Ein Staurohr (oder einfach Pitot ) ist eines der Elemente eines Systems zur Messung der Geschwindigkeit von Flüssigkeiten . Es verdankt seinen Namen dem französischen Physiker Henri Pitot, der 1732 ein Gerät zur Messung von fließendem Wasser und Bootsgeschwindigkeit vorschlug .
In der Luftfahrt misst ein Pitot den Gesamtdruck innerhalb des statischen und des Gesamtdruckkreislaufs und ermöglicht es, die relative Geschwindigkeit des Flugzeugs in Bezug auf seine Umgebung zu bestimmen .
Die Funktionsweise des einfachen Staurohrs in einem Wasserstrom ist leicht zu verstehen, wenn man bedenkt, dass ein Flüssigkeitsteilchen, das mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausgestattet ist, aufgrund dieser Geschwindigkeit einen Impuls hat, der es ihm ermöglichen kann, auf eine bestimmte Höhe zu klettern . Ebenso weiß jeder, der einen Stein vertikal wirft, dass dieser Stein umso höher steigt, je höher die Mündungsgeschwindigkeit ist.
Seit Galileo und seiner Forschung über den Fall von Körpern wissen wir, dass der Stein mit einer vertikalen Anfangsgeschwindigkeit auf Folgendes steigt:
(Dies durch Vernachlässigung des Luftwiderstands des Steins).Dies gilt auch für ein Wasserteilchen mit einer nahezu horizontalen Geschwindigkeit , vorausgesetzt, es kann die Richtung seiner Flugbahn ohne zu große Energiedissipation allmählich ändern (indem es mit einer Art Sprungbrett versehen wird).
Wenn Sie also Ihre Hand in die Strömung eines Stroms tauchen (wie in der nebenstehenden Animation), können Sie sehen, dass das Wasser bis zu einer bestimmten Höhe ansteigt.
Zu wissen, ob die Höhe, die das Wasser auf diese Weise erreicht, tatsächlich gleich ist, könnte eine gute Übung in der Physik der Highschool darstellen (wir können bestimmte Energieverluste im Wasser durch viskose Reibung erwarten).
Henri Pitot ging klüger vor: Im ersten Experiment, das er mit Begeisterung improvisierte, als ihm die Idee für seine MASCHINE ZUR MESSUNG DER GESCHWINDIGKEIT DES LAUFWASSERS UND DES WACHES DER SCHIFFE einfiel, ersetzte er die Hand durch ein einfaches gebogenes Glasrohr gegenüber dem Strom und mit dieser Anordnung entsteht kein Energieverlust mehr: Die Wasserpartikel, die sehr schnell in der Glasröhre aufsteigen, sehen ihre Geschwindigkeit aufgehoben (nach Stabilisierung der Wassersäule in der Höhe): Es besteht daher keine Angst mehr vor Energieverlust durch viskose Reibung.
Und im Fall dieser Pitot-Röhre ist die Höhe h, die das Wasser in der Röhre erreicht, tatsächlich:
si ist die Geschwindigkeit des Stroms, der dem Eintritt der Röhre zugewandt ist, und die Schwerkraft der Erde.Die Pitot-Röhre verdankt ihren Namen dem französischen Physiker Henri Pitot ( 1695 - 1771 ), der 1732 als erster eine "Maschine zur Messung der Geschwindigkeit von fließendem Wasser und der Spur von Schiffen" vorschlug. Diese Maschine besteht wie unsere modernen Pitot-statischen Sonden aus zwei Rohren: eines nimmt den Gesamtdruck am Messpunkt auf und das andere neigt dazu, den statischen Druck am selben Punkt (oder vielmehr an einem sehr hohen Punkt) aufzunehmen Punkt). schließen).
Wenn jedoch das erste Loch, das dem Strom zugewandt angeordnet ist, den Gesamtdruck gut erfasst, erfasst das zweite Loch (am Ende des nicht gebogenen Glasrohrs) "ungefähr" den lokalen statischen Druck. Genauer gesagt wurde es mit zu geringer Präzision erfasst (aufgrund des Phänomens der Belüftung der stromabwärtigen Seite des Prismas an seinem Ende (siehe Artikel Belüftung der stromabwärtigen Seite des Zylinders ).
