Dinamik basınç ölçümlerinde borulamanın etkisinin incelenmesi
Study of tubing effect in dynamic pressure measurements
Yazar: EGE GÖKHAN HASDAL
Danışman: PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Basınç ölçümleri = Pressure measurements ; Dinamik basınç = Dynamic pressure

Özet:
Dinamik basınç ölçümleri, sensör teknolojisindeki gelişimin artmasıyla beraber, basıncın zamana bağlı olarak incelendiği alanlarda yoğun olarak kullanılmaktadır. Dinamik basınç ölçümlerinin kullanıldığı ve önem kazandığı alanlardan biri de rüzgar tüneli testleridir. Bina, stadyum, gökdelen gibi yapıların cepheleri ve taşıyıcı sistemleri üzerindeki rüzgar yükünün belirlendiği rüzgar tüneli testlerinde basınç ölçümleri zamana bağlı olarak yapılmaktadır. Rüzgar tüneli testi çalışmalarında model ile ölçüm sistemi arasında kullanılan boru sisteminin uzunluğu, iç çapı gibi değişik parametreler sebebiyle farklı frekansta çalkantı içeren havanın dinamik basınç ölçümü sonuçları üzerinde oluşan bozulmalar deney sonuçlarının doğruluğunu etkilemektedir.
Dinamik basınç ölçümlerinde kullanılan borulama sisteminin farklı frekanslardaki çalkantılı basınç üzerinde yaratacağı bozulmalar rezonans, genlik bozulması ve faz gecikmesi olarak sıralanabilir. Boru sisteminin özelliklerine göre rezonans frekansı değişmektedir. Frekanslara göre genlik bozulma oranı rezonans frekansına doğru artış gösterirken sonrasında sönümleme eğiliminde olabilir.
Frekansa bağlı genlik oranı ve faz gecikmesi, akışkan denklemleri yardımıyla oluşturulmuş özyineleme formülü kullanılarak hazırlanan yazılım ile farklı borulama seçenekleri için hesaplanabilir. Bu hesaplama ile borulama sisteminin girişine uygulanan farklı frekanslardaki sinüzoidal bir basıncın genliğinin sensörde ölçülen değerine oranı elde edilir. Dinamik basınç ölçümlerinde kullanılan borulama sisteminin uzunluğu, iç çapı, özelliklerine ilave olarak ortam sıcaklığı, basıncı gibi çevresel faktörlerin de genlik oranında bozulma üzerine etkisi olduğu görülmüştür.
Farklı frekanslarda çalkantılar içeren havanın basınç ölçümünde borulama kaynaklı genlikteki bozulmanın giderilmesi için uygulanan yöntemler bulunmaktadır. Bu yöntemlerden biri; borulama sisteminin uzunluğu boyunca uygun konumda ve borunun çapına oranla daha küçük çapta kısıtlayıcı eklenmesidir. Boru sisteminin ölçülerinin isterleri doğrultusunda, belirli çaptaki kısıtlayıcının uzunluğu ve boru uzunluğu boyunca konumu optimizasyon yazılım sonucundan belirlenmiş ve dinamik basınç üretici ile yapılan deneyler ile sonuçları incelenmiştir.
Borulama sistemlerinin basınç ölçümleri sonuçları üzerinde yarattığı bozulmanın incelenmesi ve istenilen seviyeye gelmesi için kullanılan yöntemlerin araştırılmasında dinamik basınç üreteci kullanılmıştır. Tasarımı ve üretimi yapılmış olan dinamik basınç üretecinde, basınç üreteci için hoparlör kullanılması maliyeti düşük ve diğer üreteçlere oranla üretim süresi kısa olan bir çözüm olmasından dolayı tercih edilmiştir. Üreteç, kapalı bir hacimde dairesel kesit içerisinde çok küçük yer değiştirme ile salınan bir diyafram yardımıyla sinüzoidal bir basınç üretimi olarak tanımlanabilir. Üreteç sisteminde hoparlör, sinüzoidal sinyal üreteci ve sinyali güçlendirmek için amplifikatör yardımıyla oluşturulan sinüzoidal basıncın frekansı belirlenen adım değeri ile 10'dan 400 Hz değerine kadar ayarlanmıştır. Farklı uzunluk, çap ve malzemede test edilen borular ve referans bir boru üreteç ile basınç tarayıcısı arasına bağlanmıştır. Referans boru ve test borulama sisteminin farklı frekanslarda sensörde ölçülen genlikleri oranlanarak bozulmanın cevabı aranmıştır.

Abstract:
Dynamic pressure measurements are used extensively in areas where the pressure is studied depending on time with the development of sensor technology. One of the areas where dynamic pressure measurements are used and gained importance is wind tunnel tests. In the wind tunnel tests where the wind load on the façades of the buildings, stadiums, skyscrapers and carrier systems are determined, pressure measurements are made depending on time.
