ВД-20 — Высотомер барометрический СССР — Указатель высоты полёта (стр.-2)

Статья под цифровой редакцией подготовлена: Орловым Геннадием Викторовичем (08.11.1965) — Советским выдающимся публицистом СССР — Прозаиком СССР — Историком СССР

Страницы    [01]     [02]     [03]     [04]     [05]

При нормальных атмосферных условиях барометрический высотомер показывает абсолютную высоту полёта,

На практике атмосферные условия (давление н температура) отличаются от стандартных и поэтому в показаниях высотомера может иметь место методическая ошибка. Если известно давление у земли, то в показание высотомера может быть введена поправка при помощи специальной рукоятки, связанной со вспомогательной барометрической шкалой.

Поправку на изменение температуры воздуха вносит штурман, пользуясь аэронавигационной линейкой.

Принципиальная схема барометрического высотомера

Основным элементом прибора. реагирующим на изменение атмосферного давления, является анероид, выполненный в виде герметичной мембранной коробки, из которой откачан воздух.

Для измерения атмосферного давления необходимо, чтобы анероидная коробка воспринимала давление воздуха вне самолёта на уровне полёта.
 

Фиг. 3. Принципиальная схема барометрического высотомера.

1—анероидная коробка; 2—передаточный механизм; 3—корпус; 4—штуцер; 5—стрелка; 6—циферблат.

Для этого анероидную коробку 1 (фиг. З) помещают в герметичныЙ корпус 3. который сообщается трубопроводом через штуцер 4 с приёмником статического давления, расположенным вне самолёта во встречном потоке воздуха.

При изменении атмосферного давления (высоты) анероидная коробка 1 деформируется и через передаточный механизм 2 передаёт вращение на стрелку 5, указывающую на циферблате 6 измеряемую высоту в метрах

Элементы расчета

Расчет шкалы сводится к определению зависимости угла поворота стрелки от высоты полёта.

Для выполнения расчета необходимо знать:

1) барометрическую формулу, т. е. зависимость давления от высоты;
2) характеристику упругого чувствительного элемента. т. е. зависимость деформации анероидной коробки от изменения давления;
3)    характеристику механизма, т. е. зависимость угла поворота стрелка от перемещения ведущей тяги.

Поскольку высотомеры многооборотные, необходимо, чтобы шкала была равномерной. Для этого нужно, чтобы характеристика (фиг. 4). Кривошипно-шатунный теристика анероидной коробки миазм, в сочетании с характеристикой анероидной коробки в сочетании с характеристикой механизма давала линейную зависимость поворота стрелки.

Расчет характеристики механизма ведется по (ф-ла. 3)

Параметры кривошипно-шатунного механизма выбираются из конструктивных соображений (фиг. 4).

Фиг. 4. Кривошипно-шатунного механизм.

h—ход анероидной коробки; a—плечо; d—дезексиал; a₀—начальный угол; a—текущий угол; b—длина тяги.

Диапазон измерения определяет угол поворота стрелки. Задаваясь углом поворота сектора, определяют постоянное передаточное число от оси сектора на стрелку.

Подбирая параметры кривошипно-шатунного механизма, задают характеристику коробки так, чтобы анероидная коробка в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом давала линейную зависимость поворота стрелки.

Иногда применяется графический метод расчета шкалы (фиг. 5).

В четверти l строится характеристика атмосферного давления, вычисленная по барометрическим формулам. В четверти lll строится характеристика механизма по приведённой выше формуле и в четверти lV — заданная прямолинейная характеристика равномерной шкалы. Совместное решение этих трёх характеристик даёт в четверти ll закон деформации анероидной коробки в зависимости от давления.

При испытаниях образцов анероидов следует учитывать. чтп анероидная коробка. поставленная прибор, нагружается силами давления двух пружин: волоска, выбирающего люфты в зубчатой передаче, и плоской пружины, выбирающей люфты в шарнирной передаче.

Фиг. 5. Графическое построение характеристики шкалы

Поэтому полученные предварительным расчетом характеристики анероида должны обеспечиваться при его испытании под нагрузкой, создаваемой пружинами.

При испытании анероида без нагрузки его характеристика должна быть откорректирована.

Расчет методических погрешностей

Методическая“ погрешность барометрического высотомера обусловливается несовершенством барометрического метода измерения высоты.

1) Методические погрешности барометрического высотомера можно разделить на два основных вида.

2) Погрешности, обусловленные изменением рельефа местности, над которой пролетает самолёт;

Погрешности, вызванные отклонением атмосферных условий (давление и температуры) от нормальных.