Wenn die Messung des Gesamtdrucks ziemlich einfach ist, muss erkannt werden, dass die Schwierigkeit von Vorrichtungen zum Messen der Geschwindigkeit eines flüssigen oder gasförmigen Stroms an einem bestimmten Punkt vor allem darin besteht, den an diesem Punkt vorhandenen guten statischen Druck zu messen. Auf dieser Frage wird sich das Staurohr in den zwei Jahrhunderten, die seiner Erfindung folgen werden, am meisten entwickeln.
Ausgestattet mit seiner Maschine führte Henri Pitot dennoch einige Geschwindigkeitsmessungen der Seine in Paris durch und spürte angesichts seiner Ergebnisse die Existenz einer Grenzschicht entlang der Ufer und des Grundes der Flüsse.
Richard W. Johnson beschreibt diese Messungen in seinem Handbuch für Fluiddynamik wie folgt: "1732 verwendete [Henri Pitot] zwischen zwei Pfeilern einer Brücke über die Seine in Paris [sein] Instrument, um die Geschwindigkeit des Stroms bei zu messen Die Präsentation der Ergebnisse vor der Akademie im selben Jahr ist von größerer Bedeutung als die des Staurohrs selbst: Zeitgenössische Theorien, die auf den Erfahrungen einiger italienischer Ingenieure beruhen, argumentierten, dass die Geschwindigkeit des Stroms in einer bestimmten Tiefe von a Der Fluss war proportional zur Wassermasse, die über den Messpunkt floss, daher nahm die Geschwindigkeit der Strömung mit der Tiefe zu. Pitot lieferte dank seines Instruments den Beweis, dass die Geschwindigkeit der Strömung in Wirklichkeit mit der Tiefe abnahm . "
Richard W. Johnson stellt die Erfindung von Henri Pitot auch wie folgt in die historische Perspektive: "[…] Die Entwicklung des Pitot-Rohrs im Jahr 1732 stellt einen wesentlichen Fortschritt in der experimentellen Fluiddynamik dar. Im Jahr 1732 konnte Henri Pitot die Existenz jedoch nicht ausnutzen der Bernoulli-Gleichung, die Euler erst 20 Jahre später erhielt. Pitots Argumentation bezüglich der Funktionsweise seines Rohrs war daher rein intuitiv und sein Ansatz (durch Messen der Differenz zwischen dem Gesamtdruck am Haltepunkt und dem statischen Druck) typisch Wie von Anderson (1989) diskutiert, wurde die Anwendung der Bernoulli-Gleichung auf das Staurohr, um aus den beiden gemessenen Drücken den dynamischen Druck (dann die Strömungsgeschwindigkeit) abzuleiten, erst 1913 von John Airey von der University of Michigan. […] Es hatte daher zwei Jahrhunderte gedauert, bis Pitots meisterhafte Erfindung in Fluid Dynamics als praktikables experimentelles Werkzeug ... "
Mehr als ein Jahrhundert nach den ersten Messungen von Henri Pitot wurde das Konzept der Pitot-Röhre vom französischen Ingenieur Henry Darcy aufgegriffen und verbessert .
1909 veröffentlichte Heinrich Blasius einen Artikel in deutscher Sprache, in dem er seine Prüfung eines Dutzend Zweipunkt-Erfassungsvorrichtungen in einem Wasserstrom berichtete, die bereits vom Experimentellen Institut für Ingenieurwesen, Hydraulik und Schiffbau Berlin, verwendet wurden. In diesem Artikel stellte er fest, dass viele dieser Geräte aufgrund ihrer schlechten Messung des statischen Drucks versagten. Darüber hinaus bestand der Wunsch der ersten Strömungsmechanik darin, den Gesamtdruck und den statischen Druck genau an derselben Stelle zu messen (was es möglich gemacht hätte, die Geschwindigkeitsverteilung im Windkanal leicht zu bestimmen die Körper). Das Rohr, das den Gesamtdruck misst, verändert jedoch notwendigerweise den lokalen Fluss durch sein Vorhandensein, so dass es nicht möglich ist, den statischen Druck am gleichen Punkt (und zum gleichen Zeitpunkt) zu messen. Ludwig Prandtl verwendete zu der Zeit, als Blasius seine Messungen in Berlin durchführte (1908), mit großem Erfolg in seinem Windkanal in Göttingen ein kombiniertes Pitot-Statik-Rohr, das durch den Flügeleffekt eines Leitwerks gegen die Strömung gehalten wurde. Dieses kombinierte Pitot-statische Rohr, das bald als "Prandtl-Antenne" bezeichnet wird, maß den statischen Druck (mit ~ 1,5% Fehler) bei 3 Durchmessern des Rohrs hinter dem Haltepunkt, an dem der Druck insgesamt gemessen wurde.
