1 IK071 Frank Kursawe LSV Albgau 20.01.2007 Instrumentenkunde.

1IK071 Frank Kursawe LSV Albgau 20.01.2007

Instrumentenkunde


Instrumentenkunde

Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel

Künstlicher Horizont

Wendezeiger

Triebwerküberwachungsinstrumente

GPS

FLARM

Gliederung


Instrumentenkunde

Einteilung

Barometrische Instrumente – Auswertung des Luftdrucks – Höhenmesser, Fahrtmesser, Variometer

Magnetische Instrumente – Auswertung des Erdmagnetfelds – Magnetkompass

Trägheitsinstrumente – Auswertung des Trägheitsmoments – Wendezeiger, künstlicher Horizont, Kreiselkompass

Funkinstrumente – Auswertung der Laufzeit von Funkwellen (wird hier nicht behandelt) – Funkhöhenmesser, Radar, Navigation (wird hier nicht behandelt) – GPS


Instrumentenkunde

Zur Mindestausrüstung zählen die Flugüberwachungsinstrumente Höhenmesser und Fahrtmesser

Wolkenflug mit Segelflugzeugen ist, entsprechende Berechtigung und Freigabe vorausgesetzt, zulässig mit: Fahrtmesser, Höhenmesser, Wendezeiger mit Libelle, Magnetkompass, Vario

Ausrüstung


Instrumentenkunde

Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


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Höhenmesser

Methoden zur Bestimmung der Flughöhe:

Barometer: Der Luftdruck wird gemessen. Aus der gesetzmäßigen Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe ergibt sich die Flughöhe

Echolot: Die Laufzeit von Schallwellen wird gemessen. Nicht gebräuchlich in der Luftfahrt.

Funkhöhenmesser: Die Laufzeit von Funkwellen wird gemessen.

GPS: Genau aber nicht 100%ig zuverlässig.


Instrumentenkunde

Barometrische Höhenformel

Der Luftdruck nimmt exponentiell mit der Höhe ab.

p(h) = p0 exp (-0 g h / p0) (*)

mit p0 = 1013,25 hPa0 = 1,293 kg/m3

g = 9,81 m/s2

(*) wenn h < 100 km und T = 0°C

Merke:Der Luftdruck halbiert sich ungefähr alle 5,5 km

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 2000 4000 6000 8000 10000

Höhe [m]

Dru

ck [

hP

a]

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0


Instrumentenkunde

Die ”barometrische Höhenstufe” ist derjenige Höhenunterschied, bei dem der Druckunterschied 1 hPa beträgt.

NN 8 m/hPa1000 m 9 m/hPa2000 m 10 m/hPa3000 m 11 m/hPa5000 m 14 m/hPa9000 m 25 m/hPa

Für überschlägige Berechnung kann die barometrische Höhenstufe innerhalb eines Höhenbandes von 1000m als konstant angenommen werden.

Barometrische Höhenstufe


Instrumentenkunde

Wenn man von einem Luftdruck auf eine Höhe schließen will, so muss man den aktuellen Zustand der Atmosphäre kennen und das Barometer muss auf einen Standard kalibriert sein. Auch alle anderen luftdruckbasierten Instrumente werden darauf kalibriert.

Ist die Atmosphäre gerade nicht im ”Normzustand” (also fast immer), so zeigen die Instrumente falsch an. Es sei denn, sie wurden aufwändig kompensiert.

Standardatmosphäre


Instrumentenkunde

Standardatmosphäre

Luftdruck in NN 1013,25 hPaTemperatur in NN + 15 °CLuftfeuchtigkeit 0 %Luftdichte in NN 1,226 kg/m3

Temperaturgradient bis 11 km -0,65 K/100mStratosphärentemperatur -56,5 °CHöhe der Stratosphäre 11 km


Instrumentenkunde

Bauprinzip des Höhenmessers

Die geschlossene Dose ist luftleer. Der Atmosphärendruck lastet auf ihr und versucht sie einzudellen. Die Feder wirkt dem Luftdruck entgegen. Im Kräftegleichgewicht ergibt sich eine dem Luftdruck entsprechende Verformung, die auf die Zeiger übertragen wird.

Die Temperaturkompensation wirkt der Verformung durch die Umgebungstemperatur entgegen. Dadurch wird nicht eine Abweichnung von der Standard-atmosphäre ausgeglichen!

Für größere Empfindlichkeit können mehrere Dosen in Reihe geschaltet werden.

Bildquelle: Hesse 2 - Bordinstrumente

01000


Instrumentenkunde

Aneroid-dosen

Barograph


Instrumentenkunde

Druck der Bezugshöhe(QNH, QFE, ...)

Einstellknopf für Bezugsdruck

100m-Zeiger

1000m-Zeiger

Höhenmesser


Instrumentenkunde

stat. Druck(im gesamten Innenraum)

Aneroiddosen, Reihenschaltung

Masseausgleich

Höhenmesser


Instrumentenkunde

Höhenmessereinstellung

Angezeigt wird die Höhe über derjenigen Fläche, deren Luftdruck auf der Druckskala eingestellt wurde.

Die Höhe über Grund kann nicht direkt abgelesen werden, wenn

der Flugzeugführer nicht weiß, wie hoch die Bezugsfläche ist

der Atmosphärenzustand nicht den Normbedingungen entspricht

die statische Druckabnahme schräg angeblasen wird

das Drucksystem undicht ist


Instrumentenkunde

Höhenmessereinstellungen

Beim Höhenmesser muß in der Druckskala das Bezugsniveau eingestellt werden. Je nach Einstellung ergeben sich unterschiedliche Anzeigen.

