Пито—Прандтля трубка относится к пневмометрическим приборам для произведения измерения размера и ориентированности скорости, для определения расхода газа и жидкости в результате измерения давления в потоке. Создана в 1732 г. французским ученым А. Пито, затем была модернизирована J1. Прандтлем.
Комбинированная трубка Пито— Прандтля является трубкой цилиндрической формы с осью вдоль потока, носик которой имеет полусферический вид. Критическая точка определяется как центральное отверстие на полусфере, полное давление определяется сквозь критическую точку. Также в приборе есть ряд отверстий или одно отверстие, которое находится на боковой поверхности трубки. Они расположены на расстоянии нескольких диаметров трубки относительно носика, предназначены для определения статического давления.
Геометрическая форма трубки, отверстий, расстояние между отверстиями и носиком трубки задаются таким образом, чтобы давление в боковых отверстиях было приближено к статическому давлению в рассматриваемой точке потока. Вводится поправочный коэффициент, который способен учитывать малую погрешность давлений, коэффициент находится при помощи тарировки. Плотность несжимаемой жидкости может рассматриваться по уравнению Клапейрона, скорость потока — по уравнению Бернулли. Для нахождения скоростей более 50 м/с обязательно учитывается сжимаемость воздуха.
Трубка Пито—Прандтля используется для измерения скоростей течения воды в трубах, каналах, реках, измерения скоростей воздушных потоков, относительных скоростей перемещения водных судов и летательных аппаратов, для определения скорости и числа Маха в сверхзвуковом потоке. Для измерения скорости потока было разработано большое количество вариантов трубки Пито—Прандтля.
Трубка ПИТО – простейший прибор, позволяющий измерять полное давление, представляет собой открытую трубку, направленную навстречу потоку.
ПИТО-ПРАНДТЛЯ трубка – прибор для измерения скорости течения жидкости или газа, основанный на одновременном измерении полного и статического давлений в какой-нибудь точке потока. Изобретена в 1732 французским ученым Анри Пито, усовершенствована Л. Прандтлем (рис. 3.15).
Если установить навстречу потока прибор Пито-Прандтля, то в трубке 1 изогнутой на 900 жидкость поднимется над уровнем в пьезометре 2 на высоту, равную скоростному напору. Объясняется это тем, что скорость
, попадающих в отверстие трубки, уменьшается до нуля, а давление, следовательно, увеличивается на величину скоростного напора. Измерив разность высот подъёма жидкости в трубке Пито и пьезометре, легко определить скорость жидкости в данной точке.
Этот принцип лежит в основе измерения скорости полёта самолёта. На рис. 3.15 представлена схема прибора для измерения малых скоростей самолёта по сравнению со скоростью звука.
Рис. 3.15. Прибор для измерения скорости
Запишем уравнение Бернулли для струйки, которая набегает на трубку вдоль её оси, а затем растекается по её поверхности. Для сечений 0-0 (невозмущённый поток) и 1-1 (где
Так как боковые отверстия в приборе приближённо воспринимают давление невозмущённого потока, то давление в пьезометре
Необходимо заметить, что полученная формула даёт обычно некоторую погрешность. Практически данную формулу используют в виде
– поправочный коэффициент, который находится для данной трубки Пито путём её тарировки.
Струйный насос (эжектор) состоит из плавно сходящегося насадка А,осуществляющего сжатие потока, и постепенно расходящейся трубки С, установленной на некотором расстоянии от насадка в камере В (рис.3.16).
Вследствие увеличении скорости потока давление в струе на выходе из насадка и во всей камере В значительно понижается. В расширяющейся трубке скорость уменьшается, а давление возрастает приблизительно до атмосферного (если жидкость вытекает в атмосферу), следовательно, в камере В давление обычно меньше атмосферного, т.е. возникает разрежение (вакуум). Под действием разрежения жидкость из нижнего резервуара всасывается по трубе
в камеру В, где происходят слияние и дальнейшее перемешивание двух потоков.
Рис. 3.16. Струйный насос
Здравствуйте, друзья!
Скорость полета. Одна из важнейших характеристик для любого летательного аппарата. Мы все привыкли, что самолет обязательно означает «быстро». Все ассоциации работают только в этом направлении. Скорость многим нравится. Практически любой человек не прочь прокатиться «с ветерком» на своем авто (если, конечно, полиция не помешает 🙂 ) . И информацию о движении здесь получить несложно. Достаточно взглянуть на спидометр, который механическим или электронным способом соединен с колесом. Скорость вращения колеса дает нам в конечном итоге скорость, с которой автомобиль движется по дороге.