In der Luftfahrt übernahm dann die Prandtl-Antenne das Étévé- System, das die Geschwindigkeit durch den elastischen Rückstoß eines kleinen Paddels auf einem Flügel maß (Bild nebenstehend).
Ziemlich schnell änderte Prandtl jedoch die ursprüngliche Form seiner Antenne, indem er seine 3D-Rankine-Halbkörpernase durch eine reproduzierbarere halbkugelzylindrische Nase ersetzte (Bild unten).
Bei nachfolgenden Anwendungen der Prandtl-Antenne (oder der kombinierten Pitot-Statik-Röhre), Anwendungen zur Messung der Geschwindigkeit von Flugzeugen, des Abstands zwischen dem Haltepunkt, an dem der Gesamtdruck aufgenommen wird, und dem Loch (oder den Löchern), in dem der statische Druck liegt erfasst hat nur zugenommen: Die Antenne wurde in einem Bereich platziert, in dem die Strömung frei von jeglichem Einfluss des Flugzeugs war (z. B. ausreichend vor der Rumpfnase oder dem Randflügel-Angriffsdruck), so dass der statische Druck der Strömung war am Haltepunkt und am Einfangloch dieses statischen Drucks ungefähr gleich.
In der gegenwärtigen Praxis der Flugzeughersteller (in Bezug auf kommerzielle Unterschallflugzeuge) wird die Prandtl-Antenne zugunsten einfacher Pitot-Sensoren (Messung des Gesamtdrucks direkt außerhalb der Grenzschicht ) aufgegeben , wobei der statische Druck durch Löcher an der Wand der gemessen wird Rumpf auf derselben Abszisse (von der Nase des Rumpfes) wie das Messloch des einzelnen Staurohrs: Diese beiden Messungen werden an einer der sechs privilegierten Stellen durchgeführt, die in der folgenden Abbildung angegeben sind.
Eine Prandtl (de) Antenne (benannt nach Ludwig Prandtl ) ist eine kombinierte Pitot-Statik-Röhre. Es besteht aus zwei Koaxialrohren, deren Öffnungen in Verbindung mit der Flüssigkeit, deren Geschwindigkeit wir messen möchten, auf bestimmte Weise angeordnet sind:
Ein Manometer misst die Druckdifferenz zwischen den beiden Rohren, dh den dynamischen Druck, und ermöglicht es daher, die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids um das Rohr herum zu berechnen. In der Luftfahrt entspricht diese Geschwindigkeit der des relativen Windes um das Flugzeug. Diese Geschwindigkeit ist eine der wesentlichen Informationen für den Piloten, der sein Flugzeug immer über seiner Stallgeschwindigkeit und unter seiner Höchstgeschwindigkeit halten muss . Die Kenntnis der relativen Windgeschwindigkeit ermöglicht es auch, wenn die Wetterwindgeschwindigkeit in derselben Höhe bekannt ist, die Geschwindigkeit in Bezug auf den Boden und den Verbrauch des Flugzeugs zu berechnen .
Der Pitot erfasst den Gesamtdruck , der durch die gemeinsame Wirkung des atmosphärischen Drucks und des Drucks erzeugt wird, der sich aus der Windgeschwindigkeit auf den Sensor (oder dem dynamischen Druck ) ergibt .
Der statische Auslass (kombiniert oder nicht mit dem Pitot kombiniert) erfasst den statischen Druck, der im üblichen Sinne des Wortes Atmosphärendruck ist.
Das Anemometer misst die Differenz zwischen diesen beiden Drücken, nämlich den dynamischen Druck, und wandelt sie in die angegebene Fluggeschwindigkeit um . Diese Geschwindigkeit unterscheidet sich von der natürlichen Geschwindigkeit (die mit der Höhe zunimmt) und von der Bodengeschwindigkeit (die vom Wind beeinflusst wird ).
