DE1155273B - Variometer - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

L37012IXb/42o

ANMELDETAG: 10. SEPTEMBER 1960

BEKANNTMACHUNG
DERANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 3. OKTOBER 1963

Die Erfindung betrifft ein Variometer für das augenblickliche Anzeigen der Vertikalgeschwindigkeit eines Flugzeugs.

Bei modernen Flugzeugen muß sich der Pilot auf die Anzeige der Instrumente für die Fluginformationen verlassen können, die für eine sichere Steuerung des Flugzeugs nötig sind. Von großer Wichtigkeit sind für den Piloten die Informationen über die Vertikalgeschwindigkeit (oft als Steiggeschwindigkeit bezeichnet), da dieses lebensnotwendig für die kritischen Phasen des Flugs sind, insbesondere für das Landen und Starten. Während des Startens ist das Aufrechterhalten einer positiven Steiggeschwindigkeit während der Beschleunigung auf die günstigste Fluggeschwindigkeit für das Steigen erforderlich. In ähnlicher Weise ist während des Landens die Sinkgeschwindigkeit ein kritischer Faktor bei der Steuerung des Flugzeugs.

Die bekannten Meßgeräte für die Steiggeschwindigkeit benutzen Aneroidbarometer mit einer kleinen Luftöffnung. Diese besitzen jedoch eine zu große Zeitverzögerung und sind deshalb für moderne Flugzeuge mit hoher Geschwindigkeit nicht geeignet.

Die bekannten Geschwindigkeitsmesser für augenblickliche Anzeige verwenden ein Aneroidbarometer mit einer kleinen Luftöffnung, um eine durchschnittliche Steiggeschwindigkeit anzuzeigen, wobei eine Größe der Steiggeschwindigkeit überlagert wird, die von einem Beschleunigungsmesser abgeleitet wird. Diese Geräte können nicht die notwendige Flexibilität der Anzeige von Informationen gewährleisten und erhöhen die Belegung des Instrumentenbretts, da es sich um ein separates Instrument mit den dazugehörigen Gebern handelt. Der Mangel an Flexibilität bei der Anzeige erfordert, daß der Pilot eine Vielzahl von Instrumenten überblicken muß.

Zum Beispiel muß während des Landens moderner Flugzeuge der Pilot sein Flugzeug auf die Rollbahn ausrichten, die Sinkgeschwindigkeit festsetzen, die für das Flugzeug und für den gewählten Gleitweg geeignet ist, wie z. B. 120 m (400 Fuß) pro Minute, und eine Anfiuggeschwindigkeit festsetzen, die für die Belastung des Flugzeugs und die Flugbedingungen geeignet ist. Diese Größen werden dann während des Anflugs bis zum Aufsetzen aufrechterhalten, worauf das Flugzeug gebremst wird.

Während des Anflugs muß der Pilot ständig die Rollbahn beobachten, um festzustellen, ob das Flugzeug die Rollbahn richtig anfliegt. Zur selben Zeit muß der Pilot die Höhe des Flugzeugs feststellen, die auf dem horizontalen Leitanzeiger angezeigt wird. Eine derartige Überwachung ist bei modernen Flug-Variometer

Anmelder:

David Scott Little, Port Washington, N. Y. (V. St. A.),

und Edward William Pike, Shepperton, Middlesex (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt, Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 10. September 1959 (Nr. 839 238)

David Scott Little, Port Washington, N. Y. (V. St. A.),

und Edward William Pike,

Shepperton, Middlesex (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt worden

zeugen notwendig, weil die Bauweise des Flugzeugs und der Ort des Führersitzes dem Piloten praktisch jede zuverlässige horizontale Bezugsgröße entzieht, die mit dem Horizont verglichen werden kann, um den Flugzustand des Flugzeugs um die Längsachse zu kontrollieren. Bei einem Flugzeug, bei dem die Motoren an Fußpunkten angeordnet sind, kann die Steuerung der Stellung um die Längsachse innerhalb weniger Grade maßgebend dafür sein, daß eine Berührung des Erdbodens durch die Motoren während des Landens vermieden wird.

Zusätzlich muß der Pilot den Höhenmesser beobachten, um sich zu versichern, daß das Flugzeug Hindernisse entlang der Anflugbahn vermeidet, und um die Höhe über der Rollbahn zu bestimmen. Selbst bei Sichtfiug ist es schwer, genau die Höhe durch Beobachten des Bodens festzustellen, und in vielen Fällen, wie z. B. bei Anflug über Wasser, ist eine derartige Feststellung praktisch unmöglich.