Погрешность в определении истинной высоты, связанная с рельефом местности, может быть учтена экипажем самолёта в случае:

а) если экипаж самолёта знает высоту места, над которым пролетает самолёт, над уровнем моря; в этом случае истинная высота определяется как разность между абсолютной высотой, показываемой высотомером, н высотой данного места нал уровнем моря;

б) если экипаж знает, чему равны давление и температура у Земли в месте, над которым пролетает самолёт (эти сведения могут быть получены по радио).

Способ введения поправки в этом случае аналогичен введению поправки на изменение атмосферных условий.

Погрешности высотомера, обусловленные отклонением атмосферных условий от нормальных, подразделяются на погрешности, связанные с изменением давления у Земли, и погрешности, связанные с изменением закона распределения температуры воздуха по высоте.

Для подсчёта этих погрешностей выведем упрощённую гипсометрическую формулу. Ограничимся рассмотрением погрешностей в диапазоне высот до 11 000 м. Выделим в атмосфере вертикальный столб воздуха постоянного сечения (фиг. 6).

Фиг. 6. К выводу барометрической формулы.

Давление воздуха у основания этого столба на высоте H=0, т, е. у земли, обозначим через р₀, а на некоторой высоте Н — через р_н. Если выделить внутри такого столба воздуха элементарный слой толщиной dН, то разность давлений dр, действующая на этот слой, уравновесится весом воздуха, заключённого внутри слоя, т. е.

—Fap=FydH,

где y — весовая плотность воздуха внутри слоя в кГ/м3;

F — площадь сечения.

Знак минус в уравнении означает, что положительному приращению высоты соответствует отрицательное приращение давления (с увеличением высоты давление уменьшается).

Известно, что между весовой плотностью, абсолютным давлением и температурой газа существует зависимость.

Где р — абсолютное давление в кГ/м2;

R — газовая постоянная;

Т— абсолютная температура (273°+t °С).

Тогда

В этом уравнении можно с приближением принять температуру воздуха постоянной, равной среднему значению температуры столба воздуха высотой Н, т. е.

или

Интегрируя уравнение в пределах от р₀ до p_н соответственно от 0 до Н, получим приближенную зависимость давления от высоты и от средней температуры воздуха:

Отсюда

Эта формула является упрощённой, облегчающей расчёт погрешностей. Поскольку высотомер тарируется для нормальных значений Т₀ и р₀, расчётное значение давления у земли в этой формуле равно р₀=760 мм рт. ст., а расчётное значение средней температуры.

При этих условиях высотомер в полёте покажет

Рассмотрим сначала погрешность высотомера, вызванную изменением давления у земли, причём будем считать среднюю температуру воздуха равной её расчётному значению Т.

Допустим, что давление у земли изменилось и стало равным

Тогда истинная высота будет равна

показания же прибора останутся прежними, т. е. теми, которые получаются по формуле (ф-ла. 4).

Поправка к показаниям прибора будет равна

Таким образом, поправка, вызванная изменением давления р₀, не зависит от значения p_н, следовательно. величина этой поправки будет одинаковой на всех высотах.

Погрешность прибора, вызванная изменением давления у земли, является постоянной по всей шкале и может быть скомпенсирована смещением стрелки прибора относительно шкалы при условии, если шкала прибора равномерна. Для этой цели высотомер имеет рукоятку (кремальеру), связанную с барометрической шкалой.

Методическую температурную погрешность также можно Подсчитать по формуле

где Н — относительная высота относительно уровня, давление на котором равно р₀,

Т₀ — фактическая температура у земли;

Т_н — фактическая температура на высоте.

Если принять р₀ — 760 мм рт. ст., то по формуле (ф-ла. 5) можно будет определить абсолютную высоту Над уровнем моря.

Показания высотомера определяются выражением

Соотношение между относительной высотой и показанием высотомера равно отношению значений Н, т. е.

Отсюда

Это уравнение даёт зависимость между относительной высотой и показанием прибора с учётом фактической средней температуры.

Для определения относительной высоты нужно умножить показание прибора на отношение фактической средней температуры к расчётной.

Средняя расчётная температура определяется по формуле

Для определения средней фактической температуры нужно знать температуру Т₀ у земли и Т_н на высоте.

Температура Т_н непосредственно измеряется термометром наружного воздуха. Температура Т₀ определяется по полученным с земли сведениями пли может быть приближенно подсчитана по формуле

где t=0,0065 град/м.