Im Falle eines inkompressiblen Flusses (dh in einem Unterschallregime für eine Machzahl von weniger als 0,3) wird die Geschwindigkeit durch Anwendung des Bernoulli-Theorems berechnet . In Luft kann der Term z vernachlässigt werden , der eine direkte Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und dem dynamischen Druck p t -p s ergibt, der mit einem Drucksensor oder einem einfachen Manometer gemessen wird :
v = Geschwindigkeit (in m / s) p s = statischer Druck (in Pa oder N / m²) p t = Gesamtdruck (in Pa oder N / m²) ρ = Dichte der Flüssigkeit (in kg / m³, 1,293 für Luft auf Meereshöhe)Im Fall einer kompressiblen Strömung (Machzahl größer als 0,3) ist es notwendig, die Formulierung des Bernoulli-Theorems zu verwenden, die auf kompressible Strömungen ausgedehnt ist. Unter Vernachlässigung des Höhenunterschieds z wird die folgende Beziehung verwendet, um die Machzahl zu berechnen:
M = Machzahl p t = Gesamtdruck p s = statischer Druck γ = Verhältnis der Wärmekapazitäten des Fluids C p / C v .
In der Praxis interessiert uns die Messung des als p t - p s definierten dynamischen Drucks nicht mehr ; Systeme, die für diesen Geschwindigkeitsbereich ausgelegt sind, messen den statischen und den Gesamtdruck getrennt und übertragen die Werte an einen Computer.
Die Pitot-Röhre war eines der Holzschifffahrtssysteme , die auf Schiffen gemäß den Vorschriften von Henri Pitot in seinen Memoiren an die Royal Academy verwendet wurden. Es wird oft unter den Kiel gelegt und während eines Geschwindigkeitstests kalibriert. Die Messung der Geschwindigkeit eines Bootes unter Verwendung einer Druckmessung kann auf die Experimente von Charles Grant, Viscount of Vaux (1807), zurückgeführt werden, die später von Reverend Edward Lyon Berthon (1849) verbessert wurden, der die Messung in einem einzigen System kombiniert dynamisch. Dieses System wurde aufgrund von Schwierigkeiten bei der Sauberkeit der Röhren in der Meeresumwelt (Algen usw. ) aufgegeben .
In der Luftfahrt ist das Staurohr eines der Bestandteile des anemobarometrischen Systems . Zusammen mit dem statischen Stecker kann das Anemometer (ein Differenzdruckmanometer) die angezeigte Fluggeschwindigkeit messen . Es kann unabhängig oder Teil einer kombinierten Sonde mit einem statischen Stecker und einer Einfallsonde sein . Es können zwei oder drei unabhängige Sonden vorhanden sein, um Redundanz bereitzustellen.
Die Pitots werden an verschiedenen Stellen installiert, an denen der Luftstrom nicht gestört wird, im Wesentlichen parallel zum lokalen Strom, um an der Rohröffnung einen Druckkoeffizienten nahe 1 zu erhalten, dh eine Geschwindigkeit von nahezu Null. Bei einem einmotorigen Propeller wird er unter die Unterseite des Flügels gelegt, um nicht dem Druck des Propellers ausgesetzt zu sein. Bei einem zweimotorigen oder Düsenflugzeug wird es häufig an der Nase befestigt. Bei einem Segelflugzeug befindet sich normalerweise ein Pitot an der vorderen Spitze des Rumpfes und ein weiterer an einer Antenne an der Vorderseite der Flosse.
Kombinierte Pitot- / Statik- / Einfallsonden, wie z. B. statische oder Gesamtdruckhähne, werden im Allgemeinen an der Seite des Rumpfes angebracht, wo der lokale Druck bei allen üblichen Einfällen so nahe wie möglich am statischen Druck im Unendlichen (atmosphärischer Druck) liegt (entweder eine lokale Luftgeschwindigkeit nahe der des Flugzeugs oder wieder ein Druckkoeffizient nahe 0. Diese bestimmten Stellen befinden sich in den sechs blauen Vertikalen im folgenden Diagramm). Position 1 wird beim Testen eines Prototyps (am Ende einer langen Antenne) verwendet. Um die Auswirkung von Schleudern zu verringern, können die linken und rechten statischen Sockel miteinander verbunden werden. Das Embraer-Foto unten zeigt ein Staurohr in Position 2 (häufig verwendet). Beachten Sie, dass das Rohr parallel zur lokalen Strömung ausgerichtet ist (daher parallel zum Rumpf). es liegt auch außerhalb der Grenzschicht .
