Барометрические высотомеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

БАРОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЫСОТОМЕРЫ



Цель работы: изучить принцип действия, конструкцию, работу, причины погрешности и основные технические данные барометрических высотомеров типов ВД-10 и ВЭМ-72, научиться устанавливать на высотомере барометрическое давление и определить высоту полета

Задание: барометрический давление полет высотомер

Изучить причины погрешности, принцип действия, устройство, работу и основные технические данные высотомеров типов ВД-10 и ВЭМ-72.

Определить цену деления каждой шкалы (счетчика) высотомеров.

Произвести поверку высотомеров на высотах, указанных преподавателем, и составить таблицу поправок.

Установить на барометрической шкале высотомера давление, указанное преподавателем, и задать по высотомеру эшелон полета, указанный преподавателем. Определить при этом относительную высоту полета.

составить отчет о проделанной работе и представить его преподавателю.



1. Теоретическая часть

1.1 Общие сведения

Приборы, предназначенные для измерения высоты полета самолета над земной поверхностью, называются высотомерами.

При полётах самолётов различают абсолютную высоту -- высоту относительно уровня моря, относительную высоту -- высоту полёта относительно места взлета или посадки и, наконец, истинную высоту, т. е. высоту над пролетаемой местностью (рис.1). Знание абсолютной высоты необходимо при испытаниях самолётов и авиационных двигателей, относительная высота должна быть известна при взлете и посадке, а истинная высота -- во всех случаях полета.

Рис.1. К определению высот

Известно несколько методов измерения высоты полета.

Барометрический метод основан на зависимости между абсолютным давлением в атмосфере и высотой. В этом методе измерение высоты сводится к измерению абсолютного давления с помощью барометра.

Радиотехнический метод определения высоты основан на измерении промежутка времени прохождения радиосигналом пути от самолета до земли и обратно до самолета. На этом же принципе измерения времени прохождения отраженным лучом основаны оптические методы измерения высоты.

Инерциальный метод измерения высоты полета основан на измерении вертикальных ускорений самолета и двойном интегрировании этих сигналов.

Ионизационный метод измерения высоты полета основан на зависимости ионосферной ионизации атмосферы от расстояния до Земли.

На высотах 20--80 км степень ионизации воздуха возрастает с увеличением высоты.

Наибольшее распространение получили барометрический и радиотехнический методы. Перспективными являются приборы, основанные па комплексировании барометрического, радиотехнического и инерционного методов измерения высоты.

В данной главе будет рассмотрен барометрический высотомер и принципы построения баро-радио-инерциального высотомера.

1.2 Теория барометрического высотомера

Барометрический метод измерения высоты полета базируется на зависимости абсолютного давления р от высоты Н, т. е. р=f1(Н). При выводе градуировочных формул высотомера нам понадобятся также зависимости весовой плотности г и абсолютной температуры Т от высоты Н, т. е. г=f2(Н) и Т=f3(Н). На рис. 13.2 даны зависимости р=f1(Н), г=f2(Н), Т=f3(Н) по стандартной атмосфере (сплошные кривые). Эти зависимости являются статистическими, а не функциональными. Дело в том, что давление, плотность и температура воздуха на одной и той же высоте не остаются постоянными, а испытывают значительные случайные вариации, зависящие от времени суток и года, облачности, солнечной активности и т. д. На том же рисунке пунктиром указаны вариации величин р, г и Т, которые могут быть значительными. Так, например, среднеквадратичные значения вариации давления на средних высотах достигают 3-4%, что соответствует погрешностям в измерении высоты порядка 200--300 м.

На величины р, г и Т, даваемые в таблицах стандартной атмосферы, следует смотреть как на математические ожидания Рн=М{ f1(Н)}, г=М{f2(Н)} и Тн=М{f3(Н)}.

Следует указать, что изобары (поверхности равных давлений) в первом приближении эквидистанты не рельефу земной поверхности (возвышения, горы, впадины), а воображаемом шаровой поверхности, образованной уровнем мирового океана даже вблизи поверхности земли и изобары не коррелированны с рельефом местности. Это обстоятельство указывает на своеобразие барометрического метода измерения на возможность измерения только абсолютной и относительной высот.

Для вывода зависимости между параметрами атмосферы и высотой Н рассмотрим цилиндрический столбик воздуха площадью 5 на высоте Н (рис.2). Из условия равновесия сил, действующих на столбик, находим

или (1)

Если воспользоваться уравнением состояния

(2)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис2 К выводу гипсометрической формул

Рис.3. Зависимость p=f1(H);

г=f2(H); T=f3(H)

где R -- газовая постоянная, то получим вместо (1)

(3)

Установлено, что средняя температура в атмосфере до высоты 11 км является линейной функцией высоты вида

(4)

где Т0 - средняя абсолютная температура на уровне моря, равная 288°K.

