Variometer

vario.jpg Ein Variometer (auch Vario, Steigmesser, engl. vertical velocity indicator (VVI), vertical speed indicator (VSI)) zeigt die Vertikalgeschwindigkeit eines Luftfahrzeuges an. Die Steig- und Sinkraten werden entweder in Fuß pro Minute (ft/min) (im geregelten Luftverkehr nach ICAO-Regeln) oder in Metern pro Sekunde (m/s) (in Segelflugzeugen, Hängegleitern, Gleitschirmen und Ballonen) angezeigt. Das Messgerät wertet die Änderung des Luftdrucks mit der Höhe aus.

Funktion

In der Atmosphäre der Erde ändert sich der Luftdruck in Abhängigkeit von der Höhe über NN. Dieser Zusammenhang wird durch die Barometrische Höhenformel beschrieben. Wenn ein Flugzeug steigt oder sinkt, ändert sich der Druck der umgebenden Luft. Diese Änderung wird von einem Variometer gemessen und angezeigt. Mathematisch gesehen differenziert das Variometer die Höhe nach der Zeit. Andere Messprinzipien sind unüblich aber denkbar (z.B. Beschleunigungsmessung).

Mechanische Variometer

Variometer_01.svg Mechanische Variometer gehören zur Grundausstattung von Flugzeugen. Dies sind zuverlässige und robuste Geräte, die auch bei Stromausfall sicher funktionieren. Bei mechanischen Variometern wirkt der Luftdruck (statischer Druck) auf der einen Seite der Mechanik ein. Die Veränderung des Drucks wird dadurch gemessen, dass auf der anderen Seite ein "Ausgleichsgefäß" angeschlossen wird.

Das Ausgleichsgefäß 1 dient der Vergrößerung des umschlossenen Lufvolumens und ist wärmeisoliert, um Störungen der Anzeige durch Temperatureinflüsse auszuschalten. Der Druck in diesem Gefäß und der damit verbundenen Kammer des Variometers wird über eine Kapillare mit Verzögerung an den statischen Außen-Druck angeglichen, während der Druck des Volumens 2 über der Membran ohne Verzögerung dem statischen Außendruck folgt (pneumatisches Differenzieren). Im Horizontalflug bei konstantem Außendruck ist der Druck auf beiden Seiten der Membran gleich, die Anzeige ist in der Neutralstellung (auf Null). Bei Steigflug stellt sich unterhalb der Membran ein höherer Druck als über der Membran ein: Der Überdruck im Ausgleichsgefäß (gegenüber dem fallenden Außendruck) wird über die Kapillare nur verzögert durch Abströmen von Luft nach außen abgebaut, während die Kammer 2 im Variometer ohne Verzögerung dem Außendruck folgt. Die Druckdifferenz verformt die Membran nach oben, was über das Getriebe eine „Steigt“-Anzeige (+) bewirkt.

Im Sinkflug herrscht im Augleichsgefäß wegen des verzögerten Druckausgleichs über die Kapillare ein Unterdruck gegenüber der Kammer oberhalb der Membran, was zu einer „Sinkt“-Anzeige (-) führt.

Die Luftdruckänderung, und damit der Unterschied zwischen dem statischen Druck und dem Druck im Ausgleichsgefäß, ist ein Maß für die Vertikalgeschwindigkeit.

Verbreitete Bauweisen sind das im Schema abgebildete Dosenvariometer (Membrandose) als robustes, aber träges Instrument mit großem Messbereich (bis ±10 m/s und mehr) und das Stauscheibenvariometer als schnelles Messgerät für geringe Steig- und Sinkraten.

Elektronische Variometer

Gleitschirmvario.jpg Bei Elektronischen Variometern gibt es solche, die vom Prinzip her ähnlich wie die mechanischen Variometer arbeiten. Auch hier wird mittels Ausgleichsgefäß über eine Kapillare die Druckveränderung, die relativ zur Vertikalgeschwindigkeit ist, gemessen. Die Messung erfolgt über Menge und Geschwindigkeit der ausgleichenden Luftströmung mittels elektronischer Bauteile (z.B. beheizter Temperatursensoren).