Achtung: Das Wetter ändert sich und damit auch Luftdruck und angezeigte Höhe. Auch bei unveränderter wahrer Flughöhe!

QFE

QNH

QFF

QNE

aktueller Luftdruck am Platz Höhe über dem Platz

aktueller, mit Hilfe der Standardatmosphäre auf NN umgerechneter Luftdruck

Höhe über MSL bei Normbedingungen

aktueller, mit Hilfe der realen Wetterbedingungen vor Ort auf NN umgerechneter Luftdruck

Höhe über MSL für diesen einen Ort bei diesem Wetter. Zum Vergleich von Druckwerten in Wetterkarten

1013,25 hPa Druckhöhe (pressure altitude). Höhe über der 1013,25hPa-Druckfläche

Kürzel Eingestellt wird Angezeigt wird


Instrumentenkunde

Standardeinstellung

Bei Überlandflügen über 5000 ft MSL oder 2000 ft GND (es gilt der größere Wert) muß der Höhenmesser auf 1013,2 hPA eingestellt werden.

Nachteil Der Höhenmesser zeigt wahrscheinlich weder die Höhe über MSL noch die Höhe über dem Platz.

Vorteil Da alle mit der gleichen Einstellung fliegen, machen auch alle den gleichen Fehler. Erst dadurch können Flugzeuge vernünftig in der Höhe gestaffelt werden.

Anmerkung: Zur Landung wieder auf QNH stellen!


Instrumentenkunde

Druckhöhe (pressure altitude)Die Höhe über der Standarddruckfläche 1013,2hPa.

Dichtehöhe (density altitude)Die Höhe in der Standardatmosphäre, die der in der Flughöhe herrschenden Luftdichte entspricht. Die Dichtehöhe wird in Warmluft größer als die Druckhöhe.

Elevation (ELEV)Die Flugplatzhöhe über MSL. Höhenmessereinstellung: QNH.

AltitudeDie Flughöhe über MSL. Höhenmessereinstellung: QNH.

HeightDie Flughöhe über Grund. Höhenmessereinstellung: QFE.

Höhenbegriffe


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Flugfläche (flight level)Die Flughöhe über der 1013,2hP-Druckfläche. Höhenmessereinstellung: QNE.

Übergangshöhe (transition altitude)Höhe, in und unterhalb derer der Höhenmesser auf QNH gestellt wird.

Übergangsfläche (transition level)Festgelegte erste nutzbare Flugfläche, die mindestens 1000ft oberhalb der Übergangshöhe von 5000ft MSL liegt.

Höhenbegriffe


Systematische Fehler – falsche Kalibrierung – schlechte Temperaturkompensation – Hysterese: Die Nadel bleibt trotz Höhenänderung auf dem alten Wert hängen und geht wenn die Höhendifferenz groß genug wird ruckartig auf den neuen Wert (anklopfen hilft). – falsche Druckabnahme – falsche Fluglage (Schieben)

Meteorologische Fehler – gegenwärtige Luftschichtung entspricht nicht der Standardatmosphäre

Zulässige Toleranz am Boden: 50 ft pro 1000 ft Höhe: 10 ft Hysterese: 75 ft

Instrumentenkunde

Anzeigefehler

kein PPL-C-Prüfungsstoff


Instrumentenkunde

Fliegen in kalter Luft (1)

Bei zu kalter Luft zeigt der Höhenmesser zu viel an.

Pro 2,8 °C von der angezeigten Höhe 1 % abziehen.

Merkregeln

Von warm nach kalt wird man nicht alt!

Im Winter sind die Berge höher.


Instrumentenkunde

Fliegen in kalter Luft (2)

Bei zu kalter Luft zeigt der Höhenmesser zu viel an.


Instrumentenkunde

Fliegen in niedrigen Luftdruck (1)

Merkregel

Vom Hoch ins Tief geht schief.

Besondere Gefahr droht, wenn man aus einem Gebiet höheren Luftdrucks in ein Gebiet niederen Luftdrucks einfliegt.

Bei konstanter Anzeige wird die wahre Höhe kleiner, da die eingestellte Bezugsfläche nun tiefer liegt.


Instrumentenkunde

Fliegen in niedrigen Luftdruck (2)


Instrumentenkunde

Höhenmessereinstellungen – Beispiel

Flugplatzhöhe: 160m über dem Meer

Luftdruck am Boden: 1007hPa

Flughöhe: 1000m über Grund

1) Wie groß ist das QFE?

2) Wie groß ist das QNH?

3) In welcher Höhe befindet sich die Standarddruckfläche?

4) Welche Höhe zeigt der Höhenmesser am Boden bei Einstellung QFE, QNH, Standard?

5) Welche Höhe zeigt der Höhenmesser in der Luft bei Einstellung QFE, QNH, Standard?


Instrumentenkunde

Höhenmessereinstellungen – Beispiel

10001007

01007

1601027

11601027

481013

10481013

MSL = 0m

1000m

GND=160mP = 1007hPa

112m, 1013hPa

Bezug

Bezug

Bezug

Bezug

QFE StandardQNH

P = 1027hPa


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Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


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Funktion des Fahrtmessers

Grundlage ist das Gesetz von Bernoulli:

”In einer stationären Strömung ist die Summe aus statischem und dynamischen Druck konstant.” (*)

*) gilt für inkompressible Strömung

Staudruck (q) + statischer Druck (p) = Gesamtdruck

0,5 v2 + g h = pgesamt

q = pgesamt – p

Es gilt also, die Differenz zwischen Gesamtdruck und statischem Druck zu messen und die Skala in km/h statt in hPa zu beschriften.