Der Pitot ist meistens mit einer elektrischen Heizung ausgestattet, um eine Verstopfung durch Ansammlung von Frost zu vermeiden. Am Boden ist es geschützt, um insbesondere das Eindringen eines Insekts zu verhindern.
Typische Kurve des statischen Drucks auf die Flanken eines Rumpfes.
Staurohr auf einer kombinierten Anemometrie- und Anstellwinkelsonde des Airbus A380 ( Copilotenseite )
Staurohr auf der Nase eines Embraer ERJ 135
Im Fall von Kampfflugzeugen bedeuten die hohen Geschwindigkeiten und die Winkel, in denen sich das Flugzeug bewegen kann, dass spezielle Formen von Rohren entwickelt wurden, die entweder mehrere Öffnungen aufweisen oder ein vergrößertes Rohr und ein dünneres Rohr in der Mitte aufweisen, wobei letztere nur wird verwendet, um den dynamischen Druck zu messen.
Pitotrohrsysteme liefern grundsätzlich nur dann eine Messung, wenn sie vor dem Durchfluss platziert werden. In Fällen, in denen die Geschwindigkeit senkrecht zur Ebene des Geräts gemessen werden muss, können anemoklinometrische Sonden verwendet werden. Einige Modelle basieren auf einem Staurohr mit mehreren Öffnungen (5 oder 7). Durch Vergleichen der Drücke von jedem Rohr können der Winkel und die Geschwindigkeit der Strömung bestimmt werden.
Staurohre aller FormenBlasius bemerkte bereits 1909, als er Pitot-Röhren testete, die sich stark von denen von Prandtl (Prandtls Pitot-Röhre, die den ersten Standard darstellen sollte) unterschieden: „Für diese Modelle von Pitot-Röhren [sehr verschieden von Prandtls Modell] war die Gesetze der Strömungsmechanik bedeuten, dass zwischen der Druckdifferenz an den beiden Öffnungen und dem tatsächlichen dynamischen Druck der Strömung immer eine Proportionalität besteht [ ] "
In seinem Text stellt er jedoch fest, dass diese Gesetze der Strömungsmechanik nicht immer eingehalten werden, da, wie wir jetzt wissen, die Reynolds-Zahl manchmal eingreift, um eine Strömung radikal zu modifizieren. Aber Blasius konnte nur eine Ahnung von der Ursache dieser Strömungsänderungen haben, da sich die Reynolds-Zahl noch nicht an ihrer herausragenden Stelle vor allem in der Strömungsmechanik niedergelassen hatte (siehe hierzu den Artikel Crise_de_trainée ).
Darüber hinaus kann in bestimmten Bereichen der Reynolds-Zahl berücksichtigt werden, dass die Strömung auf bestimmten Körpern nicht signifikant variiert, d.h. dass die Verteilung der Druckkoeffizienten auf der Oberfläche dieser Körper konstant bleibt. Wenn sich die beiden gegebenen Punkte beispielsweise ständig in diesem Bereich von Reynolds befinden, ist auch der Unterschied, das heißt, man kann schreiben .
Wenn wir uns auf die Definition des Druckkoeffizienten beziehen, nämlich:
oder :
p ist der statische Druck, der an dem betrachteten Punkt gemessen wird, der statische Druck der Strömung (d. h. weg von Störungen, die vom Körper erzeugt werden), die Geschwindigkeit des Flusses vom Körper weg, die Dichte der Flüssigkeit.können wir die Beschriftung umwandeln in:
Gleichheit wo und sind die statischen Drücke, die am Punkt am Körper gemessen werden, und und oder ist der dynamische Druck der Strömung .
Diese letzte Gleichheit sollte umgewandelt werden in:
Dies bedeutet, dass wir im betrachteten Reynolds-Bereich, wissen und (der statische Druck an zwei verschiedenen Punkten des Körpers) den dynamischen Druck der Strömung und damit die Geschwindigkeit dieser Strömung bestimmen können.
