трубкой пито можно измерить

Авиационные происшествия из-за проблемы с трубкой пито

Если эти трубки забиты инеем, мусором, насекомыми, пилотам и бортовым приборам самолета выдается неверное измерение скорости . Ошибочное измерение скорости на трубках Пито стало причиной нескольких авиационных происшествий  :

• Рейс 6231 Northwest Orient Airlines  (en) (декабрь 1974 г., забыли подключить противообледенительную систему трубки Пито);
• Опытный истребитель Rockwell-MBB X-31 (19 января 1995 г., к северу от базы Эдвардс , Калифорния).
• Рейс 301 Birgenair (февраль 1996 г., подозрение на наличие в трубах гнезд насекомых);
• Рейс 603 AeroPerú (октябрь 1996 г., закупорка труб из-за человеческой ошибки);
• Рейс 2553 Austral Líneas Aéreas (октябрь 1997 г., обледенение труб при пролете в облаке);
• 8 января 2004 г. в 18  ч  26 м. Патруль из двух Mirage 2000 D с кодом «Condé 336» у поля Нэнси-Очей для учебной миссии на малой высоте проникновения, включая высотный переход для присоединения к базовому кораблю. При переходе к расходной цистерне спуск производится на более низкий уровень по приказу авиадиспетчеров. На этом этапе экипаж одного из Mirage 2000 D заметил постоянное снижение скорости, которое им показалось несовместимым с положением рычага газа. Пилот стабилизировал “Мираж” на высоте 26000 футов. Экипаж сразу почувствовал колебания по оси тангажа, которые сохранялись после выключения автопилота. Когда пилот дает полный газ для ускорения, колебания усиливаются, и самолет становится неуправляемым. Самолет потерпел крушение около ущелья дю Тарн в безлюдной местности, и два члена экипажа получили легкие ранения во время катапультирования. Исследование BEAD-air пришло к выводу, что показания скорости, считанные пилотом, были ошибочными из-за засорения всех датчиков Пито из-за обледенения и операций по техническому обслуживанию. Пилот, не имея достаточно времени, чтобы определить неисправность, затем пришел к выводу, что показанная низкая скорость была реальной скоростью самолета. Его воздействие на газ затем способствовало дестабилизации самолета.
• Это один из случаев , предусмотренных в средствах массовой информации в первые дни после катастрофы рейса 447 Air France (1 – ^е июня 2009) и утверждена в качестве одной из причин аварии по бюро расследований и анализ для обеспечения безопасности французского гражданская авиация .
• По сообщениям, в самолетах A330 Northwest Airlines произошла дюжина инцидентов, связанных с зондами марки Thales , последняя из которых датируется23 июня 2009 г..
• Компания Airbus зафиксировала не менее 36 случаев возможного засорения зондов Пито льдом на самолетах A330 / A340 между 12 ноября 2003 г. и 7 августа 2009 г..
• Рейс 703 Саратовских авиалиний (февраль 2022 г., отключение системы обогрева датчиков Пито на самолете Антонов Ан-148); 71 пострадавший, в том числе 6 членов экипажа.

Аэронавтика

В аэронавтике трубка Пито является одним из составных элементов анемобарометрической системы . Вместе со статической пробкой он позволяет анемометру (манометру дифференциального давления) измерять указанную скорость полета .

Пито устанавливают в различных местах, где воздушный поток не нарушается, по существу параллельно локальному потоку, чтобы получить на отверстии трубки коэффициент давления, близкий к 1, то есть почти нулевую скорость. На одномоторном воздушном винте он размещается под нижней поверхностью крыла, чтобы не подвергаться удару винта.

Комбинированные датчики Пито / статического давления / падения, такие как отводы статического или общего давления, обычно размещаются на стороне фюзеляжа, где местное давление максимально близко к статическому давлению на бесконечности (атмосферное давление) при всех обычных углах падения. (либо местная воздушная скорость, близкая к скорости самолета, либо снова коэффициент давления, близкий к 0. Эти конкретные места находятся на шести синих вертикалях на диаграмме ниже). Позиция 1 используется при испытании прототипа (на конце длинной антенны). Чтобы уменьшить эффект скольжения, левую и правую статические розетки можно соединить вместе. На фотографии Embraer ниже показана трубка Пито в положении 2 (часто используется). Обратите внимание, что труба ориентирована параллельно локальному потоку (следовательно, параллельно фюзеляжу); он также находится за пределами пограничного слоя .
ПРОТИВп{ displaystyle C_ {p}}

Чаще всего Pitot оборудуют электронагревателем, чтобы избежать его засорения скоплением инея. На земле он покрыт защитой, в частности, предотвращающей попадание в него насекомых.