град км-1-температурный градиент.

Температура Т на высоте 11 км равна 216,5° К (-56,5°С). .На высотах от 11 до 33 км средняя температура остается неизменной. Учитывая это, можем написать общее выражение для средней температуры Т (математического ожидания):

(5)

Подставим значения Т из (4) в (3) интегрируя его, получим

(6)

где р0 - 760 мл. рт. ст.- среднее давление на уровни моря.

Формула (6 ) называется барометрической. Если решить зависимость (13.6) относительно Н, то получим формулу, называемою гипсометрической:

(7)

Формулы (6) и (7) справедливы до высоты 11км. На больших высотах в уравнение (13.3) вместо температуры Тн необходимо подставить Т11 = 216,50 К. Выполнив это и проинтегрировав полученное выполнение найдём

(8)

где р11-169,58 мл рт. ст. - среднее давление на высоте 11км.

Если решить уравнение (8) относительно Н, то получим гипсометрическую формулу для высоты Н>11км:

(9)

где

Не редко в место барометрических формул (6) и (8) используются приближенные формулы Лапласа, в которых температура Тн=f3(Н) заменяется средней температурой столба воздуха на высоте полёта (до Н=11км) Тн и у земли Т0 т. е.

(10)

Для высот Н>11км средняя температура будет

(11)

Представляя значения Тср из (10) и (11) в уравнение (3), получим после интегрирования барометрические формулы Лапласа:

(12)

(13)

Если выражения (11) и (13) решить относительно Н, то получим гипсометрические формулы Лапласа

(14)

(15)



причём в последнем выражении высота выражена неявной.

Расчёты показывают, что разность значений высот, вычисленным по стандартным барометрическим формулам и формулам Лапласа, не превышает 1%.

1.3 Особенности устройства высотомеров

Из барометрических или гипсометрических формул следует, что в барометрическом высотомере измерение высоты сводится к измерению абсолютного давления в атмосфере. На рис.4 приведена принципиальная схема высотомера. В герметичный корпус прибора 1 подводится статическое давление р, под действием которого деформируется анероидная коробка 5. Деформация коробки при помощи передаточного механизма 4 перемещает стрелку 3. Отсчет показаний прибора производится по шкале 2.

Рис.4. Схема высотомера:

1--корпус; 2--шкала; 3--стрелка; 4-передаточный механизм; 5-анероидная коробка; б--трубопровод; 7-отверствия; 8--приемник статического давления; 9--эпюра давления на приемник

Статическое давление в атмосфере, не искаженное частями самолета, воспринимается приемником статического давления 8, вынесенным вперед самолета. Давление внутрь корпуса приемника поступает через боковые отверстия 7. Это давление по трубопроводу 6 подается в корпус высотомера 1. Как видно из эпюры давлений 9, наибольшее давление, равное полному (статическое давление плюс скоростной напор), будет в критической точке лобовой полусферической поверхности приемника. Далее давление вдоль приемника уменьшается и становится равным статическому давлению в зоне приемных отверстий 7. Затем к концу приемника оно может стать меньше статического. Показанная эпюра давлении имеет место только при одной скорости полета. При других скоростях, особенно сверхзвуковых, эпюра может переместиться вдоль оси приемника, в результате чего прибор будет измерять не статическое, а искаженное давление. Особенно трудно получить неискаженное статическое давление одновременно и на дозвуковых и на сверхзвуковых скоростях полета. Поэтому в высотомерах появляются дополнительные погрешности, связанные с неточным измерением статического давления.

Если по результатам испытаний в аэродинамической трубе известен закон перемещения эпюры давлений вдоль оси приемника в функции числа М полета, то в показание высотомера можно ввести поправку для компенсации указанной погрешности. Погрешность Др неточного измерения статического давления, как указано, зависит от числа М полета, т. е. Др=f(М). Но, как будет видно из главы XIV, число М зависит от статического р и динамического рД давлений, поэтому погрешность будет

(16)



а

б

Рис.5 Барометрический высотомер ВД-10

а--общий вид; б--кинематическая схема:

1-стрелка, показывающая высоту в километрах; 2-стрелка, показывающая высоту в метрах; 3-шкала; 4, 5-индексы; 6, 7, 22, 23-зубчатые колеса; 8, 21-трибка; 9-сектор; 10-компенсатор второго рода; 11-вилка; 12-ось сектора (валик); 13, 15-вилки; 14,16-тяги; 17-компенсатор первого рода; 18-блок анероидных коробок; 19-подвижный центр; 20-зубчатое колесо; 24-кремальера; 25-барометрическая шкала

