皮陶管

皮陶管（法語：pitot，發音： /ˈpiːtoʊ/，又稱空速管、皮氏管）是一種測量壓強的儀器，可用來測量流體運動速度。皮陶管由法國工程師亨利·皮托（英語：Henri Pitot）於十八世紀初發明^[1]，並在十九世紀中葉由法國科學家亨利·達西改進為現在的樣子。^[2]皮陶管通常用於測量飛行器的空速和工業設施中的氣體的流動速度。皮陶管可用於測量某給定點的局部速度而不是整條管線的平均速度。^[3]

飛機使用皮陶管測量空速。圖中為空中巴士A380的空速管和攻角葉片，氣流從該設備右邊流入，左邊流出。

皮陶管的分類

F/A-18的皮陶管

原理

最基本的皮陶管具有一個直接處於流體中的管道。可在此管充有流體後測量其壓差；由於管道中並無出口，流體便在管中停滯。此時測量的壓強為流體的滯壓，也稱為總壓。

滯壓本身並不能測量流體速度，但是伯努利定律指出：

滯壓 = 靜壓 + 動壓

可改寫為：

${\displaystyle p_{t}=p_{s}+\left({\frac {\rho V^{2}}{2}}\right)}$

解出速度為：

${\displaystyle V={\sqrt {\frac {2(p_{t}-p_{s})}{\rho }}}}$

需要注意的是，此等式僅適用於不可壓縮流體；本等式中：

• ${\displaystyle V}$為流體速度；
• ${\displaystyle p_{t}}$為滯壓；
• ${\displaystyle p_{s}}$為靜壓；
• ${\displaystyle \rho }$為流體密度。

上式中壓力改變量${\displaystyle p_{2}}$ – ${\displaystyle p_{1}}$或${\displaystyle \Delta p}$可由壓力計讀數${\displaystyle \Delta h}$得出：

${\displaystyle \Delta p=\rho g\Delta h}$

本等式中：

• ${\displaystyle \rho }$為壓力計中為流體密度
• ${\displaystyle \Delta h}$為壓力計讀數

動壓是滯壓和靜壓（英語：static pressure）之差。靜壓通常由機身側面的靜壓孔測得。動壓通過在一密閉容器中的膜片測得：若膜片一側的空氣壓強與靜壓相同，另一側與總壓相同，則膜片的偏轉程度與動壓成正比。測得動壓後便可測量飛行器表速（英語：indicated airspeed）。該膜片通常位於空速計中。空速計通過一些機械將壓力表示為空速表讀數。

靜壓孔和皮陶管還可組合為皮托靜壓管。此裝置在原有皮陶管外另套有一管。外管於大氣相不直接處於氣流中並被用來測量靜壓。^[4]

皮陶管相關的航空事故

飛機上的皮陶管通常帶有加熱設備以防止皮陶管被冰堵塞。皮陶管失效會造成災難性後果。一架X-31（英語：X-31）因皮陶管失效而失事。^[5]，1997年發生的阿根廷南方航空2553號班機空難經調查可能是皮陶管結冰。法國航空事故調查處BEA曾說皮陶管結冰是法國航空447號航班失事原因之一。^[6]

有幾起航空事故肇因於皮陶管被異物阻塞。如1996年10月2日發生的秘魯航空603號班機空難，其原因是皮陶管的靜壓孔在飛機清洗前被貼上膠布遮蓋，起飛前卻沒有移除，導致飛機儀表異常讓機師誤判而墜毀。同一年發生的伯根航空301號班機空難經調查可能是飛機停留期間皮陶管未蓋上保護蓋而使胡蜂入內築巢堵塞。

工業應用

工業上一些流體的速度很難由馬赫空速表測得。此時可使用皮陶管測量速度。

腳註

1. Pitot, Henri. Description d'une machine pour mesurer la vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux (PDF). Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique tirés des registres de cette Académie. 1732: 363–376 [2009-06-19]. （原始內容存檔於2014-06-13）.
2. Darcy, Henry. Note relative à quelques modifications à introduire dans le tube de Pitot (PDF). Annales des Ponts et Chaussées. 1858: 351–359 [2009-07-31]. （原始內容存檔於2015-12-06）.
3. Geankoplis, C.J. Transport processes and separation process principles (includes unit operations) 4th. New Jersey: Prentice Hall. 2003.
4. "How Aircraft Instruments Work." （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Popular Science, March 1944, pp. 116.
5. NASA Dryden news releases. (1995). [2012-11-28]. （原始內容存檔於2012-10-24）.
6. Training flaws exposed in Rio-Paris crash report. Reuters. 5 July 2012 [5 October 2012]. （原始內容存檔於2012-07-08）.

參考來源

• Kermode, A.C. Mechanics of Flight. Barnard, R.H. (Ed.) and Philpott, D.R. (Ed.) 10th. Prentice Hall. 1996: 63–67 [1972]. ISBN 0-582-23740-8.
• Pratt, Jeremy M. The Private Pilot's Licence Course: Principles of Flight, Aircraft General Knowledge, Flight Performance and Planning 3rd. 2005. gen108–gen111 [1997]. ISBN 1-874783-23-3.
• Tietjens, O.G. Applied Hudro- and Aeromechanics, based on lectures of L. Prandtl, Ph.D. Dove Publications, Inc. 1934: 226–239. ISBN 0-486-60375-X.
• Saleh, J.M. Fluid Flow Handbook. McGraw-Hill Professional. 2002.

外部連結

• 3D animation of the Pitot Tube Differential Pressure Flow Measuring Principle （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• How 18th Century Technology Could Down an Airliner （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） (wired.com)