Pitot-putki

Pitot-putki on mittalaite, jolla mitataan virtauksen paikallista nopeutta paine-eron avulla.^[1] Mittaustilanteessa putki asetetaan kohtisuoraan virtausta vasten. Sen keksi Henri Pitot (1695–1771), joka mittasi Seine-joen virtausnopeutta taivutetun lasiputken avulla.^[2] Etenkin lentokoneissa, pitot-putket ovat tärkeässä roolissa, koska ne mittaavat koneen ilmanopeutta. Sääolot ja korkea lentokorkeus saattavat johtaa pitot-putkien jäätymiseen, joka aiheuttaa sen, että ilmanopeutta ei voida enää mitata ja järjestelmä antaa väärän nopeuden. Tämä voi johtaa väärinkäsityksiin ohjaamossa. Tämän vuoksi pitot-putkea lämmitetään lennon aikana.

Yleensä lentokoneen siiven alle sijoitettu pitot-putki.

Nopeuden määritys putken avulla

Virtauksen voima nostaa pintaa h nopeutta v vastaavalla määrällä

Pakistanin ilmavoimien mekaanikko tarkastelee F-16-hävittäjän Pitot-putkea

Stagnaatiopaine ${\displaystyle \scriptstyle p_{0}}$ on staattisen paineen ${\displaystyle \scriptstyle p_{s}}$ ja dynaamisen paineen ${\displaystyle \scriptstyle p_{d}}$ summa. Stagnaatiopaine mitataan pitot-putken aukon kohdalta, jossa siis on virtauksen stagnaatiopiste. Staattinen paine sen sijaan on häiriötön paine, joka mitataan sellaisesta kohdasta virtausta, jossa ei ole pitot-putkea tai muita esteitä.

Mikäli virtaus on puristumatonta (Machin luku on pieni), niin voidaan käyttää Bernoullin yhtälöä. Eli tarkastellaan virtauksen tietyn virtaviivan kahta eri kohtaa: stagnaatio- ja staattisen paineen mittauspistettä, jotka ovat kummatkin samalla korkeudella (${\displaystyle \scriptstyle z_{s}=z_{0}}$)

${\displaystyle p_{s}+{\frac {1}{2}}\rho v_{s}^{2}+\rho gz_{s}\approx p_{0}+{\frac {1}{2}}\rho v_{0}^{2}+\rho gz_{0}}$.

Koska stagnaatiopisteessä nopeus ${\displaystyle \scriptstyle v_{0}}$ on nolla ja mittauspisteiden korkeudet samat, niin saadaan yhtälö supistettua muotoon

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\rho v_{s}^{2}=p_{0}-p_{s}}$.

Paine-ero on ${\displaystyle \scriptstyle p_{0}-p_{s}=p_{d}}$, nyt yhtälöstä saadaan nopeus:

${\displaystyle v={\sqrt {\frac {2p_{d}}{\rho }}}}$
missä ${\displaystyle v}$ on nopeus [m/s],
${\displaystyle \rho }$ on ilman tiheys [kg/m³] (se on suuruusluokkaa 1,2 kg/m³, mutta riippuu lämpötilasta ja ilmanpaineesta),
${\displaystyle p_{d}}$ on dynaaminen paine,
${\displaystyle p_{0}}$ on stagnaatiopaine ja
${\displaystyle p_{s}}$ on staattinen paine.

Yllä olevan Pitot'n kaavan loi Henri Pitot vuonna 1732.^[3]

Käyttö

Pitot-putkea käytetään lentokoneissa, tuulitunneleissa, mittalaitteissa, tilavuus- ja massavirtamittauksissa kuten ilmanvaihtokanavan ilmamäärämittauksessa.

Lähteet

1. Frank M. White: Fluid Mechanics, 5. edition, s. 406. McGraw-Hill, 2003. ISBN 0-07-240217-2. (englanniksi)
2. Pijush K. Kundu & Ira M. Cohen: Fluid mechanics, 4. edition, s. 112. Academic Press, 2008. ISBN 9780123737359. Google book (limited preview). (englanniksi)
3. Frank M. White: Fluid Mechanics, 5. edition, s. 407. McGraw-Hill, 2003. ISBN 0-07-240217-2. (englanniksi)