Исторический

Труба Анри Пито (оригинальный рисунок из его диссертации в Académie des Sciences)

Трубка Пито обязана своим названием французским физиком Анри Пито ( 1695 – 1771 ) , который был первым в 1732 году , чтобы предложить «машину для измерения скорости проточной воды и поминки судов».

Эта машина , как и наши современные датчики статического электричества Пито, состоит из двух трубок: одна измеряет полное давление в точке измерения, а другая стремится измерять статическое давление в той же точке (или, скорее, при очень высоком давлении). точка). закрыть).

Однако, если первое отверстие, обращенное к току, хорошо улавливало общее давление, второе отверстие (на конце неизогнутой стеклянной трубки) «примерно» улавливало местное статическое давление. Точнее, он захватил его с недостаточной точностью (из-за явления вентиляции выходной стороны призмы ее концом (см. Статью « Вентиляция выходной стороны цилиндра» ).

Если измерение общего давления довольно просто, следует признать, что сложность устройств для измерения скорости потока жидкости или газа в данной точке состоит, прежде всего, в том, чтобы измерить хорошее статическое давление, существующее в этой же точке. Именно по этому вопросу трубка Пито будет развиваться больше всего за два столетия, которые последуют за ее изобретением.

Оснащенный своей машиной , Анри Пито, тем не менее, провел некоторые измерения скорости Сены в Париже и, с учетом своих результатов, почувствовал наличие пограничного слоя вдоль берегов и дна рек.

Ричард У. Джонсон описывает эти измерения в своем Руководстве по гидродинамике следующим образом: «В 1732 году между двумя столбами моста через Сену в Париже [Анри Пито] использовал [свой] инструмент для измерения скорости течения в представление ее результатов Академии позднее в том же году имеет большее значение, чем представление самой трубки Пито: современные теории, основанные на опыте нескольких итальянских инженеров, утверждали, что скорость течения на определенной глубине реки был пропорционален массе воды, текущей над точкой измерения, поэтому было видно, что скорость течения увеличивается с глубиной.Пито с помощью своего инструмента доказал, что в действительности скорость течения уменьшается с глубиной. “

Ричард У. Джонсон также рассматривает изобретение Анри Пито в исторической перспективе следующим образом: «[…] Разработка трубки Пито в 1732 году представляет собой существенный прогресс в экспериментальной гидродинамике. Однако в 1732 году Анри Пито не смог воспользоваться преимуществами существования трубки.

уравнения Бернулли, которое Эйлер получил только 20 лет спустя. Поэтому рассуждения Пито относительно работы его трубки были чисто интуитивными, и его подход (путем измерения разницы между общим давлением в точке остановки и статическим давлением) обычно Как обсуждалось Андерсоном (1989), применение уравнения Бернулли к трубке Пито для того, чтобы вывести из двух измеренных значений давления динамическое давление (затем скорость потока), не было представлено до 1913 года Джоном Эйри из Университета Мичиган.

Более чем через столетие после первых измерений Анри Пито концепция трубки Пито была подхвачена и усовершенствована французским инженером Генри Дарси .

В 1909 году Генрих Блазиус опубликовал статью на немецком языке, в которой рассказал о своих испытаниях в потоке воды дюжины двухточечных захватных устройств, которые уже использовались Экспериментальным институтом инженерии, гидравлики и судостроения в Берлине.

В этой статье он обнаружил, что многие из этих устройств не работают из-за плохого измерения статического давления. Более того, первые специалисты по механике жидкостей стремились измерить «общее давление» и «статическое давление» в одной и той же точке (что позволило бы легко установить в аэродинамической трубе распределение скоростей на тела).

Однако трубка, измеряющая общее давление, обязательно изменяет локальный поток своим присутствием, поэтому невозможно измерить статическое давление в одной и той же точке (и в один и тот же момент). Людвиг Прандтль , в то самое время, когда Блазиус проводил свои измерения в Берлине (в 1908 году), с большим успехом использовал в своей аэродинамической трубе в Геттингене комбинированную статическую трубку Пито, удерживаемую против потока за счет эффекта крыльев хвостового оперения.

Лопастной анемометр выключен.

В аэронавтике антенна Прандтля пришла на смену системе Étévé , которая измеряла скорость по упругой отдаче небольшого весла, помещенного на крыло (изображение напротив).