In einer alternativen Bauart wird der Luftdruck mittels Drucksensor hochauflösend gemessen (elektronischer Höhenmesser) und das Signal entweder analog oder digital differenziert. Dieses Verfahren erfordert eine qualitativ hochwertige Sensorik und Auswertelektronik. Solche Variometer können zusätzlich auch noch eine Höheninformation zur Verfügung stellen. Außerdem werden sie oft noch mit einem elektronischen Fahrtmesser kombiniert.

Das Messsignal wird mit Hilfe von Zeigern, mit einer LCD oder auch akustisch angezeigt. Neuere Geräte können zudem noch mit einem GPS verknüpft werden. Das Variometer zusammen mit der Höheninformation, der Fahrtinformation und einer genauen Positionsbestimmung ermöglicht viele zusätzliche Funktionen, wie das Bestimmen der Streckengeschwindigkeit oder das Berechnen der erwarteten Ankunftshöhe (Endanflugrechner). Diese Geräte werden in vielen Varianten für Segelflieger, Gleitschirmpiloten, Hängegleiter und Ballonfahrer angeboten.

Fahrtkompensation

Variometer zeigen die vertikale Geschwindigkeit des Luftfahrzeuges an. Wenn ein Luftfahrzeug seine Geschwindigkeit ändert, gewinnt oder verliert es auch an Höhe. Segelflugzeuge mit ihrer hervorragenden Aerodynamik können nahezu ohne Energieverlust Fahrt in Höhe und umgekehrt wandeln. Dies führt beim praktischen Fliegen dazu, dass der Pilot abhängig von der Steuerbewegung Steigen oder Sinken angezeigt bekommt. Dieses Anzeigeverhalten ist äußerst unerwünscht, da sich der Segelflieger viel mehr für Änderung der sogenannten Totalenergie (Summe kinetischer plus potentieller Energie) interessiert. Anders ausgedrückt: er möchte wissen ob er in einem Auf- oder Abwind fliegt - die Anzeige des Variometers soll dabei von Fahrtänderungen unabhängig sein.

Kompensationsdüsen ermöglichen die Anzeige der Änderung der Totalenergie. Diese Düsen ziehen den Staudruck vom statischen Druck ab:

Statischer Druck:

p_{Statisch}

Staudruck:

p_{Stau}

Kompensationsdruck:

p_{Kompensation} =  p_{Statisch} - p_{Stau}

Dieses Vorgehen führt nun dazu, dass die Summe aus kinetischer und potentieller Energie betrachtet wird. Bei einem Wechsel zwischen den beiden Energieformen (z.B. Fahrt nimmt zu, Höhe ab) bleibt der Kompensationsdruck

p_{Kompensation}

konstant. Kompensationsdüsen sind dünnwandige, (ca. 1 mm) an einer Seite geschlossene Röhren (ca. 8 mm) mit Bohrungen oder Schlitzen auf der Rückseite, die senkrecht zur ungestörten Strömung angebracht werden. Mechanische Variometer werden in Segelflugzeugen also - anders als oben beschrieben und auf dem Gerätegehäuse vermerkt - an den Kompensationsdruck angeschlossen. Elektronische Variometer können auf die gleiche Art kompensiert werden. Es gibt alternativ dazu noch die Möglichkeit, die Fahrt elektronisch zu messen und rechnerisch (analog oder digital) von der Höhe abzuziehen. Diese "elektronische" Fahrtkompensation ist meist präziser als die pneumatische Variante.

Hersteller

Führende Hersteller von Variometern sind Aircotec, Bräuniger, Flytec, ILEC, Renschler, Westerboer, und Winter.

Siehe auch

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