Schließlich muß die Anzeige der Vertikalgeschwindigkeit festgestellt werden, um den Gleitweg während des Anflugs unter Sichtflugregeln (VFR) zu kontrollieren.

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Deshalb ist besonders während des Landens der Pilot mit einer Reihe von Bedienungsaufgaben belastet, wobei die Anforderung der Beobachtung vieler Instrumente noch hinzukommt. Die Arbeit des Piloten könnte vereinfacht werden, wenn die Anordnung der Instrumente kombiniert und innerhalb eines kleinen Blickwinkels übersehen werden könnte. Daneben soll aber zweckmäßig die Anzeige der Vertikalgeschwindigkeit dauernd auf einem hierzu vorgesehenen Instrument erfolgen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem barometrischen Höhenmesser, der einen mit einer Höhenskala gekoppelten Servomotor enthält, um diese Skala an einer Anzeigemarke in Abhängig-

die Änderungen der Flughöhe ohne Anzeigefehler anzugeben, die durch Einwirkung von Beschleunigungskräften entstehen, was ihn für den beabsichtigten Zweck besonders geeignet macht.

Die Erfindung besteht darin, daß Einrichtungen mit dem Servomotor des Höhenmessers gekoppelt sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das eine Amplitudenänderung aufweist, die proportional der

anzeigt, daß Anzeiger für dieses Signal vorgesehen sind und daß Mittel zum Verbinden des erzeugten elektrischen Signals auf den Anzeigern vorgesehen sind.

Bei allen modernen Flugzeugen, die für Instrumentenflug eingerichtet sind, ist ein horizontaler Leitanzeiger vorgesehen, der als wichtigstes Instrument während des Anflugs mit dem Instrumentenlande-

gleichzeitig die Größe der Vertikalgeschwindigkeit, um bei modernen Flugzeugen mit hoher Geschwindigkeit verwendbar und nützlich zu sein. Die Genauigkeit des Instruments, das die Größe der Vertikalgeschwindigkeit angibt, ist von zweitrangiger Bedeutung.

Durch die Ableitung des Signals von dem bekannten Höhenmesser erfolgt die Anzeige der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs ohne Verzögerung ίο durch Beschleunigungskräfte des Flugzeugs.

Mit dem Servomotor des Höhenmessers ist ein Generator verbunden, der den üblichen Anker mit kurzgeschlossener Wicklung besitzt und Eingangsund Ausgangswicklungen, die um 90° gegeneinander keit von Höhenänderungen vorbeizuführen. Der be- 15 versetzt sind. Der Generator erzeugt ein Ausgangskannte Höhenmesser ist in der Lage, augenblicklich signal, dessen Amplitude sowohl der Amplitude des

Eingangssignals als auch der Drehzahl proportional ist, mit der der Generator angetrieben wird, und dessen Polarität oder Phase sich mit der Umkehr der Richtung der Rotation des Generators umkehrt.

Deshalb verändert der Generator die Amplitude des Eingangssignals entsprechend der Rotation des Servomotors des Höhenmessers. Da die Rotation des

Höhenänderung mit der Zeit ist, und das eine Polari- 25 Servomotors von der Druckänderung abhängt, die tat besitzt, die die Richtung der Höhenänderung von einer Aneroidkapsel festgestellt wird, und da die

Beziehung zwischen Höhe und Druck praktisch eine logarithmische Funktion ist, muß das Eingangssignal des Generators nach einer Druckfunktion verändert 30 werden, um die Änderung der Amplitude des Ausgangssignals in eine Funktion der Vertikalgeschwindigkeit (z. B. die Höhenänderung in der Zeiteinheit) umzuwandeln. Zu diesem Zweck ist ein nichtlineares Potentiometer vorgesehen, das ein charakteristisches system (ILS) dient. Der horizontale Leitanzeiger ist 35 Amplitudensignal entsprechend der Rotation ihres mit einem künstlichen Horizont für die Kontrolle der Rotors moduliert. Das modulierte Signal ist mit dem Stellung des Flugzeugs beim Schlingern und Stampfen Generator als dessen Eingangssignal verbunden. Der und mit einer Kurs- oder Steuernadel versehen, um Rotor des Potentiometers ist mit dem Servoantrieb das Flugzeug auf den Steuerstrahl, wie z. B. auf den über ein Reduziergetriebe gekoppelt, um den Rotor Funkleitstrahl zu leiten, und ein Gleitweganzeiger, um 40 über eine einzige Rotation zu verdrehen, wenn der das Flugzeug auf dem Gleitwegstrahl zu leiten. Indem Servomotor des Höhenmessers über den ganzen Ardie Darstellung der Anzeige des Flugzeugs im Hin- beitsbereich angetrieben wird.