В последующих применениях антенны Прандтля (или комбинированной статической трубки Пито), приложений, предназначенных для измерения скорости самолета, расстояния между точкой остановки, где измеряется общее давление, и отверстием (или отверстиями), где статическое давление захваченного только увеличилось: антенна была размещена в зоне, где поток был свободен от любого влияния самолета (например, достаточно перед носом фюзеляжа или давление атаки кромки крыла), так что статическое давление потока было примерно одинаковым в точке остановки и в отверстии захвата этого статического давления.

В текущей практике производителей самолетов (в отношении дозвуковых коммерческих самолетов) от антенны Прандтля отказываются в пользу простых датчиков Пито (измеряющих полное давление сразу за пограничным слоем ), статическое давление измеряется отверстиями в стенке корпуса. фюзеляж на той же оси абсцисс (от носовой части фюзеляжа), что и измерительное отверстие одиночной трубки Пито: эти два измерения производятся в одном из шести привилегированных мест, указанных на схеме ниже.

Направленные зонды

Направленный зонд в соответствии с документом ASME

В принципе, направленный зонд (изображение напротив) позволяет измерять скорость жидкости, направление потока которой неизвестно. Для этого на передней поверхности цилиндра (в том же круглом поперечном сечении) имеются три отверстия для измерения давления, причем два крайних отверстия расположены симметрично под точным углом (близким к 30 °) к центральному отверстию. Распределение давлений на бесконечном цилиндре, рисующем точку с нулевым коэффициентом давления недалеко от этого азимута 30 °, теоретически можно зафиксировать Статическое давление там, вдали от тела . Таким образом, метод использования этого зонда будет заключаться в том, чтобы ввести его в поток и повернуть вокруг своей оси до тех пор, пока давление в двух боковых отверстиях не станет одинаковым (это давление тогда будет равно статическому давлению потока вдали от тела. ). Разница между давлением в центральном отверстии (которое, в принципе, является общим давлением) и давлением одного из боковых отверстий дает динамическое давление. На практике реализация этого метода оказывается сложной.
ПРОТИВп{ displaystyle C_ {P}}пянетжтy{ displaystyle P_ {infty}}

Пито-вентури

Трубка Вентури Жам для измерения скорости самолета

Исторически анемометрические устройства Вентури были первыми, кто использовал этот принцип (изображение напротив). Вентури можно рассматривать как устройство для понижения давления, которое значительно снижает абсолютное статическое давление на его горловине. Следовательно, абсолютное статическое давление на горловине Вентури ниже, чем абсолютное статическое давление потока . Следовательно, если мы используем это абсолютное статическое давление на шейке вместо абсолютного статического давления потока вдали от тела в классической разнице (которая для трубки Пито дает динамическое давление), мы вычитаем из общего давления меньшую величину. чтобы результат был сильнее. Поскольку эта разница автоматически измеряется манометром дифференциального давления, последнее устройство подвержено более сильной разнице, поэтому его чувствительность может быть меньше.
ппротивол{ displaystyle P_ {col}}п∞{ displaystyle P _ { infty}}ппротивол{ displaystyle P_ {col}}п∞{ displaystyle P _ { infty}}птот-п∞{ displaystyle P_ {tot} -P _ { infty}}птот-п∞{ displaystyle P_ {tot} -P _ { infty}}Измерения в аэродинамической трубе показывают, что давление относительно горловины может упасть для одиночной трубки Вентури до -5 или -6 раз от динамического давления потока и -13,6 раз для двойной трубки Вентури. На изображении напротив манометр дифференциального давления подсоединен к отверстию, измеряющему абсолютное давление на горловине трубки Вентури, и к отверстию полного давления, обычно обращенному к дороге.

Этот тип устройства Вентури использовался в то время, когда манометры с металлической диафрагмой были недостаточно чувствительны для низких скоростей (для планеров и медленных самолетов), но больше не используются в настоящее время, особенно потому, что мороз может значительно изменить внутренний поток. в трубке Вентури. Во Франции эти устройства для измерения скорости произвел производитель Рауль Баден , так что термин « бадин » стал синонимом слова «скорость» в авиационном языке.
ппротивол-п∞{ displaystyle P_ {col} -P _ { infty}}qзнак равноптот-п∞{ displaystyle q = P_ {tot} -P _ { infty}}ппротивол{ displaystyle P_ {col}}птот{ displaystyle P_ {tot}}

Рекомендации

Случай несжимаемого потока

Принцип работы антенны Прандтля: трубка Пито на фронте потока обеспечивает полное давление

P _t

, боковой выход обеспечивает статическое давление; манометр дифференциального давления показывает разницу между ними, то есть динамическое давление.

