Die Erfindung betrifft, ein Fluginstrument zur Nutzung der Luftdruckdifferenz zum Anzeigen der Höhe und deren Veränderung, mit einer Anzeige und einer Eingabeeinheit.
Solche Fluginstrumente sind in der Aviatik als Höhenmesser und Variometer bekannt.
Herkömmliche Höhenmesser zeigen die Deformation einer hochvakuumierten Dose via Zahnsegment, Ritzelgetriebe und Zeiger auf einen Zifferblatt in 100 oder 1000 m an. Wegen der wetterbedingten Druckschwankung, die eine Fehlanzeige von 300 m und mehr Höhenunterschied betragen kann, ist die Höhenskala mit einer in Millibar geeichten barometrischen Skala versehen, die mit einem Einstellknopf Druckkorrekturen zulässt. Wenn die Höhenanzeige stimmen soll ist vor dem Start der Höhenmesser nach dem herrschenden Bodendruck, oder nach der topografischen Höhe zu setzen.
Nach Regeln der ICAO (International Civil Aviation Organisation) ist der Höhenmesser auf
- QNH gesetzt, wenn die Anzeige mit der Höhe über Meeresspiegel übereinstimmt,
- QFE gesetzt, wenn am Startort die angezeigte Höhe H = 0 (m) ist und mit
- QNE gesetzt, wenn die Barometerskala auf 1013 mb = hPa und somit die Bedingungen der Standard-Atmosphäre der ICAO auf Meereshöhe eingestellt ist.
Die Höhenmesser sind vor jedem Flug auf QFE (Startplatzhöhe H = 0) oder QNH entsprechend der topologischen Höhe des Startplatzes zu setzen. Wie international in der Luftfahrt vereinbart, sind für den Überlandflug nach dem Verlassen der Flugplatzregion die Höhenmesser auf QNE (auf 1013 mbar = hPa) zu setzen, damit die vertikale Höhenschichtung des kontrollierten Verkehrs, unabhängig vom herrschenden Wetter, mit dem beabsichtigten Sicherheitsabstand der Bewegungen erfolgt. In der allgemeinen Luftfahrt, vor allem aber im Leicht- und Gleitflugsport, wird oft, respektive grundsätzlich, unkontrolliert und ohne Funkunterstützung einer Leitstelle geflogen, obwohl der Start- und der Landeplatz vielfach, respektive in der Regel, nicht identisch, im Gebirge sich vielfach tausende von Metern in der Höhe verschieden und gelegentlich beim Start noch unbekannt sind.
Daher sind die herkömmlichen Geräte für die Höhenorientierung des Fliegers wenig bis ungeeignet.
Für die Anzeige der Vertikalgeschwindigkeit des Fluges dient der Variometer. Der Mensch hat mit der Wahrnehmung der Vertikalgeschwindigkeit Mühe, deshalb ist der Variometer ein Grundinstrument der Aviatik. Entscheidend wichtig ist diese Information für den motorlosen Flug, um die Aufwinde optimal nützen und die Fallwinde meiden zu können.
Herkömmliche Variometer bestehen aus einem zweifach gekapselten Dosen- oder Sensormanometer, mit einer feinen, genauen \ffnung für den Druckausgleich zwischen der inneren und der ummantelnden Kapsel und einer Verbindung der Druckdose zum Zwischenraum der Kapsel und zum statischen Druck.
Auf den Steig- und Sinkflug weisen die Dosen-vario-meter mit Zeiger und Zifferblatt, die Sensor-vario-meter mit der Anzeige von Zahlen und/oder Grafiken auf einem Bildschirm hin. Um den Piloten von der ständigen optischen Beobachtung zu entlasten, dienen akustische Anzeigen der Sensorenvariometer. Tönende Anzeigen für Variometer gibt es mit der Abbildung der Zahlenwerte in Tonhöhe, der Veränderung der Häufigkeit eines Tones und mit der Kombination dieser Möglichkeiten ("Singen und Zwitschern").
