Барометрический высотомер

Цифровой датчик барометрического давления для измерения высоты в потребительской электронике

Высоту можно определить на основе измерения атмосферного давления . Чем больше высота, тем ниже давление. Когда барометр снабжен нелинейной калибровкой для указания высоты, прибор представляет собой тип высотомера, называемый барометрическим высотомером или барометрическим высотомером . Барометрический высотомер — это высотомер, установленный в большинстве самолетов , а парашютисты используют версии, крепящиеся на запястье, для аналогичных целей. Туристы и альпинисты используют наручные или ручные высотомеры, в дополнение к другим навигационным инструментам, таким как карта, магнитный компас или GPS-приемник.

Калибровка

Калибровка высотомера выполняется по уравнению

${\displaystyle z=c\;T\;\log(P_{o}/P),}$^[1]

где c — константа, T — абсолютная температура, P — давление на высоте z, а P _o — давление на уровне моря. Константа c зависит от ускорения силы тяжести и молярной массы воздуха. Однако следует помнить, что этот тип высотомера зависит от «плотностной высоты», и его показания могут меняться на сотни футов из-за внезапного изменения давления воздуха, например, из-за холодного фронта, без какого-либо фактического изменения высоты. ^[2]

Наиболее распространенной единицей измерения, используемой для калибровки высотомеров во всем мире, является гектопаскаль (гПа), за исключением Северной Америки (кроме Канады ^[3] ) и Японии, где используются дюймы ртутного столба (дюйм рт. ст.). ^[4] Чтобы получить точные показания высоты в футах или метрах, местное барометрическое давление должно быть правильно откалибровано с использованием барометрической формулы .

История

Научные принципы, лежащие в основе барометрического альтиметра, были впервые описаны преподобным Александром Брайсом, шотландским священником и астрономом, в 1772 году, который понял, что принципы барометра можно адаптировать для измерения высоты. ^[5]

Приложения

Использование в пешем туризме, скалолазании и катании на лыжах

Барометрический высотомер, используемый вместе с топографической картой, может помочь проверить свое местоположение. Он более надежен и часто более точен, чем GPS-приемник для измерения высоты; сигнал GPS может быть недоступен, например, когда вы находитесь глубоко в каньоне, или он может давать крайне неточные значения высоты, когда все доступные спутники находятся вблизи горизонта. Поскольку барометрическое давление меняется в зависимости от погоды, туристам необходимо периодически перекалибровывать свои высотомеры, когда они достигают известной высоты, например, перекрестка троп или вершины, отмеченной на топографической карте.

Прыжки с парашютом

Цифровой наручный высотомер для прыжков с парашютом в режиме бортового журнала, отображающий последний записанный профиль прыжка.

Парашютист в свободном падении, использующий ручной высотомер. Виден аналоговый циферблат, показывающий цветные высоты принятия решения. Изображенный высотомер является электронным, несмотря на использование аналогового дисплея.

Высотомер — самая важная часть парашютного оборудования после самого парашюта. Осознание высоты имеет решающее значение в течение всего прыжка и определяет соответствующую реакцию для поддержания безопасности.

Поскольку знание высоты так важно в прыжках с парашютом, существует большое разнообразие конструкций высотомеров, специально предназначенных для использования в этом виде спорта, и парашютист, не являющийся студентом, обычно использует два или более высотомеров за один прыжок: ^[6]