Тогда

Для облегчения расчетов штурман пользуется специальной аэронавигационной линейкой, построенной для логарифма выражения

Разность lgН_пр—lgТ сразу с помощью одной шкалы Н_пр, так как величины Н_пр и Трасч связаны определенной зависимостью.
Истинную высоту полёта определяют следующим образом.
Устанавливают барометрическую шкалу на давлен,зе точки вылета или на нормальное давление (760 мм рт. ст.).
По показанию высотомера Н_пр и по измеренной температуре окружающего воздуха Т_н вычисляют по формуле (ф-ла. 6) или по ,линейке относительную высоту (если на барометрической шкале установлено давление точки вылета) или абсолютную высоту (если установлено давление 760 мм рт. ст.), Из найденной высоты вычитают поправки на рельеф местности. Если барометрическая шкала уста. новлена на давление в точке вылета, то поправку на рельеф берут как разность между высотой места. над которым Пролетает самолёт. и высотой точки вылета. Если же высотомер установлен по нормальному давлению (760 мм рт. ст.), то поправка на рельеф равна высоте данного места над уровнем моря.

Величину поправки штурман берет по карте, на которой имеются отметки высот местности относительно уровня моря.
Если известно барометрическое давление в какой-либо точке, то барометрическую шкалу можно установить по этому давлению, и в таком случае вычисленная истинная барометрическая высота будет равна истинной высоте полёта.

Расчет инструментальных погрешностей высотомера

К числу основных инструментальных погрешностей высотомера относятся:

1) шкаловая погрешность;
2) погрешности вызываемые неуравновешенностью деталей передаточно-множительного механизма;
З) температурные погрешности;
4) гистерезис;
5) погрешности, вызываемые трением.

1. Шкаловая погрешность прибора — это погрешность регулировки, т. е. отклонение от линейного закона перемещения стрелки.
2. Неуравновешенность деталей передаточного механизма может вызвать изменение показаний лрн наклоне прибора и колебание стрелки при вибрации.
3. Температурные инструментальные погрешности возникают вследствие работы прибора при температурах, отличных от той, при которой производилось тарирование, которое обычно производится при температуре от +15 до + 25°С. Работа же приборов мо, жет иметь место в диапазоне от —60 до +50°С.

Опыт показывает, что изменение длины деталей передаточного механизма практически не влияет на показания прибора. Погрешности, вызванные этим изменением, столь малы, что ими можно пренебречь, в случае если тяга. соединяющая анероидную коробку с кривошипом, основание механизма изготовлены из материалов с одинаковым коэффициентом линейного расширения.

Влияние внутреннего давления анероидной коробки оказывается большим при минусовой температуре, чем при плюсовой, так как откачка воздуха из анероидной коробки происходит при нормальной температуре, и остаточное давление внутри анероидной коробки учитывается регулировкой прибора.

При изменении окружающей температуры происходит изменение дамения внутри анероидной коробки, что вызывает изменение показаний высотомера.

Анероидные коробки должны изготовляться с минимальным остаточным давлением, не превышающим десятых долей миллиметра.

Изменение модуля упругости материала анероидной коробки наиболее значительно влияет на показание высотомера при изменении температуры.

Абсолютное значение температурной погрешности, вызванное изменением модуля упругости, равно

∆рt=— λp_н∆t,

где λ — температурный коэффициент модуля упругости,

p_н — разность давлений,

∆t — изменение температуры.

Чтобы выразить температурную погрешность в единицах высоты, заменим

∆рt=— ∆Нγ_н,

где ∆Н — погрешность, выраженная в единицах высоты;

γ_н — барометрический градиент.

Тогда

∆Нγ_н=— р_нγ∆t.

γ_н выражается формулой

Тогда полущим для высот до 11 км

Отсюда

где

Отсюда видно, что инструментальная температурная погрешность состоит из двух частей, первая из которых не зависит от высоты, т. е. одинакова по всей шкале; вторая составляющая температурной погрешности пропорциональна высоте н имеет знак, обратный первой погрешности. Обе составляющие пропорциональНы температуре.

Для уменьшения инструментальной температурной погрешности применяют кинематическую температурную компенсацию первого и второго рода или силовую компенсацию.

К и н е м а т и ч е с к а я   т е м п е р а т у р н а я   к о м п е н с а ц и я.   Компенсаторы первого н второго рода различаются конструкцией и влиянием на показания прибора.

В качестве компенсаторов применяют биметаллические пластинки, которые изготовляют из двух материалов — стали и инвара.

Биметаллический компенсатор первого рода выполняется в виде биметаллической пластины, одним концом укрепленной на подвижном центре чувствительного элемента, а другим концом шарнирно связанной с тягой механизма. При изменении температуры биметаллическая пластинка изгибается н ее свободный конец перемешается; это перемещение передается указывающей стреле. которая смещается в сторону. противоположную смещению, вызванному влиянием температуры на чувствительный элемент.

Биметаллический компенсатор первого рода при изменении температуры вызывает смещение стрелки, одинаковое по всей шкале.