В случае несжимаемого потока (то есть в дозвуковом режиме для числа Маха меньше 0,3) скорость вычисляется с применением теоремы Бернулли . В воздухе можно пренебречь членом z , который дает прямую зависимость между скоростью и динамическим давлением p t -p s, которое измеряется датчиком давления или простым манометром  :

12ρv2 пsзнак равнопт⇒v2знак равно2(пт-пs)ρ{ displaystyle { tfrac {1} {2}} rho v ^ {2} p_ {s} = p_ {t} Rightarrow {v ^ {2}} = {2 (p_ {t} -p_ { s}) over rho}}

v = скорость (в м / с)

p _s = статическое давление (в Па или Н / м²)

p _t = общее давление (в Па или Н / м²)

ρ = плотность жидкости (в кг / м³, 1,293 для воздуха на уровне моря)

Технические характеристики

Таблица 1. Метрологические и технические характеристики трубок дифференциальных модификаций «Пито-Прандтля» и «Пито прямая»_

Трубки пито любой формы

Блазиус уже отмечал в 1909 году, когда он испытывал трубки Пито, очень отличающиеся от трубки Прандтля (трубка Пито Прандтля, которая должна была составить первый стандарт): «Тем не менее, для этих моделей трубок Пито [очень отличных от модели Прандтля] законы механики жидкости означают, что всегда существует пропорциональность между перепадом давления в двух отверстиях и реальным динамическим давлением потока [ ] ”
12ρ∞v∞2{ displaystyle { frac {1} {2}} rho _ { infty} v _ { infty} ^ {2}}

В своем тексте, однако, он отмечает, что эти законы механики жидкости не всегда соблюдаются, поскольку, как мы теперь знаем, число Рейнольдса иногда вмешивается, чтобы радикально изменить поток. Но Блазиус мог только предчувствовать причину этих изменений в потоке, поскольку число Рейнольдса еще не заняло своего выдающегося места над всей механикой жидкости (см. По этому поводу статью Crise_de_traine ).

Более того, в определенных диапазонах числа Рейнольдса можно считать, что течение на определенных телах существенно не меняется, т. Е. что распределение коэффициентов давления на поверхности этих тел остается постоянным. Если две заданные точки, например, постоянно находятся в этом диапазоне Рейнольдса, разница тоже есть, то есть можно писать .

Если обратиться к определению коэффициента давления, а именно:
ПРОТИВп{ displaystyle C_ {p}}ПРОТИВп{ displaystyle C_ {p}}ПРОТИВп1-ПРОТИВп2знак равноПРОТИВsте{ Displaystyle C_ {p1} -C_ {p2} = Cste}

ПРОТИВпзнак равноп-п∞12ρ∞v∞2{ displaystyle C_ {p} = {p-p _ { infty} over { frac {1} {2}} rho _ { infty} v _ { infty} ^ {2}}}

или же :

p – статическое давление, измеренное в рассматриваемой точке,

п∞{ displaystyle p _ { infty}} статическое давление потока (то есть вдали от возмущений, создаваемых телом),

v∞{ displaystyle v _ { infty}} скорость оттока от тела,

ρ∞{ displaystyle rho _ { infty}} плотность жидкости.

, мы можем преобразовать заголовок в:
ПРОТИВп1-ПРОТИВп2знак равноПРОТИВsте{ Displaystyle C_ {p1} -C_ {p2} = Cste}

п1-п2знак равноqПРОТИВsте{ Displaystyle p_ {1} -p_ {2} = q ; Cste}

равенство , где и являются статическим давлением , измеренное на корпусе в точке и и или является динамическим давлением потока .

Это последнее равенство следует преобразовать в:
п1{ displaystyle p_ {1}}п2{ displaystyle p_ {2}}1{ displaystyle 1}2{ displaystyle 2}q{ displaystyle q}12ρ∞v∞2{ displaystyle { frac {1} {2}} rho _ { infty} v _ { infty} ^ {2}}

qзнак равноп1-п2ПРОТИВsте{ displaystyle q = {p_ {1} -p_ {2} over Cste}}

Это означает, что в рассматриваемом диапазоне Рейнольдса, зная и (статическое давление в двух разных точках тела), мы можем определить динамическое давление потока и, следовательно, скорость этого потока.

На практике, очевидно, это будет выгодно для давления и столь же различны , насколько это возможно , так что манометр можно легко измерить их разность.