Но а как же быть с самолетом? Нет ведь в воздухе дорог, по которым можно было бы ехать :-). Единственная среда, с которой летательный аппарат контактирует непосредственно — это воздух. Вот от него-то он большую часть информации о своем движении и получает. Что касается конкретно скорости полета, то вполне понятно, что чем быстрее самолет летит, тем сильнее на него давит встречный воздушный поток (скоростной или динамический напор). Отсюда логично было бы определять скорость полета в зависимости от величины этого давления. Так же как, кстати, и с атмосферным давлением и высотой. Ведь чем выше летит самолет, тем атмосферное давление ниже. О высоте, однако, поговорим в одной из следующих статей, а пока на повестке дня скорость полета.
Для сбора и обработки такого рода данных на современных самолетах существуют специальные системы. Одно из названий для них — система воздушных сигналов (СВС).
Работа датчиков такой системы, собирающих данные для определения скорости полета основана на двух уже почтенного возраста изобретениях. Первое — это трубка Пито. Она изобретена в 1732 году французским ученым . Он занимался гидравликой, то есть изучал течение жидкости в трубах. Как известно законы гидравлики при определенных условиях вполне применимы для газов, то есть для воздуха. Его мы в дальнейшем и будем иметь ввиду.
Схема классической трубки Пито
Трубка Пито представляет собой — образную трубку, один конец которой помещен в скоростной (воздушный :-)) поток. Этот поток в трубке тормозится, создавая в ней избыточное давление, по величине которого и можно судить о скорости потока, то есть по сути дела скорости полета, если эта трубка установлена на летательном аппарате. Вобщем-то принцип достаточно простой :-).
Однако здесь надо не забывать еще об одной важной вещи. Все, что находится внутри земной атмосферы, существует в ней под постоянным атмосферным (статическим) давлением. Мы его практически не ощущаем (если, конечно, все в порядке со здоровьем :-)), но оно есть и так или иначе оказывает влияние практически на все физические процессы, происходящие вокруг нас, то есть на всю нашу жизнь. Прямо как в фильме «ДМБ» :-):
Если серьезно, то то давление, которое мы получаем при торможении воздушного потока в трубке Пито – это так называемое . Оно, на самом деле, равно сумме двух других давлений.
Полное давление = динамическое давление (скоростной напор) + статическое давление.
Это, между прочим, упрощенное изложение , того самого ученого, о котором мы уже упоминали в статье о подъемной силе. Все правильно, ведь в обоих статьях мы говорим о газовых потоках, а это стихия любого летательного аппарата :-).
Динамическое давление, его еще называют , это то самое давление, которое и дает нам скорость полета. Статическое давление – это наше незаметное (как суслик :-)) давление. И при измерении скорости его обязательно надо учитывать, ведь оно в разных точках пространства может иметь различные значения, особенно с изменением высоты полета, и тем самым оказывать влияние на величину измеренной скорости полета.
Теперь для простоты понимания приведу пару формул. Именно для простоты понимания, хоть это и не в традициях сайта :-). Итак обзовем (как говорил мой преподаватель по физике) полное давление, динамическое — , статическое — , скорость полета (потока) – . И еще нам понадобится такой физический параметр, как плотность воздуха . Я думаю все еще со школы помнят, что это такое :-).
Скоростной напор выражается такой формулой Р1 = ρV²/2.
В итоге мы имеем такое уравнение: Р = Р0 + Р1 = Р0 + ρV²/2
Из него очень просто получить искомую скорость полета: V = √((2(Р — Р0))/ρ)
Исходя из этого несложного выражения работают все авиационные воздушные (аэродинамические) измерители скорости. Как пример можно привести достаточно простой указатель скорости для малоскоростных самолетов .
Как видите, нам, чтобы определить скорость полета, нужно измерить полное давление потока и статическое давление. Классическая трубка Пито дает только полное давление. Поэтому статику приходится измерять отдельно. Во избежание этого неудобства трубка Пито была усовершенствована.
Схема работы трубки Прандтля (ПВД).
Работа указателя скорости неплохо показана в этом небольшом ролике.
https://youtube.com/watch?v=HM7ZMPpbeDA%3Frel%3D0
На современных летательных аппаратах эти устройства получили новое, более простое и правильное название: приемники воздушного давления (ПВД). Они дают первичные данные в сложный комплекс системы воздушных сигналов. Трубки Пито в чистом виде сейчас практически не применяются. Хотя кое-где в малой авиации они еще встречаются. В комплекте к ним тогда обязательно идут приемники статического давления в виде плиты с рядом отверстий на обшивке летательного аппарата.