blick auf die Steuernadel und die Gleitwegnadel Deshalb ist das Ausgangssignal des Generators entzentriert gehalten wird, kann das Flugzeug auf den sprechend der Änderung der Höhe (z.B. derVertikal-Flugplatz mit Hilfe des Instrumenten-Landesystems 45 geschwindigkeit) amplitudenmoduliert und ist einer (ILS) gebracht werden. Beim Sichtflug wird die Gleit- Umkehr der Polarität oder Phase unterworfen, um wegnadel des horizontalen Leitanzeigers nicht ver- die Richtung der Vertikalgeschwindigkeit des Flugwendet, zeugs anzuzeigen. Deshalb ist das Ausgangssignal ge-Es ist deshalb eine Weiterbildung der Erfindung, eignet, ein amplitudenempfindliches elektrisches Andie Anzeige der Vertikalgeschwindigkeit auf dem 5° zeigegerät anzutreiben. Geeignete Mittel, wie z. B. Gleitweganzeiger des horizontalen Leitanzeigers wäh- ein Verstärker, verbinden das Ausgangssignal des

Generators mit einem Anzeigegerät für die Vertikalgeschwindigkeit. Ferner sind Vorrichtungen vorgesehen, um die vertikalen Geschwindigkeitssignale umschaltbar dem Gleitfluganzeiger des horizontalen Leitanzeigers zuzuführen, um dort eine Anzeige der

rend des Anflugs unter Sichtflugregeln vorzusehen. Bei diesem Anflug ist das visuelle Absuchen des Instrumentenbretts für den beobachtenden Piloten weitgehend reduziert.

Während des Startens ist es notwendig, eine positive Steiggeschwindigkeit während der Beschleunigung auf die günstigste Steiggeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Eine derartige Information kann nicht genau von dem horizontalen Leitanzeiger abgeleitet werden, wegen der Präzession des Kreisels unter den Beschleunigungskräften beim Starten. Unter solchen Bedingungen ist es sehr wichtig, daß eine Instrumentierung vorgesehen ist, durch die der Pilot über die Richtung und die Vertikalgeschwindigkeit während der Beschleunigung zu der günstigsten Steiggeschwindigkeit unterrichtet wird. Das Instrument muß die Richtung angeben (z. B. Steigen oder Sinken) und

Vertikalgeschwindigkeit zu erhalten.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Anzeigevorrichtung in einem Flugzeug;

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm des Anzeigers für die Vertikalgeschwindigkeit gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ist ein graphische Darstellung der Spannung eines Teils der in Fig. 2 gezeigten Schaltung, in der die Spannungsamplitude auf der Ordinate und die Flughöhe auf der Abszisse aufgetragen ist;

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Spannung eines anderen Teils der Schaltung in Fig. 2, in der die Spannungsamplitude auf der Ordinate und die Vertikalgeschwindigkeit auf der Abszisse aufgetragen wurde.

Fig. 1 zeigt einen Teil der üblichen Instrumentenanordnung, die nach internationalen Vereinbarungen für gut befunden wurde und die einen horizontalen Leitanzeiger 10, einen Höhenmesser 12 und einen Anzeiger 14 für die Vertikalgeschwindigkeit enthält.

Der horizontale Leitanzeiger 10 gibt eine kombinierte Anzeige, die eine Anzeige des Flugzustands, eine Anzeige des Steuerkurses und eine Gleitweganzeige enthält.

In dem dargestellten Instrument ist eine Flugzustandsanzeige der üblichen Art angegeben. Der künstliche Horizont 16 rotiert, um Informationen über die Querneigung abzugeben. Die Anzeige 18 bewegt sich vertikal in bezug auf den Horizont 16, um die Längsneigung anzugeben. Deshalb wird sowohl die Längs- als auch die Querneigung auf dem Instrument 10 angezeigt. Ein Kurszeiger 20 ist vorgesehen, um den Steuerkurs anzugeben, z. B. während der Rundbereichnavigation und während des ILS-Anflugs.

Ein Gleitwegzeiger 22 ist vorgesehen, um Abweichungen vom Gleitweg während des ILS-Anflugs anzuzeigen. Bei konventionellen Instrumenten kann der Zeiger mit Spitze nach oben oder vom abweichungsanzeigenden Typ sein. In jedem Fall richtet der Pilot die Flügelspitze 24 des Flugzeuganzeigers 18 mit dem Zeiger aus, um eine genaue Ausrichtung mit dem Gleitweg zu erreichen. Bei der konventionellen Anzeige wird der Zeiger 22 nicht verwendet, außer wenn im ILS-Anflug geflogen wird und wenn der Zeiger an der Skala 26 oben anschlägt.

