BR102016015459B1

BR102016015459B1 - Dispositivo de medição de velocidade do ar, dispositivo de medição de velocidade no ar de aeronave, e, método para medir uma velocidade do ar

Info

Publication number: BR102016015459B1
Application number: BR102016015459-6A
Authority: BR
Inventors: Mackenzie Whalen; Brian Daniel Matheis
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2022-12-27
Also published as: EP3112878A1; CA2934968A1; US9696187B2; BR102016015459A8; EP3112878B1; CN106323533B; CN106323533A; CA2934968C; US20170003151A1

Abstract

DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE PRESSÃO TOTAL DE UM FLUXO DE FLUIDO, DE MEDIÇÃO DE FLUXO DE FLUIDO E DE MEDIÇÃO DE VELOCIDADE NO AR DE AERONAVE, E, MÉTODO PARA MEDIR PRESSÃO TOTAL DE UM FLUXO DE FLUIDO Um dispositivo é divulgado para medir pressão total de um fluxo de fluido que compreende um elemento tubular tendo uma câmara de entrada com uma abertura de entrada numa primeira extremidade do elemento tubular. O elemento tubular compreende também uma câmara de saída tendo uma abertura de saída numa segunda extremidade do elemento tubular. A abertura de entrada tem um diâmetro transversal ao eixo longitudinal e a abertura de saída tem um segundo diâmetro transversal ao eixo longitudinal. A razão do primeiro diâmetro para o segundo diâmetro é de 3:1 a 10:1. O elemento tubular também inclui uma câmara de transição entre a câmara de entrada e a câmara de saída. A pressão total pode ser medida na câmara de entrada.

Description

FUNDAMENTOS

[001] Esta divulgação se refere a medição de pressão total de um fluido em escoamento.

[002] A pressão total (isto é, de estagnação) de um fluido em escoamento pode ser utilizada em combinação com uma pressão de fluido estática medida para determinar uma pressão de fluido dinâmica a qual pode ser utilizada para proporcionar a velocidade de fluxo do fluido. Para fluidos em escoamento, contidos através de um conduto ou canal de tamanho conhecido, a velocidade de fluxo pode ser convertida numa taxa de fluxo volumétrico e, se a densidade do fluido for conhecida, numa taxa de fluxo de massa. Para líquidos não contidos, a pressão total é frequentemente medida para determinar a velocidade de um objeto, tal como uma aeronave ou barco, através de um fluido, tal como ar ou água. A pressão total é conhecida por ser medida com qualquer um de uma série de tipos de tubos de Pitot. Tubos de Pitot tipicamente têm uma extremidade aberta na direção da qual o fluido está fluindo e são fechados na extremidade oposta. A pressão dinâmica do fluido em escoamento tende a dirigir o fluxo de fluido para a extremidade aberta do tubo. Na extremidade oposta, no entanto, não há saída da qual o fluido possa escapar, assim ele fica estagnado. A pressão de fluido estagnado, isto é, pressão de estagnação, no tubo também é conhecida como pressão total. A pressão estática do fluido pode ser medida de uma camada de fluido imediatamente adjacente a uma superfície que está orientada paralela com a direção de fluxo de fluido, tal como através de um orifício numa superfície exterior do alojamento de tubo de Pitot ou em alguma outra superfície em contato com o fluido em escoamento remota ao tubo de Pitot (por exemplo, uma superfície de aeronave ou uma parede de conduto de canal de fluxo).

[003] Um problema com tubos de Pitot é que sua extremidade fechada pode torná-los suscetíveis à acumulação de particulados sólidos ou líquidos estranhos arrastados no fluido em escoamento. Tais particulados podem obstruir orifícios de detecção de pressão dentro do tubo de Pitot, o que pode levar a leituras de pressão falsas. Esta é uma questão particularmente significativa para sensores de velocidade de aeronave, não só por causa do perigo de voar sem uma leitura da velocidade no ar precisa, mas também porque as condições de operação da aeronave, tal como particulados aerotransportados tal como devido às nuvens, ambos água líquida super- resfriada e cristais de gelo ou areia/poeira e cinza vulcânica e exposição a particulados terrestres podem apresentar desafios únicos para a medição da velocidade no ar de aeronave.

[004] Uma abordagem comumente utilizada para a formação de particulados de gelo em tubos de Pitot de sensor de velocidade no ar é o uso de elementos de aquecimento em combinação com a colocação de um ou mais furos de drenagem. Estes pequenos drenos são tipicamente dimensionados e posicionados de modo a não impactar a pressão total no local de medição dentro do Pitot além da capacidade para levar em conta a calibração. Características de barreira de gelo também são usadas ou para evitar a formação de gelo ou para promover a sua formação em áreas não sensíveis. No entanto, furos de dreno ainda são suscetíveis a obstrução por particulados sólidos ou líquidos viscosos e as características de barreira apenas realocam o problema, mas não o eliminam.

