Druckwandler: Kalibrierung mit einem Pitotrohr

Quelle: Shreyas Narsipur, Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, North Carolina State University, Raleigh, NC

Der Flüssigkeitsdruck ist ein wichtiges Strömungsmerkmal, das zur Bestimmung der Aerodynamik eines Systems erforderlich ist. Eines der ältesten und noch existierenden Druckmesssysteme ist das Manometer aufgrund seiner Genauigkeit und Einfachheit der Bedienung. Das Manometer ist in der Regel ein U-förmiges Glasrohr, das teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, wie in Abbildung 1dargestellt. Das U-Rohr-Manometer erfordert keine Kalibrierung, da es keine beweglichen Teile hat, und seine Messungen sind Funktionen der Schwerkraft und der Dichte derFlüssigkeit. Daher ist das Manometer ein einfaches und genaues Messsystem.

Abbildung 1. Schaltplan eines U-Rohr-Manometers.

Echtzeit-Druckmessungen werden in Flugzeugen durch Anschluss der Stagnations- und statischen Druckanschlüsse einer pitotstatischen Sonde, einer Vorrichtung, die häufig zur Messung des Flüssigkeitsdurchflussdrucks verwendet wird, mit den Anschlüssen eines Druckmessgeräts erreicht. Dies ermöglicht es den Piloten, bestehende Flugbedingungen zu erhalten und sie zu warnen, wenn Änderungen der Flugbedingungen auftreten. Manometer liefern zwar sehr genaue Druckmessungen, sind aber von Natur aus sperrig. Eine realistischere Lösung ist erforderlich, um den Druck von Flugzeugen zu messen, da eines der primären Designziele darin besteht, das Gesamtgewicht des Flugzeugs so gering wie möglich zu halten. Heute werden elektromechanische Druckwandler, die den aufgebrachten Druck in ein elektrisches Signal umwandeln, häufig für Druckmessanwendungen in Flugzeugen eingesetzt, da sie klein, leicht sind und fast überall im Flugzeug platziert werden können. Die oben genannten Eigenschaften tragen nicht nur zur Gewichtsreduktion bei, sondern auch zur Verringerung der Anzahl der Schläuche, die erforderlich sind, um die pitot-statische Sonde mit dem Messumformer zu verbinden, wodurch die Datenreaktionszeit verringert wird. Darüber hinaus sind Miniaturdruckwandler bei experimentellen Flugzeugflugtests praktisch, da sie es Forschern ermöglichen, die Druckdatenerfassung zu maximieren, ohne das Gewicht des Flugzeugs erheblich zu erhöhen. Während es verschiedene Arten von Druckaufnehmern mit unterschiedlichen Messtechniken gibt, ist einer der gebräuchlicheren Arten von Messumformern der kapazitive Druckaufnehmer. Da Wandler nur Signale in Spannung und Strom senden können, ist eine Kalibrierung des Messumformers erforderlich, um die Stärke eines bestimmten Signals mit dem Druck in Beziehung zu setzen, der den Messumformer veranlasst, das Signal zu erzeugen. Die endgültige Kurvenanpassung, die den Wandlerstrom oder die Spannung mit einer physikalischen Messung in Beziehung setzt, in unserem Fall Druck, wird gemeinhin als Diekwandlerkalibrierungskurve bezeichnet.

In diesem Experiment wird eine pitotstatische Sonde in einem Unterschall-Windkanal mit den Stagnations- und statischen Druckanschlüssen platziert, die mit den Gesamt- und statischen Anschlüssen des U-Rohr-Manometers und des Druckwandlers verbunden sind. Der Windkanal wird dann mit unterschiedlichen dynamischen Druckeinstellungen betrieben, und die entsprechende Druckmessung aus dem U-Rohr-Manometer und die vom Messumformer erzeugten Stromwerte werden aufgezeichnet. Diese Daten werden dann verwendet, um Kalibrierkurven für den Druckwandler zu erzeugen.