Der Höhenmesser 12 ist mit einer Höhenskala 28 versehen, die entsprechend der Höhe des Flugzeugs an einer Anzeigemarke 30 vorbeigeführt wird. Die Skala ist mit Markierungen 32 versehen, auf denen Zahlenangaben 34 in üblichen Intervallen angegeben sind. Das Band wird an der Anzeigemarke mit Hilfe eines Servomotors vorbeigeführt, der von den druckempfindlichen Gebern gesteuert wird. Einzelheiten des Höhenmessers mit Servoantrieb, der für die erwähnten Zwecke geeignet ist, sind bekannt.

Für gewisse Anwendungen kann der Höhenmesser mit einem Zeiger 36 versehen sein, der nur eine Umdrehung ausführt und während des Landevorgangs nur für eine Umdrehung angetrieben wird.

Die übliche Anzeigevorrichtung 14 für die Vertikalgeschwindigkeit ist mit einem Zeiger 38 für eine Umdrehung versehen, der an einer Welle 40 befestigt ist. Die Skala 42 des Zeigers ist mit Zahlenangaben versehen, die die Vertikalgeschwindigkeit des steigenden und sinkenden Flugzeugs relativ zu einer Marke 44 angeben. Auf der Skala ist ein vergrößerter Bereich von 0 bis 1000 Fuß/Min. (0 bis 300 m/Min.) angegeben, um die Ablesegenauigkeit zu erhöhen und um die Ablesezeit in diesem Bereich zu verringern, da dieser Bereich derjenige ist, der während des Landens und Startens verwendet wird. Dieser Bereich ist der kritischste des ganzen Flugs. Die im unteren Bereich vergrößerte Skala hat ferner den Vorteil einer erhöhten Abweichung der Nadel, wodurch Änderungen der Vertikalgeschwindigkeit während des Absuchens der Instrumente durch den Piloten gut erkennbar sind. Derartige Änderungen, die durch schnelles visuelles Überfliegen der Lage der Nadel erkannt werden, sind geeignet zur Übertragung von Informationen, da die genaue Ablesung des Instruments oft von untergeordneter Bedeutung ist. Vertikalgeschwindigkeiten außerhalb dieses Bereiches sind im verkleinerten Maßstab angegeben, da die Ablesegenauigkeit bei höherer Geschwindigkeit von untergeordneter Bedeutung ist.

Die Anzeigevorrichtung 14 für die Vertikalgeschwindigkeit ist ein übliches Zeigerinstrument.

ίο Die Vergrößerung des Maßstabs der Skala kann durch Störung der magnetischen Feldverteilung in üblicher Weise erfolgen. Das Instrument schlägt gemäß der Amplitude des Signals aus, das mit der Richtung der Ablenkung zugeführt wird, die von der Polarität des zugeführten Signals abhängt.

Die Amplitude des Signals ist proportional der Vertikalgeschwindigkeit (Änderung der Höhe mit der Zeit). Die Phase in Abhängigkeit von der Richtung der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs wird von dem Höhenmesser 12 über Leitungen 46 und 48 abgeleitet. Das Signal wird von dem Verstärker 50 modifiziert, um ein Gleichstromsignal abzugeben, das geeignet ist, die Anzeigevorrichtung für die Vertikalgeschwindigkeit anzutreiben, der das Signal über Leiter 52 und 54 zugeführt wird. Die Anzeigevorrichtung 14 für die Vertikalgeschwindigkeit gibt kontinuierlich eine Information der Vertikalgeschwindigkeit an den Piloten. Deshalb wird diese Vorrichtung kontinuierlich angetrieben durch ein Signal, das von dem Höhenmesser abgeleitet ist. Um den Blickwinkel beim visuellen Abtasten während verschiedener Flugphasen zu vermindern, so z. B. beim Landen, Starten und beim Horizontalflug, ist eine weitere auswählbare Anzeige vorgesehen.

Wie bereits erwähnt wurde, ist der HDI 10 mit einer Nadel 22 zum Anzeigen der Abweichung vom Gleitweg versehen, die in Abhängigkeit von dem Signal gesteuert wird, die von dem ILS-Empfanger 56 abgegeben werden und die dem HDI 10 über Leitungen 58 und 60 zugeführt werden, wenn der Schalter 62 sich in der ILS-Lage befindet. Während des Anflugs bei VFR ist die Nadel zum Anzeigen der Abweichungen von dem Gleitweg normalerweise nicht in Tätigkeit. Um jedoch den Blickwinkel beim Überblicken zu verkleinern, ist es wünschenswert, daß das Signal für die Vertikalgeschwindigkeit der Nadel 22 für den Gleitweg durch Umlegen des Schalters 62 in die Landeposition zugeführt wird. Dadurch wird das Signal für die Vertikalgeschwindigkeit der Anzeigevorrichtung für den Gleitweg zugeführt. Da es vorzuziehen ist, daß die Anzeigevorrichtung für den Gleitweg so klar wie möglich ist, und da die Lage der Nadel die nötige Information an den Piloten in der kürzestmöglichen Zeit gibt, ist die Skala nicht mit Ziffern versehen. Während des Anfluges ist es ferner überflüssig, den gesamten Bereich der Vertikalgeschwindigkeit anzuzeigen.