In der Praxis kann offensichtlich ist es vorteilhaft für die Drücke und so unterschiedlich wie möglich sein , so dass ein Manometer leicht ihre Differenz messen.
Im Folgenden wurden eine Reihe von Anwendungen des oben gezeigten physikalischen Prinzips zusammengefasst.
In der Vergangenheit haben anemometrische Venturi-Geräte als erste dieses Prinzip angewendet (Bild gegenüber). Ein Venturi kann als Druckreduziervorrichtung betrachtet werden, die einen starken Abfall des absoluten statischen Drucks an seinem Hals erzeugt. Der absolute statische Druck am Venturihals ist daher niedriger als der absolute statische Druck der Strömung . Wenn wir diesen absoluten statischen Druck am Hals anstelle des absoluten statischen Drucks der vom Körper wegströmenden Strömung in der klassischen Differenz (die für das Staurohr den dynamischen Druck angibt) verwenden, subtrahieren wir folglich einen geringeren Betrag vom Gesamtdruck so dass das Ergebnis stärker ist. Da diese Differenz automatisch von einem Differenzdruckmanometer gemessen wird, wird dieses letztere Gerät von einer stärkeren Differenz angegriffen, sodass seine Empfindlichkeit möglicherweise geringer ist.
Windkanalmessungen zeigen, dass der Druck relativ zum Hals bei einem einzelnen Venturi auf das -5- oder -6-fache des dynamischen Durchflussdrucks und bei einem doppelten Venturi auf das -13,6-fache fallen kann. In der nebenstehenden Abbildung ist das Differenzdruckmanometer mit dem Loch verbunden, das den absoluten Druck am Hals des Venturi erfasst, und mit einem Gesamtdruckloch, das herkömmlicherweise der Straße zugewandt ist.
Diese Art von Venturi-Vorrichtung wurde zu einer Zeit verwendet, als Metallmembrandruckmesser für niedrige Geschwindigkeiten (die von Segelflugzeugen und langsamen Flugzeugen) nicht empfindlich genug waren, aber heutzutage nicht mehr nützlich sind, insbesondere weil der Frost den inneren Fluss erheblich verändern kann im venturi. In Frankreich war es der Hersteller Raoul Badin , der diese Geschwindigkeitsmessgeräte herstellte, so dass der Begriff Badin im luftfahrttechnischen Sprachgebrauch zum Synonym für Geschwindigkeit geworden ist.
Bei Messungen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in Rohren und Leitungen wird die Verwendung eines kombinierten Pitot-Statik-Rohrs durch die Schwierigkeit, dieses Gerät in die Leitungen einzuführen, und durch die Tatsache erschwert, dass seine Drucksammellöcher leicht verschmutzen können. Um diese Probleme zu lindern, wurden zylindrische Vorrichtungen entwickelt (freitragend im Kanal oder vollständig durch ihn hindurch), wobei diese Zylinder durch eine Stopfbuchse, die die Abdichtung gewährleistet , leicht in die Kanäle eingeführt und herausgezogen werden können . Diese Zylinder können einen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt haben und ein, zwei oder mehrere Sammellöcher enthalten (letzterer Fall ermöglicht die Bewertung einer Durchschnittsgeschwindigkeit im Kanal, Bild gegenüber). Alle diese Geräte zeichnen sich durch eine Konstante aus , die es ermöglicht, von der Messung des am Manometer abgelesenen Differenzdrucks auf die tatsächliche Durchschnittsgeschwindigkeit des Fluids umzuschalten. Es gibt mehrere Definitionen dieser Konstanten , zum Beispiel diejenige, die sie als Quotienten der wahren Durchschnittsgeschwindigkeit des Fluids in der Leitung durch die theoretische Geschwindigkeit (wobei die Druckdifferenz zwischen zwei Löchern oder Löchern und die Dichte der ist) nimmt im Kanal fließende Flüssigkeit). In der Praxis liegt die so definierte Konstante für Kreiszylindermanometer häufig in der Größenordnung von 0,85, sie ändert sich jedoch im Laufe der Zeit, so dass diese Manometer periodisch kalibriert werden müssen.