Instrumentenkunde

Bauprinzip des Fahrtmessers

Der Gesamtdruck wölbt die offene Dose nach außen. Dem wirkt der statische Druck auf der anderen Seite entgegen.

Im Kräftegleichgewicht stellt sich eine Wölbung ein, die dem Differenzdruck (=Staudruck) entspricht.

Zulässige Toleranz: 5 kt IAS


Instrumentenkunde

Fahrtmesser


Instrumentenkunde

Fahrtmesser

„offene“ Dose

stat. Druck (im Gehäuse)

Gesamtdruck (in der Dose)


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Drucksonden (1)

Pitot-Rohr

liefert den Gesamtdruck

einfachste Ausführung: offenes Rohrende an der Rumpfspitze

für höhere Geschwindigkeiten

Statik-Sonde

liefert den statischen Druck

einfachste Ausführung: Bohrungen in der Rumpfseite


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Drucksonden (2)

Prandtl-Staurohr

liefert statischen und Gesamtdruck

Kombination aus statischer Sonde und Pitot-Rohr.

Venturi-Düse

liefert statischen und Gesamtdruck

Gesamtdruck wird kleiner mit größerer Geschwindigkeit

Verwendung im niedrigen Geschwindigkeitsbereich (K8 etc.)


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Anzeigefehler

Lage Das Flugzeug befindet sich nicht in Normalfluglage (schiebt). Sowohl Staurohr als auch die Abnahme für den statische Druck werden schräg angeblasen. Die Anzeige kann bis zur Unkenntlichkeit verfälscht sein (z. B. im Slip).

Einbaufehler Die Druckverhältnisse sind nicht an jeder Stelle des Flugzeugs ideal. Je nach Position der Sonden zeigt der Fahrtmesser zu viel oder zu wenig,

Höhe Der Fahrtmesser ist auf NN kalibriert. Pro 1000 m über NN müssen 6% zum Anzeigewert addiert werden.

Temperatur Bei hohen Temperaturen zeigt der Fahrtmesser zu niedrige Werte an (man fliegt schneller als angezeigt).


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Fahrtmessermarkierungen

Normaler Betriebsbereich (grün)

Klappen erlaubt (weiß)

Min. Landeanflug-geschwindigkeit

Höchstzulässige Geschwindigkeit

Vorsichtsbereich (gelb)


Instrumentenkunde

Fahrtmessermarkierungen

VA Höchstgeschwindigkeit bei starker Turbulenz = ManövergeschwindigkeitVFE Höchstgeschwindigkeit bei ausgefahrenen LandeklappenVLE Höchstgeschwindigkeit bei ausgefahrenem FahrwerkVLO Höchstgeschwindigkeit um Fahrwerk ein-/auszufahrenVNE Höchstgeschwindigkeit in ruhiger LuftVSO Überziehgeschwindigkeit bei max. Gewicht im Leerlauf, Landekonfiguration.VS1 Überziehgeschwindigkeit im Leerlauf ohne Landeklappen bei max. Gewicht.VNO höchstzulässige ReisegeschwindigkeitVMC kleinste Geschwindigkeit, bei der eine Zweimot noch steuerbar ist, wenn ein Motor ausgefallen istVX Geschwindigkeit für besten SteigwinkelVY Geschwindigkeit für bestes Steigen

VSO ...VFE Landeklappen dürfen betätigt werden weißer BogenVS1 ... VNO normaler Betriebsbereich grüner BogenVNO ...VNE Vorsichtsbereich. Darf nur in ruhiger Luft geflogen werden; gelber Bogen

keine plötzlichen und vollen Ruderausschläge.VNE Niemals überschreiten - Bruchgefahr roter Strich- Empfohlene Landeanfluggeschwindigkeit gelbes Dreieck

= Prüfungsstoff PPL-C


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Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


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Variometertypen

Das Variometer zeigt die vertikale Geschwindigkeit an. Es misst also Luftdruckänderungen.

Gebräuchliche Typen

Dosenvariometer ( = 10 ... 6 s)

Stauscheibenvariometer ( = 6 ... 2 s)

elektrische Variometer (Hitzdraht, = 0,5 ... 0 s)

elektrische Variometer (Drucksensor + Differenzierer, = 0,5 ... 0 s)


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Dosenvariometer

Geschlossene Dose mit Druckspeicher (Ausgleichsgefäß).

Durch die Kapillare kann sich der Druck im Ausgleichsgefäß nur langsam dem Druck im Vario-metergehäuse angleichen.


Instrumentenkunde

Dosenvariometer, Funktion

Horizontalflug Im Variometergehäuse und im Ausgleichsgefäß herrschen der gleiche Druck. Der Zeiger steht in Mittelstellung.

Steigflug Der statische Druck wird kleiner und damit auch der Druck im Variometergehäuse. Der Druck im Ausgleichsgefäß hinkt aber nach, da der Druckausgleich nur langsam über die Kapillare (=Strömungswiderstand) erfolgen kann. Die Dose bläht sich auf und drückt die Nadel in Richtung ”Steigen”.

Sinkflug Der statische Druck wird größer als der Druck im Ausgleichsgefäß. Folglich dellt sich die Dose ein und zieht die Nadel in Richtung ”Sinken”.


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Stauscheibenvariometer

Durch die Differenz zwischen statischem Druck und Speicher-druck wirkt eine Kraft auf die Stau-scheibe und bewegt sie samt Zeiger. Der Druckausgleich erfolgt hier über den Luftspalt zwischen Stauscheibe und Gehäuse. Die Mittelstellung wird durch eine Spiralfeder eingestellt.

