Вопрос № 2. Принцип действия приборов и датчиков измерения высоты.

В авиации существует понятия относительной Н, истинной H_и и абсолютной H_а высоты (рис. 4).

 

Рис. 4. Высоты применяемые в авиации

 

Относительной высотой принято считать высоту относительно аэродрома взлета (посадки) или заданной местности.

Истинной высотой называется высота над пролетаемой местностью.

Абсолютная барометрическая высота - это высота относительно среднего уровня моря. За средний уровень моря принимается уровень с давлением 760 мм. рт. ст. (101325 Па) и температурой 288°К, т.е. нормальные условия по стандартной атмосфере (СА).

Барометрические высотомеры предназначены для измерения относительной высоты, а также абсолютной высоты при полетах по заданным эшелонам. Принцип действия высотомера основан на использовании зависимости статического (барометрического) давления воздуха от высоты. Так как статическое давление на одной и той же высоте изменяется случайным образом в некотором диапазоне в зависимости от места и времени, для единства градуировки высотомеров используется зависимость среднего значения давления атмосферы от высоты. Эта зависимость соответствует так называемой стандартной атмосфере СА-73, параметры и законы изменения давления которой установлены ГОСТ 4401-73. В таблицах стандартной атмосферы приведена зависимость статического давления от геопотенциальной высоты, которая по определению равна частному от деления потенциала поля силы тяжести, характеризующего потенциальную энергию частицы, расположенной в рассматриваемой точке, на стандартное ускорение свободного падения g=9,80665 м/с. За начало отсчета этой высоты принят средний уровень моря (в нашей стране - Балтийского моря).

Численно она всегда несколько меньше абсолютной геометрической высоты, отсчитываемой также от среднего уровня моря. Например, на высоте 10 км разность геопотенциальной и геометрической высот составляет всего лишь 16 м, что на порядок меньше погрешности высотомера на этой высоте. Нулевому значению геопотенциальной высоты соответствует стандартное давление (760 мм. рт. ст.).

В настоящее время на летательных аппаратах применяются двухстрелочное высотомеры типа ВД (ВД-10, ВД-20, ВД-28, ВД-30), типа ВДИ (ВДИ-30), УВИ-30.

Принципиальная схема высотомера представлена на рис. 5. Статическое давление Р через штуцер 1 подводится в герметичный корпус 2. Под воздействием статического давления, изменяющегося с изменением высоты, анероидная коробка 3 деформируется, а с помощью передаточного механизма 4 перемещает стрелку 5. Отчет значения высоты производится по шкале 6. Высотомеры типа ВД и ВДИ имеют две шкалы и две стрелки, которые позволяют производить отсчет показаний в метрах по внешней шкале и большой стрелке и в километрах - по внутренней шкале и малой стрелке. Индекс "И" у высотомеров типа ВДИ перемещается следящей системой по сигналам радиолокационной системы наведения и выдает летчику значения заданной высоты полета H_з.

Барометрическим высотомерам свойственны методические, инструментальные и аэродинамические погрешности. Методические погрешности вызваны отклонением параметров P_o и T_o от параметров стандартной атмосферы.

Инструментальные погрешности обусловлены моментами трения, а также упругим гистерезисом и упругим последействием анероидных коробок и др. Причины возникновения аэродинамических погрешностей были изложены выше, в 6.1. Максимальные погрешности высотомеров типа ВД в ВДИ составляют ±20 - ±50 м для высот Н<500 м и ± 3% от измеряемой высоты при Н ≥ 500 м.

Для уменьшения погрешностей, вызванных изменением упругих свойств анероидной коробки, при изменении температуры используются биметаллические компенсаторы (рис. 5).

 

Рис. 5.Указатель барометрической высоты

 

Компенсатор первого рода 7 вырабатывает поправку, пропорциональную изменению температуры, путем дополнительного перемещения через передаточный механизм стрелки независимо от изменения высоты. Компенсатор второго рода 8 изменяет передаточное отношение передаточного меха­низма и вырабатывает тем самым поправку, зависящую от температуры и давления.

Компенсация аэродинамических погрешностей предусмотрена в электромеханическом высотомере типа УВИ, структурная схема которого показана на рис. 6.

 

 

Рис. 6. Электромеханический высотомер типа УВИ

 

Погрешность измерения статического давления Δp системой ПВД определяется с помощью вычислителя аэродинамических поправок ВАП по приближенной формуле

 

 

где, P_д = Р_п-Р - динамическое давление (скоростной напор).

Функции f1(Р) и f2(Р_д) реализуются в ВАП с помощью анероидного АБ и манометрического МБ блоков и функциональных потенциометров ФПс, ФПд. Сигнал, пропорциональный Δp, вычитается из сигнала, пропорционального p+Δp, поступающего с индуктивного датчика ИД. Результирующий сигнал после усиления поступает на двигатель М, который отрабатывает счетчик и поворачивает стрелку высотомера. Величина давления Р_о места, относительно которого из меряется высота, вводится по счетчику С_чро с помощью кремаль­еры К_ро.

При сверхзвуковых скоростях полета сигнал поправки, посту­пающий от ВАП, отключается с помощью М-реле, так как погрешности ПВД при М > 1, как было рассмотрено выше, незначительны.

Погрешность высотомеров типа УВИ не превышает ± 10 - ± 25 м для Н < 5000 м, поэтому данные высотомеры могут быть использова­ны для выдерживания заданного эшелона.

Если аэродинамические погрешности не компенсируются, то они должны учитываться в графиках поправок, устанавливаемых на борту летательного аппарата на каждый высотомер.

Для выдачи потребителям сигналов, пропорциональных высоте, на летательных аппаратах используются датчики высоты типа ДВ-15, ДВ-30. Принцип измерения высоты такими датчиками аналогичен принципу, положенному в основу барометрических высотомеров. Отличие состоит в том, что деформация анероидной коробки при изменении высоты передается не на стрелку, а на щетку функционального потенциометра, являющегося плечом моста. С измерительной диагонали моста снимается сигнал, пропорциональный высоте, который после усиления поступает на двигатель отработки, перемещающий щетку выходного потенциометра.

Вывод: для измерения высоты используется анероидная коробка, которая обеспечивает измерение давление и за счёт этого индикацию высоты для экипажа и использование значения соизмеримого высоте в различных системах ЛА.