Essentiële Gids tot de Pitot-buis: Hoe Het Luchtvaartsnelheid en Vloeistofstroom Meet

Wat is een Pitot-buis?

Als je nadenkt over hoe snelheid gemeten wordt in toepassingen zoals vliegtuigen, nou, de Pitot-buis is het instrument ontworpen voor deze taak. Dit instrument, bekend als een Pitot-sonde, bestaat uit een buis met een korte rechte hoekbuiging. Het apparaat wordt gebruikt om snelheid te berekenen afhankelijk van de vloeistofstroom. Pitot-buizen worden in anemometers gebruikt om luchtvaartsnelheid in windtunnels en aan boord van vliegtuigen in vlucht te meten. Ze worden gebruikt om de stroom van vloeistof, lucht en gas te meten.

Vandaag leer je de definitie, functie, toepassingen, componenten, diagrammen, vergelijkingen, typen en werking van een Pitot-buis. Je leert ook het volgende kennen:

• Statische druk
• Dynamische druk
• Stagneringsdruk
• Stroomsnelheid
• Enkelpoort Pitot-buizen
• Gemiddelde Pitot-buizen
• Hoe luchtstroom te meten met een Pitot-buis, en ten slotte
• Je leert de voordelen en nadelen van een Pitot-buis kennen.

Wat is een Pitot-buis?

Een Pitot-buis is een stroommeetinstrument voor het meten van de snelheid (snelheid) van een stromende vloeistof. Het werd uitgevonden door Henri Pitot, een Franse ingenieur in de 18e eeuw. Het apparaat werd gemodificeerd tot zijn moderne vorm in de mid-19e eeuw door een Franse wetenschapper Henry Darcy. Een Pitot-buis is een slanke buis, met twee gaten erin. Het voorste gat wordt in de luchtstroom geplaatst, wat helpt om te meten wat bekend is als stagneringsdruk. Het zijgat meet wat statische druk heet. Meting tussen deze twee drukken geeft ons dynamische druk, wat gebruikt kan worden om luchtvaartsnelheid te berekenen. Nou, dit zal verder uitgelegd worden.

Pitot-buizen, die stroomsensorinstrumenten zijn, kunnen een goedkope alternatief zijn voor een orificeplaat. De nauwkeurigheid varieert van 0,5% tot 5% FS, wat vergelijkbaar is met die van een orifice. Ook de stroombereikbaarheid van 3:1 (hoewel sommige bij 4:1 werken) is meer zoals de capaciteit van de orificeplaat. Het verschil tussen deze twee apparaten is dat orifice de volledige stroom meet, terwijl de Pitot-buis de stroomsnelheid op slechts één punt van de stroom kan detecteren.

Toepassingen van een Pitot-buis

Pitot-buizen kunnen nu in veel toepassingen worden gevonden, niet alleen in de luchtvaart. Het is bekend dat het instrument in de luchtvaart gebruikt wordt, ze zijn ook gemeenschappelijk in industriële machines, boten en zelfs sportauto's. Feitelijk kun je zelfs een Pitot-buis aan je project koppelen dat meting van de snelheid van een stroom vereist. Echter, vliegtuigen gebruiken vaak Pitot-statische buizen die twee openingen bevatten in plaats van een aparte buis en statische poorten.

Een enkele Pitot-buis heeft de capaciteit om statische druk en stagneringsdruk te meten. De statische poorten aan de zijde van de Pitot-buis helpen deze all-in-one capaciteit te bereiken. Dit elimineert de noodzaak voor aparte statische poorten. Ik zal hieronder meer uitleggen over dit artikel.

Net zoals eerder vermeld, wordt de Pitot-buis wijd gebruikt om de luchtvaartsnelheid van een vliegtuig en de waarsnelheid van een boot te bepalen. Het wordt gebruikt om vloeistof-, lucht- en gasstroomsnelheden in bepaalde industriële toepassingen te meten. Basis, het instrument wordt gebruikt in windtunnel-experimenten en op vliegtuigen om stroomsnelheid te meten. Het wordt in een wijd bereik van stroommeettoepassingen gebruikt zoals luchtvaartsnelheid in raceauto's en luchtmacht jachtvliegtuigen. In industriële toepassingen worden Pitot-buizen gebruikt om luchtstroom in pijpen, kanalen en schornstenen te berekenen. Ook vloeistofstroom in pijpen, overlaten en open kanalen.