• Ручные, запястные или нагрудные механические аналоговые визуальные высотомеры являются самыми простыми и распространенными устройствами и используются (и обычно обязательны для) практически всеми студентами-парашютистами. Общая конструкция имеет циферблат, размеченный от 0 до 4000 м (или от 0 до 12000 футов, имитируя циферблат часов ), со стрелкой, указывающей на текущую высоту. На лицевой панели есть секции, заметно отмеченные желтым и красным, обозначающие рекомендуемую высоту развертывания и высоту принятия решения о чрезвычайной процедуре (обычно известную как «жесткая палуба») соответственно. Механический высотомер имеет ручку, которую необходимо вручную отрегулировать, чтобы она указывала на 0 на земле перед прыжком, и если точка приземления не находится на той же высоте, что и точка взлета, пользователю необходимо отрегулировать ее соответствующим образом. Также доступны некоторые продвинутые электронные высотомеры, которые используют знакомый аналоговый дисплей, несмотря на внутреннюю работу в цифровом формате.
• Цифровые визуальные высотомеры устанавливаются на запястье или руке. Этот тип всегда работает электронно и передает высоту в виде числа, а не указателя на циферблате. Поскольку эти высотомеры уже содержат все электронные схемы, необходимые для расчета высоты, они обычно оснащены вспомогательными функциями, такими как электронный бортовой журнал, воспроизведение профиля прыжка в реальном времени, индикация скорости, режим симулятора для использования в наземной подготовке и т. д. Электронный высотомер активируется на земле перед прыжком и автоматически калибруется, чтобы указать на 0. Поэтому важно, чтобы пользователь не включал его раньше, чем это необходимо, чтобы избежать, например, поездки в зону высадки, расположенную на другой высоте, чем его дом, что может привести к потенциально фатальным ложным показаниям. Если предполагаемая зона приземления находится на другой высоте, чем точка взлета, пользователю необходимо ввести соответствующее смещение с помощью назначенной функции.
• Звуковые высотомеры (также известные как «dytters», обобщенная торговая марка первого такого продукта на рынке) вставляются в шлем и издают предупреждающий сигнал на заданной высоте. Современные звуковые сигналы значительно эволюционировали от своих грубых истоков и обладают широким спектром функций, таких как несколько тонов на разных высотах, несколько сохраненных профилей, которые можно быстро переключать, электронный бортовой журнал с передачей данных на ПК для последующего анализа, отдельные режимы свободного падения и купола с разными высотами предупреждения, направляющие тоны захода на посадку с налетом и т. д. Звуковые сигналы являются строго вспомогательными устройствами и не заменяют, а дополняют визуальный высотомер, который остается основным инструментом для поддержания осведомленности о высоте. Появление современных дисциплин парашютного спорта, таких как фрифлайинг , в которых земля может не находиться в поле зрения в течение длительных периодов времени, сделало использование звуковых сигналов почти универсальным, и практически все шлемы для парашютистов поставляются с одним или несколькими встроенными портами, в которые может быть помещен звуковой сигнал. Использование звуковых сигналов не рекомендуется и часто запрещено студентам-парашютистам, которым необходимо выработать у себя правильный режим осознания высоты.
• Вспомогательные визуальные высотомеры не показывают точную высоту, а скорее помогают поддерживать общий индикатор в периферическом зрении. Они могут работать либо в тандеме со звуковым, оборудованным соответствующим портом, в этом случае они издают предупреждающие вспышки, дополняющие звуковые сигналы, либо быть автономными и использовать другой режим отображения, например, показывать либо зеленый, либо красный свет в зависимости от высоты. ^{[ необходима цитата ]}

Говорящий высотомер со шлемом для прыжков с парашютом

• Говорящие высотомеры (также известные как голосовые высотомеры) сочетают в себе функции звукового и визуального высотомера. Устройства этого типа работают на всех высотах, используемых в прыжках с парашютом, и объявляют высоту в виде числа на родном языке дайвера. Они вставляются в шлем, как звуковые высотомеры, и имеют автоматическую регулировку громкости в зависимости от скорости парашютиста. Основная цель этого типа высотомера — гарантировать, что парашютисты всегда знают свое местоположение; эта функция полезна как для опытных парашютистов, так и для организаторов групповых прыжков с парашютом или инструкторов по ускоренному свободному падению . ^{[ необходима цитата ]}

Точный выбор высотомеров во многом зависит от индивидуальных предпочтений парашютиста, уровня опыта, основных дисциплин, а также типа прыжка. ^[7] С одной стороны, демонстрационный прыжок с малой высоты с приземлением на воду и без свободного падения может отказаться от обязательного использования высотомеров и не использовать их вообще. Напротив, парашютист, совершающий прыжки в свободном падении и летающий на высокопроизводительном куполе, может использовать механический аналоговый высотомер для удобства использования в свободном падении, встроенный в шлем звуковой сигнал для предупреждения о потере высоты, дополнительно запрограммированный на сигналы свупа для полета под куполом, а также цифровой высотомер на нарукавной повязке для быстрого определения точной высоты при приближении. Другой парашютист, совершающий похожие типы прыжков, может носить цифровой высотомер в качестве основного визуального, предпочитая прямое считывание высоты на цифровом дисплее.

Использование в самолетах

Старый высотомер, предназначенный для использования в самолетах.

Авиационный высотомер барабанного типа с маленькими окошками Коллсмана в нижнем левом (гектопаскали) и нижнем правом (дюймы ртутного столба) положениях циферблата.

В самолетах анероидный высотомер или анероидный барометр измеряет атмосферное давление из статического порта снаружи самолета. Давление воздуха уменьшается с увеличением высоты — приблизительно 100 гектопаскалей на 800 метров или один дюйм ртутного столба на 1000 футов или 1 гектопаскаль на 30 футов вблизи уровня моря .

Анероидный высотомер калибруется для непосредственного отображения давления как высоты над средним уровнем моря в соответствии с математической моделью атмосферы, определенной Международной стандартной атмосферой (ISA). В старых самолетах использовался простой анероидный барометр , в котором стрелка совершала менее одного оборота вокруг циферблата от нуля до полной шкалы. Эта конструкция эволюционировала в трехстрелочные высотомеры с первичной стрелкой и одной или несколькими вторичными стрелками, которые показывают количество оборотов, подобно циферблату часов . Другими словами, каждая стрелка указывает на другую цифру текущего измерения высоты. Однако эта конструкция вышла из употребления из-за риска неправильного считывания в стрессовых ситуациях. Конструкция далее эволюционировала в высотомеры барабанного типа, последний шаг в аналоговых приборах, где каждый оборот одной стрелки составлял 1000 футов (300 метров), с приращениями в тысячи футов, записанными на барабане числового одометра . Чтобы определить высоту, пилот должен был сначала прочитать барабан, чтобы определить тысячи футов, а затем посмотреть на стрелку, чтобы определить сотни футов. Современные аналоговые высотомеры в транспортных самолетах обычно барабанного типа. Последняя разработка в области ясности — это система электронных пилотажных приборов со встроенными цифровыми дисплеями высотомеров. Эта технология перешла от авиалайнеров и военных самолетов, пока не стала стандартом во многих самолетах гражданской авиации .