Общий вид и кинематическая схема высотомера показаны на рис.5

Механизм прибора смонтирован в герметичном корпусе диаметром 80 мм. Анероидные коробки 18 (две коробки взяты для увеличения чувствительности прибора), являющиеся чувствительным элементом высотомера, реагируют на статическое давление на высоте полета, подаваемое в корпус прибора. При изменении высоты полета коробки деформируются; деформация коробок через укрепленный в верхнем жестком центре 19 биметаллический компенсатор 17 первого рода, тягу 14, биметаллический компенсатор второго рода 10 передается на валик 12. При повороте валика 12 поворачивается зубчатый сектор 9, который вращает трибку 21 и большое зубчатое колесо 20, сцепленное с малым зубчатым колесом (трибкой) 8. На оси колеса укреплена большая стрелка прибора.

Параметры анероидной коробки и передаточного механизма выбираются так, что при подъеме на высоту 1000 м большая стрелка делает один оборот. При этом внешняя шкала прибора проградуирована в сотнях и десятках метров. Для отсчета единиц и десятков километров в высотомере имеется внутренняя шкала, возле которой движется малая стрелка. Если прибор измеряет высоту до 10 км, то при повороте малой стрелки на один оборот большая стрелка делает 10 оборотов. Для получения замедленного движения малой стрелки применен зубчатый перебор 6, 7, 22, 23, выходное колесо которого вращает полую ось с укрепленной на ней малой стрелкой. Передаточное число перебора равно 1:10.

Как следует из формулы (6), показания высотомера справедливы только при постоянном давлении . Поскольку, однако, давление в точке взлета отличается от давления , возникают методические погрешности. Для устранения этих погрешностей весь механизм вместе с анероидными коробками и зубчатыми колесами, за исключением оси сателлитов перебора, укреплен на основании, которое посредством кремальеры может поворачиваться вокруг оси, совпадающей с осью стрелок. При повороте основания на некоторый угол большая стрелка поворачивается на тот же угол, а малая стрелка - на угол, в 10 раз меньший. Последнее обеспечивается тем, что ось сателлитов укреплена в подшипниках, неподвижных относительно корпуса прибора.

Одновременно с поворотом основания поворачивается шкала барометрического давления 25, оцифровка которой (в мм. рт. ст.) видна через вырез в боковой части шкалы прибора (рис.5 а). При нулевом положении стрелок прибора цифра на шкале барометрического давления показывает абсолютное давление в месте нахождения самолета. Если шкала барометрического давления поставлена на деление 760 мм рт. ст., то стрелки высотомера показывают абсолютную высоту (высоту аэродрома по отношению к уровню моря).

Для статического уравновешивания массы анероидных коробок применён противовес, шарнирно соединенный с валиком 12.

Шкала прибора имеет цену деления 10 м.

Погрешность прибора на средних и больших высотах при нормальной температуре не превышает ±2%. На малых высотах погрешности составляют: на нулевой высоте ± 10 м, на высоте 500 м- ±20 м.

1.4 Погрешности высотомеров

Барометрические высотомеры имеют методические и инструментальные погрешности.

Методические погрешности обусловлены: 1) изменением рельефа местности; 2) изменением давления у земли после взлета; 3) изменением средней температуры столба воздуха; 4) случайными вариациями давления на высоте по отношению к давлению, задаваемому стандартной атмосферой.

Методические погрешности, вызванные изменением рельефа местности, не могут быть скомпенсированы в барометрических высотомерах, если нет дополнительной информации об истинной высоте полета.

Поскольку высотомеры градуируются при нормальных условиях (р0 = 760 мм рт. ст., Т0 = 288К и ф = 0,0065 град/м), а условия при взлете самолета могут отличаться от нормальных, то, как следует из градуировочной формулы (6), возникает методическая погрешность высотомера, которая проявляется в смещении стрелок с нулевого деления. Для компенсации этой погрешности весь механизм прибора с помощью кремальеры поворачивают так, чтобы стрелки совмещались с нулевым делением шкалы. При нулевом положении стрелок прибора по шкале барометрического давления можно прочитать показания деления в мм рт. ст., соответствующее точке высоты. После вылета высотомер будет показывать относительную высоту. Очевидно, шкала высотомера должна быть равномерной. Следовательно, эта методическая погрешность компенсируется полностью.