Биметаллический компенсатор второго рода состоит из биметаллической пластинки, которая крепится одним концом на оси кривошипа, другой ее конец соединяется шарнирно с тягой механизма. Таким образом, биметаллическая пластинка является кривошипом. Свободный конец пластинки перемещается при понижении температуры по направлению к оси (при этом плечо кривошипа уменьшается), а при повышении температуры — от оси (при этом плечо увеличивается). Соответственно уменьшается передаточное число механизма, чем компенсируется нарастающая по шкале температурная погрешность.

Действие компенсатора второго рода регулируют, изменяя рабочую длину биметаллической пластинки путем перестановки упорного винта.

Биметаллический компенсатор второго рода при изменении давления вызывает Неодинаковое (нарастающее) смещение стрелки по шкале, что позволяет его использовать для компенсации второй составляющей, пропорциональной высоте.

Величину изгиба биметаллической пластинки под влиянием изменения температуры можно рассчитать по формуле

где aφ — угол изгиба биметаллической пластинки диной dl;

E₁ и E₂ — модули упругости пластинок в кГ/мм²;

h₁ и h₂ — толщины пластинок в мм;

a₁ и a₂ — коэффициенты линейного расширения пластинок;

Δt — изменение температуры.

Для получения наибольшей величины изгиба соотношение толщин пластинок подбирают таким, чтобы разность E₁ h²₁ — E₂ h²₂ равнялась нулю. При этом (ф-ла. 7) принимает вид

Общий угол изгиба пластинки длиной l будет равен

Линейное перемещение конка прямой биметаллической пластинки, другой конец которой закреплен, равно

С и л о в а я   т е м п е р а т у р н а я   к о м п е н с а ц и я   осуществляется при помощи биметаллической скобы. Допустим. что анероидная коробка 1 запаяна, воздух из нее не откачан (фиг. 7, а), н имеется биметаллическая пластинка 2, изогнутая в виде скобы, которая ири помощи игл 3 сжимает стойку, связанную с жестким центром коробки. Очевидно, сила, с которой скоба сжимает стойку, никак не будет влиять на положение центра коробки, если положение игл строго перпендикулярно направлению стойки.

Предположим, что окружающее давление стало меньше давления в коробке (фиг, 7, б); тогда вследствие деформации коробки иглы перестанут быть перпендикулярными стойке и составляющая сила сжатия скобы, направленная вдоль стойки, будет стремиться увеличить прогиб коробки (см. фиг. 7. в). Ясно. что добавление скобы, вообще говоря, увеличивает общий прогиб коробки.

Фиг. 7. К расчёту силовой температурной компенсации.

1-анероидная коробка; 2-биметалическая пластинка; 3-иглы.

Рассмотрим действие этой скобы. котла изменяется температура чувствительного элемента. Если слой инвара расположен извне. а стали — внутри, то при понижении температуры сила сжатия увеличится и будет стремиться увеличить прогиб коробки. Но это и   так как яри понижении температуры модуль упругости материала коробки увеличивается, а следовательно, прогиб уменьшается.
В результате увеличение прогиба, возникшее вследствие увеличения силы сжатия скобы, компенсирует уменьшение прогиба, возникшее вследствие увеличения модуля упругости материала коробки. При повышении температуры действие этой компенсации будет обратным, скоба будет с меньшей силой сжимать стойку коробки и с меньшей силой давить на коробку.

Описанная компенсация по результату своего действия аналогична рассмотренной выше компенсации второго рода, так как хотя при увеличении прогиба увеличивается и температурная погрешность, но в то же время возрастает и составляющая сила сжатия, действующая вдоль стойки, и компенсация происходит по всему ходу коробки. Чтобы не нужна была компенсация первого рода, и в этом случае необходимо при ненагруженной коробке расположить иглы перпендикулярно скобе, а следовательно, и ходу коробки.

Преимуществом силовой компенсации перед кинематической является возможность температурной компенсации скобой до сборки всего механизма. т. е, возможность произвести температурную компенсацию узла чувствительного элемента заранее.

Недостатком является более сложное регулирование, чем регулирование устройства кинематической компенсации.

Пусть требуется рассчитать n плоских биметаллических трапецеидальных пластинок «силовой» компенсации, укрепленных консольно.

Необходимо, чтобы деформация коробки, вызванная изменением модуля упругости материала коробок, компенсировалась действием биметаллических пластинок.

Прогиб анероидной коробки под действием внешнего давления выражается зависимостью

где

ω — прогиб в мм;

с — коэффициент пропорциональности в мм;

р — давление в кГ/мм2; 

E — модуль упругости материала коробки в кГ/мм2. 
 

[01]     <<<     [02]     >>>     [03]