Stauscheibenvariometer sind sehr genau und werden gerne als Feinvario eingesetzt.


Instrumentenkunde

Variometer


Instrumentenkunde

Stauscheibenvariometer

Stauscheibe

stat. Druck

Ausgleichsgefäß


Instrumentenkunde

E-Variometer (Hitzdrahtprinzip)

Verbreitete Methode: Die Ge-schwindigkeit der Ausgleichsstömung wird mit temperaturempfindlichenWiderständen gemessen (Pt). Die Wide-rstände heizen sich durch ihre eigene Stromwärme auf (bis 100°C).

Durch die Ausgleichsströmung werdendie Widerstände unterschiedlich starkgekühlt. Sie verändern ihren Widerstandswertentsprechend. Das Verhältnis der beiden Widerstandswerte zueinander ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit und damit für Steigen bzw. Sinken.

Vorteile des E-Varios: Schnell (Millisekunden), robust und Weiterverarbeitung in einem Rechner leicht möglich.


Instrumentenkunde

E-Variometer mit Drucksensor

Der mikromechanische Druck-sensor bildet die Aneroiddose in Silizium nach. Die Struktur ist nur wenige Millimeter groß.

Der Luftdruck dellt den Silizium-”Deckel” ein und verformt dabei die Widerstände in dessen Oberfläche. Dadurch erfahren sie eine Widerstandsänderung, die ein Maß für den Druck ist und vom Rechner ausgewertet wird.

Die Steiggeschwindigkeit wird aus der Druckänderung zwischen zwei Messungen ermittelt.

Bemerkung: Als Höhenmesser geht das auch!

Bildquelle: Bosch


Instrumentenkunde

Anzeigefehler Temperaturwechsel Das im Ausgleichsgefäß gespeicherte Luftvolumen ändert sich mit der Temperatur und verursacht dadurch eine Ausgleichsströmung. Dadurch wird Steigen oder Sinken vorgetäuscht. Abhilfe: Thermosflasche, möglichst noch gefüllt mit Kupferwolle um die thermische Masse zu erhöhen.

Fluglage Wenn die statischen Druckabnehmer schräg angeblasen werden (Slip, unsaubere Fluglage) verändert sich der Druck in den Statikleitungen. Das wird vom Vario als Steigen bzw Sinken interpretiert.

Knüppelthermik Das einfache Variometer zeigt die Summe aus polarem Sinken, Luft- massensinken und Steigen durch Fahrtwechsel (Energieerhaltungssatz) an. Es ist also ein ”Bruttovariometer”. Eigentlich ist das kein Fehler, jedoch nicht gut geeignet fürs Kurbeln. Hier wäre ein Variometer, welches nur das Luftmassensteigen anzeigt vorteilhafter.


Instrumentenkunde

Nettovariometer

Das Nettovariometer zeigt nur die Luftmassenbewegung ohne polares Sinken an.


Instrumentenkunde

Nettovariometer - Funktion

Zusätzlich zur Luftmassenbewegung zeigt das gewöhnliche Variometer auch noch das polare Sinken an, also das von der Fluggeschwindigkeit abhängige Eigensinken des Flugzeugs (brutto).

Kompensiert man den polaren Anteil, bleibt nur die Luftmassenbewegung übrig (netto).

Die Kompensation erfolgt, indem man dem Vario ein zusätzliches Steigen vortäuscht, daß genau dem Betrag des polaren Sinkens entspricht.

Nimmt beispielsweise die Fahrt zu, erhöht sich auch das Eigensinken. Wenn man nun an Punkt A den Druck fahrtabhängig erhöht, zeigt das Vario zusätzliches Steigen an (Flaschendruck > Pstat).

Den fahrtabhängigen Druck bekommt man aus Pgesamt, der ja auch den Staudruck

enthält. Mittels Kapillare wird das System auf den jeweiligen Flugzeugtyp abgestimmt.


Instrumentenkunde

Totalenergiekompensiertes Variometer (TEK)

Das TEK-Variometer zeigt nur Änderung der Gesamtenergie an.


Instrumentenkunde

Totalenergiekompensiertes Variometer – Anzeige

Das TEK-Vario zeigt nur Änderungen der Gesamtenergie an. Die gesamte Energie setzt sich aus der potentiellen Energie (Epot = m g h) und der kinetischen Energie (Ekin = ½ m v2) zusammen.

Bei handgemachter Thermik steigt das Flugzeug weil der Pilot am Knüppel gezogen hat. Gleichzeitig nimmt die Fahrt ab, denn man hat keine Energie gewonnen (Energieerhaltungssatz). Bei diesem Nullsummenspiel soll sich die Varioanzeige nicht verändern.

Steigt das Flugzeug durch Energiezufuhr von außen (Thermik) ändert sich die Gesamtenergie: Die Epot oder Ekin oder beide nehmen zu). Genau diese

Gesamtenergiezunahme soll das Vario anzeigen.


Instrumentenkunde

Totalenergiekompensiertes Variometer – Funktion

Der Druck in der Kompensationsdüse beträgt Pstat abzüglich eines fahrtabhängigen Druckes (die Düse ”saugt” bei hoher Fahrt).

Bei Knüppelthermik wird Pstat kleiner (=Steigen). Gleichzeitig wird aber auch die Fahrt kleiner und damit die ”Saugkomponente”. Von Pstat wird also weniger abgezogen. Im Ergebnis bleibt der Druck, den das Vario sieht, konstant und somit die Variometeranzeige.