Bei den meisten Flugzeugen ist es lediglich notwendig, Bereiche von 300 bis 500 Fuß/Min. (90 bis 150 m/Min.) anzuzeigen. Üblicherweise werden Vertikalgeschwindigkeiten von 400 Fuß/Min. (120 m/Min.) herunter angezeigt. Um den erwünschten Betrag des Abfalls in leicht verwendbarer Form anzugeben und in einer Weise, die ähnlich der Anzeige beim ILS-Gleitweg auf üblichen Instrumenten ist, wird die Mittenmarkierung 64 der Skala als diejenige festgelegt, die der Sinkgeschwindigkeit von 400 Fuß/Min. (120 m je Min.) entspricht. Die obere Markierung 66 an der

Skala entspricht 300 Fuß/Min. (90 m/Min.), und die untere Markierung 68 entspricht 500 Fuß/Min. (150 m Min.). Deshalb muß der Pilot lediglich die Flügelspitze 24 des Flugzeugs mit dem Zeiger 22 ausrichten, um die gewünschte Sinkgeschwindigkeit einzuhalten. Abweichungen von der gewünschten Geschwindigkeit werden durch die Bewegung der Nadel 22 angezeigt. Alternativ kann eine Wiedergabe anderer Art verwendet werden, bei der die obere Markierung der Skala 500 Fuß/Min. (150 m/Min.) entspricht und die untere Markierung 300 Fuß/Min. (90 m/Min.). Die jeweiligen Vorteile jedes der Systeme sind zwar Gegenstand von Meinungsverschiedenheiten. Es ist jedoch klar, daß jedes der beiden Systeme bei dem vorliegenden Anzeigesystem verwendet werden kann.

Um die Signalcharakteristik der Charakteristik der Anzeigevorrichtung dem Gleitweg anzupassen und um das Instrument geeignet vorzuspannen, ist ein Anpassungsteil 70 vorgesehen. Der Anpassungsteil kann ein aktives Schaltelement, wie z. B. einen Verstärker einschließen, um die Signalcharakteristik in dem erwünschten Bereich der Charakteristik der Anzeigevorrichtung anzupassen, sowie eine Vorspannungsquelle für die Null-Lage. Der Indikator für den Gleitweg zeigt nur einen Teil des Bereichs des gesamten Bereichs der Vertikalgeschwindigkeit während der Landung an. Der Schalter 62 wird jedoch nur beim Landen in die Landeposition gebracht. Während dieser Zeit entspricht der Signalbereich dem Bereich des Instruments. Um das Instrument vor Schaden zu schützen, kann die Einstellvorrichtung für die Null-Lage eine den Bereich begrenzende Einrichtung enthalten, wie z. B. einen gesättigten Verstärker.

In ähnlicher Weise ist es ratsam, um das zu überblickende Instrumentenfeld zu verkleinern, die Vertikalgeschwindigkeit am Indikator für den Gleitweg während des Waagerechtflugs anzuzeigen. Eine derartige Anzeige ist besonders vorteilhaft beim Steuern moderner Düsenflugzeuge von Hand. Für eine derartige Anzeige wird der Schalter 62 in die Stellung für den waagerechten Flug gebracht. Der Anpassungskreis 71 ist so ausgebildet, daß er das Signal für die Vertikalgeschwindigkeit der Charakteristik des Indikators anpaßt und daß er den Indikator geeignet vorspannt, so daß die zentrale Markierung der Skala des Indikators der Vertikalgeschwindigkeit Null, während die obere und untere Markierung der Skala + oder -500 Fuß/Min. (150 m/Min.) entsprechen.

Beim Starten ist es unbedingt notwendig, daß die Steiggeschwindigkeit immer positiv und daß das Überblicken des Instruments 10 möglichst einfach ist. Für eine derartige Anzeige wird der Schalter 62 in die Lage für den Start gebracht.