Der Nachteil pneumomechanischer Variometer ist, dass sie wegen der optischen Anzeige vom Piloten, auf Kosten der Luftraumbeobachtung, der Navigation und des Flugerlebnisses, zu viel Aufmerksamkeit fordern. Der Nachteil der elektronischen Variometer ist, dass genauere Messwerte nur in mühsam lesbaren Zahlen wiedergegeben werden. Die Bild- oder Tonanzeige ist rudimentär und schwer interpretierbar. Ausserdem empfinden viele Piloten die ständige Präsenz der akustischen Anzeige als nervenbelastend.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist ein Flugins-trument für
- die genauere und zugleich sicherere Messung der Höhe,
- das Setzen des Höhenmessers mit vorprogrammierbaren Fixwerten der Starthöhen und
- die Ermittlung der Sink- oder Steiggeschwindigkeit und
- der intermittierend akustischen Anzeige der Sink- oder Steiggeschwindigkeit
zu Gunsten der verbesserten Wahrnehmbarkeit zu schaffen.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 7 gelöst.
Anhand der beiliegenden schematischen Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Funktionsschema des Höhenmessers,
Fig. 2 ein Funktionsschema des Variometers,
Fig. 3 ein Blockschema der Hardware des Fluginstrumentes mit Höhenmesser und Variometer.
Im (Höhenwert) Speicher 4 (= ein RAM mit Batteriepufferung) des Höhenmessers 1 der Fig. 1, wird durch die Tastatur der Eingabeeinheit 3 die Elevation (= topografische Höhe über Meer) eines Startplatzes AX festgehalten.
Wenn der Pilot von diesem Startplatz AX fliegen will lässt er vom (Höhenwert) Speicher 4 die Zahlenwerte der Fixhöhe AX via Eingabeeinheit 3 mit Kurzwahl in den Istwert-Vergleicher 6 laden. Der -Istwert-Vergleicher 6 erhält zugleich vom Druckmess-Sensor (= ein piezoresistiver Absolutdruckmesser) 2 das zum Luftdruck proportionale Signal (QNHi). Mit der Höhenformel der ICAO-Standard-Atmosphäre wird aus der Differenz des Logarithmus des Luftdruckes (QNHi) am Startplatz AX und des Logarithmus des Druckes auf Meereshöhe die Höhe des Startortes errechnet.
Ob die gewählte Fixhöhe dem Startplatz entspricht wird kontrolliert, indem die Druckkorrektur errechnet und auf ihren maximal zulässigen Wert geprüft wird. Ist die notwendige Korrektur kleiner +/- 50 mbar, wir der Höhenmesser auf die Fixhöhe gesetzt, ansonst ein Überschreiten der Grenzwerte beispielsweise mit einem Tonsignal gemeldet, und der Fehler angezeigt wird.
Die Berechnung der Druckkorrektur wird mit der ICAO-Höhenformel durchgeführt, ausgehend von einem Startwert für den Solldruck, der etwa in der Mitte des Messbereiches des Gerätes liegt. Ist die so errechnete Höhe tiefer als die gewählte Fixhöhe, wird der Solldruck verringert und die Berechnung so oft wiederholt, bis das Resultat identisch mit der Fixhöhe AX ist. Wenn die errechnete Höhe höher als die Speicherhöhe ist, wird der Solldruck erhöht.
Die Druckkorrektur ist die Differenz des vom Absolutdruckmesser 2 anstehenden Ist-Drucks und des gefundenen Solldrucks. Er wird für die Dauer des Fluges für die Ermittlung der Flughöhen benötigt und daher gespeichert. Für die Anzeige der (Absolut-)Höhe ist der korrigierte Druck nötig. Er ist die Differenz des an dem Absolutdruckmesser 2 anstehenden Ist-Drucks und der Druckkorrektur. Mit dem korrigierten Druck wird die (Absolut-)Höhe nach der ICAO-Höhenformel bestimmt und mit der Anzeige 10 ausgegeben. Dieser Vorgang wird drei- bis viermal pro Sekunde im Istwert-Vergleicher 6 und Korrektor 7 wiederholt und das Ergebnis mit der Anzeige 10 ausgegeben.
