A2 – SISTEMA DE DATOS DE AIRE  1 

 

A2 Sistema de Datos de Aire (Pitot - Estática)

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Manuel Pérez Cortés  DVA/ETSIA Madrid, 28 octubre 2008 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Introducción  2 

ÍNDICE

1. Introducción

2. Medición de las variables relacionadas con el aire

3. Altimetría

4. Anemometría

5. Errores y diseño de las tomas

6. Otras variables obtenidas del aire y la central de datos de aire

7. ANEXO: Unidades y referencias

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Introducción  3 

INTRODUCCIÓN

1. ¿Por qué es necesario medir las variables termodinámicas del aire?

2. La atmósfera y su comportamiento

3. Las capas de la atmósfera 1. Troposfera

• Tropopausa

2. Estratosfera

• Estratosfera

• Mesosfera

3. Termosferta

• Ionosfera

• Exosfera

4. Dos tipos de condiciones termodinámicas a considerar

1. Variables ambiente o estáticas: Pa, Ta, ρa

2. Variables totales o de remanso: PT, TT, ρT

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Introducción  4 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 5 

LA MEDICIÓN DE LAS VARIABLES RELACIONADAS CON EL AIRE

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 6 

TUBO DE ESTÁTICA 

TUBO DE PITOT 

LA MEDICIÓN DE LAS VARIABLES TERMODINÁMICAS (PRESIÓN)

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 7 

TUBO DE PITOT-ESTÁTICA

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 8 

LA MEDICIÓN DE LAS VARIABLES TERMODINÁMICAS (TEMPERATURA)

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 9 

SENSOR DE DATOS DE AIRE PARA ENSAYOS EN VUELO

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 10 

TRANSDUCTORES DE PRESIÓN

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 11 

SISTEMAS MECÁNICOS Y ELECTRÓNICOS

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Medición de las variables del aire 12 

INFORMACIÓN A LOS INSTRUMENTOS

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría  13 

ALTIMETRÍA

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría  14 

MODELO DE ATMÓSFERA ESTÁNDAR (I)

√ Altitud, elevación y altura

• El aire no tiene vapor de agua ni polvo • La atmósfera es una mezcla de gases perfectos

que se comporta como un gas perfecto  

 

  

 • La atmósfera está en reposo (Se aplica la

ecuación de la hidrostática)  

 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría  15 

MODELO DE ATMÓSFERA ESTÁNDAR (II)

• Se aplican altitudes geopotenciales (Se considera que la aceleración de la gravedad es constante e igual a la del nivel del mar)

 

 

  • El perfil de temperaturas está definido • A un cierto nivel de referencia (nivel del mar, SL) las

variables termodinámicas de la atmósfera están definidas  

 

 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría  16 

OBTENCIÓN DE LAS VARIABLES TERMODINÁMICAS

REGIONES DE LA ATMOSFERA ISOTERMAS

(subíndice B valores en la base de la región)  

  

  

 

REGIONES DE LA ATMOSFERA CON GRADIENTE CONSTANTE DE

TEMPERATURA (subíndice B valores en la base de la región)

 

  

  

  

 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría  17 

VALORES EN LA TROPOSFERA Y LA ESTRATOSFERA

VARIABLES

ADIMENSIONALES  

  

  

 

VALORES EN LA TROPOSFERA (altitud en ft)

 

  

 

  

  

VALORES EN LA ESTRATOSFERA (altitud en ft)

 

  

 

  

  

  

 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría  18 

CURVAS DE LAS VARIABLES TERMODINAMICAS

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría  19 

ALTÍMETRO

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría  20 

REGLAJES ALTIMÉTRICOS

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría  21 

ERRORES POR ATMÓSFERA NO ESTÁNDAR

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Altimetría  22 

ERRORES

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría  23 

ANEMOMETRÍA

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría  24 

DEFINICIONES PARA ANEMOMETRÍA (I)