Die für den Piloten wichtige Anzeige der positiven Steiggeschwindigkeit ist der Bereich von 0 bis 1000 Fuß/Min. (0 bis 300 m/Min.). Der Anpassungskreis 73 ergibt das notwendige Anpassen der Charakteristiken und eine geeignete Vorspannung, so daß die untere Markierung 68 der Skala der Steiggeschwindigkeit 0 und die obere Markierung 66 der Steiggeschwindigkeit 1000 Fuß/Min. (300 m/Min.) entspricht. So können die notwendigen Informationen für verschiedene Teile des Flugs wählbar an dem HDI10 angezeigt werden, mit einer leicht zu überblickenden Anzeige, deren Form durch die Anpassungskreise eingestellt wird und so mit einer Anzeigeform zusammenfällt, die der Pilot gewöhnt ist, und/oder um die Anzeige in leicht erkennbarer Form wiederzugeben.

Der Schalter 62 besitzt einen Verriegelungsschutz, wodurch die gleichzeitige Anschaltung verschiedener Signale auf einen Indikator vermieden wird. Geeignete Indikatoren könnten vorgesehen werden, um die dargestellten Informationen visuell anzuzeigen. Derartige Indikatoren sind jedoch im allgemeinen nicht notwendig, da das Einstellen des Schalters nach der

ίο durchzugehenden Kontrolliste vor dem Anflug vorgenommen werden kann. Ferner ist die Verriegelungsfunktion nur beispielsweise angeführt, da beim Betrieb Verriegelungen mit anderen arbeitenden Schaltungen erforderlich sein können.

Die Anordnung für die Ableitung des Signals von dem Höhenmesser soll an Hand der Fig. 2 bis 4 erläutert werden.

Fig. 2 zeigt einen Servomotor 72 für den Höhenmesser, der durch die Ablenkung einer Aneroidkapsel gesteuert wird, um die Höhenskala an der Anzeigemarke vorbeizuführen. Mit dem Servomotor ist über Getriebe 74 und 76 ein Generator 78 verbunden. Als Generator kann eine übliche Ausführungsform verwendet werden, bei der ein Anker mit kurzgeschlossener Wicklung mit zwei um 90° versetzten Wicklungen vorgesehen ist. Das Eingangssignal wird der einen Wicklung zugeführt und das Ausgangssignal von der anderen Wicklung abgenommen. Deshalb ist das Ausgangssignal des Generators, das den Leitungen 46 und 48 zugeführt wird, ein Signal, dessen Amplitude dem Produkt der Amplitude des Eingangssignals, das über Leitungen 80 und 82 zugeführt wird und der Drehgeschwindigkeit des Ankers des Generators proportional ist. Bei stillstehendem Anker wird an den Ausgangsleitungen 46 und 48 kein Signal erzeugt. Wenn jedoch der Anker des Generators rotiert, wird ein Signal, dessen Amplitude proportional der Drehgeschwindigkeit und der Amplitude des Eingangssignals ist und dessen Phase oder Polarität von der Richtung des Ankers abhängt, an den Ausgangsleitungen 46 und 48 erzeugt. Der Generator 78 ist mit dem Servomotor 72 gekoppelt, um den Geschwindigkeitsbereich so hoch wie möglich zu halten und um so den höchsten Grad der Genauigkeit des Signals zu erhalten.

Da die Servoeinheit 72 beispielsweise von einer Druckkapsel gesteuert wird, ist der Ausgang des Generators bei einem bestimmten Eingangssignal ein Signal, dessen Amplitude die Änderungsgeschwindigkeit des Drucks als Funktion der Zeit anzeigt. Um ein Ausgangssignal zu erhalten, das eine Amplitudenänderung besitzt, die die Änderung der Höhe in Abhängigkeit von der Zeit (Vertikalgeschwindigkeit anzeigt, muß das Eingangssignal durch eine Druckfunktion moduliert werden.

Obwohl die Höhe als Funktion des Drucks eine komplizierte Funktion ist, kann sie mit der erforderlichen Genauigkeit durch eine logarithmische Beziehung angenähert werden. Der Differenzenquotient der Höhe nach der Zeit (Vertikalgeschwindigkeit) ist deshalb gleich dem Differenzenquotienten des Drucks nach der Zeit multipliziert mit einer Druckfunktion. Da die Spannung am Ausgang des Generators gleich dem Differenzquotienten des Drucks nach der Zeit multipliziert mit der Eingangsspannung ist, macht die Modulation der Eingangsspannungsamplitude gemäß derselben Druckfunktion die Ausgangsspannung des Generators proportional der Vertikalgeschwindigkeit.