Если после вылета на аэродроме изменилось барометрическое давление р0, то прибор будет показывать относительную высоту с погрешностью. Для оценки величины этой погрешности заметим, что если в момент вылета давление было р0, а после вылета оно стало р1, то прибор будет показывать

(18)

хотя правильное показание должно быть

(19)

Отсюда, разделив (15) на (18), найдем

(20)

а погрешность измерения относительной высоты составит



(21)

Для компенсации этой погрешности необходимо знать давление , которое может быть сообщено на борт самолета с земли по радио.

При изменении средней температуры столба воздуха Тср по сравнению с расчетной относительная высота полета

(22)

будет отличаться от показания прибора:

(23)

Погрешность измерения истинной высоты, вызванная изменением температуры столба воздуха, будет

(24)

Инструментальные погрешности высотомеров складываются из погрешностей, вызванных гистерезисом, не уравновешенностью подвижных элементов, трением, и температурных погрешностей. Первые два вида погрешностей конструктивными мерами сводятся до допустимых величин.

Для оценки погрешности, вызванной трением в передаточном механизме и стрелках, заметим, что на преодоление трения затрачивается давление Дртр, а потере давления соответствует погрешность ДТтр. Связь между величинами Дртр и ДТтр можно получить из барометрических формул (6) или (12) и (13):

(25)

где ен = dp/dH- вертикальный градиент.

Воспользовавшись формулами (6) и (8), находим

(26)

Поскольку вертикальный градиент уменьшается с увеличением высоты, то погрешность прибора на больших высотах больше, чем на малых. Так, например, ео: е20 =14, поэтому погрешности, вызванные трением, на высоте 20 км в 14 раз больше, чем у земли (предполагается, что приведенное трение одинаково на всех высотах). Это обстоятельство является одной из причин возрастания относительной погрешности высотомеров на больших высотах. Очевидно, для уменьшения погрешности, вызванной силами трения, необходимо применять бесконтактные датчик съема сигналов, например, индуктивные.

Температурные инструментальные погрешности высотомера возникают главным образом вследствие изменения модуля упругости анероидных коробок. Поскольку связь между давлением и модулем упругости Е линейна и зависимость модуля от температуры имеет вид то

(27)



где в -- температурный коэффициент модуля упругости.

Если выразить величину Др в единицах показания прибора, следует положить Тогда

(28)

Подставляя сюда значения ен из (29) и р из (6), найдем

(29)

Отсюда следует, что температурная погрешность высотомера состоит из двух частей, первая из которых не зависит от высоты, а вторая является функцией высоты. Первая погрешность компенсируется биметаллическим компенсатором первого рода, вторая -- биметаллическим компенсатором второго рода.

1.5 Радиотехнический метод измерения высоты

Радиотехнический метод измерения высоты полета основан на измерении времени прохождения отраженного от земной поверхности радиосигнала, излучаемого с самолета (рис.6). Для этого на самолете имеются излучающая А1 и приемная А2 антенны. Время прохождения радиосигнала от самолета до земли и обратно равно

(30)



Рис.6. Графики изменения частот сигналов

где -- высота полета; м/сек -- скорость распространения радиосигналов.

Измерение времени распространения осуществляется путем регистрации моментов прихода двух сигналов: сигнала от передатчика и отраженного от земли сигнала. Первый сигнал приходит к приемной антенне через время , а второй - через время . Истинная высота полета будет

,(31)

где ; - расстояние между приемной и передающей антеннами.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Подготовка к работе

Закрыть на ИВД краны “Соединительный”, “Вакуум”, “Атм”-В, “Давление” и “Атм”-Д.

Включить на ИВД тумблер “ВКЛ.-ОТКЛ”.

Установить с помощью кремальеры на барометрической шкале высотомера ВД-10 (ВЭМ-72) значение 760 мм рт. ст.



2. Выполнение работы

2.1 Если давление в лаборатории менее 760 мм рт. ст. (определить по указателю абс. давления ИВД, диапазон измерения которого 815-580 мм рт. ст.)

Подсоединить с помощью резиновой трубки к штуцеру ИВД “Давление” насос.

Открыть на ИВД краны “Соединительный” и “Давление”.

При помощи насоса создать в трубопроводах и приборах лабораторной установки такое давление, при котором высотомер ВД-10 будет показывать “0” м.

Закрыть на ИВД кран “Давление”.

Примечание. Если в результате неправильной регулировки значение высоты окажется меньше требуемого значения, то необходимо, медленно открывая кран “Атм”-Д, установить значение высоты “0” м, после чего кран “Атм”-Д - закрыть.

2.2 Если давление в лаборатории более 760 мм рт. ст.:

Подсоединить с помощью резиновой трубки к штуцеру ИВД “Вакуум” насос.

Открыть на ИВД краны “Соединительный” и “Вакуум”.