Wird umgekehrt gedrückt, wird Pstat größer (=Sinken). Gleichzeitig nimmt die Fahrt zu. Das bewirkt eine größere ”Saugkomponente”. Es wird also etwas mehr von Pstat abgezogen. Im Ergebnis bleibt der Druck in der Variometerzuleitung wieder konstant.

Das TEK funktioniert nur dann richtig, wenn die Düse optimal auf den jeweiligen Flugzeugtyp abgestimmt ist.

Wenn man zusätzlich noch den Gesamtdruck über eine Kapillare zwischen Vario und Ausgleichsgefäß zuführt, bekommt man ein ”Totalenergiekompensiertes Nettovariometer”.


Instrumentenkunde

Komplettes Drucksystem

Pstat

Pgesamt

Fahrtmesser Höhenmesser Variometer

Ausgleichsgefäß


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Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


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Erdmagnetfeld

Die Erde ist von einem Magnetfeld umgeben. Ein frei beweglicher Magnet, ins Feld der Erde gebracht, stellt sich längs der Feldlinien des Erdmagnetfeldes ein. Dabei zeigt der Nordpol des Magnets nach magnetisch Nord, nicht nach geographisch Nord (*).

Der magnetische Nordpol befindet sich zur Zeit in Nordkanada, rund 2000 km vom geographischen Nordpol entfernt.

(*) Physikalisch ist das ein magnetischer Südpol



Instrumentenkunde

Richtung des Erdmagnetfelds

In Mitteleuropa treffen die Feldlinien unter einem Winkel von 66,5° auf den Boden (Inklination). Das Feld läßt sich in eine Horizontalkomponente und eine Vertikalkomponente aufspalten. Um die Richtung von magnetisch Nord zu bestimmen wird nur die Horizontalkomponente benötigt.

H

ZT

H = T cos () 0,4 T

Z = T sin () 0,9 T ( = 66,5°)

In den Polgebieten treffen die Feldlinien senkrecht auf die Erde. Die Horizontal-komponente verschwindet, der Kompass wird unbrauchbar.


Instrumentenkunde

Begriffe

Totalintensität T Feldstärke in Richtung der Feldlinien gemessen

Horizontalintensität H

Vertikalintensität Z

Inklination

Isoklinen

Isodynamen

Ortsmissweisung OMVariation varDeklination

Deviation dev

Isogonen

Linien gleicher Magnetkraft

Linien gleicher Inklination

Winkel, den die Feldlinien mit der Horizontalen einschließen. In Mitteleuropa 66,5°.

waagrechter Anteil der Feldstärke

senkrechter Anteil der Feldstärke

OM var Winkel zwischen geographisch Nord und magnetisch Nord vom eigenen Standort aus gesehen. OM = var = .

Restfehler des Kompass nach der Kalibrierung

Linien gleicher Ortsmissweisung


Instrumentenkunde

Magnetsystem (1)

Das Magnetsystem besteht aus mindestens zwei parallelen Magnetstäbchen, die drehbar gelagert sind. Je mehr Magnetstäbchen verwendet werden, desto größer die horizontale Richtkraft und damit die Empfindlichkeit des Kompass.

Dabei muß die Lagerreibung so klein wie möglich gehalten werden.

Maßnahmen

hochwertiges Lager

geringe Masse des Magnetsystems

Schwimmer: Am Magnetsystem wird ein Schwimmkörper befestigt, der in der Dämpfungsflüssigkeit Auftrieb erhält. Dadurch wird das auf das Lager wirkende Gewicht reduziert.



Instrumentenkunde

Magnetsystem (2)

Die Dämpfungsflügel am Schwimmer sorgen dafür, daß die Schwingungen rasch abklingen.

Der Schwerpunkt liegt immer tiefer als der Auflagepunkt: stabiles Gleichgewicht.

Der Schwerpunkt ist außerdem etwas in Richtung Südende verschoben um das Inklinationsmoment auszugleichen.



Instrumentenkunde

Kompasskessel

Der Kompasskessel ist mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt (Wasser + Alkohol).

Die Membrane an der Rückseite gleicht die Volumenänderung der Dämpfungs-flüssigkeit bei Temperaturwechseln aus.

Oben befindet sich die Kompensier-einrichtung, kleine Magnete, die störende Felder aus der Umgebung (Metallteile, Funkgerät, ...) ausgleichen.



Instrumentenkunde

Kompass

Kompassrose

Magnetstäbchen

Kompensationseinrichtung(hinter der Blende)


Instrumentenkunde

Kompassrose (von unten)

Lagernadel

Magnetnadeln


Instrumentenkunde

Inklinationsmoment

Ein völlig frei bewegliches Magnetstäbchen würde sich in Richtung der Totalintensität einstellen (66,5°). Der Kompass würde so nicht funktionieren.

Die auf die Kompassnadel wirkende Kraft kann man in einen horizontalen Anteil (H) und eine vertikalen Anteil (Z) zerlegen. Dabei ist Z der unerwünschte Anteil, der ein Moment erzeugt, welches das Nordende der Nadel nach unten dreht. Mit einem Gewicht auf der Südseite der Nadel kann man ein gleich großes Moment erzeugen, das Z gerade ausgleicht. Die Nadel steht dann waagrecht.


Instrumentenkunde

Kompassfehler - Deviation

Die Kompassanzeige ist nur dann einwandfrei, wenn das Flugzeug neigungs- und beschleunigungsfrei geradeaus fliegt und der Kompass richtig kompensiert ist.