Zu diesem Zweck ist ein Potentiometer 84 vorgesehen, über dessen Wicklung eine Bezugsspannung 86 angelegt wird. Die Bewegung des Rotors bewegt den Abgriff, um ein Ausgangssigna! zu erzeugen, das durch die Funktion moduliert ist. die durch die Potentiometerwicklung bestimmt ist. Das Ausgangssignal wird von dem Verstärker 90 verstärkt, dem das Signal über Leitungen 87 und 88 zugeführt wird und zu der Eingangswicklung des Generators 78 gelangt. Beim typischen Beispiel eines Höhenmessers mit Servoantrieb ist der Servomotor ein vierpoliger Wechselstrommotor für 400 Hertz, der über den vollen Höhenmesserbereich mit 30 OT)O Umdrehungen angetrieben werden kann. Das Reduziergetriebe 91 enthält Zahnräder 92 und 94 zwischen dem Zahnrad 74 am Servomotor und der Welle 96 des Rotors des Potentiometers und muß deshalb ein Übersetzungsverhältnis von 30 000 :1 besitzen. Daraus ergibt sich, daß es bei vielen Instrumenten wünschenswert ist, ihre Rotationsleistung an einem solchen Punkt in dem Instrument abzunehmen, an dem die Rotationsgeschwindigkeit nicht zo groß ist wie die des Servomotorgetriebes. In diesem Fall enthält das Wechselgetriebe 91 das innere Getriebe, das für den Höhenmesser des Flugzeugs vorgesehen ist. Der Antrieb von einem derartigen Punkt kann unter einem niedrigen Übersetzungsverhältnis erhalten werden. Jedoch hängen derartige Änderungen in erster Linie von der Konstruktion für die beabsichtigte Verwendung ab, wie Volumendichte am Instrumentenbrett und Begrenzung der Gehäuseabmessung.

Das Ausgangssignal des Potentiometers 84 muß eine Einhüllende der modulierten Amplituden besitzen, die der Funktion des Drucks entspricht, der von der Differentiation der Höhen-Druckgleichung abgeleitet wurde. Der Grad der Anpassung der beiden Kurven bestirnt die Genauigkeit des Systems. Eine zufriedenstellende Übereinstimmung kann jedoch mit einem üblichen hyperbolischen Potentiometer erreicht werden. Der zusätzliche Aufwand eines besonders hergestellten Potentiometers wird kaum notwendig sein, da die Anzeigegenauigkeit des Systems während des Steigens oder Sinkens von untergeordneter Bedeutung gegenüber dem Vorteil der sofortigen Anzeige der Vertikalgeschwindigkeit ist. Ferner wird die Genauigkeit der Nullablesung der Vertikalgeschwindigkeit nicht durch die Abweichung von der Funktion des Potentiometers von der wirklichen Druckfunktion berührt. Durch Anpassen des Potentiometers an die Druckfunktion im Bereich von 0 bis 1000 Fuß/Min. (0 bis 300 m Min.) wird bei niedrigen Höhen die erforderliche Genauigkeit für fast alle Anwendungen erreicht.

Zum Beispiel kann die tatsächliche Druck-Höhenbeziehung durch eine logarithmische Beziehung angenähert werden, die vereinfacht von der Gleichung 1 wiedergegeben wird:

Die Anzeige der Genauigkeit der Annäherung kanr aus Tabelle I entnommen werden:

Tabelle 1

	Druck L-einaü der	Druck nach der
xj^Vtii ;*i Ciiß	Gleichung 1	Höhentabeile
Hone in rub	(in inch Queck	(in inch Queck
	silbersäule)	silbersäule)
0	30,0	29.921
JOOOO	20,2	20,577
20 000	13,4	'3_750
30 000	9,0	8,885
40 000	6,0	5-538
50 000	4.1	3,425
60 000	2.7	2,118

Wie zu ersehen ist, ist die Genauigkeit der Anao näherung hinreichend gut für die interessierende Verwendung, insbesondere weil die Annäherung bei geringen Höhen verhältnismäßig genau ist.

Differentiation der Gleichung 1 nach der Zeit ergibt

die Beziehung zwischen der Änderung des Drucks und der Änderung der Höhe, wie Gleichung 2 zeigt:

"dt

άΑ dt

Ein Umschreiben der Gleichung, um die Höhenänderung als Funktion der Druckänderung zu erhalten, ergibt die Gleichung 3:

dt

dt

Wenn man aus Gleichung 1 den Ausdruck

An

in Gleichung 3 einsetzt, erhält man Gleichung 4:
άΑ _ 1 dP

"dr"~ ~ °' P" "dt ■

P = P_ae

Au

wobei

P = Druck in inches (2.54 cm) Quecksilbersäule,

A = Höhe in Fuß (30 cm),

P₀ = 30 inch (76 cm) Quecksilbersäule,

A₀ = 25 000 Fuß (7500 m).