The test model of the structure is used in the wind tunnel tests where the façade load and structural load created by the wind on the structure are examined. Pressure taps are opened to the regions where dynamic pressure measurement is performed on the model. With the help of standards and scientific studies, the measurement requirements for wind tunnel tests are determined. The frequency and sampling time for the pressure measurement are calculated by similarity relations between the model and prototype. After the parameters such as frequency and sampling time to be used for the tests are determined by general assumptions that are necessary for experimental studies, the measurement system can be selected.
Sensors commonly used in dynamic pressure measurements vary according to their application areas. Various parameters play a role in the selection of sensors. Parameters such as the size of the sensor, the type of pressure measurement, the pressure range, the measuring frequency affect the sensor selection. In many experiments, it is necessary to use a system called pressure scanner in the experiments which requires simultaneous measurement. The pressure scanners use piezoresistive sensors based on MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, which allows high frequency sampling.
The small dimensions of the tested model cause the systems used in the pressure measurements to not be inserted into the model. This constraint required a tubing between the point to be measured on the model and the pressure sensor. The distortions on the results of dynamic pressure measurement of flow containing different frequency fluctuations due to different parameters such as length and internal diameter of the tubing system used between the model and the measurement system in the wind tunnel test studies affect the accuracy of the test results.
The distortions caused by the tubing system used in dynamic pressure measurements on turbulent pressure at different frequencies can be listed as resonance, amplitude distortion and phase delay. Resonance frequency varies according to the characteristics of the tubing system. The amplitude distortion rate relative to the frequencies may increase towards the resonance frequency, which may then tend to damp.
Frequency-dependent amplitude ratio and phase delay can be calculated for different tubing options by using the recursion formula created with the help of fluid equations. With this calculation, the ratio of the amplitude of a sinusoidal pressure at the different frequencies applied to the input of the tubing system to the value measured in the sensor is obtained. In addition to the length, inner diameter and characteristics of the tubing system used in dynamic pressure measurements, environmental factors such as ambient temperature and pressure also had an effect on the amplitude ratio.
There are methods for eliminating the distortion of the amplitude caused by tubing in the measurement of pressure of air containing fluctuations at different frequencies. One of these methods is a smaller diameter restrictor is added than the diameter of the tubing along the appropriate position in the length of the tubing system. In accordance with the requirements of the tubing system, the length and position of the restrictor of a certain diameter along the length of the tubes were determined from the optimization software and the results of the experiments with dynamic pressure generator were examined.
Dynamic pressure generator was used to investigate the distortions caused by the pressure measurement results of tubing systems and to investigate the methods used to reach the desired level. In the dynamic pressure generator, which was designed and manufactured, the use of loudspeakers for the pressure generator is preferred because it is low cost having short production time compared to other generators. The generator can be defined as the generation of a sinusoidal pressure by means of a diaphragm oscillated by very small displacement in a closed volume in a circular cross-section. In the generator system, the frequency of the sinusoidal pressure generated by the loudspeaker, sinusoidal signal generator and amplifier to amplify the signal is adjusted from 10 to 400 Hz with the determined step value. The tubes tested in different lengths, diameters and materials and a reference tube are connected between the generator and the pressure scanner. The amplitude of the reference tube and test tubing system measured at the sensor at different frequencies was proportional and the response of the distortion was sought.
Since the pressure sensor cannot be directly connected to the dynamic pressure generator to investigate the effects of the tested tubing systems, the restrictor determined by optimization in the reference tube is used and the amplitude ratio of the reference tube is very close to 1 between 0-400 Hz.
By connecting tubes of equal length to certain ports of the pressure scanner used in the apparatus to test the tubing system, amplitude ratio and phase delays according to the frequency between the ports are measured and presented.
The results obtained with the tubing systems with high production precision used in the experiments are consistent with the theory. In the case of tubes with low production precision, when the ± 5% of the diameter is taken, the compatibility with the theory increases. It is seen from the experimental results that the properties of the tube should be known and used with high accuracy in order to calibrate the tubing systems used in dynamic pressure measurements using theory.
Measurements were made with 20 different tubing systems in dynamic pressure generator. Experimental results of tubes of different diameters of 0.6 m, 0.8 m and 1.0 m were compared and the diameter, length and effect of the material produced were examined. Reduction of tube diameter and length increases the amplitude ratios according to frequency. In order to reduce the distortion of the frequency amplitude ratio of 0.6 m and 0.8 m tubes, it is seen in the experimental results that the use of restrictors whose properties are determined as a result of optimization with theory is an accurate method.
In order to investigate the changes in the amplitude ratios of the tubes of different materials with the same diameter and length, it was concluded that more tubes with high precision production and different materials of the same diameter should be examined experimentally.