Um den dynamischen Druck zu messen, wird jedes Bein des U-Rohrmanometers mit unbekannten Drücken aus den statischen und Gesamtdruckanschlüssen des pitotstatischen Rohres verbunden. Die resultierende Differenz ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

(1)

was zu einem Unterschied in der Säulenhöhe auf dem U-Rohr-Manometer führt. Dieser Unterschied in den Drücken oder dynamischen Druck kann mit dem Ausdruck berechnet werden:

(2)

wobei _Wasser die Dichte des Wassers (die Flüssigkeit im U-Rohr-Manometer) ist, g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft und _h-Manometer der Unterschied in den Säulenhöhen im U-Rohr-Manometer ist. In einigen Fällen kann das Manometer einen Offset aufgrund unzureichender Flüssigkeitsmenge in der Kammer haben und der Offset in der Höhe, h_aus, muss in der obigen Gleichung wie:

(3)

Der Druckwandler basiert auf dem Arbeitsprinzip eines Kondensators, der aus zwei leitfähigen Platten besteht, die durch einen Isolator getrennt sind (Abbildung 2).

Abbildung 2. Schaltpläne eines Kondensators (A) und eines Kapazitätsdruckwandlers (B).

Die Kapazität wird mit der Gleichung gemessen:

(4)

wobei die Dielektrizitätskonstante des Materials, A die Fläche der Platten und d der Abstand zwischen den Platten ist. In einem Kapazitätsdruckwandler wird eine der leitfähigen Platten durch eine flexible Leitmembran ersetzt, wie in Abbildung 2dargestellt. Wenn Druck ausgeübt wird, lenkt die Membran ab, was zu einer Änderung der d führt, was zu einer Änderung der Kapazität führt. Die Elektronik im Messumformer ist so kalibriert, dass sie spezifische Spannungsänderungen für entsprechende Kapazitätsänderungen erzeugt, die wiederum zur Messung des Stroms für einen gegebenen Druck verwendet werden können.

1. DruckaufnehmerKalibrierung

In dieser Demonstration wurde ein Unterschall-Windkanal mit einem 2,6 ft x 3,7 ft Testabschnitt und einer maximalen dynamischen Druckeinstellung von 25 psf verwendet. Ein vorkalibrierter Druckwandler wurde verwendet, um den dynamischen Druck im Windkanaltestabschnitt einzustellen, und ein Differenz-U-Rohr-Manometer mit farbigem Wasser und Skala wurde verwendet, um die Flüssigkeitshöhe zu messen (Abbildung 3). Ein Differenzdruckwandler(Abbildung 4), eine Standardspannungsversorgung (zur Stromversorgung des Messumformers) und ein Multimeter (zum Ablesen des Ausgangsstroms aus dem Messumformer) wurden ebenfalls verwendet (siehe Abbildung 5).

Abbildung 3. Differenzdruck U-Rohr Manometer.

Abbildung 4. Differenzdruckwandler.

Abbildung 5. Stromversorgung (links) und Multimeter (rechts).

1. Montieren Sie ein standardmäßiges pitotstatisches Rohr (Abbildung 6) von der Oberseite des Windkanals mit einer vertikalen Stachelhalterung. Stellen Sie sicher, dass sich die Sonde in der Mitte des Testabschnitts befindet und in Richtung des Durchflusses ausgerichtet ist, wobei der primäre Anschluss direkt in den Durchfluss ausgerichtet ist.

Abbildung 6. Pitot-statisches Rohr.