Erfindungsgemäss wählt der Pilot eine als für seinen Flug typische Sinkgeschwindigkeit. Diese Einstellung kann während des Fluges geändert und so neuen Verhältnissen angepasst werden. Oberhalb und unterhalb dieser typischen Sinkgeschwindigkeit wird mit je einem Grenzwert der vertikalen Geschwindigkeit ein Bereich bestimmt, wo der Pilot auf die Tonanzeige verzichtet. Sobald die Steig- oder Sinkgeschwindigkeiten grösser als die Grenzwerte sind, wird durch die Frequenz und die Folge der Töne die Richtung und Grösse der Geschwindigkeit angezeigt.
In Fig. 2 wird vom Druckmess-Sensor (= ein piezoresistiver Absolutdruckmesser) 2 das dem Luftdruck proportionale Signal einmal direkt und einmal differenziert (im Differenzierer 5) dem Rechner 8 zugeführt. Durch die Eingabeeinheit 3 können die Parameter, wie die flugtypische Sinkgeschwindigkeit und die Grenzwerte für die hörbare Ausgabe der Steig- und Sinkgeschwindigkeitswerte eingegeben werden. Die gewählten Werte erscheinen in der optischen Anzeige 11. In einem im Rechner 8 integrierten Speicher können beliebige Kombinationen dieser Werte für die vereinfachte Neueinstellung abgerufen werden und die vorangehende Einstellung ersetzen. Ein im Rechner 8 integrierter Oszillator erzeugt die für die Kennzeichnung der Steig- oder Sinkgeschwindigkeit bestimmten Frequenzen, die über die akustische Anzeige 10 ausgegeben werden.
Gemäss Fig. 3 können sowohl der Höhenmesser 1 nach Fig. 1 als der Variometer 1¾ nach Fig. 2 mit einer gemeinsamen Schaltung und einem Kleinrechner 8, sowie Software realisiert werden.
The invention relates to a flight instrument for using the air pressure difference to display the altitude and its change, with a display and an input unit.
Such aviation instruments are known in aviation as altimeters and variometers.
Conventional altimeters show the deformation of a highly vacuumed can via tooth segment, pinion gear and pointer on a dial in 100 or 1000 m. Due to the weather-related pressure fluctuation, which can be a false reading of 300 m and more height difference, the height scale is provided with a barometric scale calibrated in millibars, which allows pressure adjustments with a setting button. If the height display is to be correct, the altimeter must be set before the start according to the prevailing ground pressure or according to the topographic height.
According to the rules of the ICAO (International Civil Aviation Organization) the altimeter is on
- QNH set if the display matches the height above sea level,
- QFE set when the displayed altitude H = 0 (m) at the start location and with
- QNE set when the barometer scale is set to 1013 mb = hPa and thus the conditions of the standard atmosphere of the ICAO at sea level.
Before each flight, the altimeters must be set to QFE (take-off height H = 0) or QNH according to the topological height of the take-off place. As agreed internationally in aviation, the altimeter should be set to QNE (to 1013 mbar = hPa) for the overland flight after leaving the aerodrome region, so that the vertical stratification of the controlled traffic, regardless of the prevailing weather, takes place with the intended safety distance of the movements , In general aviation, but above all in light and gliding sports, flying is often, or basically, uncontrolled and without radio support from a control center, although the take-off and landing areas are often, or generally, not identical, in the mountains there are often thousands different from meters in height and occasionally still unknown at the start.
Therefore, the conventional devices for the height orientation of the plane are little to unsuitable.
The variometer is used to display the vertical speed of the flight. Humans have difficulty perceiving vertical speed, which is why the variometer is a basic instrument of aviation. This information is of crucial importance for motorless flight in order to make optimal use of the updrafts and avoid the falling winds.
Conventional variometers consist of a double-encapsulated can or sensor manometer, with a fine, precise opening for pressure equalization between the inner and the encapsulating capsule and a connection of the pressure can to the gap between the capsule and to the static pressure.
The can-vario-meter with pointer and dial, the sensor-vario-meter with the display of numbers and / or graphics on a screen indicate the climb and descent. In order to relieve the pilot from constant optical observation, acoustic displays of the sensor variometer are used. There are sounding displays for variometers by displaying the numerical values in pitch, changing the frequency of a sound and combining these options ("singing and chirping").
The disadvantage of pneumomechanical variometers is that they require too much attention from the pilot due to the visual display, at the expense of airspace observation, navigation and the flight experience. The disadvantage of the electronic variometer is that more precise measured values are only reproduced in difficult-to-read numbers. The image or sound display is rudimentary and difficult to interpret. In addition, many pilots find the constant presence of the acoustic display stressful.
The purpose of the present invention is a flight instrument for
- the more precise and at the same time safer measurement of the height,
- Setting the altimeter with pre-programmable fixed values for the starting heights and
- the determination of the sinking or climbing speed and
- The intermittent acoustic display of the sinking or climbing speed
in favor of improved visibility.
According to the invention, these objects are achieved by the features of claims 1 to 7.
The invention is explained, for example, with the aid of the attached schematic drawings. Show it:
1 is a functional diagram of the altimeter,
2 is a functional diagram of the variometer,
Fig. 3 is a block diagram of the hardware of the flight instrument with altimeter and variometer.
In the (height value) memory 4 (= a RAM with battery buffering) of the altimeter 1 of FIG. 1, the elevation (= topographical height above sea level) of a starting point AX is recorded by the keyboard of the input unit 3.
If the pilot wants to fly AX from this take-off location, he has the (height value) memory 4 load the numerical values of the fixed height AX into the actual value comparator 6 via speed dial 3. The actual value comparator 6 also receives the signal proportional to the air pressure (QNHi) from the pressure measuring sensor (= a piezoresistive absolute pressure meter) 2. With the height formula of the ICAO standard atmosphere, the height of the starting point is calculated from the difference of the logarithm of the air pressure (QNHi) at the starting point AX and the logarithm of the pressure at sea level.
Whether the selected fixed height corresponds to the starting position is checked by calculating the pressure correction and checking its maximum permissible value. If the necessary correction is less than +/- 50 mbar, the altimeter is set to the fixed height, otherwise an exceeding of the limit values is signaled, for example with a sound signal, and the error is displayed.
The pressure correction is calculated using the ICAO height formula, based on a starting value for the target pressure, which is approximately in the middle of the measuring range of the device. If the height calculated in this way is lower than the selected fixed height, the target pressure is reduced and the calculation is repeated until the result is identical to the fixed height AX. If the calculated height is higher than the storage height, the target pressure is increased.
The pressure correction is the difference between the actual pressure applied by the absolute pressure meter 2 and the target pressure found. It is needed for the duration of the flight to determine flight altitudes and is therefore saved. The corrected pressure is required to display the (absolute) height. It is the difference between the actual pressure applied to the absolute pressure meter 2 and the pressure correction. With the corrected pressure, the (absolute) height is determined according to the ICAO height formula and output on the display 10. This process is repeated three to four times per second in the actual value comparator 6 and corrector 7 and the result is output on the display 10.
According to the invention, the pilot chooses a sinking speed that is typical for his flight. This setting can be changed during the flight and thus adapted to new conditions. Above and below this typical descent rate, a range is determined with a limit value for the vertical speed, where the pilot does not use the sound display. As soon as the climbing or sinking speeds are greater than the limit values, the frequency and the sequence of tones indicate the direction and magnitude of the speed.
In FIG. 2, the pressure measurement sensor (= a piezoresistive absolute pressure meter) 2 supplies the signal proportional to the air pressure once directly and once differentiated (in the differentiator 5) to the computer 8. The input unit 3 can be used to enter the parameters, such as the typical sinking speed and the limit values for the audible output of the climbing and sinking speed values. The selected values appear in the optical display 11. Any combination of these values for the simplified new setting can be called up in a memory integrated in the computer 8 and can replace the previous setting. An oscillator integrated in the computer 8 generates the frequencies intended for the identification of the rate of climb or descent, which are output via the acoustic display 10.
3, both the altimeter 1 according to FIG. 1 and the variometer 1¾ according to FIG. 2 can be implemented with a common circuit and a small computer 8, as well as software.