Einige Unternehmen bieten Geräte mit Zylindern mit quadratischem Querschnitt an, die im Strom entsprechend ihrer Diagonale dargestellt werden. Ein Unternehmen bietet Abschnitt Zylinder in der Form eines Kugel Colt dessen Löcher für die Aufnahme vorgesehenen negativen Druckkoeffizienten sind nicht mehr an der Basis , sondern auf den Seiten des Abschnitts.
S-förmige Pitotmeter (oder bidirektional oder reversibel )Im Jahr 1896 entwarf Edward S. Cole ein Pitometer (ohne das endgültige Pitot t), das als Cole-Pitometer oder reversibles Pitotmeter oder alternativ als "S" -Pitotrohr oder Staubscheiben-Pitotrohr (Staub bedeutet Staub ) bekannt ist. Diese Vorrichtung besteht aus zwei symmetrischen Rohren, deren Öffnungen der Strömung zugewandt sind oder zurückliegen. Die Darstellung dieses Pitotmeters im Strom kann im Prinzip umgekehrt werden (daher der Name reversibel ), aber diese einfache Inversion der Öffnungen erfordert häufig die Verwendung einer anderen Konstante aufgrund geringfügiger Asymmetrien (die große Effekte erzeugen). Dieses Pitotmeter S wird als vorzuziehen angesehen, wenn die Gase mit kondensierbarem Produkt gesättigt oder mit Staub beladen sind (aufgrund des großen Durchmessers seiner beiden Öffnungen), es muss jedoch auf die Strömung ausgerichtet sein, was die Kenntnis der Richtung dieser Strömung erfordert. Die Konstante (auf der Geschwindigkeit) dieser Geräte liegt gemäß ihren geometrischen Eigenschaften im Bereich von 0,8 oder 0,9.
RichtungssondenIm Prinzip ermöglicht die Richtungssonde (Bild entgegengesetzt) die Messung der Geschwindigkeit eines Fluids, für das die Strömungsrichtung nicht bekannt ist. Zu diesem Zweck sind drei Druckmesslöcher auf der Vorderseite eines Zylinders (mit demselben kreisförmigen Querschnitt) vorhanden, wobei die beiden extremen Löcher symmetrisch in einem genauen Winkel (nahe 30 °) vom zentralen Loch angeordnet sind. Durch die Verteilung der Drücke auf einen unendlichen Zylinder, der einen Punkt mit einem Druckkoeffizienten von Null unweit dieses Azimuts von 30 ° zieht , kann man theoretisch den statischen Druck dort weit vom Körper erfassen . Die Methode zur Verwendung dieser Sonde besteht daher darin, sie in die Strömung einzuführen und um ihre Achse zu drehen, bis der Druck in den beiden Seitenlöchern gleich ist (dieser Druck entspricht dann dem statischen Druck der Strömung vom Körper weg. ). Die Differenz zwischen dem am zentralen Loch aufgenommenen Druck (der im Prinzip der Gesamtdruck ist) und dem Druck eines der seitlichen Löcher ergibt den dynamischen Druck. In der Praxis erweist sich die Implementierung dieser Methode als schwierig.
Kieler Gesamtdrucksensoren1935 entwickelte G. Kiel eine Gesamtdrucksonde, die sehr unempfindlich gegenüber ihrer Positionierung in Gier- und Nickrichtung ist.
Ein bemerkenswertes Merkmal des Kieler Wandlers ist, dass er für Gier- und Nickwinkel von bis zu 40 ° über einen weiten Geschwindigkeitsbereich auf 1% genau ist. Einige neuere United Sensors-Modelle (Bild im Anhang) erhöhen diese Eigenschaften der Unempfindlichkeit auf bis zu 64 ° -Winkel.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Kieler Sonde nur den Gesamtdruck misst.
Das Staurohr wird im Automobil verwendet, wenn die Geschwindigkeit nicht nur aus der Drehzahl der Reifen abgeleitet werden kann. Präzision: Der Vergleich der beiden Messungen (Staurohr und Raddrehzahl) ermöglicht es, die dynamische Entwicklung des Reifenquetschens abzuleiten.
Das Staurohr kann als Anemometer für die Anwendung in der Meteorologie verwendet werden. In der Tat ist seine Messung die des relativen Windes . Wenn das Gerät fest ist, misst es die Windgeschwindigkeit. Das Staurohr hat auch den Vorteil, dass es ein sehr robustes System ist, bei dem nur wenige bewegliche mechanische Teile beschädigt werden können.