2. Richten Sie die Oberseite der Manometerflüssigkeit an der doppelten O-Ring-Markierung auf dem Glasrohr aus. Wenn der Messwert auf der Hauptskala (in braun, Abbildung 3) nicht Null entspricht, wählen Sie einen anderen Referenzpunkt aus, richten Sie die Manometerflüssigkeit an der neuen Referenz aus und zeichnen Sie den Versatz in der Höhe auf (h_aus).
3. Verbinden Sie die Stagnations- und statischen Druckausgänge am pitotstatischen Rohr mit den entsprechenden Anschlüssen des U-Rohr-Manometers und des Druckwandlers mit flexiblen Kunststoffschläuchen und T-Kanal-Steckverbindern. Beachten Sie, dass der Druckwandler auf jeder flachen vertikalen Oberfläche montiert werden kann, solange er gemäß Abbildung 4ausgerichtet ist.
4. Sichern Sie die Windkanaltüren und schalten Sie alle Systeme ein.
5. Nehmen Sie den Messwert für die No-Air-Flow-Bedingung (Null-Lesung).
6. Starten Sie den Windkanal und stellen Sie den dynamischen Druck im Testabschnitt auf 1psf ein.
7. Zeichnen Sie die Daten auf, die Tabelle 1 entsprechen.
8. Erhöhen Sie die dynamische Druckeinstellung im Windkanal in Schritten von 1psf bis zu einer maximalen Einstellung von 20psf und wiederholen Sie Schritt 1,7 bei jeder dynamischen Druckeinstellung.
9. Um die Wandlerhysterese zu überprüfen, verringern Sie den dynamischen Druck in Schritten von 1psf bis 0psf und wiederholen Sie Schritt 1,7 bei jeder dynamischen Druckeinstellung.
10. Schalten Sie nach Abschluss des Tests alle Systeme herunter.

Tabelle 1. Für das Druckkalibrierungsexperiment gesammelte Daten

Bei der Analyse wurden folgende Konstanten verwendet: Wasserdichte, _Wasser: 61,04 lb/ft³; Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft, g: 32,15 ft/s²; und Manometer abgesetzt, h_ab = 0,8 in. Die Variation der Manometerdaten zur Erhöhung und Abnahme dynamischer Drücke (mit und ohne Korrektur für das Instrument off-set) ist in Abbildung 7dargestellt. Abbildung 8 zeigt ein Diagramm der Messumformerstromwerte gegen den Manometerdruck, der mit Gleichung 3 berechnet wurde.

Um die Kalibrierkurve für den Druckwandler zu erhalten, werden zwei lineare Kurven durch die steigenden bzw. abnehmenden Datenpunkte angepasst. Die entsprechenden linearen Anpassungsgleichungen sind:

(5)

(6)

Die Gleichungen für die steigenden und abnehmenden Kurven sind fast ähnlich, und die beiden Kurven richten sich aneinander aus, wie in Abbildung 8beobachtet. Daraus lässt sich ableiten, dass der Druckaufnehmer keine Hysterese hat. Für den Messumformer kann eine einzige Kalibriergleichung verwendet werden, die den Strom auf den Druck bezieht (Gleichungen 5 oder 6), wodurch die Notwendigkeit entsteht, das sperrige U-Rohr-Manometersystem für alle zukünftigen Druckmessungen zu verwenden.

Abbildung 7. Variation der Manometer-Flüssigkeitshöhe mit dynamischem Windkanaldruck. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 8. Kalibrierkurven für den Druckaufnehmer. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Elektromechanische Messumformer sind beliebte Ersatzfürst für einige der sperrigeren Messsysteme. Um effektive Versuchswerkzeuge zu sein, müssen Wandler jedoch regelmäßig mit standardisierten Messgeräten kalibriert werden. In diesem Experiment wurde ein kapazitiver Druckaufnehmer vom Typ off-the-shelf kalibriert, indem die vom Messumformer erzeugten Stromsignale für eine Reihe dynamischer Druckbedingungen in einem Unterschall-Windkanal mit dem Druck verglichen wurden. Messungen von einem U-Rohr-Manometer. Die Ergebnisse zeigten, dass einelineare Beziehung zwischen dem Stromsignal des Messumformers und dem Druck mit vernachlässigbarer Sensorhysterese besteht. Es wurde eine einzige Kalibriergleichung erhalten, die den Drehstromausgang mit dem Druck in Beziehung setzt.

Moderne elektromechanische Messsysteme bieten den Weg zur Automatisierung der experimentellen Datenerfassung und können in statischen und dynamischen Echtzeitsystemen zur Datenüberwachung und -analyse eingesetzt werden. Allerdings sind geeignete Kalibrierungspraktiken, wie sie in diesem Experiment gezeigt wurden, notwendig, um Benutzern zu helfen, genaue und wiederholbare Daten mithilfe dieser Sensoren zu erhalten.