流を測定するために使用できます。

1. 圧力トランスデューサキャリブレーション

このデモンストレーションでは、2.6フィート×3.7フィートの試験区間と25psfの最大動的圧力設定を備えた亜音速風洞を使用しました。風洞試験部に動的圧力を設定するために事前校正された圧力トランスデューサを使用し、色水とスケールを持つ差動U管マノメーターを使用して流体の高さを測定しました(図3)。差動圧トランスデューサ(図4)、標準電圧供給(トランスデューサに電力を供給する)、マルチメータ(トランスデューサからの出力電流を読み取る)も使用され、図5に示す。

図 3.差圧U管の圧力計。

図 4.差圧トランスデューサ。

図 5.電源(左)とマルチメータ(右)。

1. 垂直スティングマウントを使用して、風洞の上部から標準的なピトースタティックチューブ(図6)を取り付けます。プローブがテストセクションの中心にあり、フローに直接向いているプライマリ ポートとフローの方向に位置合わせされていることを確認します。

図 6.ピトー静的チューブ。

2. 真型計の流体の上部をガラス管の二重Oリングマーカーに合わせます。メインスケールの読み取り値 (茶色、図 3)がゼロに対応していない場合は、別の基準点を選択し、マノメーター流体を新しい基準に合わせ、オフセットを高さ(h_off)で記録します。
3. ピトースタティックチューブの停滞と静圧のコンセントを、柔軟なプラスチックチューブとTチャンネルコネクタを使用して、Uチューブのマノメーターと圧力トランスデューサの対応するポートに接続します。なお、圧力トランスデューサは、図4に従って整列している限り、任意の平坦な垂直面に取り付けることができます。
4. 風洞のドアを固定し、すべてのシステムをオンにします。
5. 空気の流れのない状態(ゼロ読み取り)の読み取りを取ります。
6. 風洞を開始し、テストセクションの動的圧力を1psfに設定します。
7. 表 1 に対応するデータを記録します。
8. 風洞の動的圧力設定を1psfのステップで最大20psfまで上げ、各動的圧力設定でステップ1.7を繰り返します。
9. トランスデューサヒステリシスを確認するには、1psfから0psfまでのステップでダイナミック圧力を下げ、各動的圧力設定でステップ1.7を繰り返します。
10. テストが完了すると、すべてのシステムをシャットダウンします。

表 1.圧力キャリブレーション実験用に収集されたデータ

Pトランスデューサ (psf)	hマノメーター (で)	Iトランスデューサ (mA)
WT トランスデューサ	マノメータ	マルチメータ

分析では、次の定数を使用しました: 水密度, ε_水: 61.04 ポンド/フィート³;重力による加速度, g: 32.15 フィート/s²;とマノメーターオフセット、h_オフ= 0.8 インチ。動的圧力の増加と減少のためのマノメーターデータの変動(計測器オフセットの補正の有無にかかわらず)を図7に示します。図8は、式3を用いて計算したマノメーター圧力に対するトランスデューサ電流測定値のプロットを示す。

圧力トランスデューサのキャリブレーション曲線を得るために、2つの線形曲線がそれぞれデータポイントの増加と減少を通して適合します。対応する線形適合方程式は次のとおりです。

(5)

(6)

増加曲線と減少曲線の方程式はほぼ同じで、図8に示すように、2 つの曲線は互いに位置合わせされます。従って、圧力トランスデューサはヒステリシスを持たないと推測することができる。電流を圧力に関する単一の校正方程式(式5または6)をトランスデューサに使用できるため、将来のすべての圧力測定にかさばるU管マノメーターシステムを使用する必要が取り除かれる。

図 7.風洞動的圧力による圧力計流体高さの変動。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 8.圧力トランスデューサのキャリブレーションカーブ。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

電気機械トランスデューサは、一部のバルコヤー測定システムの一般的な代替品です。しかし、効果的な実験ツールを実現するには、トランスデューサを標準化された測定装置を使用して定期的に校正する必要があります。この実験では、無容量型電気機械圧力トランスデューサを、亜音速風洞内の一連の動的圧力条件についてトランスデューサによって生成された電流信号を圧力と比較して校正した。U管の肥料計からの測定。結果は、トランスデューサの電流信号と、ごくわずかなセンサーヒステリシスを持つ圧力との間に線形関係が存在することを示した。圧力にトランスデューサ電流出力に関する単一の較正式が得られた。

最新の電気機械測定システムは、実験データ集録を自動化する道を提供し、データの監視と分析のためのリアルタイムの静的および動的システムで使用することができます。しかし、この実験で示したような適切な校正方法は、ユーザーが当サイトのセンサーを使用して正確で反復可能なデータを得るのを助けるために必要です。