BREVE DESCRIÇÃO

[005] De acordo com alguns aspectos desta divulgação, um dispositivo para medir pressão total de um fluxo de fluido compreende um elemento tubular tendo um eixo longitudinal central. O elemento tubular compreende uma câmara de entrada tendo uma abertura de entrada numa primeira extremidade do elemento tubular. A abertura de entrada tem um primeiro diâmetro transversal ao eixo longitudinal. O elemento tubular compreende também uma câmara de saída tendo uma abertura de saída numa segunda extremidade do elemento tubular. A abertura de saída tem um segundo diâmetro transversal ao eixo longitudinal. A razão do primeiro diâmetro para o segundo diâmetro é de 3:1 a 10:1. O elemento tubular compreende também uma câmara de transição entre a câmara de entrada e a câmara de saída. A câmara de transição tem um terceiro diâmetro transversal ao eixo longitudinal numa extremidade em direção à câmara de entrada e um quarto diâmetro, menor que o terceiro diâmetro, transversal ao eixo longitudinal numa extremidade em direção à câmara de saída. O dispositivo compreende também um sensor de pressão total em comunicação com a câmara de entrada. Opcionalmente, em alguns aspectos a pressão estática pode ser medida por um sensor de pressão estática em comunicação com a câmara de saída.

[006] De acordo com alguns aspectos desta divulgação, um método para medir pressão total de um fluxo de fluido compreende medir pressão total em uma câmara de entrada de um elemento tubular tendo um eixo longitudinal. O elemento tubular compreende a câmara de entrada tendo uma abertura de entrada numa primeira extremidade do elemento tubular. A abertura de entrada tem um primeiro diâmetro transversal ao eixo longitudinal. O elemento tubular compreende também uma câmara de saída tendo uma abertura de saída numa segunda extremidade do elemento tubular. A abertura de saída tem um segundo diâmetro transversal ao eixo longitudinal. A razão do primeiro diâmetro para o segundo diâmetro é de 3:1 a 10:1. O elemento tubular compreende também uma câmara de transição entre a câmara de entrada e a câmara de saída. A câmara de transição tem um terceiro diâmetro transversal ao eixo longitudinal numa extremidade em direção à câmara de entrada e um quarto diâmetro, menor que o terceiro diâmetro, transversal ao eixo longitudinal numa extremidade em direção à câmara de saída. Opcionalmente, em alguns aspectos a pressão estática pode ser medida por uma pressão de medição na câmara de saída.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[007] O assunto que é considerado como a presente divulgação é particularmente salientado e distintamente reivindicado nas reivindicações no final do relatório descritivo. As características precedentes e outras características e vantagens da presente divulgação são evidentes a partir da seguinte descrição detalhada tomada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais: A FIG. 1 é uma representação esquemática de um elemento tubular como aqui descrito; e A FIG. 2 é uma representação esquemática de um sistema de medição de velocidade no ar de aeronave.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[008] Voltando agora para a FIG. 1, uma representação esquemática de um elemento tubular 10 tendo um eixo longitudinal 11 é mostrada. O elemento tubular 10 tem uma abertura de entrada 12 (tendo um diâmetro 13) na extremidade voltada para a direção de fluxo de fluido 14. A abertura de entrada 12 abre para a câmara de entrada 16. O elemento tubular 10 também tem uma abertura de saída 18 (tendo um diâmetro 19) conectada à câmara de saída 20. Uma câmara de transição 22 está entre a câmara de entrada 16 e a câmara de saída 20. A câmara de entrada 16 é equipada com orifícios de detecção de pressão total 24 que conectam através do conduto de detecção de pressão total 26 a um sensor de pressão total (não mostrado). O posicionamento direto dos orifícios de detecção de pressão total é bastante diferente do projeto de tubo de Pitot convencional o qual proporciona, tipicamente, um ponto de estagnação (e orifício de detecção de pressão total) em direção à extremidade traseira (fechada) do tubo. O projeto aqui descrito é capaz de fornecer essa dinâmica de fluido com uma extremidade traseira aberta, em vez da configuração de tubo de Pitot de extremidade fechada típica por causa dos efeitos dinâmicos de fluido do menor diâmetro da abertura de saída 18 em comparação com a abertura de entrada 12 e da transição de diâmetro fornecida pela câmara de transição 22. A razão do diâmetro de entrada 13 para o diâmetro de saída 19 pode variar dentro de uma faixa. Em algumas modalidades, a razão do diâmetro de entrada para o diâmetro de saída varia de 3:1 a 10:1. Em algumas modalidades, a razão do diâmetro de entrada para o diâmetro de saída varia de 3:1 a 8:1. Em algumas modalidades, a razão do diâmetro de entrada para o diâmetro de saída varia de 3:1 a 6:1. Em algumas modalidades, a razão do diâmetro de entrada para o diâmetro de saída varia de 4:1 a 10:1. Em algumas modalidades, a razão do diâmetro de entrada para o diâmetro de saída varia de 4:1 a 8:1. Em algumas modalidades, a razão do diâmetro de entrada para o diâmetro de saída varia de 4:1 a 6:1. Em algumas modalidades, a razão do diâmetro de entrada para o diâmetro de saída varia de 6:1 a 10:1. Em algumas modalidades, a razão do diâmetro de entrada para o diâmetro de saída varia de 6:1 a 8:1. Em algumas modalidades, a razão do diâmetro de entrada para o diâmetro de saída varia de 8:1 a 10:1. Diâmetros em termos absolutos podem variar amplamente dependendo de fatores tais como as propriedades do fluido (por exemplo, densidade) e pressão e velocidade antecipadas, bem como do ambiente circundante. Exemplos de diâmetros de entrada típicos para sensores de aeronaves e outros sensores de velocidade no ar podem variar de 0,2 a 0,5 polegada, dos quais exemplos de diâmetros de saída podem ser prontamente derivados das faixas de razões acima.

