Трубка Піто
Трубка Піто та антена Прандтля - ідентичні прилади для вимірювання швидкості рідин. В основному вони використовуються для анемометрії в повітроплаванні.
Категорії:
Датчик - Електронний компонент - Механіка рідини - Пілотний прилад
трубка Піто і Антена Прандтля є однаковими приладами для вимірювання швидкості рідини. В основному вони використовуються для анемометрії в повітроплаванні. Своєю назвою він зобов'язаний французькому фізику Анрі Піто, який у 1732 р. Запропонував систему вимірювання проточної води та швидкості руху човнів. Потім цей перший вимірювальний прилад був вдосконалений Генрі Дарсі, а потім Людвігом Прандтлом.
Історичний
Своєю назвою трубка Піто зобов'язана французькому фізику Анрі Піто (1695-1771), який першим у 1732 р. Запропонував "машину для вимірювання швидкості потоку води і сліду судин" [1] [2]. Концепція розроблена та вдосконалена французьким інженером Генрі Дарсі [3], а потім Людвігом Прандтлом, який думає використовувати трубку в трубі для вимірювання місцевих швидкостей потоку рідини.
В аеронавтиці, з технологічної точки зору, він є наступником пристрою Etévé. Трубка Піто - це будівельний матеріал анемобарометричної системи.
Принцип
Статична трубка Піто або трубка Прандтля (або антена Прандтля) складається з двох концентричних зігнутих трубок, отвори яких у зв'язку з рідиною, швидкість якої ми хочемо виміряти, розташовані певним чином:
- Зовнішня трубка відкривається перпендикулярно потоку рідини. Тому тиск у цій трубці дорівнює тиску навколишнього середовища або статичний тиск;
- Внутрішня трубка паралельна потоку рідини і відкрита на своєму кінці, звернена до потоку. Отже, тиск всередині останнього - це загальний тиск, сума статичного та динамічного тиску.
Манометр вимірює різницю тиску між двома трубками, тобто динамічний тиск, і, отже, дає змогу розрахувати швидкість потоку рідини навколо трубки. Ця швидкість відповідає відносному вітру і є, в аеронавтиці, однією з важливих відомостей для пілота, який повинен завжди підтримувати свій літак вище своєї стійкої швидкості і нижче максимальної швидкості. Це також дає можливість, знаючи швидкість вітру, розрахувати швидкість руху на землі та витрату літака.
Розрахунок швидкості
Випадок нестисливого потоку
У випадку нестисливого потоку (тобто в дозвуковому режимі для числа Маха менше 0, 4) швидкість обчислюється із застосуванням теореми Бернуллі. Тоді ми нехтуємо цим терміном z мати прямий зв’язок між швидкістю та динамічним тиском pt -ps що ми вимірюємо датчиком тиску або простим манометром.
v = швидкість = статичний тиск пт = загальний тиск ρ = щільність рідини
Термінологія
Використання терміна динамічний тиск заслуговує на роз'яснення. Трубка Піто вимірює два тиски. Одним із них є статичний тиск, який є атмосферним тиском у звичному розумінні цього терміна і який залежить від висоти. Інший - загальний тиск, що включає термін, який називається динамічним (дорівнює ½ ·ρ·v² в умовах теореми Бернуллі), однорідний до тиску, але який залежить від потоку, а не від атмосферного тиску. Цей термін відповідає кінетичній енергії частинки рідини одиниці об'єму, що рухається швидкістю v.
Випадок стисливого потоку
У випадку стисливого потоку (число Маха більше, ніж 0, 4) необхідно використовувати формулювання теореми Бернуллі, розширену на стисливі потоки. Нехтуючи різницею у висоті z, наступне співвідношення використовується для обчислення числа Маха:
(для М М = Число Маха пт = загальний тиск = статичний тиск γ = відношення теплоємності рідини Cp/Cv.
На практиці ніхто більше не цікавиться вимірюванням динамічного тиску, визначеного як pt - ps; пристрої, розроблені для цього діапазону швидкостей, вимірюють статичний і загальний тиск окремо і передають значення в комп'ютер.
Надзвуковий потік
У випадку надзвукового потоку (число Маха більше 1) динамічний тиск більше не має простої фізичної інтерпретації. Ми повинні змінити формулу Релея, щоб отримати число Маха:
(для М > 1)
Символи мають таке саме значення, як у формулах вище.
Програми
Морський
Трубка Піто - один із зрубних пристроїв, що використовується на суднах. Він часто розташовується під кілем і калібрується під час перевірки швидкості [4]. Вимірювання швидкості човна за допомогою вимірювання тиску можна простежити до експериментів Чарльза Гранта, виконта Во (1807), пізніше вдосконаленого преподобним Едвардом Ліоном Бертоном (1849), який поєднує вимірювання в одному приладі. і динамічний.
Повітроплавання
В аеронавтиці статичний пристрій Піто (антена Прандтля, що вимірює різницю тиску між статичним та динамічним кранами) використовується для приладів, швидкість яких особливо нижча за швидкість звуку на їх висоті. Для пристроїв, що рухаються з числом Маха, що наближається до 1, два крани тиску розділяються (трубка Піто, з одного боку, і статичний кран, з іншого), і передають свою інформацію в АЦП.