Чаще используются так называемые комбинированные ПВД. Они по конструкции представляют собой типичные трубки Прандтля. Эти устройства обязательно снабжаются мощной системой электрического обогрева, так как небольшие отверстия для замера давлений при обледенении самолета вполне могут быть закупорены льдом, что, конечно, может помешать их корректной работе. На стоянках приемники воздушных давлений закрываются специальными заглушками или чехлами для исключения попадания посторонних предметов и грязи в отверстия.
Типичный ПВД современного самолета.
Приемник воздушного давления на СУ-24М (цифры 1 и 2).
Все данные, выдаваемые ПВД, как я уже говорил, в итоге передаются на стрелки специальных приборов – указателей скорости полета. Они довольно разнообразны, как разнообразны и определения для скоростей полета летательного аппарата. Ведь он передвигается не только относительно земли, но и относительно атмосферы, которая сама по себе среда очень нестабильная.
Итак, скорости летательного аппарата.
(самая важная :-)). Она делится на два вида:
Истинная воздушная скорость ( True Airspeed () ) и Приборная воздушная скорость ( Indicated Airspeed () )
Приборная скорость – эта та скорость, которую летчик видит в своей кабине на приборе-указателе скорости. Она используется для пилотирования летательного аппарата непосредственно в данный момент времени.
Истинная скорость – это фактическая скорость полета самолета относительно воздуха. Она используется для навигации. Зная ее, например, рассчитывается время прибытия в конечный пункт маршрута и возможные при этом отклонения. Измерить эту скорость обычно невозможно. Она рассчитывается с использованием приборной скорости, давления воздуха и его температуры. При этом учитываются погрешности указателя приборной скорости. Они всегда есть, как у любого измерительного прибора на нашей земле :-). Эти погрешности (или ошибки) бывают:
. Возникают из-за несовершенства и особенностей изготовления самого прибора.
. Это ошибки, возникающие при замере статического давления. Обусловлены конструкцией самолета, местом расположения датчиков и скоростью полета.
. Эти ошибки обусловлены тем, что каждый указатель скорости рассчитывается и тарируется под определенные условия. В физике такие условия называются . Это когда атмосферное давление равно 760 мм рт.ст., а температура воздуха 15° С. Но на самом деле с подъемом на высоту эти условия меняются. Меняется и плотность воздуха и следовательно скорость, которую показывает прибор, то есть приборная. С подъемом на высоту приборная скорость всегда меньше истинной. Они равны только при нормальных атмосферных условиях. Все эти погрешности учитываются в виде поправок при навигационных расчетах.
(Ground Speed ()). Это скорость летательного аппарата относительно земли. Она рассчитывается на основании истинной скорости с учетом скорости ветра и используется при решении навигационных задач.
. При этой скорости величина отношения потребной тяги к скорости полета минимальна. То есть летательный аппарат на этом режиме максимально экономичен при сохранении скорости, достаточной для выполнения задачи. Крейсерская скорость обычно равна 0,7-0,8 от максимальной. На ней выполняются долговременные полеты по маршрутам.
В заключении предлагаю вам посмотреть дополнительный ролик, рассказывающий о трубках Пито и Прандтля.
https://youtube.com/watch?v=HJPQLCV74Z0%3Frel%3D0
Трубка Пито / трубка Прандтля
Обычно трубка Пито представляет собой изогнутый под прямым углом стержень, опускаемый в поток таким образом, что проходящий по трубопроводу воздух натекает на отверстие в кончике трубки. Этот воздух создает общее, полное давление. Если в стенках трубки, на некотором расстоянии от кончика, имеются отверстия, воздействуя на которые воздух создает статическое давление, такой прибор называется трубкой Прандтля. Трубка Прандтля позволяет вычитать из значения общего давления значение статического, получая таким образом значение динамического давления, которое затем пересчитывается в скорость и затем в расход.
Кроме данной конструкции прибора имеется также версия, при которой трубка не изогнута под углом, а является полностью прямой. Она погружается в трубопровод на всю длину и имеет отверстия со стороны наплывающего потока по всей длине трубки. Это позволяет измерять скорость не только в центре трубопровода, но по всему диаметру, что уменьшает погрешность расчетов, так как скорость потока отличается в центре трубопровода и ближе к краям.
Еще более усовершенствованная трубка Пито сходна с предыдущей конструкцией, но имеет ряд отверстий также и со стороны, обратной стороне напора, на которых производится измерение только статического давления. Измеряя разницу давлений с двух сторон прибора, определяется скорость потока. Данная версия устройства также может быть отнесена к датчикам расхода по перепаду давления.
К достоинствам этих приборов относится относительно невысокая стоимость и низкие потери давления. Недостатком можно считать то, что датчик является крайне чувствительным к отклонениям потока от оси измерения (например, в результате турбулентности или движения самого прибора) и то, что для определения расхода необходимо также знать все параметры, влияющие на плотность газа (давление, температуру, влажность). Кроме этого, одним из недостатков является то, что точность этих расходомеров значительно понижается при малых значениях скорости потока (см. диаграмму). К тому же приборы крайне восприимчивы к засорению.