Deviation

Metallteile und elektrische Einrichtungen im Flugzeug lenken den Kompass ab. Mit der Kompensiereinrichtung (kleine einstellbare Magneten am Kompass) können Gegenfelder erzeugt werden, die den Fehler verringern. Der verbleibende Restfehler wird in eine Kompensationstabelle eingetragen.

Jährlich (Jahresnachprüfung) und nach Einbau bzw Ausbau von Instrumenten muß der Kompass neu kompensiert werden.

Achtung: Wer Magneten in der Hosentasche mit sich führt oder ein eingeschaltetes Handy, muss sich nicht wundern, wenn der Kompass nur Müll anzeigt. Im Extremfall kann er beschädigt werden.


Instrumentenkunde

Kompassfehler - Querneigung (1)


Instrumentenkunde

Kompassfehler - Querneigung (2)

Ein Teil der Vertikalintensität erzeugt eine zusätzliche Ab-lenkung der Kompassnadel, abhängig vom Kurs.

Auf nördlichen Kursen wird eine Richtungs- änderung entgegen der hängenden Fläche vorgetäuscht; auf südlichen Kursen in Richtung der hängenden Fläche.

Auf Ost/Westkursen ergibt sich kein Fehler.

Beträgt die Querneigung auf Ost- bzw. Westkurs 23,5° wirkt die Totalintensität senkrecht zur Kompass- nadel. Die Nadel erfährt dann keine Richtkraft mehr und kreiselt. Bei noch größerer Schräglage dreht die Nadel verkehrt herum.

10° 20° 23,5°23° 50° dreht025°, 150° 055°, 126° ------

Querneigung :max. Fehler:bei Kurs:

Info:

Linkskurve von hinten


Instrumentenkunde

Kompassfehler – Fliehkraft (1)


Instrumentenkunde

Kompassfehler – Fliehkraft (2)

Die Fliehkraft beim Kurvenflug wirkt auf alle Teile des Flugzeugs, also auch auf das Magnetsystem im Kompass.

Die Fliehkraft kann man sich im Schwerpunkt des Magnetsystems angreifend denken. Der liegt aber nicht in der Drehachse sondern mehr am Südende. Grund: Das Ausgleichsgewicht zur Kompensation des Inklinationsmoments.

Die Fliehkraft täuscht eine Drehung aus der Kurve heraus vor.


Instrumentenkunde

Kompassfehler – Summenfehler

Fliehkraftfehler und Querneigungsfehler wirken zusammen und sind von Querneigung und Drehgeschwindigkeit abhängig.

Zusammengefasst gilt (merken!!):

Auf nördlichen Kursen hinkt die Kompassanzeige dem tatsächlichen Kurs nach. Kurve vor Erreichen der gewünschten Anzeige beenden.

Auf südlichen Kursen eilt die Kompassanzeige dem tatsächlichen Kurs vor. Kurve nach Erreichen der gewünschten Anzeige beenden.


Instrumentenkunde

Kompassfehler – Korrekturschema360

030

060

090

120

150180

210

240

270

300

33030

20

0

10

2030

20

10

0

10

20

10früher ausleiten

später ausleiten


Instrumentenkunde

Kompassfehler – Beispiele zum Korrekturschema

(Tabelle gilt für = 7,5°)

Beispiel letzte Zeile: Es soll von 270! auf kürzestem Wege nach 180° gekurvt werden. Also kreisen wir von 270° links ums Korrekturschema bis 180°. Dort steht ”030 später ausleiten”. Die Kurve wird demnach bei Kompassanzeige 150° ausgeleitet.

Ist-Kurs Soll-Kurs Drehrichtung Ausleiten bei Anzeige

360

210

360

070

270

180

360

225

360

180

rechts

links

rechts

kürzester Weg

kürzester Weg

210

030

240

030

150


Instrumentenkunde

Kompassfehler – Steig- und Sinkfehler (1)


Instrumentenkunde

Kompassfehler – Steig- und Sinkfehler (2)

Wie bei der Querneigung wirkt auch bei der Längsneigung, also beim Steigen und Sinken, ein Teil der Vertikal-intensität auf die Kompassnadel und verursacht einen Drehfehler.

Bei Ost- und Westkursen täuscht Steigen eine Drehung nach Süden vor.

Sinken täuscht dagegen eine Drehung nach Norden vor.

Auf der Südhalbkugel gilt das Gegenteil.


Instrumentenkunde

Kompassfehler – Beschleunigungsfehler (1)


Instrumentenkunde

Kompassfehler – Beschleunigungsfehler (2)

Bei Beschleunigung bleibt wegen der Massenträgheit der Nadelschwerpunkt zurück. Das bewirkt eine Drehung der Kompassnadel.

Auf der Südhalbkugel ist es umgekehrt.

Auf der Nordhalbkugel erfolgt bei Flügen in Ost-West-Richtung und Beschleunigung eine scheinbare Kursabweichung nach Nord.

Am Äquator gibt es keine Inklination, also auch kein Ausgleichsgewicht. Folglich tritt auch kein Fehler auf.


Instrumentenkunde

Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


Instrumentenkunde

Kreiselinstrumente

Ein Kreisel (für Luftfahrtanwendungen) ist ein rotationssymmetrischer starrer Körper, der in schnelle Drehung versetzt wurde. Hervorragende Eigenschaften eines Kreisels sind Stabilität und Präzession.

StabilitätEin Kreisel behält seine Lage im Raum bei – solange keine äußeren Kräfte auf ihn wirken. Er setzt Richtungsänderungen einen umso größeren Widerstand entgegen, je größer seine Rotationsenergie Erot ist.

