Барометрический высотомер

Цифровой датчик барометрического давления для измерения высоты в бытовой электронике

Высота над уровнем моря может быть определена на основе измерения атмосферного давления . Чем больше высота, тем ниже давление. Если барометр поставляется с нелинейной калибровкой для указания высоты, этот прибор представляет собой тип высотомера , называемый барометрическим высотомером или барометрическим высотомером . Барометрический высотомер — это высотомер, который имеется в большинстве самолетов , и парашютисты используют его версии, крепящиеся на запястье, для аналогичных целей. Путешественники и альпинисты используют наручные или ручные высотомеры в дополнение к другим навигационным инструментам, таким как карта, магнитный компас или GPS-приемник.

Калибровка

Калибровка высотомера следует 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 свободного падения и молярной массы воздуха. Однако следует помнить, что этот тип высотомера зависит от «высоты по плотности», и его показания могут варьироваться 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 высотомера во всем мире, является гектопаскаль (гПа), за исключением Северной Америки (кроме Канады ^[3] ) и Японии, где используются дюймы ртутного столба (дюймы ртутного столба). ^[4] Чтобы получить точные показания высоты в футах или метрах, местное атмосферное давление должно быть правильно откалибровано с использованием барометрической формулы .

История

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

Приложения

Использование в походах, скалолазании и катании на лыжах.

Барометрический альтиметр, используемый вместе с топографической картой, может помочь определить свое местоположение. Он более надежен и часто более точен, чем GPS-приемник для измерения высоты; сигнал GPS может быть недоступен, например, когда человек находится глубоко в каньоне, или может давать совершенно неточную высоту, когда все доступные спутники находятся вблизи горизонта. Поскольку атмосферное давление меняется в зависимости от погоды, туристы должны периодически перекалибровывать свои высотомеры, когда они достигают известной высоты, например, перекрестка троп или вершины, отмеченной на топографической карте.

Прыжки с парашютом

Цифровой высотомер для прыжков с парашютом, крепящийся на запястье, в режиме журнала, отображающий последний записанный профиль прыжка.

Парашютист в свободном падении с ручным высотомером. Видно аналоговое лицо, на котором показаны высоты принятия решения с цветовой кодировкой. Изображенный высотомер электронный, несмотря на использование аналогового дисплея.

Высотомер — самая важная часть парашютного снаряжения после самого парашюта. Осознание высоты имеет решающее значение на всех этапах прыжка и определяет соответствующую реакцию для обеспечения безопасности.

Поскольку осознание высоты очень важно в прыжках с парашютом, существует множество конструкций высотомеров, созданных специально для использования в этом виде спорта, и парашютист, не являющийся студентом, обычно использует два или более высотомера за один прыжок: ^[6]

• Ручные, запястные или нагрудные механические аналоговые визуальные высотомеры . Это самый простой и распространенный тип, который используется (и обычно обязателен) практически всеми студентами-парашютистами. В обычном дизайне имеется циферблат с отметкой от 0 до 4000 м (или от 0 до 12 000 футов, имитирующий циферблат часов ), на котором стрелка указывает на текущую высоту. Спортивные секции лицевой панели заметно отмечены желтым и красным цветом соответственно, обозначая рекомендуемую высоту развертывания, а также высоту принятия решения об аварийной ситуации (широко известную как «жесткая палуба»). 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 усовершенствованные электронные высотомеры, в которых используется знакомый аналоговый дисплей, несмотря на то, что они работают в цифровом формате.
• Цифровые визуальные высотомеры , крепящиеся на запястье или руке. Этот тип всегда работает в электронном виде 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 журнал, воспроизведение профиля прыжка в реальном времени, индикация скорости, режим симулятора для использования в наземных тренировках и т. д. Электронный высотомер активируется на земле перед прыжком и автоматически калибруется до 0. Поэтому важно, чтобы пользователь не включал его раньше, чем необходимо, чтобы избежать, например, поездки в зону высадки , расположенную на высоте, отличной от дома, что может привести к потенциально фатальному ошибочному считыванию. Если предполагаемая зона приземления находится на высоте, отличной от точки взлета, пользователю необходимо ввести соответствующее смещение, используя назначенную функцию.
• Звуковые высотомеры (также известные как «диттеры», обобщенный товарный знак первого такого продукта на рынке). Они вставляются в шлем и издают предупреждающий сигнал на заданной высоте. Современные аудиосистемы значительно изменились по сравнению с их грубыми истоками и обладают обширным набором функций, таких как несколько тонов на разных высотах, несколько сохраненных профилей, которые можно быстро переключать, электронный журнал с передачей данных на ПК для последующего анализа, четкое свободное падение. и режимы купола с различной высотой предупреждения, сигналами управления пикированием 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 прыжков с парашютом, таких как свободный полет , при которых земля может находиться вне поля зрения в течение длительного периода времени, сделало использование звуковых сигналов почти универсальным, и практически все парашютные шлемы оснащены одним или несколькими встроенными устройствами. порты, в которых можно разместить звуковой сигнал. Звуковые сигналы не рекомендуются и часто запрещаются к использованию студентами-парашютистами, которым необходимо выработать для себя правильный режим осознания высоты.
• Вспомогательные визуальные высотомеры . Они не показывают точную высоту, а скорее помогают сохранить общий показатель периферийным зрением. Они могут либо работать в тандеме со звуковым сигналом, оснащенным соответствующим портом, и в этом случае они излучают предупреждающие вспышки, дополняющие звуковые сигналы, либо работать автономно и использовать другой режим отображения, например, показывать либо зеленый, либо красный свет в зависимости от высоты.