[009] Com referência adicional a FIG. 1, é visto que o diâmetro da câmara de entrada 16 parece ser constante e igual ao diâmetro de entrada 13 e tal modalidade está dentro daquelas contempladas por esta divulgação. No entanto, esta modalidade é meramente um exemplo e o diâmetro da câmara de entrada 16 pode ser fixo num diâmetro diferente do diâmetro de entrada 13 ou pode ser variável. Em algumas modalidades exemplares, a câmara de entrada pode ter um diâmetro que é fixo ou variado. Adicionalmente, as câmaras podem ter um perfil de seção transversal transverso à direção do fluxo de ar que é circular ou outras formas, tal como ovular, retangular, quadrada, etc., em cujo caso o termo "diâmetro", como aqui utilizado, se refere ao diâmetro hidráulico, definido pela fórmula DH= 4A/P, onde DH é o diâmetro hidráulico, A é a área de seção transversal e P é o perímetro da seção transversal.

[0010] A câmara de transição 22 pode igualmente contribuir para a dinâmica de fluido que fornece pressão de fluido total na câmara de entrada, assim como promover um padrão de fluxo de ar que pode contribuir para dirigir material particulado para fora do elemento tubular através da saída 18. Em algumas modalidades, a câmara de transição 22, juntamente com a câmara de entrada 16 e a câmara de saída 20, é configurada para proporcionar um caminho de fluxo de fluido não obstruído entre a entrada 12 e a saída 18. Por "caminho de fluxo de fluido não obstruído" queremos dizer que uma linha reta imaginária poderia ser desenhada sem passar através de uma obstrução de pelo menos uma localização num plano transversal ao eixo longitudinal 11 na saída 18 até pelo menos uma localização num plano transversal ao eixo longitudinal 11 na entrada 13. Em algumas modalidades, a câmara de transição 22, juntamente com a câmara de entrada 16 e a câmara de saída 20, é livre de todas as obstruções. Em algumas modalidades, a câmara de transição pode ser frustocônica, mas padrões de transição que não cônicos também podem ser utilizados. Como mostrado na FIG. 1, a câmara de transição 22 tem um diâmetro 28 na extremidade em direção à câmara de entrada 16 que é maior do que seu diâmetro 30 na extremidade em direção à câmara de saída 18. As dimensões relativas da câmara de transição podem variar dependendo de fatores tais como as propriedades do fluido (por exemplo, densidade) e pressão e velocidade antecipadas, bem como do ambiente circundante.