Трубки Піто розташовані або на носі літака (особливо для винищувачів), або під крилами.
Конкретні конструкції
У випадку з винищувачами, великі швидкості та кути, на яких літак може рухатися, означають, що були розроблені спеціальні форми труб, які мають кілька отворів, або мають збільшену трубку і тоншу трубку в центрі, остання лише дозволяючи вимірювати динамічний тиск.
В принципі, трубчасті пристрої Піто забезпечують вимірювання лише в тому випадку, якщо вони розташовані навпроти потоку. У випадках, коли необхідно виміряти швидкість, перпендикулярну до площини приладу, можна використовувати анемоклінометричні зонди; деякі моделі засновані на трубці Піто, що має кілька отворів (5 або 7). Порівняння тисків у кожній трубі використовується для визначення кута та швидкості потоку.
Автомобільна
Трубка Піто використовується в автомобілі, у випадках, коли швидкість руху неможливо визначити лише із швидкості обертання шин.
Інші програми
Трубу Піто іноді використовують як анемометр для застосування в метеорології. Дійсно, його вимірювання насправді є виміром відносного вітру. Якщо система фіксована, то вона вимірює швидкість вітру. Трубка Піто також має перевагу в тому, що вона є особливо надійним пристроєм, з кількома рухомими механічними частинами, які можуть пошкодитися.
Помилки вимірювання та несправності
Забита трубка Піто
Коли трубка Піто (вимірювання загального тиску) заблокована, вимірювання швидкості транспортного засобу стає неможливим [5]. Безпосереднім наслідком заблокованої трубки Піто є помилкове вимірювання збільшення швидкості повітря, коли літак набирає висоту [6] .
Блокування трубки Піто в літаку найчастіше викликане водою, льодом або комахами. Щоб запобігти цьому, авіаційні правила передбачають передполітний огляд труб (ів) Піто [7]. Крім того, багато трубних систем Піто обладнані пристроєм для розморожування (останній необхідний для літаків, сертифікованих для польоту на приладах) [5] .
Через безліч можливих випадків поломки великі літаки часто мають надлишковий пристрій з декількох зондів Піто, як мінімум 3. Таким чином, якщо один із зондів почне давати результати, які занадто відрізняються від інших, то ми можемо зробити висновок, що він є дефектним та ігнорує його вказівки [8]. (Якби їх було лише 2, ми б не змогли дізнатися, яка з них несправна, оскільки несправність може спричинити зчитування більшої або меншої швидкості залежно від випадку). Більше того, деякі літаки оснащені додатковим висувним зондом Піто, який можна використовувати при необхідності.
Випуск статичного тиску заблокований
Коли випуск статичного тиску заблокований, це впливає на всі прилади, що базуються на пристрої Піто: висотомір залишається постійним, вертикальна швидкість залишається нульовою, швидкість пристрою буде неправильною, залежно від повороту помилки у випадку заблокованої трубки Піто: показник швидкості, здається, зменшиться, коли літак підніметься на висоту. Літаки, в яких в салоні часто не знаходиться тиск, мають аварійний статичний зонд, який можна підключити зсередини кабіни [5] .
Внутрішні помилки
- Похибки щільності. Ці помилки впливають на вимірювання швидкості та висоти. Ця помилка пов’язана із коливаннями тиску в атмосфері, які не пов’язані з висотою (метеорологія).
- Помилка стисливості. Ці помилки вимірювання виникають, коли наближення нестисливої швидкості вже неможливо зробити, і формула, що обчислює швидкість, більше не застосовується. Ця внутрішня помилка трапляється здебільшого на великій висоті, де швидкість звуку менше, ніж його значення на рівні моря. Ці помилки стають значними на висотах понад 10 000 футів і на швидкості вище 200 вузлів. За цих умов спідометр повідомляє про швидкість, меншу за фактичну швидкість пристрою.
- Механічний гістерезис завдяки властивостям анероїдної капсули, що міститься у вимірювальному приладі. Цей ефект гістерезису може бути викликаний аномальними змінами нахилу пристрою. Ця похибка визначається на мить хибним значенням при вимірюванні нахилу, потім під час розвороту гістерезису, при вимірюванні висоти та вимірюванні вертикальної швидкості.
- Помилка позиції. Ця помилка виникає, коли статичний тиск, виміряний трубкою, відрізняється від фактичного атмосферного тиску, що знаходиться на віддалі від пристрою, особливо коли потік повітря навколо пристрою не дорівнює фактичній швидкості пристрою. Це може бути викликано одним або кількома факторами: кут атаки, вага літака, прискорення. а у випадку вертольотів - повітряному потоку, що створюється рухом лопатей. Помилка читання може бути позитивною чи негативною залежно від факторів, що беруть участь. Помилки положення можуть бути фіксованою величиною (яка залежить лише від моделі пристрою і, отже, може бути відкалібрована), і змінними помилками, які можуть виникати внаслідок механічних деформацій, що локально змінюють потік повітря, або в конкретних ситуаціях польоту.
Повітряні аварії через проблему з трубкою Піто
Якщо ці трубки забиті морозом, сміттям, комахами, неправильно вимірюється швидкість пілотів, а також приладів літального апарату. Помилкове вимірювання швидкості на трубках Піто спричинило кілька повітряних катастроф: