Höhenskalierung eines barometrischen Höhenmessers

Diskutiere Höhenskalierung eines barometrischen Höhenmessers im Luftfahrzeugtechnik u. Ausrüstung Forum im Bereich Grundlagen, Navigation u. Technik; Moin, ich habe eine generelle Frage zur Funktionsweise von barometrischen Höhenmessern im Flugzeug. Undzwar wie stellt der Höhenmesser einen...

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  1. #1 maisinator, 19.12.2015
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    Moin,

    ich habe eine generelle Frage zur Funktionsweise von barometrischen Höhenmessern im Flugzeug. Undzwar wie stellt der Höhenmesser einen Bezug zwischen Druck und Höhe her? Greift er dabei auf den Verlauf der ISA mit Standardbedingen zurück oder wie funktioniert das?

    Genauer gefragt, der Druck ändert sich exponentiell mit der Höhe. Wenn ich nun an meinem Höhenmesser einen anderen Druck als Referenzfläche einstelle, zählt er dann von dieser Druckfläche an exponentiell mit Standartbedingungen hoch (mit außnahme vom Referenzdruck der jetzt dem eingestellten Wert entspricht) oder wie wird hier der Zusammenhang hergestellt?

    Vielen Dank im Voraus :D
     
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  3. banji

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    Deine Frage ist sehr kompliziert formuliert, ich mach die Antwort etwas einfacher.

    Der Höhenmesser hat eine Stellschraube. Mit der kann ich ihn auf 0 drehen (Dann habe ich AGL am Platz eingesllt "QFE") oder auf das angegebene QNH vom Platz, dann Zeigt die Anzeige die Höhe des Platzes über MSL an. Soweit zur einstellbarkeit (Im Flug gibt es dann noch ein Standart pressure Level (1013,25) das wird weiter oben benutzt :-)

    Die Funktion ist ganz einfach über eine "Probe" (englisch, kenn das deutsche Wort nicht) wir der statische außendruck abgenommen. Im Inneren gibt es ein kleines Gefäß namens Aneroiddose in der ein Standarddruck herrscht. Durch den Einfluss ders Aussendrucks im Gerät dehnt sich diese aus und die Ausdehnung wird auf die Anzeige übertragen
     
  4. #3 MiG-Admirer, 19.12.2015
    MiG-Admirer

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    Da habe ich mal 'ne Frage.
    Wie kommst Du dazu, eine solche Frage zu stellen.?
    Wurde Dir der Höhenmesser in der Flugausbildung unzureichend erklärt oder hattest Du auf Deinen ersten Alleinflügen illusionäre Abweichungen :confused:

    https://de.wikipedia.org/wiki/Höhenmesser
     
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  5. #4 cool, 20.12.2015
    Zuletzt bearbeitet: 20.12.2015
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    Die Frage ist gar nicht so doof, nachdem ich mehr als eine Minute darüber nachgedacht hatte, war ich mir auch nicht mehr so 100%ig sicher.
    Generell ist es in der Technik gar keine so schlechte Idee, sich bei der Nutzung von Messinstrumenten (egal welche) auch immer zu fragen, was man den misst und mit welcher Genauigkeit, sprich was zeigt mein Instrument überhaupt an und in welchem Rahmen kann ich dieser Anzeige vertrauen. Die meisten Instrumente arbeiten (leider) nicht über den kompletten Messbereich mit der selben Genauigkeit, üblicherweise ist der relative Fehler im unteren Messbereich recht groß.

    In der Navigation bei Verkehrsflugzeugen wird das auch angezeigt, genauso wie die meisten GPS-Empfänger das auch tun, diese geben 2 Daten raus: einmal die Position selbst (Fehlerbehaftet) und einmal eine Mögliche Abweichung von dieser.

    Sicher ist, dass ein barometrischer Höhenmesser über eine Druckdifferenz einen Bezug zu einer Druckhöhe herstellt, die Anzeige in Meter auf dem Zifferblatt ist in Wirklichkeit eine Druckdifferenz. Etwas komplizierter ist die Tatsache, dass die Mechanik des HM eine nicht-Linearität umsetzten muss, entlang einer abnehmenden e-Funktion:

    p1 = p0 * e^(-0.125*h)

    wird damit zu
    p1 = 1013 * e^(-0.125*h)

    Die Abzisse zeigt die Höhe in km, die Ordinate den Druck in mBar, dies ist der Verlauf unter ISA:

    Anhänge:



    Was passiert nun technisch im Höhenmesser, wenn man am Rad dreht? Wie setzt er das um, da gibts ja nun 2 Möglichkeiten:

    1. -> p1 = p_neu * e^(-0.125 * h )
    2. -> p1 = 1013 * e^(-0.125 * h ) + Offset

    Bei 1. wird ein neuer Referenzdruck eingestellt, von dem ausgehend der Höhenverlauf dargestellt wird

    Und was davon ist physikalisch erstmal die korrekte Arbeitsweise und welche nutzt man dann, weil es vielleicht einfacher ist, das mechanisch umzusetzten?

    Hier sieht man den Unterschied, wobei ich das nicht berechnet habe, sondern die Kurven solange verändert habe, bis es passt. Ist qualitativ aber tauglich für unsere Zwecke:

    Die grüne Linie entspricht dabei Möglichkeit 1, die blaue eben der 2. Möglichkeit (mit dem Offset)

    Anhänge:



    Unterschied ist ja klar erkennbar, wobei auch klar ist, dass Möglichkeit 2 nicht der Realität entsprechen kann, dass die Kurve schon bei 15km Höhe in negativen Druckbereich fällt und negativen Druck gibts nicht. Die grüne Kurve wird übrigens nie negativ, da e^(irgendwas) nie negativ wird.
    Ist technisch aber nicht so wild, weil ohnehin eigentlich nur der Bereich in den ersten 3km interessiert, dieser wird von Hobbypiloten genutzt, alles was höher fliegt nutzt aber nach der "Transition Altitude" ohnehin Standardwert, das Offset fällt damit weg.

    Meines Erachtens macht es in der Anzeige nahezu keinen Unterschied, ob man nun Methode 1 oder 2 verwendet, obwohl ausgehend für das QNH die 1. wohl technisch korrekt wäre, da dieser den physikalischen Hintergrund des Druckverlaufs berücksichtigt. Beachtet, dass ich extreme Werte bei den Kurven verwendet habe, um den Unterschied deutlich zu machen!


    Es gibt aber noch nen Fall, bei dem es durchaus zu anderen Anzeigen kommen könnte:

    "Gedankenexperiment" -> ein UL steht auf einem Platz auf MSL, es herrschen ISA-Bedingungen und der HM zeigt bei 1013mBar genau 0 Meter. Der HM wird auf Platzhöhe eingestellt und soll für den folgenden Flug also die Height anzeigen!
    Ein zweites UL steht auf einem Platz unweit davon, aber der Platz liegt genau 1000m über MSL, er nimmt die gleichen Einstellungen vor und da auch bei ihm ISA herrscht, zeigt sein Höhenmesser bei 0m Height genau 893.97mBar an :rolleyes:

    Wenn beide ULs nun in 1500m (asugehend vom 1. Platz) unterwegs sind, dann müsste eigentlich der eine Höhenmesser eben genau diese, der andere 500m anzeigen.
    Bei Möglichkeit 1:
    UL1: p = 1013*e^(-0,125*1,5) = 839,81 mBar
    UL2: p = 896,13*e^(-0,125*0,5) = 839,55 mBar
    Recht genau wie ich finde, den folglich muss auf gleicher Höhe auch der gleiche Druck herrschen.

    Bei Möglichkeit 2:
    UL1: p = 1013*e^(-0,125*1,5) = 839,81 mBar
    UL2: p = 1013*e^(-0,125*0,5) - 190,3mBar = 832,59 mBar
    Grössere Abweichung, sprich auch unterschiedliche Anzeigen. Bei einer in etwa Auflösung von 5500m auf 500mBar der Instrumente macht das 11m pro mBar und damit eine Abweichung von knapp 80 meter.

    Obwohl der Druck-Gradient (1. Ableitung) bei Möglichkeit 1 unterschiedlich verläuft, ist die Anzeige recht genau.

    Mechanisch wird sich aber ein Addierer (Offset) leichter aufbauen lassen, als ein Multiplizierer, zudem ist der Fall mit den ULs eine Art Sonderfall, bei dem sich diese Abweichung bemerkbar macht. Sofern QNH genutzt wird, ist die Abweichungen zwischen den Flugzeugen ja nur noch auf die jeweilige Messungenauigkeit des einzelnen Höhenmessers zurück zu führen, da beide HM mit den gleichen Daten "rechnen".
     
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  6. #5 maisinator, 20.12.2015
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    Super Danke cool, genau das war meine Frage :D (Entschuldigung an die Anderen, wenn da vlt. etwas falsch verstanden wurde)

    Weiß denn jemand, ob barometrische Höhenmesser nun nach Möglicheit 1 oder Möglichkeit 2 agieren?

    Nein weder noch, ich fliege gar nicht selber :D Studiere Luftfahrttechnik und darf mich mit einem Prof. begnügen, der von Tuten und Blasen keine Ahnung hat :mad:
     
  7. #6 witeblax, 20.12.2015
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    Hmm, wie iss'n der Prof geworden?:wink::)

    Mir ist noch gut in Erinnerung, daß mein Fluglehrer stets darauf hingewiesen hat, dass der Höhenmesser eben nur auf die Standardatmosphäre geeicht werden kann. Somit zeigen ALLE Höhenmesser (abgesehen von technisch bedingten Greätetoleranzen), wenn sie alle gleich eingestellt sind (z.B. auf 1013,25 hPa bei Flügen nach Flugflächen) auch dieselbe Höhe an, wenn sie gleich hoch fliegen. Das macht ja auch Sinn, um da wo Platz ist (keine störenden Berge oder Hindernisse), alle einander ausweichen können bzw. zuverlässig in unterschiedlichen Höhen gestaffelt werden.
    Zur Landung oder zum Flug in Bodennähe stellt man eben auf den Wert des QNH, um die Höhe (nach Standardatmosphäre!) über dem mittleren Meeresniveau zu erhalten. Weichen die Wetterdaten nun von der Standardatmosphäre ab, zeigt jeder Höhenmesser gleich falsch an, was wiederum für die Höhenstaffelung im unteren Bereich des Luftraums kein Problem darstellt, aber die Hindernisfreiheit ist so ne Sache... Die Höhenangaben von Bergen und Hindernissen in den Luftfahrtkarten beziehen sich eben auch auf die Standard-Atmosphäre, sprich ein Hindernis von z.B. 1500 ft kann ich bei genauen Standardbedingungen mit einer Höhenanzeige meines Höhenmessers auf QNH-Einstellung mit 1600 ft Anzeige einigermaßen sicher überfliegen:) (jajaja, darfmannicht, isja auch nur'n Beispiel) Wenn es jetzt aber etwas kälter ist, ist die sog. "barometrische Höhenstufe" kleiner, vereinfacht ausgedrückt: kalte Luft ist weniger ausgedehnt als warme Luft. Also zeigt mein Höhenmesser bei Wetterlagen, die kälter, als Standard sind, in Höhen deutlich unterhalb von 1500 ft bereits z.B. die 1600 ft an, und ich fliege im o.g. Beispiel je nach Außentemperatur schon "guten Gewissens" gegen das besagte Hindernis.

    Der eingangs erwähnte Fluglehrer resümierte deshalb seine Ausführungen mit dem Satz: "Im Winter sind die Berge höher!", was mir in marginalen Wettersituationen unter mäßigen VMC stets in Erinnerung geblieben ist:wink: So mag es auch eine Erklärung dafür sein, daß es in kalten und nebligen Winterzeiten schon mal häufiger zu CFITs (Controlled Flight Into Terrain) kommt...:FFCry::cool:
     
  8. #7 cool, 20.12.2015
    Zuletzt bearbeitet: 20.12.2015
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    Ich glaube!! du wirst beides finden, ganz einfach aus dem Grund, als das beide Arten (im gewissen Rahmen) zum gleichen Ergebnis fuehren. Technisch Waere natuerlich 1. korrekt, mechanisch leichter ist 2.
    Luftdatenrechner (egal ob analog oder digital) ist es egal, was sie da umsetzten muessen, zumal die Berechnung jetzt keinen Rechner aus der Reserve lockt.

    Entscheidend bei der Hoehenmessung ist fuer den praktischen Gebrauch in der Luftfahrt auch eher, dass man die Differenz zu anderen Fluggeraeten wissen will, denn ob ich mich in 3000m +-100m ueber Grund bewege ist recht wurscht, ob ich aber +-100m zu einem anderen Fluggeraet habe, ist recht wichtig. Deswegen ist es auch weniger wichtig, welche Methode angewendet wird, solange alle Geraete den gleichen systematischen Fehler aufweisen. Systematischer Fehler waere in dem Fall, dass alle Geraete 100m zuviel oder zuwenig anzeigen.
    Dies ist dann auch der Grund, warum alle Hoehenmesser ab einer gewissen Hoehe (Transition Altitude) auf die Standardwerte eingestellt werden muessen, damit wird der Systematische Fehler eliminiert* und A380 wie Cessna 172 sollten dann bei 5000ft (genauer Flugflaeche -> FL50) auch genau diesselbe Hoehe anzeigen. Dann ist der Hoehenmesser aber kein Hoehenmesser mehr ansich, denn die angezeigte Hoehe hat nur noch wenig mit der realen Hoehe zu tun.

    Nur nochmal wegen der genutzten Formeln: das sind "zusammengekuerzte" Formeln die sich aus der barometrischen Hoehenformel ergeben. Ich hoffe, es ist klar, dass in einem Exponenten nie eine Einheit stehen darf, weswegen sich die Hoehe im Exponenten eigentlich aus einem Hoehenverhaeltnis ergibt. Ich hab dieses "Detail" mal untern Tisch fallen lassen, weil ich den Post nicht theoretisch aufblaehen wollte. Nen Prof. achtet aber auf sowas, sprich da kann man nicht "einfach" fuer h irgendwas mit km einsetzten, der wuerde dir die Ohren langziehen :FFTeufel:

    * naja, korrekter: die Geraete haben natuerlich alle noch einen systematischen Fehler, aber die Abweichung untereinander geht gegen 0.


    Mal bissi weniger Theorie: Wer von den Piloten mit alten Rundinstrumenten die mechanisch funktionieren hat den so nen Ding mal "bespielt" ? Gabs da nciht auch welche, bei der man nur das "Ziffernblatt" gedreht hat? oder welche, bei denen man intern den gesamten Mechanismus gedreht hat?
    Waere in beiden Faellen jeweils die Offsetmethode.

    Bei der anderen Methode koennte man sowas ueber eine einstellbare Federspannung loesen.

    Ich hab bis dato aber noch nie soweit in einen Hoehenmesser "schauen duerfen", auseinander bekomme ich die naemlich wunderbar, fuer alles weitere uebernehme ich aber keine Garantie :D
     
  9. GorBO

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    Jaja, und "vom Hoch ins Tief gehts schief!" :wink:
    Ein guter Teil der Meteorologie-Schulung und -Prüfung beschäftigt sich ja mit dem Unterschied zwischen wahrer Höhe und angezeigter Höhe. Und ich habe es gehasst! Mittlerweile sind nur noch Bruchstücke wie "27ft pro 1hPa" oder "4% Höhenkorrektur pro 1° Temperaturabweichung" im Gedächtnis und eben die oben genannten Merksätze.

    Btw. Gibt es nicht für Höhenmesser zugelassene Höhenbereiche eben weil man mit größerer Höhe je nach Art der QNE - QNH Umstellung zum Teil erhebliche Abweichungen bekommt?
     