Диаграмма, показывающая, насколько истинная высота самолета ниже показаний высотомера («приборная высота») без поправки на температуру. Чем ниже температура окружающей среды, тем ниже находится самолет — отсюда и поговорка «Из жары в холод, смотри вниз». ^[8]

Современные самолеты используют «чувствительный высотомер». На чувствительном высотомере опорное давление на уровне моря можно настроить с помощью ручки настройки. Опорное давление, в дюймах ртутного столба в Канаде и Соединенных Штатах , и гектопаскалях ( ранее миллибарах ) в других местах, отображается в небольшом окне Коллсмана ^[9] на лицевой стороне высотомера самолета. Это необходимо, поскольку опорное атмосферное давление на уровне моря в заданном месте меняется со временем в зависимости от температуры и движения систем давления в атмосфере.

Схема, показывающая внутренние компоненты чувствительного авиационного высотомера.

В авиационной терминологии региональное или локальное давление воздуха на среднем уровне моря (MSL) называется QNH или « настройкой высотомера », а давление, которое будет калибровать высотомер для отображения высоты над землей на данном аэродроме, называется QFE поля. Однако высотомер не может быть настроен на изменения температуры воздуха. Различия в температуре от модели ISA соответственно приведут к ошибкам в указанной высоте.

В космонавтике механические автономные высотомеры, работающие на основе мембранных сильфонов, были заменены интегрированными измерительными системами, которые называются вычислителями воздушных данных (ADC). Этот модуль измеряет высоту, скорость полета и наружную температуру, чтобы предоставить более точные выходные данные, позволяющие осуществлять автоматическое управление полетом и разделение эшелонов полета . Несколько высотомеров могут использоваться для разработки системы отсчета давления , чтобы предоставить информацию об углах положения самолета для дальнейшей поддержки расчетов инерциальной навигационной системы .

Пилоты могут выполнять предполетные проверки высотомера, установив барометрическую шкалу на текущую сообщаемую настройку высотомера. Указатели высотомера должны показывать высоту обследованного поля аэропорта. ^[10] Федеральное управление гражданской авиации требует, чтобы если показания отклоняются более чем на 75 футов (23 м) от высоты обследованного поля, прибор должен быть перекалиброван. ^[11]

Другие виды транспорта

Альтиметр — это дополнительный прибор для внедорожных транспортных средств, помогающий в навигации. Некоторые высокопроизводительные автомобили класса люкс, которые никогда не были предназначены для выезда с асфальтированных дорог, например Duesenberg в 1930-х годах, также были оснащены альтиметрами.

Ссылки

1. Крокер, Грэм Джексон, Крис. «Использование высотомеров при измерении высоты». www.hills-database.co.uk . Архивировано из оригинала 25 октября 2017 г. . Получено 29 апреля 2018 г. .{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
2. «Как работают авиационные приборы». Popular Science , март 1944 г., стр. 118.
3. «Руководство по стандартам наблюдения за погодой на поверхности (MANOBS) 8-е издание, поправка». canada.ca . Правительство Канады. Декабрь 2021 г. . Получено 2 августа 2022 г. . 9.1.3 Единицы измерения: Единицей измерения атмосферного давления является гектопаскаль; соответствующий символ — гПа.
4. «Безумные, запутанные единицы измерения в авиации — AeroSavvy». 5 сентября 2014 г.
5. «Брайс, (преподобный) Александр».
6. "Что такое высотомер для прыжков с парашютом (и как он работает?)". Skydive The Wasatch . Архивировано из оригинала 23 апреля 2015 года . Получено 2 февраля 2015 года .
7. Хоук, Джон. «Цифровой или аналоговый высотомер». Dropzone.com . Архивировано из оригинала 6 февраля 2015 г. Получено 2 февраля 2015 г.
8. "Глава 8: Пилотажные приборы". Справочник пилота по авиационным знаниям (FAA-H-8083-25C ред.). Федеральное управление гражданской авиации . 2023-07-17. стр. 4–5.
9. "Архивная копия". Архивировано из оригинала 2006-06-25 . Получено 2006-06-15 .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
10. "Глава 8: Пилотажные приборы". Справочник пилота по авиационным знаниям (FAA-H-8083-25C ред.). Федеральное управление гражданской авиации . 2023-07-17. стр. 7.
11. "Раздел 2. Погрешности барометрического высотомера и процедуры установки". Руководство по аэронавигационной информации . Федеральное управление гражданской авиации . Получено 2023-05-20 .