Ниже сгруппированы несколько приложений продемонстрированного выше физического принципа.
п1{ displaystyle p_ {1}}п2{ displaystyle p_ {2}}q{ displaystyle q}v∞{ displaystyle v _ { infty}}п1{ displaystyle p_ {1}}п2{ displaystyle p_ {2}}

Физический принцип изобретения анри пито

Вода хлынула из потока на препятствие.

Работа простой трубки Пито в потоке воды легко понять, если учесть, что жидкая частица, наделенная определенной скоростью, благодаря этой скорости имеет импульс, который может позволить ей подняться на определенную высоту. . Точно так же любой, кто бросает камень вертикально, знает, что этот камень будет подниматься тем выше, чем больше ему была придана начальная скорость.

Со времен Галилея и его исследований падения тел мы знаем, что с вертикальной начальной скоростью камень поднимается до:
V{ displaystyle V}

часзнак равноV22грамм{ displaystyle h = { frac {V ^ {2}} {2g}}}

(это без учета аэродинамического сопротивления камня).

То же самое и для частицы воды, обладающей почти горизонтальной скоростью , при условии, что ей позволено постепенно изменять направление своей траектории без слишком большого рассеивания энергии (представляя ее в виде своего рода трамплина).
V{ displaystyle V}

Итак, когда вы окунете руку в поток потока (как на анимации напротив), вы увидите, что вода поднимается до определенной высоты.

Знание, действительно ли высота, достигаемая таким образом водой, равна высоте, могло бы стать хорошим упражнением в физике средней школы (мы можем ожидать определенных потерь энергии в воде из-за вязкого трения).
часзнак равноV22грамм{ displaystyle h = { frac {V ^ {2}} {2g}}}

Анри Пито поступил более проницательно: в первом эксперименте, который он с энтузиазмом импровизировал, когда ему в голову пришла идея создания МАШИНЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ БЕГАЩЕЙ ВОДЫ И ПОСЛЕ СУДОВ, он заменил руку простой изогнутой стеклянной трубкой против течения, и при таком расположении больше нет потерь энергии: частицы воды, которые поднимаются в стеклянной трубке, очень быстро теряют свою скорость (после стабилизации водяного столба по высоте): поэтому больше нет страха перед потеря энергии за счет вязкого трения.

В случае с этой трубкой Пито высота h, достигаемая водой в трубке, действительно равна:

часзнак равноV22грамм{ displaystyle h = { frac {V ^ {2}} {2g}}}

si – это скорость потока, направленного ко входу в трубу, и сила тяжести Земли.V{ displaystyle V}грамм{ displaystyle g}

Цилиндрические питотметры

Питотметр цилиндрический расходомер с 4 отверстиями, метод Чебышева.

Для измерения скорости жидкости в трубах и трубопроводах использование комбинированной статической трубки Пито затруднено из-за сложности введения этого устройства в трубопроводы и из-за того, что его отверстия для сбора давления могут легко загрязняться. Чтобы облегчить эти проблемы, были разработаны цилиндрические устройства (консольные в канале или полностью проходящие через него), эти цилиндры могут быть легко введены и выведены в каналы через сальник, обеспечивающий герметичность. Указанные цилиндры могут иметь круглое или квадратное сечение и включать одно, два или несколько отверстий для сбора (последний случай позволяет оценить среднюю скорость в канале, изображение напротив). Все эти устройства характеризуются постоянством, позволяющим переключаться с измерения перепада давления, считываемого на манометре, на фактическую среднюю скорость жидкости. Несколько определений этого постоянного сосуществуют, например, один , который принимает его как частное от истинной средней скорости жидкости в канале с помощью теоретической скорости (где разность давлений между двумя отверстиями или множеством отверстий и от плотности из жидкость, протекающая в воздуховоде). На практике постоянная, определенная таким образом для манометров с круглым цилиндром, часто составляет порядка 0,85, но она может изменяться с течением времени, так что эти манометры необходимо периодически калибровать.
2Δпρ{ displaystyle { sqrt { frac {2 Delta P} { rho}}}}Δп{ displaystyle Delta P}ρ{ displaystyle rho}Некоторые компании предлагают устройства с цилиндрами квадратного сечения, представленными в настоящее время по их диагонали. Компания предлагает секционные цилиндры в форме шара из кольта , отверстия которого, предназначенные для измерения отрицательных коэффициентов давления, находятся уже не в основании, а по бокам секции.
ПРОТИВп{ displaystyle C_ {p}}