VELOCIDADES

VT Velocidad aerodinámica (TAS): es la velocidad del avión respecto al aire Vi Velocidad indicada por el instrumento (ASIR): es la velocidad que presenta el

anemómetro VI Velocidad indicada (IAS): es la velocidad indicada por el instrumento corregida por

error de instrumento VC Velocidad calibrada (CAS): velocidad indicada corregida por errores de

compresibilidad y estática VE Velocidad equivalente (EAS): velocidad aerodinámica referenciada al nivel del mar

NÚMERO DE MACH M Número de Mach: es la relación entre la velocidad aerodinámica y la velocidad del

sonido a la altura considerada

Mi Número de Mach indicado por el instrumento MI Número de Mach indicado por el instrumento, corregido por error de instrumento

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría  25 

DEFINICIONES PARA ANEMOMETRÍA (II)

PRESIONES

Pa Presión estática o ambiente: presión que tiene el aire (corriente libre) en un punto considerado de la atmósfera

PT Presión total o de remanso: presión que tiene el aire cuando se lleva mediante una evolución isentrópica a velocidad nula respecto al avión

q Presión dinámica:

qc Presión de impacto: diferencia entre la presión total y la estática ΔP Presión de impacto captadas por las tomas dPs Error de estática: Error en la presión captada por la toma de estática

Ps Presión estática captada por la toma de estática. Si se considera que el error en la

captación de la presión total es despreciable, se obtiene

TEMPERATURA Ta Temperatura estática o ambiente: temperatura que tiene el aire en un punto

considerado de la atmósfera TT Temperatura total o de remanso: temperatura que tiene el aire cuando se lleva

mediante una evolución isentrópica a velocidad nula respecto al avión

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría  26 

OBTENCIÓN DE LA VELOCIDAD AERODINÁMICA Flujo incompresible

 

 Flujo compresible subsónico

 

Flujo compresible supersónico

 

 

(Otras posibles expresiones que se ven en los libros para supersónico)

Ta

VELOCIDAD 

AERODINÁMICA 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría  27 

OBTENCIÓN DE LA VELOCIDAD EQUIVALENTE Definición de velocidad equivalente

 

Velocidad equivalente en régimen incompresible

 

Velocidad equivalente en subsónico compresible

 

Velocidad equivalente en supersónico

 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría  28 

LA VELOCIDAD CALIBRADA Y EL NÚMERO DE MACH Velocidad calibrada en incompresible

 

Velocidad calibrada en subsónico compresible y número de Mach

   ;     

Velocidad calibrada en supersónico y número de Mach

 

 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría  29 

EL INDICADOR DE VELOCIDAD (ANEMÓMETRO)

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría  30 

EL INDICADOR DE NÚMERO DE MACH (MACHMETRO)

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría  31 

MEDICIÓN TEMPERATURA

• Sólo es posible medir la temperatura total o de remanso

• Se asume que el aire se frena adiabáticamente hasta velocidad nula en el sensor de temperatura (ver transparencia previa con esquema del sensor)

• La expresión es válida tanto para subsónico como supersónico

• La temperatura estática se

obtiene a partir de la de remanso mediante la expresión anterior

A2 – SISTEMA DATOS AIRE ‐ Anemometría  32 

RESUMEN DE RELACIONES VELOCIDAD CALIBRADA, VERDADERA

Y NÚMERO DE MACH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  33 

ERRORES Y DISEÑO DE LAS TOMAS

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  34 

ERRORES

• Errores del instrumento • Errores debidos a retardos en la presión • Errores de posición (errores en las tomas por posición y diseño)

Errores de instrumento

• Error en factor de escala y mecanización de las ecuaciones

• Campos magnéticos • Cambios de temperatura • Fricción • Inercia de partes móviles

Una vez calibrado el instrumento y determinados estos errores se pasa de “valores indiciados por el instrumento” a “valores indicados”

i I

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  35 

ERRORES POR RETARDOS EN LA PRESIÓN

• Afecta a altitud, Mach, velocidad y velocidad vertical • Se presentan cuando el avión cambia H ó V • Se deben a:

o Caidas de presión en los tubos por fricción o Inercia de la masa de aire o Fricción viscosa y cinética o Propagación de la presión a velocidad finita (retardo acústico)