[0011] Os orifícios de detecção de pressão total 24 na modalidade exemplar são representados como estando localizados no elemento tubular no ponto médio da câmara de entrada 16 ao longo do eixo longitudinal e tal modalidade está dentro daquelas contempladas por esta divulgação. No entanto, esta modalidade é meramente um exemplo e os orifícios de detecção de pressão total podem estar localizados em vários locais ao longo do eixo longitudinal da câmara de entrada. A colocação dos orifícios de pressão total pode ser selecionada com base em outros parâmetros de projeto, de modo que a pressão total medida será próxima da pressão total da corrente de alimentação. Em aplicações práticas, existe uma ampla variedade de locais de orifício de detecção de pressão total que produzirão uma medição de pressão total aceitável, pois a pressão total é relativamente insensível à localização do orifício uma vez que toda a câmara 16 está muito próxima da pressão total. No entanto, os orifícios devem estar localizados atrás o suficiente da entrada para medir uma pressão total estável em todas as condições de operação

[0012] Em alguns aspectos, o dispositivo para medir pressão total também inclui um sensor de pressão estática em comunicação com uma fonte de pressão estática do fluido. Isto permite a determinação de pressão dinâmica e velocidade de fluxo de fluido. Em algumas modalidades, o sensor de pressão estática pode ser remoto ao elemento tubular (por exemplo, numa superfície de uma aeronave ou de uma parede de conduto de fluido). Em algumas modalidades, o sensor de pressão estática pode ser um orifício numa superfície exterior do alojamento do elemento tubular 10 (não mostrado) que é paralela ao eixo longitudinal 19, como é típico para tubos estáticos de Pitot conhecidos na arte. Em algumas modalidades, incluindo a modalidade exemplar representada na FIG. 1, um orifício de pressão estática pode estar localizado na câmara de saída 20, como representado pelos orifícios de detecção de pressão estática 34 que são conectados pelo conduto de detecção de pressão estática 36 ao(s) sensor(es) de pressão estática. Como com a colocação anterior da localização de detecção de pressão total, a colocação posterior da localização de detecção de pressão estática dentro do elemento tubular é bastante diferente de tubos estáticos de Pitot que medem pressão estática fora do tubo.

[0013] Os orifícios de detecção de pressão estática 34 na modalidade exemplar são representados como estando localizados no elemento tubular no ponto médio da câmara de saída 20 ao longo do eixo longitudinal e tal modalidade está dentro daquelas contempladas por esta divulgação. No entanto, esta modalidade é meramente um exemplo e os orifícios de detecção de pressão total podem estar localizados em vários locais ao longo do eixo longitudinal da câmara de entrada. A localização do orifício de pressão estática pode ser selecionada de modo que a pressão estática medida seja próxima da pressão estática da corrente de alimentação ou algum desvio conhecido. A localização do orifício estático pode variar dependendo da geometria do dispositivo e do nível desejado de compensação da pressão estática da corrente de alimentação e pode ser determinada pelo perito na arte com esforço razoável usando ferramentas tais como modelagem dinâmica de fluido computacional.

[0014] O elemento tubular 10 pode ser incorporado um dispositivo de medição de fluxo de fluido com circuito eletrônico para determinar pressões medidas pelo sensor de pressão total e pelo sensor de pressão estática e determinar uma pressão de fluido dinâmica, uma velocidade de fluxo de fluido ou, se a densidade do fluido for conhecida, uma taxa de fluxo de fluido com base nas pressões medidas. Em algumas modalidades, o elemento tubular 10 pode ser utilizado num dispositivo ou sistema de medição de velocidade no ar de aeronave, tal como mostrado na FIG. 2, no qual o elemento tubular 10 e o sensor de pressão total 38 e o sensor de pressão estática 40 proporcionam medições de pressão total e pressão estática por comunicação eletrônica com fios ou sem fios para uma unidade de controle eletrônica 42 que inclui circuitos para determinar pressões medidas pelo sensor de pressão total 38 e pelo sensor de pressão estática 40 e determinar uma velocidade no ar com base nas pressões medidas.

[0015] Embora a presente divulgação tenha sido descrita em detalhes em conexão com apenas um número limitado de modalidades, deve ser prontamente entendido que a presente divulgação não está limitada a tais modalidades divulgadas. Em vez disso, a presente divulgação pode ser modificada para incorporar qualquer número de variações, modificações, substituições ou disposições equivalentes não até então descritas, mas que são compatíveis com o espírito e o escopo da presente divulgação. Adicionalmente, embora várias modalidades da presente divulgação tenham sido descritas, é para ser entendido que aspectos da presente divulgação podem incluir somente algumas das modalidades descritas. Por conseguinte, a presente divulgação não será vista como limitada pela descrição anterior, mas só é limitada pelo escopo das reivindicações anexadas.