Das Eingangssignal des Generators ist daher proportional „.Dies ist eine hyperbolische Funktion, so

daß das Potentiometer 84 als hyperbolisches Potentiometer ausgebildet ist, welches ein Signal erzeugt, das die Höhenänderung mit der Änderung des Druckes innerhalb der Grenzen der Genauigkeit der Anf orderungen bei dieser Anwendung in Beziehung setzt. Das Ausgangssignal eines typischen Potentiometers innerhalb des Arbeitsbereiches des Höhenmessers ist in Fig. 3 gezeigt. Das Ausgangssignal des Generators nach der Verstärkung durch den Verstärker 15 ist in Fig. 4 gezeigt. Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, ist das Ausgangssignal des Verstärkers ein Gleichspannungssignal, dessen Amplitude linear von der Vertikalgeschwindigkeit abhängt und dessen Polarität sich nach Umkehr der Richtung der vertikalen Bewegung des Flugzeugs umkehrt. Deshalb kann das Signal dem Indikator für die Vertikalgeschwindigkeit zugeführt werden.

Das Signal kann durch Bewegung des Schalters 62 wahlweise dem Leitwegindikator des HDI 10 zugeführt werden. Die Charakteristiken des Indikators und die des Signals werden durch eine geeignete Anpassungsschaltung angepaßt, um den gewünschten Signalteil des Signals über den ganzen Ablenkungs-

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bereich des Instruments anzuzeigen. Die angepaßte Schaltung kann eine geeignete Vorspannungsquelle enthalten, um den Ausschlag des Indikators anzupassen, um diesen möglichst zweckmäßig für den Piloten zu machen. Die Vorrichtung zum Anpassen kann ferner eine Begrenzungsschaltung enthalten, wenn nur ein Teil des Signals verwendet werden soll.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Variometer zur Messung der Vertikal- i» geschwindigkeit mit einem barometrischen Höhenmesser, der einen mit einer Höhenskala gekoppelten Servomotor enthält, um diese Skala an einer Anzeigemarke in Abhängigkeit von Höhenänderungen vorbeizuführen, dadurch gekenn- zeichnet, daß Einrichtungen (78, 86, 84, 90) mit dem Servomotor (72) gekoppelt sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das eine Amplitudenänderung aufweist, die proportional der Höhenänderung mit der Zeit ist, und das eine Polarität besitzt, die die Richtung der Höhenänderung anzeigt, daß Anzeiger für dieses Signal vorgesehen sind und daß Mittel zum Verbinden des erzeugten elektrischen Signals mit den Anzeigern vorgesehen sind.

2. Variometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein horizontaler Leitanzeiger (10) vorgesehen ist, der einen Gleitweganzeiger (22) besitzt, und daß Einrichtungen (62, 70, 71, 73) zum wahlweisen Verbinden des erzeugten Signals mit dem Gleitweganzeiger vorgesehen sind.

3. Variometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Generator (78) mit dem Servomotor (72) gekoppelt ist, dessen Eingangswicklung mit Einrichtungen (84, 86, 90) zur Er- zeugung eines Bezugssignals verbunden ist, und daß das Bezugssignal eine Amplitude besitzt, die sich in Abhängigkeit von der Rotation des Servomotors ändert.

4. Variometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Bezugssignals ein Potentiometer (84) enthält, daß eine Spannungsquelle (86) mit vorherbestimmter Amplitude mit dem Potentiometer verbunden ist, daß Mittel (91, 96) vorgesehen sind, den Rotor des Potentiometers mit dem Servomotor (72) zu verbinden, und daß Mittel (90) vorgesehen sind, den Schleifer des Potentiometers mit der Eingangswicklung des Generators (78) zu verbinden.

5. Variometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (84) ein logarithmisches Potentiometer ist, das so gewickelt ist, daß die abgegriffene Spannung mit der Zunahme der Höhe wächst.

6. Variometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anpaßschaltung (71) vorgesehen ist, um Abweichungen vom waagerechten Flug anzuzeigen.

7. Variometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anpaßschaltung (70) vorgesehen ist, um Abweichungen von einer ausgewählten Vertikalgeschwindigkeit während des Landens in ähnlicher Weise wie die Abweichungen von dem Gleitweg anzuzeigen.

8. Variometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anpaßschaltung (73) zwecks Anzeige der positiven Vertikalgeschwindigkeit während des Startens vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 664 515;
Zeitschrift »Aviation Week« vom 5. Dezember 1955, .29 ff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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