Говорящий альтиметр со шлемом для прыжков с парашютом

• Говорящие высотомеры (также известные как голосовые высотомеры). Еще один тип высотомера, сочетающий в себе функции звукового и визуального высотомера. Устройство имеет все необходимые высоты, используемые в прыжках с парашютом, и объявляет их в виде цифр на родном языке парашютиста. Они также вставляются в шлем (такой же размер кармана, как и аудиосистемы), но издают голос с автоматической регулировкой громкости в зависимости от скорости очистки слуха. Говорящие высотомеры обычно имеют программную настройку через мобильное приложение. Основная цель высотомера этого типа - надежная функция безопасности для опытных парашютистов, чтобы они всегда знали свое текущее положение, что очень полезно для организаторов нагрузки FS или инструкторов AFF .

Точный выбор высотомеров во многом зависит от индивидуальных предпочтений парашютиста, уровня опыта, основных дисциплин, а также типа прыжка. ^[7] С одной стороны, демонстрационный прыжок на малой высоте с приземлением на воду и отсутствием свободного падения может привести к отказу от обязательного использования высотомеров и их вообще не использовать. Напротив, парашютист, выполняющий прыжки в свободном полете и летающий под высокоэффективным куполом, может использовать механический аналоговый высотомер для облегчения работы в свободном падении, встроенный в шлем звуковой сигнал для предупреждения о высоте отрыва, дополнительно запрограммированный на направляющие сигналы для полета под куполом, а также цифровой высотомер на нарукавной повязке для быстрого определения точной высоты при заходе на посадку. Другой парашютист, выполняющий аналогичные типы прыжков, может носить цифровой высотомер в качестве основного визуального средства, предпочитая прямое считывание высоты на цифровом дисплее.

Использование в самолетах

Старый высотомер, предназначенный для использования в самолетах.

Авиационный высотомер барабанного типа, показывающий маленькие окошки Коллсмана в левом нижнем (гектопаскали) и правом нижнем (дюймы ртутного столба) лица.

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

Анероидный высотомер откалиброван так, чтобы показывать давление непосредственно как высоту над средним уровнем моря в соответствии с математической моделью атмосферы , определенной Международным стандартом атмосферы (ISA). В более старых самолетах использовался простой барометр-анероид , игла которого совершала менее одного оборота вокруг грани от нуля до полной шкалы. Эта конструкция превратилась в трехстрелочные высотомеры с основной стрелкой и одной или несколькими вторичными стрелками, которые показывают количество оборотов, подобно циферблату . Другими словами, каждая стрелка указывает на отдельную цифру текущего измерения высоты. Однако этот дизайн вышел из моды из-за риска неправильного прочтения в стрессовых ситуациях. В дальнейшем конструкция развилась до высотомеров барабанного типа, последнего шага в области аналоговых приборов, где каждый оборот одной иглы составлял 1000 футов (300 метров), при этом приращения в тысячу футов записывались на барабане числового одометра . Чтобы определить высоту, пилот должен был сначала прочитать показания барабана, чтобы определить тысячи футов, а затем посмотреть на стрелку сотен футов. Современные аналоговые высотомеры транспортных самолетов обычно имеют барабанный тип. Последней разработкой в ​​области ясности является электронная система пилотажных приборов со встроенными цифровыми дисплеями высотомера. Эта технология перешла от авиалайнеров и военных самолетов до тех пор, пока не стала стандартной для многих самолетов авиации общего назначения .