Ten slotte worden Pitot-buizen in toepassingen gebruikt om vloeistofstroomsnelheid te meten door statische en dynamische drukverschil te meten. Dit kan bereikt worden door de kinetische energie in een vloeistofstroom om te zetten in potentiële energie.

Component van een Pitot-buis

Diagram van een Pitot-buis:

Pitot-buis vergelijking

Het principe is gebaseerd op de Vergelijking van Bernoulli waar elke term van de vergelijking geïnterpreteerd kan worden als druk

p + 1/2 ρ v² + ρ g h

= p + 1/2 ρ v² + γ h

= constant langs een stroomlijn … (1)

Waar:

p = statische druk (relatief tot de bewegende vloeistof) (Pa)

ρ = dichtheid van vloeistof (kg/m³)

v = stroomsnelheid (m/s)

γ = ρ g = specifiek gewicht (N/m³)

g = zwaartekrachtsversnelling (m/s²)

h = hoogte (m)

Elke term van de vergelijking heeft de dimensie kracht per eenheid oppervlakte N/m² (Pa) – of in imperiale eenheden lb/ft² (psi).

Statische Druk – De term P geeft statische druk aan. het is statisch ten opzichte van de bewegende vloeistof en kan gemeten worden door een plat opening parallel aan de stroom

Dynamische Druk – De tweede term – 1/2 ρ v² – heet dynamische druk.

Hydrostatische Druk – De derde term – γ h – heet hydrostatische druk. Het vertegenwoordigt de druk door een hoogteverandering.

Stagneringsdruk – De Vergelijking van Bernoulli stelt dat de energie langs een stroomlijn constant is – en kan gewijzigd worden tot

p₁ + 1/2 ρ v₁² + γ h₁

= p₂ + 1/2 ρ v₂² + γ h₂

= constant langs de stroomlijn … (2)

Waar:

achtervoegsel₁ is een punt in de vrije stroom upstream

achtervoegsel₂ is het stagneringspunt waar de snelheid in de stroom nul is

Stroomsnelheid – In een meetpunt beschouwen we de hydrostatische druk als constant waar h₁ = h₂ – en dit deel kan geëlimineerd worden. Aangezien v₂ nul is, kan (2) gewijzigd worden tot:

p₁ + 1/2 ρ v₁² = p₂ … (3)

of

v₁ = [2 (p₂ – p₁) / ρ] ^1/2

= [2 Δp / ρ] ^½ … (4)

Waar:

Δp = p₂ – p₁ (differentiele druk)

Met (4) is het mogelijk om de stroomsnelheid in punt 1 – de vrije stroom upstream – te berekenen als we het differentiele drukverschil Δp = p₂ – p₁ en de dichtheid van de vloeistof kennen.

Het is gebruikelijk om drukhoogte te gebruiken in plaats van druk. (4) kan gewijzigd worden door te delen door specifiek gewicht γ tot

v₁ = c [2 g Δh]^1/2 … (5)

waar:

c = coëfficiënt – afhankelijk van referentievloeistof en eenheden gebruikt of berekend

g = zwaartekrachtsversnelling

Δh = h₂ – h₁ = hoogteverschil (vloeistofkolom)

Let op! – in de basisvergelijking is de drukhoogte-eenheid betreffende de dichtheid van de stromende vloeistof. Voor andere eenheden en referentievloeistoffen – zoals mm Waterkolom – controleer Snelheidsdrukhoogte.

Werking van een Pitot-buis

De werking van een Pitot-buis is minder complex en kan gemakkelijk begrepen worden. Een Pitot-buis meet twee drukken; statische en de totale inslagdruk. De statische druk is de werkdruk in de pijp, kanaal, of de omgeving, upstream van de Pitot-buis. Het wordt gemeten onder rechte hoeken met de stroomrichting, vaak in een lage turbulentie locatie.