Erot = 0,5 J 2

Das Trägheitsmoment J hängt von der Größe des Kreisels und dessen Masse ab. Beide können in einem Luftfahrzeug nicht beliebig vergrößert werden. Also muß die Drehgeschwindigkeit groß werden.


Instrumentenkunde

Kreiselinstrumente

PräzessionBeim Versuch den rotierenden Kreisel zu kippen, weicht dieser senkrecht zum Kippmoment aus: er präzessiert. Das Präzessionsmoment ist umso größer, je größer Erot ist.

AntriebKreisel können elektrisch oder pneumatisch angetrieben werden. Der Unterdruck für den pneumatischen Antrieb wird gewöhnlich vom Flugzeugmotor geliefert (typisch 4,5 ... 5,5 in. Hg.)

DrehzahlElektrisch: 24 000 ...40 000 U/minPneumatisch: 12 000 ...15 000 U/min.


Instrumentenkunde

Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


Instrumentenkunde

KurskreiselDer Kurskreisel ist vollkardanisch aufgehängt und hat deshalb drei Freiheitsgrade. Am äußeren Kardanrahmen ist die Kompassrose befestigt. Der Kreisel bleibt im Raum stehen, während sich das Flugzeug darum herum bewegt.

Der Kreisel zeigt er nur kurze Zeit richtig an, wegen der Erddrehung.

Er muss vor dem Start und während des Fluges (ca. alle 20 min) immer wieder nach dem Magnetkompass ausgerichtet werden.

Dazu muss das Flugzeug schiebefrei geradeaus fliegen.



Instrumentenkunde

Kurskreisel

Knopf zum Nachstellen


Instrumentenkunde

Kurskreisel - Fehler

ErddrehungDer Kreisel steht stabil im Raum, während sich die Erde weiterdreht. Dadurch wird eine scheinbare Drift erzeugt.

StandortveränderungDas Flugzeug folgt der Erdkrümmung, die Kreiselachse jedoch nicht. Die Folge ist eine scheinbare Drift.

GerätefehlerLagerreibung und Unwucht erzeugen Präzessionsmomente und damit eine Drift.

KardanfehlerBei Querneigung wird nicht der gesamte Winkel der Kreislachse auf die Kompassrose übertragen. D. h. der Kurs wird falsch auf die Rose projiziert. Bei Kurvenende verschwindet der Anzeigefehler sofort.

Der Kurskreisel muss regelmäßig nach dem Magnetkompass ausgerichtet werden!


Instrumentenkunde

Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


Instrumentenkunde


Das Instrument zeigt Quer- und Längsneigung der Flugzeugs an. Drehungen um die Hochachse werden nicht erfasst.

Die Stabilität des Kreisels wird ausgewertet.

Der Kreisel ist vollkardanisch aufge- hängt und

behält seine Lage im Raum bei.

Das Flugzeug rollt und nickt um den Kreisel.



Instrumentenkunde

Künstlicher Horizont - Aufbau



Instrumentenkunde

Künstlicher Horizont - Schaubilder

Linksneigung waagrecht Rechtsneigung

steigt

horizontal

sinkt


Instrumentenkunde

Künstlicher Horizont - Fehler

BeschleunigungsfehlerDer Schwerpunkt des Kreiselsystems liegt tiefer als der Kardanrahmen (Grund: Rückführgewicht). Beschleunigung lenkt den Kreisel aus und erzeugt zusätzlich ein Präzessionsmoment.

Beschleunigung zeigt Steigen und Rechtsneigung

Verzögerung zeigt Sinken und Linksneigung

DrehfehlerIm Kurvenflug wird das Rückführgewicht nach außen beschleunigt (Fliehkraft). Die Fliehkraft lenkt den Kreisel aus und erzeugt zusätzlich ein Präzessionsmoment.

Rechtskurve täuscht Steigen vor; die Rechtsneigung wird zu klein angezeigt.

Linkskurve täuscht Sinken vor; die Linksneigung wird zu klein angezeigt.


Instrumentenkunde

Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


Instrumentenkunde

Wendezeiger

Der Wendezeiger zeigt Drehungen um die Hochachse des Flugzeugs an.

Die Längsneigung wird nicht erfasst.

Zusätzlich ist eine Libelle angebracht, die unabhängig vom Kreiselsystem die Richtung des Scheinlotes anzeigt.

Der Kreisel im Wendezeiger hat nur zwei Freiheitsgrade.

Beim Wendezeiger wird die Präzession ausgewertet.

Dreht sich das Flugzeug um seine Hochachse macht der Kreisel eine Ausweichbewegung (Präzession). Mit dem Präzessionsmoment kippt der Kardanrahmen. Eine Feder stabilisiert den Rahmen, so dass sich ein Gleichgewicht zwischen Federkraft und Präzessionsmoment ergibt. Folglich ist der Kippwinkel und damit verbunden der Zeigerausschlag ein Maß für die Drehgeschwindigkeit.


Instrumentenkunde

Wendezeiger - Aufbau



Instrumentenkunde

Wendezeiger


Instrumentenkunde

Wendezeiger - Schaubilder

links

schmiert

links

korrekt

links

schiebt

gerade

hängt links

gerade

korrekt

gerade

hängt rechts

rechts

schiebt

rechts

korrekt

rechts

schmiert


Instrumentenkunde

Trägheitsinstrumente - Hinweise

Die Instrumente zeigen nur dann korrekt an, wenn die Kreisel die erforderliche Drehzahl haben.

Die Geräte dürfen nicht verwendet werden, wenn - die rote Flagge angezeigt wird - der Unterdruck nicht im grünen Bereich ist (bei pneumatisch betriebenen Instrumenten)

Manchmal reicht der Unterdruck bei niedriger Motordrehzahl nicht aus. Dann darf der Kreisel nur bei entsprechend höherer Drehzahl benutzt werden (Druck grün).