Таблица, показывающая, насколько истинная высота самолета ниже показаний высотомера («указанная высота») без поправки на температуру. Чем холоднее температура окружающей среды, тем ниже находится самолет — отсюда и поговорка «От горячего к холодному, смотри вниз». ^[8]

В современных самолетах используется «чувствительный высотомер». На чувствительном высотомере опорное давление на уровне моря можно регулировать с помощью регулировочной ручки. Эталонное давление в дюймах ртутного столба в Канаде и США и в гектопаскалях ( ранее миллибарах ) в других местах отображается в небольшом окошке Коллсмана ^[9] на лицевой стороне высотомера самолета. Это необходимо, поскольку эталонное атмосферное давление на уровне моря в данном 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 местное 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 поле. Однако высотомер нельзя настроить на изменения температуры воздуха. Отличия температуры от модели ISA соответственно вызовут ошибки в указании высоты.

В аэрокосмической отрасли механические автономные высотомеры, основанные на мембранных сильфонах, были заменены интегрированными измерительными системами, которые называются компьютерами данных о воздухе (ADC). Этот модуль измеряет высоту, скорость полета и внешнюю температуру, чтобы предоставить более точные выходные данные, позволяющие автоматически управлять полетом и разделять эшелоны полета . Несколько высотомеров можно использовать для разработки системы отсчета давления, предоставляющей информацию об углах положения самолета для дальнейшей поддержки расчетов инерциальной навигационной системы .

Пилоты могут выполнять предполетную проверку высотомера, устанавливая барометрическую шкалу на текущую сообщаемую настройку высотомера. Стрелки высотомера должны указывать высоту местности аэродрома при съемке. ^[10] Федеральное управление гражданской авиации требует, чтобы, если показания отклоняются более чем на 75 футов (23 м) от отметки обследуемого поля, прибор следует откалибровать повторно. ^[11]

Другие виды транспорта

Высотомер — это дополнительный прибор для внедорожников, помогающий в навигации. Некоторые высокопроизводительные автомобили класса люкс, которые никогда не предназначались для выезда за пределы дорог с твердым покрытием, такие как Duesenberg 1930-х годов, также были оснащены высотомерами.

Рекомендации

1. Крокер, Грэм Джексон, Крис. «Применение высотомеров при измерении высоты». www.hills-database.co.uk . Архивировано из оригинала 25 октября 2017 года . Проверено 29 апреля 2018 г.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
2. «Как работают авиационные приборы». Популярная наука , март 1944 г., с. 118.
3. «Руководство по стандартам наблюдения за приземной погодой (MANOBS), 8-е издание, поправка» . Канада.CA . Правительство Канады. Декабрь 2021 года . Проверено 2 августа 2022 г. 9.1.3 Единицы измерения: Единица измерения атмосферного давления – гектопаскаль; соответствующий символ — гПа.
4. «Безумные, перепутанные 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?)» . Прыжок с парашютом на Уосатче . Архивировано из оригинала 23 апреля 2015 года . Проверено 2 февраля 2015 г.
7. Хоук, Джон. «Цифровой или аналоговый высотомер». Dropzone.com . Архивировано из оригинала 6 февраля 2015 года . Проверено 2 февраля 2015 г.
8. «Глава 8: Летные приборы». Справочник пилота по авиационным знаниям (изд. FAA-H-8083-25C). Федеральная авиационная администрация . 17 июля 2023 г. стр. 4–5.
9. «Архивная копия». Архивировано из оригинала 25 июня 2006 г. Проверено 15 июня 2006 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
10. «Глава 8: Летные приборы». Справочник пилота по авиационным знаниям (изд. FAA-H-8083-25C). Федеральная авиационная администрация . 17 июля 2023 г. п. 7.
11. «Раздел 2. Ошибки барометрического высотомера и процедуры настройки» . Руководство по аэронавигационной информации . Федеральная авиационная администрация . Проверено 20 мая 2023 г.