БАРОМЕТРИЧЕСКИЙ ВЫСОТОМЕР
BAROMETRIC ALTIMETER

Изобретение относится к технике измерения высоты с помощью барометрических устройств и может быть использовано на борту малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, в частности моделей ракет, авиамоделей и моделей воздушных шаров.
Известны барометрические высотомеры, предназначенные для измерения максимальной высоты подъема моделей ракет (1. Дедковский Н. Прибор-судья. - Моделист-конструктор, 1966, №6, с. 45. 2. Подосинов В. Формула высоты - Моделист-констркутор, 1967, №11, с. 44. 3. Эльштеин П. Конструктору моделей ракет: Пер. с польск. - М.: Мир, 1978, с. 188, 189).
Первый из этих высотомеров содержит стеклянный баллон, стеклянную трубку, резиновую пробку, поршень, указатель-ползун, амортизатор трубки и амортизатор всего прибора. В этом приборе при подъеме модели ракеты на высоту и понижении атмосферного давления перемещается поршень, находящийся внутри стеклянной трубки, увлекая за собой указатель-ползун, сопряженный с поршнем однонаправленной кинематической связью, действующей в направлении от поршня к указателю-ползуну, который указывает на шкале прибора, нанесенной на рабочую часть стеклянной трубки, максимальную высоту подъема модели ракеты в воздух.
Второй из этих высотомеров представляет собой жидкостный двухтрубный V-образный манометр, одно из колен которого состоит из капиллярной трубки, доверху заполненной жидкостью, а другое колено манометра представляет собой широкую трубку, частично заполненную жидкостью и закупоренную в верхней части пробкой. Образованный замкнутый объем газа находится под давлением, уравновешенным атмосферным давлением. При подъеме на высоту происходит падение атмосферного давления, газ в приборе расширяется до величины, соответствующей значению атмосферного давления на максимальной высоте полета модели ракеты, при этом жидкость выталкивается через открытый конец капиллярной трубки. Замеряя перед стартом модели и после ее приземления высоту столба жидкости в капиллярной трубке, вычисляют максимальную высоту подъема модели ракеты.
Третий из этих высотомеров представляет собой небольшой чувствительный барограф, основным элементом которого является герметичная упругая коробка (мембрана). К ее поверхности прикреплен стерженек, который при изменении объема мембраны перемещается и оставляет след на покрытой воском или копотью бумаге. Изменение атмосферного давления по высоте полета приводит к изменению объема мембраны, что отмечается стерженьком на бумаге с соответствующей шкалой. В этом приборе максимальная высота подъема модели ракеты соответствует минимальной измеренной барографом величине атмосферного давления.
Функциональные возможности этих барометрических высотомеров ограничены автоматической фиксацией результата измерения максимальной высоты подъема модели ракеты. Однако при запусках моделей ракет, а также авиамоделей и моделей воздушных шаров бывает необходимо автоматически фиксировать результат измерения не только максимальной высоты их подъема, но и высоту, на которой происходят соответствующие действия, предусмотренные программой полета, например, отделение головной части модели ракеты, принудительная остановка в заданный момент времени двигателя внутреннего сгорания таймерной авиамодели класса F-1C (см., например, Каюнов Н.Т., Назаров А.Ш., Наумов Н.С. Авиамодели чемпионов. - М.: ДОСААФ, 1978, с. 51-66) или подъем модели воздушного шара до атмосферного слоя с определенной температурой воздуха. Описанные выше аналоги не обладают такими функциональными возможностями, что является их недостатком.
Известен электронный барометрический высотомер (Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. - М.: Мир, 1989, с. 75, 76, рис. 3.3.1), содержащий датчик атмосферного давления, подключенный соответствующими электродами к стабилизированному источнику напряжения и к входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока, выполненного на первом и втором операционных усилителях, каждый из которых охвачен отрицательной обратной связью посредством соответствующих резисторов, регулируемый формирователь напряжения смещения, представляющий собой резистивный делитель напряжения, выход которого подключен к балансировочному входу усилителя постоянного тока.
В этом аналоге сигнал датчика атмосферного давления, пропорциональный высоте, на которой производят измерение, усиливается по напряжению, а результат измерения высоты отображается в цифровой форме на индикаторе вольтметра, подключаемого при проведении измерения к выходу усилителя постоянного тока. Отсчет результата измерения ведется относительно высоты, на которой показания вольтметра посредством регулируемого формирователя напряжения смещения установлены равными нулю.