De som van de statische en kinetische drukken is de totale inslagdruk (PT). Het wordt gedetecteerd als de stromende stroom de Pitot-opening raakt. Om deze inslagdruk te meten, is de gebruikte Pitot-buis vaak klein en soms L-vormig. De opening moet direct de aanstaande stroom aanstaren. De puntsnelheid van benadering (VP) wordt berekend door de wortel te nemen van het verschil tussen de totale druk (PT) en de statische druk (P). Het wordt dan vermenigvuldigd met de C/D verhouding, waar C een dimensionale constante is en D de dichtheid. Het kan wiskundig uitgedrukt worden als;

Vp = C(PT – P)½/D

Aangezien de stroomsnelheid verkregen wordt door de puntsnelheid (VP) te vermenigvuldigen met het dwarsdoorsnede-oppervlak van de pijp of kanaal, moet de snelheidsmeting gemaakt worden op een invoegdiepte die overeenkomt met de gemiddelde snelheid. Het snelheidsprofiel in de pijp verandert van uitgerekt (laminair) naar platter (turbulent). Dit gebeurt omdat de stroomsnelheid stijgt. Het verandert het punt van gemiddelde snelheid en vereist een aanpassing van de invoegdiepte.

Pitot-buisinstrumenten worden alleen gebruikt voor hoog turbulente stromingen (Reynolds Getallen > 20.000). Daarom moet het snelheidsprofiel plat genoeg zijn zodat de invoegdiepte niet kritiek is.

Bekijk de onderstaande video om meer te leren over de werking van een Pitot-buis:

Een enkelpoort Pitot-buis

Een enkelpoort Pitot-buis meet de stroomsnelheid slechts op een enkel punt in de dwarsdoorsnede van een stromende stroom. De meetkundige moet worden ingevoegd in een punt in een stromende stroom waar de stroomsnelheid het gemiddelde is van de snelheden over de dwarsdoorsnede. De inslagpoort moet direct in de vloeistofstroom gericht zijn.

Enkelpoort Pitot-buizen kunnen minder gevoelig voor stroomrichting gemaakt worden als de inslagpoort n interne afschuivingen van ongeveer 15 graden heeft, die uitstrekt tot ongeveer 1,5 diameters in de buis. Als het differentiële drukverschil gecreëerd door de venturi te laag is voor accurate detectie, kan de conventionele Pitot-buis vervangen worden door een Pitot-venturi. Een dubbele venturi-sensor kan ook gebruikt worden om een hoger differentieel drukverschil te produceren.

Een schone gekalibreerde, schone en correct ingevoegde enkelpoort Pitot-buis biedt ±1% van volle-schaal stroom nauwkeurigheid over een stroomsbereik van 3:1. Met enige nauwkeurigheidsverlies kan het instrument zelfs meten over een bereik van 4:1. De voordelen van een enkelpoort Pitot-buis omvatten lage kosten, eenvoudig ontwerp, geen bewegende delen, en het veroorzaakt heel weinig permanente drukkies in de stromende stroom. Hoewel het enkele beperkingen heeft, waaronder fouten voortvloeiend uit snelheidsprofielveranderingen of van verstopping van de drukpoorten.

Gemiddelde Pitot-buizen

Gemiddelde Pitot-buizen werden uitgevonden om het probleem van het vinden van het gemiddelde snelheidspunt te elimineren. Deze buis is voorzien van meerdere inslag- en statische drukpoorten. Het is ontworpen om zich uit te strekken over de volledige diameter van de pijp. De drukken gedetecteerd door alle inslagdrukpoorten worden samengevoegd en de wortel van hun verschil wordt gemeten als indicatie van de gemiddelde stroom in de pijp.

Er is een poort dichter bij de uitlaat van het gecombineerde signaal, het heeft een iets grotere invloed dan de poort die het verst verwijderd is. Hoewel voor secundaire toepassingen waar Pitot-buizen gemeenschappelijk gebruikt worden, de fout als niets gezien kan worden. Een Pitot-buis kan gemodificeerd worden om aan de behoeften van een bepaalde toepassing te voldoen, zoals het aantal inslagpoorten, de afstand tussen poorten en de diameter van de gemiddelde Pitot-buis.

De meetpoorten van de gemiddelde Pitot-buizen zijn vaak te groot zodat de buis kan werken als een echte gemiddelde kamer. De poortopeningen zijn geoptimaliseerd om verstopping te voorkomen in plaats van gemiddelden. Hoewel, zuiveren met inert gas wordt gebruikt om de poorten schoon te houden, wat de sensor in staat stelt om kleinere poorten te gebruiken.