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  10. #9 JohnSilver, 20.12.2015
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    Im Lotter Kreuz links oben
    Das wäre aber eine ziemlich große Korrektur :wink:

    Es sind 4% pro 10° Abweichung. Nix für ungut :wink:
     
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  11. GorBO

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    Ich sag doch, die Erinnerung ist lückenhaft. :wink:
     
  12. #11 witeblax, 20.12.2015
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    ...mit 4% pro ° bist Du aber auf jeden Fall auf der sicheren Seite:):blush2:
     
  13. #12 Falco, 21.12.2015
    Zuletzt bearbeitet: 21.12.2015
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    Dem kann abgeholfen werden:

    einfacher mechanischer Encoding-Altimeter von Aerosonic:
    das kleine Messingzahnrad (auf dem 2. Bild, zwischen 6-7 auf der Anzeige) überträgt die QNH-Einstellung vom Drehknopf im Gehäuse.
     

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  14. Falco

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    Hier noch eine weitere Ansicht vom geöffneten Encoding-Altimeter:

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  15. #14 mig-jet, 21.12.2015
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    Sehr interessantes Thema wenn man bedenkt wie viele Unfälle schon durch eine falsche Manipulation des Höhenmessers ihren Ursprung hatten. Vieles wusste ich nicht mehr, und glaube ich bin nicht der Einzige.
    Gruß, Marc
     
  16. #15 maisinator, 21.12.2015
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    Vielen Dank so weit.

    Wenn die Höhenseparation untereinander wichtiger ist, müsste es jedoch eine einzige Funktionsweise geben. Würde man beide vorfinden würden sich ja Differenzen in der Anzeige zwischen Flieger A und Flieger B ergeben.

    Wird eigentlich die Temperaturabweichung von der ISA in irgendeiner Weise am Höhenmesser und damit bei der angzeigten Höhe berücksichtigt?
     
  17. #16 Cappuccino, 21.12.2015
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    Alle Abweichungen betreffen alle Flugzeuge gleichermaßen, deswegen wird das nicht extra korrigiert; alle fliegen in der etwa gleich warmen/kalten Luft und über der sog. transition altitude, sodass der Abstand gewahrt bleibt.
     
  18. #17 maisinator, 23.12.2015
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    So war das nicht gemeint. Ich meinte wenn Flieger A mit einem Höhenmesser nach Methode 1 und Flieger B mit einem Höhenmesser nach Methode B unterwegs ist würden sich ja Abweichungen zwischen beiden Höhenmessern ergeben, obwohl das gleich QNH als Referenz eingestellt wäre. Daher dürfte es doch nur eine Bauart geben, um genau dies zu vermeiden...
     
  19. cool

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    Da hast du prinzipiell recht. Schreib doch mal einen Hersteller an und frag mal nach, die sind in solchen Sachen eigentlich recht hilfsbereit.
     
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  21. #19 witeblax, 24.12.2015
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    Ich denke, dass die Bauartlichen Unterschiede zwischen Höhenmessern der Bauart 1 und Höhenmessern der Bauart 2 für die Praxis der Höhenstaffelung vernachlässigbar gering sind. Ich erinnere mich, dass der S-Tech-Autopilot mit dem zugehörigen Altitude-Preselect/Alert eine eigene Druckdose hatte und bei meinetwegen gewähltem FlightLevel 280 der Capture-Mode ab 27.700 ft aktiv wurde und dann bei ca. 28.100 ft ins ATL-Hold ging. Dann zeigte der eine Höhenmesser grade mal 27.950 ft, der andere die beschriebenen 28.100 ft und der Lotse fragte öfter mal nach, weil der Transponder 28.150 ft anzeigte. Alle Toleranzen waren weit innerhalb des Zulässigen und zur Bruhigung der Lotsen und mir selbst hab ich demzufolge immer 100 ft. weniger in den S-Tech Preselector eingespeist, das war dann sozusagen der Erfahrungskompromiss. Klar hätte man das irgendwie zusammen-justieren können, aber mit welchem Aufwand und zu welchen Kosten. Alle der genannten Systeme arbeiteten prinzipiell einwandfrei und die Abweichungen sind im hinnehmbaren Bereich...
     
  22. #20 maisinator, 25.12.2015
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    Wäre schön wenn mein Prof das in der Flugmechanikklausur auch so sehen würde :FFTeufel:

    Gibt es denn irgendwelche großen/bekannten/marktdominierenden Hersteller für barometrische Höhenmesser die ich anschreiben könnte oder ist das egal und ich kann den erstbesten von google nehmen?
     
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