Недостатком аналога является то, что его функциональные возможности ограничены измерением лишь текущей высоты, а для фиксации результата измерения необходим оператор, наблюдающий во время проведения измерения за показаниями вольтметра, что затрудняет использование этого аналога на борту малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, в частности моделей ракет, авиамоделей и моделей воздушных шаров.
Известны барометрические высотомеры, предназначенные для моделей ракет и авиамоделей, выполненные на основе микроконтроллера (1. Пахомов А. Барограф для модели ракеты. - Радио, 2017, №1, с. 52-54. 2. Высотомер Hobbyking.-<URL: http://www.parkflyer.ru/ru/product/407850/>, 08.12.2019). В этих высотомерах информация о высоте полета автоматически заносится в память микроконтроллера, а после приземления модели полученную информацию обрабатывает компьютер.
Эти барометрические высотомеры при наличии специального программного обеспечения могут обеспечить широкие функциональные возможности, например, кроме измерения высоты подъема модели они позволяют фиксировать скорость полета, ускорение, температуру воздуха и другие параметры. Недостатком этих аналогов является высокая стоимость эксплуатации, поскольку для отображения результата измерения необходим компьютер и специальное программное обеспечение.
В качестве прототипа выбран барометрический высотомер (Алхимов Д. Барометрический высотомер, Радио, 2009, №10, с. 32-34), содержащий датчик абсолютного атмосферного давления, подключенный выходом к входу усилителя постоянного тока, выполненного на операционном усилителе, охваченным резистивно-емкостной отрицательной обратной связью и балансируемым по постоянному току регулируемым формирователем напряжения смещения, подключенным к соответствующему входу операционного усилителя, электронный коммутатор, включающий в себя первый и второй биполярные транзисторы и резисторы, задающие режим работы этих транзисторов, источник стабилизированного напряжения, выполненный на интегральной микросхеме, первый и второй электромеханические переключатели, аналого-цифровой преобразователь, вход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом усилителя постоянного тока и жидкокристаллический индикатор, подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя.
В прототипе сигнал датчика абсолютного атмосферного давления, пропорциональный высоте, на которой производят измерение, усиливается по напряжению и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, а результат измерения высоты отображается в цифровой форме на жидкокристаллическом индикаторе, при этом отсчет ведется относительно высоты, на которой показания прибора посредством регулируемого формирователя напряжения смещения установлены равными нулю.
Недостатком прототипа является то, что его функциональные возможности ограничены лишь измерением значения текущей высоты, а для фиксации результата измерения необходим оператор, наблюдающий во время проведения измерения за показаниями индикатора высотомера, что затрудняет использование прототипа на борту малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, в частности моделей ракет, авиамоделей и моделей воздушных шаров, где необходима автоматическая фиксация как результата измерения высоты, на которой происходят соответствующие действия, предусмотренные программой полета, так и фиксация максимальной высоты полета.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей и области применения барометрического высотомера.
Поставленная задача решается тем, что в барометрическом высотомере, содержащем датчик абсолютного атмосферного давления, подключенный выходом к входу усилителя постоянного тока, соединенного балансировочным входом с выходом регулируемого формирователя напряжения смещения, вход которого соединен с выходом источника стабилизированного напряжения, первый и второй электромеханические переключатели, электронный переключатель, индикатор высоты, предусмотрены следующие отличия: в него введены N измерительных преобразователей, где N - целое число больше нуля, ждущий мультивибратор, генератор управляемых по длительности прямоугольных импульсов напряжения, усилитель мощности, сервопривод, первый и второй преобразователи напряжения в ток, при этом выход источника стабилизированного напряжения соединен с входом первого и с входом второго преобразователей напряжения в ток, управляющий вход второго преобразователя напряжение в ток соединен с выходом усилителя постоянного тока, выход первого и выход второго преобразователей напряжения в ток подключены соответственно к первому и ко второму входу электронного переключателя, управляющий вход которого подключен к выходному электроду первого электромеханического переключателя, первый входной электрод которого соединен с выходом источника стабилизированного напряжения, а второй входной электрод этого переключателя подключен к выходу ждущего мультивибратора, соединенного входом с выходным электродом второго электромеханического переключателя, N-й входной электрод которого подключен к выходу соответствующего N-го измерительного преобразователя, выход электронного переключателя соединен с входом генератора управляемых по длительности прямоугольных импульсов напряжения, выход которого подключен к входу усилителя мощности, соединенного выходом с входом сервопривода, сопряженного однонаправленной кинематической связью с индикатором высоты.