Claims

1. Dispositivo de medição de velocidade do ar, compreendendo: um dispositivo de medição de pressão total disposto em um fluxo de ar; e um sensor de pressão estática em comunicação com uma fonte de pressão estática do ar, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de medição de pressão total compreende: um elemento tubular tendo um eixo longitudinal central, compreendendo: uma câmara de entrada (16) tendo uma abertura de entrada em uma primeira extremidade do elemento tubular, a abertura de entrada tendo um primeiro diâmetro (13) transversal ao eixo longitudinal, uma câmara de saída (20) tendo uma abertura de saída em uma segunda extremidade do elemento tubular, a abertura de saída tendo um segundo diâmetro (28) transversal ao eixo longitudinal, em que a razão do primeiro diâmetro para o segundo diâmetro é de 3:1 a 10:1, e uma câmara de transição (22) entre a câmara de entrada e a câmara de saída, a câmara de transição (22) tendo um terceiro diâmetro (30) transversal ao eixo longitudinal em uma extremidade em direção à câmara de entrada, e um quarto diâmetro, menor que o terceiro diâmetro, transversal ao eixo longitudinal em uma extremidade em direção à câmara de saída; e um sensor de pressão total em comunicação com a câmara de entrada.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade de orifícios de amostragem de pressão (24) na câmara de entrada (16).

3. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o sensor de pressão estática está em comunicação com a câmara de saída (20).

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade de orifícios de amostragem de pressão na câmara de saída (20).

5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende ainda circuito eletrônico para determinar pressões medidas pelo sensor de pressão total e pelo sensor de pressão estática e determinar uma pressão de ar dinâmica, uma velocidade de fluxo de ar ou uma taxa de fluxo de ar com base nas pressões medidas.

6. Dispositivo de medição de velocidade no ar de aeronave, caracterizado pelo fato de que compreende o dispositivo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5 e circuito eletrônico (42) para determinar pressões medidas pelos sensores de pressão total (38) e pressão estática (40) e determinar uma velocidade no ar com base nas pressões medidas.

7. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o elemento tubular inclui um caminho desobstruído entre a primeira e a segunda aberturas.

8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que cada uma da câmara de entrada (16), da câmara de transição (22) e da câmara de saída (20) é livre de obstruções.

9. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a razão do primeiro diâmetro (13) para o segundo diâmetro (28) é de 4:1 a 8:1.

10. Método para medir uma velocidade do ar, compreendendo: medir pressão total em um dispositivo de medição de pressão total disposto em um fluxo de ar; medir pressão estática com um sensor de pressão estática em comunicação com uma fonte de pressão estática do ar; e calcular uma velocidade do ar com base na pressão total medida e na pressão estática medida, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de medição de pressão total compreende um elemento tubular compreendendo: uma câmara de entrada (16) tendo uma abertura de entrada em uma primeira extremidade do elemento tubular, a abertura de entrada tendo um primeiro diâmetro (13) transversal ao eixo longitudinal, uma câmara de saída (20) tendo uma abertura de saída em uma segunda extremidade do elemento tubular, a abertura de saída tendo um segundo diâmetro (28) transversal ao eixo longitudinal, em que a razão do primeiro diâmetro (13) para o segundo diâmetro (28) é de 3:1 a 10:1, uma câmara de transição (22) entre a câmara de entrada e a câmara de saída, a câmara de transição tendo um terceiro diâmetro (30) transversal ao eixo longitudinal em uma extremidade em direção à câmara de entrada (16), e um quarto diâmetro (19), menor que o terceiro diâmetro (30), transversal ao eixo longitudinal em uma extremidade em direção à câmara de saída, e um sensor de pressão total em comunicação com a câmara de entrada.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda amostrar ar de uma pluralidade de orifícios de medição de pressão na câmara de entrada (16), e (i) pneumaticamente tirar a média de pressões de câmara de entrada amostrada para determinar a pressão total, ou (ii) calcular pressão total com base na pluralidade de medições de pressão de câmara de entrada.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda medir uma pressão estática do ar na câmara de saída (20) e determinar uma pressão dinâmica, uma velocidade de fluxo ou uma taxa de fluxo do ar em escoamento com base na pressão total medida e na pressão estática medida do ar.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda amostrar ar de uma pluralidade de orifícios de medição de pressão na câmara de saída (20), e: (i) pneumaticamente tirar a média de pressões de câmara de saída amostrada para determinar a pressão estática, ou (ii) calcular pressão estática com base na pluralidade de medições de pressão de câmara de saída.

14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 13, caracterizado pelo fato de que o elemento tubular é montado em uma aeronave e o método compreende ainda determinar uma velocidade no ar da aeronave com base em pressão de ar total medida e pressão de ar estática medida.