Приборы для измерения вертикальной скорости

Для измерения вертикальной скорости самолета наиболее широкое применение получили вариометры. Внешний вид прибора приведён на рисунке 1.19(а,б,в,г,д,е,ж). Принцип действия вариометра основан на пневмомеханиче­ском дифференцирова­нии статического дав­ления, изменяющегося в зависимости от высоты полета самолета. Принципиальная схе­ма вариометра пред­ставлена на рис.1.19з.

Рис1.19 Вариометры:

а – ВР-10М; б – ВАР-30М; в – ВАР-75М; г – ВАР-300; д – ВАР-500; е – ВРФ-2; ж – ВРФ-6

В качестве чувстви­тельного элемента используется манометри­ческая коробка 7, внутренняя полость которой. Сообщается непосредст­венно с магистралью статического давления. Внутренняя полость герметичного корпуса прибора сообщается с магистралью статистического давления через капилляр 5.

Если самолет летит горизонтально, то статическое атмосферное явление р внутри манометрической коробки 7 и давление р1 внутри корпуса прибора будут одинаковы и, следовательно, разность между ними равна нулю.

В зависимости от высоты полета изменяется статическое дав­ление р. Внутри манометрической коробки это давление устанав­ливается практически мгновенно, а в корпусе прибора, вследствие сопротивления капилляра, давление р₁ отличается от статическо­го. Чем больше вертикальная скорость полета самолета, тем боль­ше разность давлений Δ р = р — р₁. Под действием этой разности давлений манометрическая коробка деформируется. Деформация коробки через тягу 6, зубчатый сектор 4 и трибку 3 передается на стрелку 2, которая отклоняется от среднего положения вверх при наборе высоты, вниз — при снижении. По шкале 1 определяют ве­личину вертикальной скорости.

Градуировочная формула, в которой перепад давлений Δ р вы­ражен через вертикальную скорость V_y, имеет вид:

(1.23)

где l, d — длина и диаметр капилляра; Q — объем корпуса прибо­ра; μ — коэффициент вязкости воздуха; R — газовая постоянная; Т₀ — температура в корпусе прибора.

Формула (1.23) показывает связь между разностью давлений Δ р и вертикальной скоростью в установившемся режиме. Из этой формулы видно, что установившаяся разность давлений, а, следо­вательно, и показания вариометра пропорциональны вертикальной скорости самолета.

Вариометры выпускаются с различными пределами измерения. Они имеют обозначения ВР-10, ВАР-30, ВАР-75, ВАР-150 и ВАР-300, где числа 10, 30, 75 и т. д. указывают пределы измерения.

Кинематическая схема вариометра представлена на рис. 1.20.
Внутренняя полость корпуса прибора соединена с магистралью статического давления через капилляр 10, а внутренняя полость манометрической коробки 11 — непосредственно через трубопро­вод 12. При подъеме самолета давление в корпусе прибора будет выше, чем в манометрической коробке, вследствие чего коробка будет сжиматься. Эта деформация коробки через тягу 9 и криво­
шип 8 передается на ось 6. Поворот этой оси через рычаг 5 и по­
водок 15 передается на зубчатое колесо 4, а от него через трибку
3 — на стрелку 1.

Вариометр как пилотажный прибор должен иметь высокую чувствительность при измерении малых вертикальных скоростей; при измерении больших скоростей чувствительность может быть уменьшена. Поэтому вариометры имеют затухающую шкалу. Для получения затухающей шкалы в передаточно-множительный меха­низм введено кривошипно-кулисное звено, которое изменяет пере­даточное отношение, а, следовательно, и угол поворота стрелки.

При горизонтальном полете поводок 15 занимает относительно оси зубчатого колеса 4 наименьшее расстояние. При подъеме или снижении самолета поводок 15 скользит вдоль прорези колеса 4. При этом увеличивается расстояние между осью зубчатого колеса 4 и поводком 15. Благодаря этому непрерывно уменьшается пере­даточное отношение механизма и соответственно этому сужаются деления шкалы. С помощью кремальеры 16 через кулачок 14 и рычаг 13 можно опускать или приподнимать манометрическую коробку 11 и тем самым устанавливать стрелку прибора в нулевоеположение.

Применяют и другие способы получения затухающей шкалы. Например, у вариометров с большим пределом измерения затуха­ние шкалы достигается тем, что деформации манометрической ко­робки при измерении скоростей до ±20 м/с непосредственно пре­образуется в перемещение стрелки, а при измерении больших ско­ростей коробки преодолевают противодействующее усилие пру­жины.

Погрешности манометрического вариометра следующие:

- инструментальные;

- методические.

Причины возникновения инструментальных погрешностей манометрических вариометров такие же, как и у других манометрических приборов, в том числе как у указателя индикаторной скорости.

Перечислим методические погрешности манометрического вариометра:

- динамическая погрешность;

- температурная погрешность от непостоянства температуры Т ₁ внутри корпуса;

- температурная погрешность из-за неодинаковости температур. Динамическая погрешность обуславливается запаздыванием изменения давления внутри корпуса прибора. Передаточная функция механизма вариометра в этом случае имеет вид

,

где q = Р _ст - Р ₁ ; – чувствительность прибора; τ – постоянная времени анероидного звена, равная (в секундах)

,

где Р _к – среднее давление в капилляре.

При постоянном вертикальном ускорении, например, , динамическая погрешность достигает величины . При τ = 1 с и а = 1 м/с² погрешность м/с.

Вторая составляющая методической погрешности вариометра возникает из-за нагрева или охлаждения воздуха внутри прибора, когда изменяется температура материала корпуса. С целью уменьшения этой погрешности корпус прибора изготавливают из термоизоляционного материала (пластмассы).

Третья составляющая методической погрешности вариометра появляется, когда температура Т _к , Т ₁ и Т отличается от температуры тарировки Т _к = Т ₁ = Т = Т _о . Эта погрешность может достигать 30 % на предельных значениях измеряемой вертикальной скорости. Однако на малых значениях скорости погрешность меньше, а при околонулевых значениях отсутствует. Поэтому функция прибора – точность контроля горизонтального полета – не зависит от этого вида методической температурной погрешности.

Данная погрешность может быть приближенно подсчитана по формуле:

.