Кроме того, барометрический высотомер отличается тем, что каждый N-й измерительный преобразователь представляет собой преобразователь соответствующей неэлектрической величины в перепад напряжения.
И, кроме того, барометрический высотомер отличается тем, что индикатор высоты включает в себя шкалу и указывающую на шкале значение высоты стрелку, установленную соосно с исполнительным органом сервопривода - качалкой, закрепленной на его роторе, при этом качалка сервопривода посредством установленного на ней толкателя сопряжена однонаправленной кинематической связью со стрелкой.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом расширяются функциональные возможности и область применения барометрического высотомера.
На фиг. 1 представлена структурная схема барометрического высотомера; на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 схематично изображено устройство его индикатора высоты и показано взаимное расположение составных частей этого индикатора в различных стадиях работы барометрического высотомера.
Барометрический высотомер содержит (см. фиг. 1): датчик абсолютного атмосферного давления 1; усилитель постоянного тока 2; регулируемый формирователь напряжения смещения 3; источник стабилизированного напряжения 4; первый электромеханический переключатель 5; второй электромеханический переключатель 6; электронный переключатель 7; индикатор высоты 8; N измерительных преобразователей 9, где N - целое число больше нуля; ждущий мультивибратор 10; генератор управляемых по длительности прямоугольных импульсов напряжения 11; усилитель мощности 12; сервопривод 13; первый преобразователь напряжения в ток 14; второй преобразователь напряжения в ток 15.
Датчик абсолютного атмосферного давления 1 подключен выходом к входу усилителя постоянного тока 2. Балансировочный вход усилителя постоянного тока 2 соединен с выходом регулируемого формирователя напряжения смещения 3, вход которого соединен с выходом источника стабилизированного напряжения 4. Выход источника стабилизированного напряжения 4 соединен с входом первого преобразователя напряжения в ток 14 и с входом второго преобразователя напряжения в ток 15. Управляющий вход второго преобразователя напряжение в ток 15 соединен с выходом усилителя постоянного тока 2. Выход первого преобразователя напряжения в ток 14 и выход второго преобразователя напряжения в ток 15 подключены соответственно к первому и ко второму входу электронного переключателя 7. Управляющий вход электронного переключателя 7 подключен к выходному электроду первого электромеханического переключателя 5. Первый входной электрод электромеханического переключателя 5 соединен с выходом источника стабилизированного напряжения 4. Второй входной электрод электромеханического переключателя 5 подключен к выходу ждущего мультивибратора 10. Вход ждущего мультивибратора 10 соединен с выходным электродом второго электромеханического переключателя 6. N-й входной электрод второго электромеханического переключателя 6 подключен к выходу соответствующего N-го измерительного преобразователя 9. Выход электронного переключателя 7 соединен с входом генератора управляемых по длительности прямоугольных импульсов напряжения 11. Выход генератора управляемых по длительности прямоугольных импульсов напряжения 11 подключен к входу усилителя мощности 12. Выход усилителя мощности 12 соединен с входом сервопривода 13. Сервопривод 13 сопряжен однонаправленной кинематической связью с индикатором высоты 8.
Каждый N-й измерительный преобразователь 9 представляет собой преобразователь соответствующей неэлектрической величины в перепад напряжения. Этой неэлектрической величиной может быть, например, оптическое излучение, время, температура и т.п., а измерительным преобразователем соответствующей неэлектрической величины в перепад напряжения может быть, в частности, фотореле, срабатывающее на свет при отделении головной части модели ракеты; таймер, формирующий команду на принудительную остановку двигателя внутреннего сгорания авиамодели класса F-1C по истечении заданного времени после ее старта (см., например, Ильин О. Авиамодельный таймер. - Радио, 2018, №5, с. 39-41); термореле, срабатывающее при подъеме модели воздушного шара до атмосферного слоя с определенной температурой воздуха, и другие подобные устройства. Выбор соответствующего N-го измерительного преобразователя 9 в зависимости от вида преобразуемой им неэлектрической величины в перепад напряжения производят вторым электромеханическим переключателем 6.