Турбинные расходомеры представляют собой отрезок трубы с помещенным в нее ротором, опирающимся на подшипники, находящиеся в секции трубопровода. Высота ротора обычно составляет 25-30% диаметра трубопровода. В некоторых конструкциях на входе в датчик располагается струевыпрямитель. Лопасти ротора вращаются при прохождении через трубопровод газа так, что скорость вращения пропорциональна объему проходящего газа. Снаружи измерительной камеры располагается магнитная катушка, генерирующая электрический сигнал каждый раз, когда лопасти ротора пересекают магнитное поле. Каждый импульс при этом соответствует определенному объему проходящего через трубопровод газа.
К достоинствам турбинных расходомеров можно отнести то, что профиль потока и завихрения оказывают незначительное влияние на результаты измерений. Эти приборы стабильны и обладают высокой воспроизводимостью. К недостаткам относится наличие подвижных частей и чувствительность к загрязнению, что делает прибор менее надежным и требующим регулярного обслуживания. Кроме этого, как и в большинстве случаев для расчета расхода необходимо обладать информацией о давлении и температуре среды.
Действие ультразвукового расходомера основано на том, что скорость распространения ультразвука, пущенного по движению потока отличается от скорости ультразвука, распространяющегося против течения.
Расходомер может быть снабжен парой ультразвуковых излучателей, расположенных на противоположных стенках так, что направление передаваемых ими волн находится под углом 45° к потоку. Сигнал, пущенный в одном направлении движется быстрее, так как к его скорости прибавляется скорость потока, а сигнал, идущий в противоположную сторону, соответственно, замедляется. Прибор измеряет время, требующееся для передачи ультразвукового сигнала и сравнивает значения для сигнала, идущего вдоль потока и против него. Исходя из этих значений рассчитывается значение скорости потока, которая потом переводится в расход.
Другая разновидность ультразвуковых расходомеров использует для измерения эффект Доплера. В этом случае два датчика устанавливаются на одной стенке трубопровода. Ультразвуковая волна от одного излучателя проходит сквозь поток, отражается и, возвращаясь, попадает на второй. Согласно эффекту Доплера, при наличии движения между передатчиком и приемником, частота и длина волн изменяются пропорционально скорости движения. Вычислив разницу частот излучателя и приемника, можно определить скорость потока и, следовательно, расход.
В более сложных ультразвуковых расходомерах может использоваться несколько пар излучателей, расположенных по всей окружности трубопровода.
Ультразвуковые расходомеры обладают большим количеством преимуществ (простота монтажа, точность, надежность, широкий диапазон измерений, возможное высокое давление среды), однако стоят крайне дорого. Значительно более высокая стоимость по сравнению с прочими типами счетчиков расхода является главным недостатком ультразвуковых расходомеров. Кроме этого, показания точности сильно зависят от конкретных условий потока.
Классификация расходомеров газа – часть 1Классификация расходомеров газа – часть 3
Подобрать расходомер, подходящий для решения Вашей задачи, можно в каталоге продукции или обратившись к нашим техническим специалистам.
Рассмотрим определение местной скорости с помощью трубки Пито (рис. 43).
Эта трубка помещена в потоке жидкости изогнутым концом против течения и работает в комплексе с пьезометром. Пьезометрическаятрубкаизмеряетстатический напор
, а т рубкаПитоизмеряетполный напор – сумму статического и динамического
Рисунок 43 – Трубка Пито-Прандтля
Проведём плоскость сравнения через центр отверстия в изогнутом конце трубки Пито и напишем уравнение Бернулли для точек 1 и 2. Это уравнение записывается для элементарной струйки, так как трубка Пито в комплекте с пьезометрической трубкой измеряет местную скорость в точке, в которой она установлена:
В данном случае z1 = z2, u1 = u, а u2 = 0, так как при обтекании жидкостью трубки в точке 2 происходит уменьшение скорости u до нуля и в соответствии с этим увеличение давления. Тогда
Обозначим разницу показаний в трубках Пито и пьезометрической как D h:
– = D h.
Уравнение Бернулли примет вид
то есть трубкаПито-Прандтляизмеряетдинамическийнапор
Отсюда скорость потока в данной точке равна:
Если трубка Пито-Прандтля установлена на оси потока, то она измеряет максимальную скорость:
Чтобы трубкой Пито-Прандтля можно было непосредственно измерять скорость, к ней подключается дифференциальный манометр (в ряде случаев микроманометр).