Gemiddelde typen Pitot-buizen bieden dezelfde voordelen en beperkingen als enkelpoort buizen. Alleen dat ze iets duurder zijn en iets nauwkeuriger, vooral als de stroom niet volledig gevormd is. Verder kunnen sommige gemiddelde Pitot-sensoren door dezelfde opening (of hete kraan) worden ingevoegd die een enkelpoort buis accommodeert.

Hoe luchtstroom te meten met een Pitot-buis

Aangezien Pitot-buizen goed geschikt zijn voor midden tot hoge-snelheid luchtstroommeting, is het belangrijk om te weten hoe luchtstroom te meten met het instrument. Nauwkeurige metingen vereisen dichtheidscorrectie en een zorgvuldige doorloop. Dit is omdat de nauwkeurigheid gedicteerd wordt door het drukmeetinstrument dat op de Pitot-buis gemonteerd is. Hoewel een meer economische methode (draden en wieken) kan gebruikt worden om luchtstroom in lage stroomtoepassingen te meten. Echter, voor hoge stroom of hoge-temperatuur toepassingen is de Pitot-buis ideaal.

Net zoals hierboven vermeld, meet een Pitot-buis totale druk en statische druk om de snelheidsdruk te bepalen. Dit proces levert ook de luchtsnelheid op. De buis wordt in het kanaal gestoken met de punt gericht naar de luchtstroom. De positieve poort van de manometer is verbonden met de totale drukpoort (Pt) en de negatieve met de statische drukpoort (Ps). Deze manometer zal dan de snelheidsdruk tonen die omgerekend kan worden naar snelheid.

Moderne Pitot-buizen zijn ontworpen met een geschikte neus of punt en de afstand tussen de neus, statische drukknopen en de steel is voldoende. Dit zal turbulentie en interferentie minimaliseren, waardoor het gebruikt kan worden zonder correctie- of kalibratiefactoren.

Om nauwkeurige snelheidsdrukmetingen te garanderen, moet de punt van de Pitot-buis direct in (parallel met) de luchtstroom wijzen. Met de juiste uitlijning van de Pitot-buis, zal de snelheidsdrukaanduiding op zijn maximum zijn.

Let op dat nauwkeurige metingen niet genomen kunnen worden in een turbulente luchtstroom. Pitot-buizen moeten ten minste 8,5 kanaaldiameters downstream van bogen, buigen of andere obstakels die turbulentie kunnen veroorzaken, worden ingevoegd. Voor een nauwkeurige meting moeten de rechtmakende wieken 5 kanaaldiameters upstream van de Pitot-buis geplaatst worden als beschikbaar.

Luchtsnelheid is niet gelijk over een dwarsdoorsnede van een kanaal of laminair. Daarom moet een doorloop van het kanaal uitgevoerd worden om een gemiddelde snelheid te bepalen. De wrijving dichter bij de wanden van het kanaal zal de luchtstroom vertragen omdat ze de kanaalwanden schrobben. Een gedefinieerd patroon zal gevolgd worden om nauwkeurige meting te garanderen.

Voordelen en nadelen van een Pitot-buis

Voordelen:

• Het instrument is draagbaar
• Het bevat geen bewegende delen.
• Ondanks zijn enorme werk, is het goedkoop
• Heeft een eenvoudig ontwerp en is betrouwbaar.
• Lage permanente drukkies.
• Gemakkelijke installatie in een bestaand systeem.
• Geschikt voor verschillende omgevingscondities, inclusief hoge temperaturen en een wijd bereik van drukken.

Nadelen:

Ondanks de goede voordelen van de Pitot-buis, treden nog steeds beperkingen op. Hieronder staan de nadelen van Pitot-buizen in hun verschillende toepassingen.

• Laag bereikbaarheid
• Lage nauwkeurigheid.
• Metingen kunnen gemakkelijk belemmerd worden, afhankelijk van de vloeistof.
• Trilling kan een verkeerde meting geven en het instrument zelfs beschadigen.

Conclusie

Een Pitot-buis is een geweldig component voor het nemen van stromende vloeistofmetingen. In dit artikel hebben we de definitie, functie, toepassingen, vergelijking, typen en werking van een Pitot-buis onderzocht. We zagen ook de voordelen en nadelen van de Pitot-buisinstrumenten.

Ik hoop dat je veel van dit artikel geleerd hebt. Deel dit gerust met andere studenten. Dank je voor het lezen. Tot de volgende keer!