Индикатор высоты 8 включает в себя шкалу 16 и стрелку 17 (см. фиг. 2). Стрелка 17 указывает на шкале 16 значение высоты, выраженное в метрах. Стрелка 17 установлена соосно с исполнительным органом сервопривода 13 - качалкой 18. Качалка 18 закреплена на роторе 19 сервопривода 13. Качалка 18 сервопривода 13 посредством установленного на ней толкателя 20 сопряжена однонаправленной кинематической связью со стрелкой 17.
Барометрический высотомер работает следующим образом.
В исходном состоянии барометрического высотомера на вход ждущего мультивибратора 10 с выхода N-го измерительного преобразователя 9 через соответствующий N-й входной электрод второго электромеханического переключателя 6, замкнутый с его выходным электродом, поступает напряжение низкого логического уровня, при этом на выходе ждущего мультивибратора 10 формируется напряжение низкого логического уровня. Это напряжение через замкнутые между собой второй входной и выходной электроды первого электромеханического переключателя 5, установленного в положение для фиксации высоты, на которой происходят соответствующие действия, предусмотренные программой полета летательного аппарата, на котором установлен барометрический высотомер, подается на управляющий вход электронного переключателя 7. При напряжении низкого логического уровня на своем управляющем входе электронный переключатель 7 подключает к входу генератора управляемых по длительности прямоугольных импульсов напряжения 11 выход первого преобразователя напряжения в ток 14. Первый преобразователь напряжения в ток 14 задает величину тока, протекающего от выхода источника стабилизированного напряжения 4 через первый вход и выход электронного переключателя 7 на вход генератора управляемых по длительности прямоугольных импульсов напряжения 11. Длительность вырабатываемых генератором 11 фиксированных по периоду следования прямоугольных импульсов напряжения определяется величиной его входного тока.
Прямоугольные импульсы напряжения с выхода генератора 11 подаются через усилитель мощности 12 на вход сервопривода 13, который сопряжен однонаправленной кинематической связью с индикатором высоты 8. Исполнительный орган сервопривода 13 - качалка 18, закрепленная на его роторе 19, под воздействием этих импульсов занимает исходное угловое положение, определяемое их длительностью (см. фиг. 2). Перед началом измерения стрелку 17 индикатора высоты 8 устанавливают на нулевую отметку шкалы 16, при этом между толкателем 20 и стрелкой 17 образуется кинематическая связь, действующая в направлении от толкателя 20 к стрелке 17.
Выходным сигналом датчика 1 является напряжение, величина которого пропорциональна атмосферному давлению. Это напряжение поступает на сигнальный вход усилителя постоянного тока 2. Для компенсации постоянной составляющей сигнала датчика 1, определяемой величиной атмосферного давления на высоте, от уровня которой ведется отсчет измерения (нулевая высота), на балансировочный вход усилителя постоянного тока 2 с выхода регулируемого формирователя напряжения смещения 3 подается постоянное напряжение. Перед проведением измерения высоты, регулируя величину этого напряжения, устанавливают начальный уровень выходного напряжения усилителя постоянного тока 2, от которого отсчитывают результат измерения.
Выходное напряжение усилителя постоянного тока 2 приложено к управляющему входу второго преобразователя напряжения в ток 15 и определяет величину его выходного тока. На нулевой высоте выходные токи первого 14 и второго 15 преобразователей напряжения в ток устанавливают равными между собой.
По мере подъема на высоту напряжение на выходе датчика атмосферного давления 1 уменьшается, а напряжение на выходе инвертирующего усилителя постоянного тока 2 увеличивается. В определенный момент N-й измерительный преобразователь 9 регистрирует соответствующее действие, предусмотренное программой полета летательного аппарата, и формирует на своем выходе перепад напряжения, который через соответствующие замкнутые электроды второго электромеханического переключателя 6 поступает на вход ждущего мультивибратора 10.
Под воздействием этого перепада напряжения ждущий мультивибратор 10 формирует на своем выходе прямоугольный импульс напряжения фиксированной длительности, поступающий через соответствующие замкнутые электроды первого электромеханического переключателя 5 на управляющий вход электронного переключателя 7, при этом электронный переключатель 7 подключает к входу генератора прямоугольных импульсов 11 выход второго преобразователя напряжения в ток 15 и отключает от входа этого генератора выход первого преобразователя напряжения в ток 14.