Das Staurohr hat zwei Formen, eine S-Form und eine L-Form. Seine Verwendung kann beispielsweise auch in der Gasabflussgeschwindigkeit in Industriekaminen erfolgen.
Wenn ein Staurohr (Messung des Gesamtdrucks) blockiert ist, ist die Fahrzeuggeschwindigkeitsmessung nicht mehr möglich. Die unmittelbare Folge eines verstopften Staurohrs ist eine fehlerhafte Messung der zunehmenden Geschwindigkeit, wenn das Flugzeug an Höhe gewinnt.
Die Verstopfung des Staurohrs in einem Flugzeug wird am häufigsten durch Wasser, Eis oder Insekten verursacht. Um dies zu verhindern, sehen die Luftfahrtvorschriften eine Inspektion der Pitot-Röhre (n) vor dem Flug vor. Darüber hinaus sind viele Staurohrgeräte mit einem Enteisungssystem ausgestattet (letzteres ist für Flugzeuge erforderlich, die für den Instrumentenflug zertifiziert sind ).
Aufgrund der vielen möglichen Fehlerfälle verfügen große Flugzeuge häufig über ein redundantes System aus mehreren Pitot-Sonden, normalerweise mindestens 3. Wenn eine der Sonden zu unterschiedliche Ergebnisse als die anderen liefert, kann man daraus schließen, dass sie defekt ist und ignorieren Sie seine Anzeigen. Wenn es nur 2 gäbe, könnten wir nicht wissen, welche fehlerhaft ist, da ein Fehler dazu führen kann, dass eine höhere oder niedrigere Geschwindigkeit abgelesen wird. Darüber hinaus sind einige Flugzeuge mit einer zusätzlichen einziehbaren Pitot-Sonde ausgestattet, die bei Bedarf verwendet werden kann.
Wenn der statische Druckanschluss blockiert ist, sind alle auf dem Pitot-System basierenden Instrumente betroffen: Der Höhenmesser bleibt auf einem konstanten Wert, die vertikale Geschwindigkeit bleibt Null, die Geschwindigkeit des Geräts ist fehlerhaft, entsprechend einem inversen Fehler zum Fall eines verstopften Staurohrs: Die Geschwindigkeitsanzeige scheint abzunehmen, wenn das Flugzeug in die Höhe steigt. Flugzeuge, in denen die Kabine nicht unter Druck steht, verfügen häufig über eine statische Notsonde, die vom Cockpit aus angeschlossen werden kann.
Pitot-Sonden weisen inhärente Mängel auf:
Dichtefehler Diese Fehler wirken sich auf die Geschwindigkeits- und Höhenmessungen aus. Dieser Fehler ist auf Druckschwankungen in der Atmosphäre zurückzuführen, die nicht mit der Höhe zusammenhängen (Meteorologie). Kompressibilitätsfehler Kompressibilitätsfehler treten auf, wenn die Annäherung des inkompressiblen Fluids nicht mehr vorgenommen werden kann und die Formel zur Berechnung der Geschwindigkeit nicht mehr gilt. Dieser intrinsische Fehler tritt insbesondere in großen Höhen auf, in denen die Schallgeschwindigkeit unter ihrem Wert auf Meereshöhe liegt. Diese Fehler werden für Höhen über 10.000 Fuß und für Geschwindigkeiten über 200 Knoten signifikant. Unter diesen Bedingungen meldet der Tacho eine Geschwindigkeit, die niedriger als die tatsächliche Geschwindigkeit des Geräts ist. In der Praxis zeigen NACA- Tests an einem halbkugelförmig-zylindrischen Staurohr, dass die Messung des statischen Drucks an Löchern mit einem Durchmesser von 3 bis 7 hinter dem Haltepunkt unempfindlich gegenüber einer Geschwindigkeit von bis zu Mach 0,6 bleibt.Wenn diese Rohre mit Frost, Schmutz und Insekten verstopft sind, wird den Piloten und Bordinstrumenten des Flugzeugs eine falsche Geschwindigkeitsmessung zur Verfügung gestellt. Eine fehlerhafte Geschwindigkeitsmessung auf Pitotrohren wurde in mehreren verwickelt Luft Unfällen :