Выполнить операцію по п. 2.1.3.

Закрыть на ИВД кран “Вакуум”.

Примечание. Если в результате неправильной регулировки значение высоты окажется больше требуемого значения, то необходимо, медленно открывая кран “Атм”-В, установить значение высоты “0” м, после чего кран “Атм”-В - закрыть.

Произвести отсчет показания указателя абсолютного давления ИВД, над которым светится сигнальная лампа. Записать полученный результат в таблицу 1.

Создать в трубопроводах и приборах лабораторной установки такое давление, при котором высотомер будет показывать 300 м, для чего следует:

- выполнить операцию по п.п. 2.2.1., 2.2.2.;

- при помощи насоса и корректируя показания высотомера крана “Атм”-В создать в трубопроводах и приборах лабораторной установки такое давление, при котором высотомер ВД-10 будет показывать 300 м. Закрыть на ИВД кран “Вакуум” и “Атм”-В.

Произвести отсчет показаний указателя абсолютного давления ИВД, над которым светится лампа. Полученный результат записать в таблицу 1.

Аналогично поверить высотомер при других возрастающих значениях эшелона при подъеме до 9000 м. По указанию преподавателя количество поверяемых значений высоты может быть изменено.

Поверить высотомер при убывающих значениях высоты (обратный ход), для чего следует:

- медленно открывая кран “Атм”-В, создать такое давление, при котором высотомер будет показывать заданное значение. Показания высотомера должны быть такие же, как и при возрастающих значениях эшелона;

- снять показания указателя абсолютного давления ИВД, соответствующее заданному показанию высотомера, для каждой из поверяемых точек.

Таблица 1

Показания высотомера , м	Абсолютное давление, мм рт. ст.	Абсолютная высота, м	Вариация , м	Абсолютная погрешность

Если давление в лаборатории менее 760 мм рт. ст., то для установки в трубопроводах и приборах давления, соответствующего показания высотомера , следует произвести операцию по п.п. 2.1.1. -2.1.4.



3. Обработка результатов измерений

Рассчитать по программе, введенной в микрокалькулятор, значения абсолютной высоты и , соответствующие измеренным значениям и (см табл.1).

Рассчитать вариацию результатов измерения для каждого установленного на высотомере значения высоты по формуле:

Рассчитать абсолютные погрешности высотомера и по формулам:

;

,

где - значения высоты, показания высотомера, м;

- рассчитанные значения высоты, м.

Рассчитать среднее значение абсолютной погрешности высотомера по формуле:

Среднее значение абсолютной погрешности высотомера округляется до числа, кратного 5.

Полученные значения , , и занести в таблицу 1.

Составить таблицу поправок (табл.2)

В таблице 2 указать показания высотомера с учетом поправки соответствующих эшелонах полета. Значение поправки равно среднему значению абсолютной погрешности высотомера , взятому с обратным знаком.

Таблица 2

Эшелон, м	Показания высотомера с поправкой, м

4. Для задания по высотомеру эшелона полета, указанного преподавателем, необходимо на барометрической шкале высотомера установить значение давления 760 мм рт. ст. Затем медленно открывая кран “Вакуум”, изменяют показания высотомера до тех пор, пока они не будут соответствовать заданному значению эшелона с учетом поправки.

Относительную высоту полета определяют как разность между высотой, показанной высотомером (с учетом поправки) и высотой, соответствующей давлению на аэродроме (указанному преподавателем). После окончания работы выключить все выключатели и закрыть краны на ИВД и стенде.

5. В отчете о проделанной работе указывают цель работы, приводят схемы высотомеров, их основные технические данные, табл.1, табл.2 и делают вывод о пригодности высотомера к эксплуатации. Высотомер считается непригодным к эксплуатации, если хотя бы одно значение погрешности или вариации превышает допустимое значение.

Контрольные вопросы

Объясните принцип действия барометрического высотомера.

Расскажите устройство и работу барометрического высотомера типа ВД-10, правила его эксплуатации.

Расскажите устройство и работу барометрического высотомера типа ВЭМ-72, правила его эксплуатации.

Объясните причины методических и инструментальных погрешностей высотомеров.

Объясните, почему значения погрешности высотомера увеличиваются при увеличении высоты полета.

Объясните, почему погрешность электромеханического высотомера меньше погрешности механического высотомера.

Объясните причины появления температурной погрешности и способы ее уменьшения в высотомерах ВД-10, ВЭМ-72.

Объясните правила использования таблицы поправок.

Объясните, что произойдет с показаниями высотомера, если система статического давления или высотомер будут негерметичны.

Размещено на Allbest.ru

...