Возросшее на высоте выходное напряжение усилителя постоянного тока 2, воздействуя на управляющий вход второго преобразователя напряжения в ток 15, изменяет величину его выходного тока, вследствие чего изменяется соответствующим образом и длительность прямоугольных импульсов напряжения, вырабатываемых генератором 11, и поступающих через усилитель мощности 12 на вход сервопривода 13. В результате этого качалка 18 сервопривода 13 перемещается из углового положения, соответствующего нулевой высоте (см. фиг. 2), в угловое положение, соответствующее высоте полета летательного аппарата, отклоняя посредством толкателя 20 стрелку 17 индикатора высоты 8 от нулевой отметки шкалы 16 на некоторый пропорциональный высоте угол (см. фиг. 3).
После окончания формирования ждущим мультивибратором 10 прямоугольного импульса напряжения на управляющем входе электронного переключателя 7 появляется напряжение низкого логического уровня, вследствие чего к входу генератора прямоугольных импульсов 11 вновь подключается выход первого преобразователя напряжения в ток 14, а выход второго преобразователя напряжения в ток 15 от входа генератора 11 отключается. В результате этого длительность прямоугольных импульсов напряжения, вырабатываемых генератором 11, возвращается к первоначальному значению, вследствие чего качалка 18 сервопривода 13 вновь занимает исходное угловое положение. Поскольку кинематическая связь толкателя 20 и стрелки 17 однонаправленная, действие толкателя 20 на стрелку 17 прекращается. Вследствие этого стрелка 17 после отхода от нее толкателя 20 остается неподвижной и, будучи отклоненной на некоторый пропорциональный высоте угол, фиксирует на шкале 16 результат измерения высоты, на которой происходит соответствующее действие, предусмотренное программой полета летательного аппарата и зарегистрированное N-м измерительным преобразователем (см. фиг. 4).
Установив на нулевой высоте первый электромеханический переключатель 5 в положение, при котором его первый входной и выходной электроды замкнуты между собой, а стрелку 17 индикатора высоты 8 на нулевую отметку шкалы 16, барометрический высотомер переводят в режим фиксации результата измерения максимальной высоты полета летательного аппарата. В этом положении первого электромеханического переключателя 5 на управляющий вход электронного переключателя 7 с выхода источника стабилизированного напряжения 4 поступает напряжение высокого логического уровня, в результате чего электронный переключатель 7 подключает к входу генератора управляемых по длительности прямоугольных импульсов напряжения 11 выход второго преобразователя напряжения в ток 15 и отключает от входа этого генератора выход первого преобразователя напряжения в ток 14.
Выходное напряжение усилителя постоянного тока 2, пропорциональное высоте полета летательного аппарата, воздействуя на управляющий вход второго преобразователя напряжения в ток 15, изменяет величину его выходного тока, вследствие чего изменяется соответствующим образом длительность прямоугольных импульсов напряжения, вырабатываемых генератором 11, и поступающих через усилитель мощности 12 на вход сервопривода 13.
В результате этого качалка 18 сервопривода 13 по мере увеличения высоты перемещается из углового положения, соответствующего нулевой высоте, отклоняя посредством толкателя 20 стрелку 17 индикатора высоты 8 от нулевой отметки шкалы 16 на некоторый пропорциональный высоте угол.
При уменьшении высоты и увеличении вследствие этого атмосферного давления толкатель 20 отходит от стрелки 17. Стрелка 17 вследствие прекращения действия на нее толкателя 20 остается неподвижной и, будучи отклоненной на некоторый пропорциональный высоте угол, фиксирует на шкале 16 результат измерения максимальной высоты, соответствующей минимальной измеренной величине атмосферного давления.
Результат соответствующего измерения, зафиксированный стрелкой 17 на шкале 16 индикатора высоты 8, считывают после завершения полета летательного аппарата, на котором установлен барометрический высотомер.
Таким образом, предлагаемый барометрический высотомер выгодно отличается от прототипа, поскольку имеет более широкие функциональные возможности, позволяющие автоматически фиксировать как результат измерения высоты, на которой происходят соответствующие действие, предусмотренные программой полета летательного аппарата, так и результат измерения максимальной высоты полета. Автоматическая фиксация результата измерения высоты расширяет область применения предлагаемого барометрического высотомера за счет возможности его использования на борту малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, в частности моделей ракет, авиамоделей и моделей воздушных шаров.
Применение предлагаемого барометрического высотомера на борту малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, в частности моделей ракет, авиамоделей и моделей воздушных шаров для получения соответствующей информации о параметрах полета, использование полученной информации при разработке и производстве этих летательных аппаратов позволит улучшить их летные характеристики.