3.5. Манометрический вариометр

Прибор, измеряющий вертикальную скорость самолета, называется вариометром. Действие манометрического вариометра основано на свойстве атмосферного давления изменяться с изменением высоты, а также на линейной зависимости скорости потока воздуха в капилляре при перепаде давлений на его концах.

Рис. 3.34. Принципиальная схема манометрического вариометра: 1 – манометрическая коробка; 2 – капилляр; 3 – стрелка; 4 – штуцер; 5 – герметичный корпус

На рис. 3.34 представлена принципиальная схема манометрического вариометра. Полость корпуса 5 прибора через капилляр 2 и штуцер 4 сообщается с окружающей самолет атмосферой. Штуцер 4 соединен с приемником статического давления.

Внешние поверхности манометрической коробки 1 воспринимают давление Р₁, действующее в полости 5, обусловленное протекаемостью капилляра 2. Внутренние его поверхности находятся под действием атмосферного давленияР_ст, поступающего через штуцер 4. В результате этого, коробка 1 воспринимает разность давлений

.

Эта разность тем больше, чем больше скорость изменения высоты, то есть

,

где v_y– вертикальная скорость самолета.

Рассмотрим работу вариометра в режимах подъема, снижения самолета.

Подъем самолета над Землей

При подъеме самолета на высоту атмосферное давление уменьшается (см. рис. 3.29). Давление внутри коробки 1 тоже уменьшается. Давление же в полости корпуса 5 превышает атмосферное давление, так как выход воздуха из полости корпуса тормозится капилляром 2 ввиду его малого внутреннего диаметра, то есть изменение давления в полости корпуса отстает от измерения атмосферного давления.

В силу того, что Р₁>Р_ст, коробка сжимается и через передаточно-множительный механизм поворачивает конец стрелки 3 вверх от нулевой отметки шкалы циферблата. Если подъем самолета прекращается, давление в полости корпуса 5 выравнивается с давлением внутри манометрической коробки 1 и стрелка 3 возвращается на нулевую отметку шкалы циферблата.

Снижение самолета над Землей

При снижении самолета атмосферное давление увеличивается. Давление внутри манометрической коробки тоже увеличивается. Давление в полости корпуса 5 становится меньше атмосферного давления, так как вход воздуха в полость тормозится капилляром 2. Под действием разности давлений (Р_ст>Р₁) манометрическая коробка 1 расширяется и через передаточно-множительный механизм поворачивает стрелку 3, конец которой будет перемещаться вниз от нулевой отметки шкалы циферблата (к надписи "спуск"). После прекращения снижения самолета давление в полости корпуса 5 через капилляр 2 выравнивается с давлением внутри коробки 1 и стрелка 3 возвращается в нулевую отметку шкалы циферблата.

Конструктивные и метрологические параметры манометрического вариометра определяются его градуировочной формулой [13]

, (3.35)

где W– внутренний объем корпуса в м³;l– длина капилляра в м;η– коэффициент вязкости воздуха в кг·сек/м²;Т_к– средняя температура воздуха внутри капилляра в^оК;d– внутренний диаметр капилляра в м;R– газовая постоянная, равная 29,27 м/град;Т₁– температура воздуха в корпусе прибора;Т– температура воздуха вне самолета в^оК. Поскольку прибор градуируют при комнатной температуреТ_о, которой соответствует коэффициент вязкостиη_о , тоТ_к=Т₁=Т=Т_о . Поэтому формула (3.35) имеет вид

. (3.36)

Погрешности манометрического вариометра

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 Т₁внутри корпуса;

- температурная погрешность из-за неодинаковости температур Т_к ,Т₁иТв формуле (3.35).

Динамическая погрешность обуславливается запаздыванием изменения давления внутри корпуса прибора. Передаточная функция механизма вариометра в этом случае имеет вид

, (3.37)

где q=Р_ст-Р₁ ;– чувствительность прибора;τ– постоянная времени анероидного звена (3.37), равная (в секундах)

,

где Р_к– среднее давление в капилляре.

При постоянном вертикальном ускорении, например, , динамическая погрешность согласно формуле (3.37) достигает величины. Приτ= 1 с иа= 1 м/с²погрешностьм/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 ,Т₁иТотличается от температуры тарировкиТ_к=Т₁=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:

. (3.38)

Таблица 3.12

vy, м/с	0	1	3	5	7	9	10
± Δvy, м/с toC = 25 ± 10	0,5	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
± Δvy, м/с toC = -20 – +55	1,0	1,0	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5

Таблица 3.13

vy, м/с	0	1	4	8	12	16	20	24	30
± Δvy, м/с toC = 25 ± 10	0,5	0,75	2,0	2,0	2,5	2,5	3,0	3,0	3,0
± Δvy, м/с toC = -20 – +55	1,0	1,5	2,5	2,5	3,0	3,0	3,5	3,5	3,5

Таблица 3.14

vy, м/с	0	1	5	10	15	30	45	60	75
± Δvy, м/с toC = 25 ± 10	0,5	1,0	2,0	2,0	2,5	3,0	4,0	4,0	5,0
± Δvy, м/с toC = -20 – +55	1,0	1,5	2,5	2,5	3,5	4,0	6,0	8,0	10

В таблицах 3.12 – 3.14 приведены суммарные статические допустимые погрешности для вариометров с различными диапазонами измерения вертикальной скорости согласно международным требованиям [5]. Этими же нормами оговариваются динамические свойства вариометров. Постоянная времени для высот полета ≤ 3,5 км должна заключаться в пределах:

- для прибора с диапазоном индикации ±10 м/с – 4 ± 2 с;

- для прибора с диапазоном индикации ±30 м/с – 3 ± 1 с;

- для прибора с диапазоном индикации ±75 м/с – 2 ± 1 с.

Для гражданских транспортных самолетов выпускаются вариометры с диапазонами индикации до ± 75 м/с. К ним относятся серийные приборы ВР-10М, ВАР-30М, ВАР-75М.

Для маневренных самолетов выпускаются серийно вариометры с диапазоном индикации до ± 500 м/с. К ним относятся приборы ВАР-150М, ВАР‑300, ВАР-500 и другие.

Рис. 3.35. Вариометры: а– ВР-10М;б– ВАР-30М;

в– ВАР-75М;г– ВАР-300;д– ВАР-500;е– ВРФ-2;ж– ВРФ-6

Подробнее о принципах отображения и типах индикаторов пилотажных параметров изложено в главе 8.