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  36 

ERRORES DE POSICIÓN (DISEÑO Y UBICACIÓN DE LAS TOMAS)

Las presiones registradas por el sistema de pitot y estática tienen errores

• La corriente no es exactamente “corriente libre” en la posición de las tomas • Los propios sensores tienen error

Una vez corregidos permiten pasar de valores “indicados” a “calibrados”

I c

 

 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  37 

INFLUENCIA DE LOS ERRORES

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  38 

ERROR EN LA PRESIÓN TOTAL

Con un adecuado diseño y posición del tubo de pitot este error se puede considerar cero

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  39 

DISEÑO DE LA TOMA DE ESTÁTICA

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  40 

ERROR DE ESTÁTICA

Es función del diseño e instalación de la toma de estática Efecto de la longitud, diámetro, posición de las puertas estáticas, distancia a la que se ensancha el tubo (diseño del tubo de estática

Efecto del ángulo de ataque 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  41 

Errores por efecto de la instalación (I)

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  42 

Errores por efecto de la instalación (II)

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  43 

VARIABLES INDICADAS Altitud indicada

  ;    

  ;    

Velocidad indicada en incompresible

 

Velocidad y Mach indicados en subsónico compresible

  ;    

Velocidad y Mach indicados en supersónico

 

 

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  44 

CORRECCIÓN DE ERRORES Relación entre variables indicadas y calibradas

 

 

 

Corrección en altitud

 

Corrección en velocidad y Mach en subsónico

  ;    

Corrección en velocidad y Mach en supersónico

  ;    

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  45 

TRATAMIENTO DEL ERROR DE ESTÁTICA

Error de estática a bajo número de Mach

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  46 

Error de estática en subsónico medio y transónico

Efectos en supersónico

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  47 

PRESENTACIÓN DE LAS CORRECCIONES POR ERRORES DE ESTÁTICA

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Errores y diseño de las tomas  48 

ERROR EN LA SONDA DE TEMPERATURA

KT: Factor de recuperación de la sonda, por no ser el flujo totalmente adiabático (varía entre 0,7 y 1, aunque en ensayos en vuelo suele estar entre 0,95 y y)

Fuentes de error: • Calibración de la resistencia de

temperatura • Errores de conducción entre el

sensor y la estructura • Errores de radiación (importante a

gran altitud) • Constante de tiempo

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Otras variables y la CDA  49 

OTRAS VARIABLES Y LA CENTRAL DE DATOS DE AIRE

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Otras variables y la CDA  50 

MEDIDA DE LA VELOCIDAD VERTICAL (VARIÓMETRO)

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Otras variables y la CDA  51 

MEDIDA DEL ÁNGULO DE ATAQUE

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Otras variables y la CDA  52 

INDICADORES

Altímetro

Altímetro

Variómetro

Indicador de velocidad con indicador de

máxima velocidad permitida

Indicador de velocidad verdadera

Indicador de Mach

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – Otras variables y la CDA  53 

CENTRAL DE DATOS DE AIRE

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – ANEXO: Unidades y Referencias  54 

ANEXO: UNIDADES Y REFERENCIAS

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – ANEXO: Unidades y Referencias  55 

Anexo: CONVERSIÓN UNIDADES

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – ANEXO: Unidades y Referencias  56 

Anexo: UNIDADES

A2 – SISTEMA DATOS AIRE – ANEXO: Unidades y Referencias  57 

Anexo: REFERENCIAS

Naval Test Pilot School Flight Test Manual for Fixed Wing Performance Chapter 2 Pitot Static System Performance USAF Test Pilot School Volume I Performance Flight Testing Chapter 5 Pitot-Statics and the Standard Atmosphere NACA Report 919 Accuracy of Airspeed Measurements and Flight Calibration Procedures NASA Reference Publication 1046 Measurement of Aircraft Speed and Altitude FAA Instrument Flying Handbook 2007 NACA Report 1364 Measurement of Static Pressure on Aircraft