Unterdruckanzeige (VAC) im grünen Bereich, linke Instrumentenhälfte


Instrumentenkunde

Und was macht der hier ??

... fährt am Boden nach rechts.


Instrumentenkunde

Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


Instrumentenkunde

Triebwerküberwachungsinstrumente - Drehzahl

Der Drehzahlmesser zeigt die Drehzahl der Kurbelwelle an und damit die Leistung des Antriebs (bei Starrpropeller).

Wie beim Fahrtmesser sind die Betriebsgrenzen im Anzeigesinstrument farblich markiert.

Grün: Betriebsbereich

Rot: Maximaldrehzahl. Überschreiten führt zu Motorschaden.


Instrumentenkunde


Eine biegsame Welle übeträgt die Kurbelwellendrehzahl direkt zum Instrument. Dort rotiert ein Magnet, der in einer Weicheisenkappe Wirbel- ströme induziert. Dadurch entsteht eine magnetische Gegenkraft, die die Kappe entgegen der Feder auslenkt. Die Gegenkraft und damit die Zeigerstellung ist ein Maß für die Drehzahl.

Drehzahlgeber nach dem Wirbelstromprinzip.



Instrumentenkunde


Moderne Instrumente funktionieren auf rein elektrischer oder elek-tronischer Basis.

Die Wechselspannung am Generator wird abgegriffen. Deren Frequenz ist ein Maß für die Drehzahl.

Der Induktivgeber liefert einen elektrischen Impuls jedesmal, wenn ein Zahn eines auf der Kurbelwelle sitzenden Zahnrades passiert. Auch hier ist die Frequenz der Impulse ein Maß für die Drehzahl.

Bildquelle: Bosch


Instrumentenkunde

Triebwerküberwachungsinstrumente - Druck

Beim Triebwerk müssen Öldruck und manchmal auch Kraftstoffdruck überwacht werden. Dazu wird das gleiche Messprinzip verwendet, wie beim Höhenmesser: die geschlossene Dose. Allerdings ist die Dose kleiner und robuster.

grüner Bogen: Betriebsbereich

gelber Bogen: Vorsichtsbereich

rote Striche: Grenzwerte


Instrumentenkunde

Triebwerküberwachungsinstrumente - Temperatur

Der Motor kann nur ein einem bestimmten Temperaturbereich betrieben werden. Betrieb außerhalb des zulässigen Bereichs bringt erhöhten Verschleiß oder führt zum Triebwerksausfall.

Als Geber werden bei modernen Triebwerken temperaturabhängige Widerstände verwendet.

grüner Bogen: normaler Betriebsbereich

rote Striche: Grenzwerte


Instrumentenkunde

Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


Instrumentenkunde

GPS - Global Positioning System

Wird verwendet zur Bestimmung von Position (Ort auf der Erde + Höhe)

Daraus abgeleitet auch zur Bestimmung von Kurs und Geschwindigkeit

GPS besteht derzeit aus 24 Satelliten + 5 in Reserve

Angeordnet zu je 4 Satelliten in 6 Bahnebenen, in 20200km Höhe

Umlaufzeit ca. 12h

Geschwindigkeit ca. 7km/s

Sichtbarkeit für einen Beobachter am Erdboden ca. 4½ Stunden

Positionsbestimmung durch Triangulation


Instrumentenkunde

GPS - Positionsbestimmung

Zunächst wird gemessen, wie lange das Signal vom Satelliten bis zum eigenen Standort braucht, Größenordnung 60ms.

Da die Geschwindigkeit des Signals bekannt ist (Lichtgeschwindigkeit, 300000km/s), kann die Entfernung des eigenen Standorts vom Satelliten bestimmt werden: r = t * v.

Damit ist bekannt, dass sich der eigene Standort irgendwo auf einer Kugel mit dem Radius r befinden muss.

Bildquelle: Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu


Instrumentenkunde


Außerdem sei bekannt, dass sich der Standort auf der Erdkugel befinde.

Der Standort befindet sich also auf zwei Kugeln gleichzeitig - also auf der Schnittlinie der beiden. Das ist ein Kreis.

Bildquelle: Uni Münster


Instrumentenkunde


Die Laufzeit / Entfernungs- messung mit einem weiteren Satelliten liefert einen weiteren Kreis auf der Erdoberfläche (=Standlinie).

Damit ist der Standpunkt auf die beiden Schnittpunkte der beiden Standlinien genau bestimmt.

Welcher Schnittpunkt der eigene Standort ist, kann mit einem dritten Satelliten entschieden werden.

Bildquelle: Uni Münster


Instrumentenkunde


Um den Standort auf der Erdoberfläche zu bestimmen, braucht man also drei Satelliten.

Soll auch noch die Höhe bestimmt werden, sind vier Satelliten nötig.

Die Genauigkeit der Positionsbestimmung kann verbessert werden, wenn weitere Satelliten hinzugenommen werden.


Instrumentenkunde

GPS - Genauigkeit

Die Genauigkeit hängt von einer hervorragenden Laufzeitmessung ab. Diese wird beeinflusst von - Genauigkeit der Satellitenuhr - Güte des Empfängers (Rauschen, Uhr) - Signalverzögerung in der Ionosphäre und Troposphäre - Mehrwegausbreitung (Reflexionen usw.)

Satellitengeometrie. Ungünstige Verteilung der Satelliten erschwert die Triangulation.


Instrumentenkunde

GPS - Fehler

Selective Availability - L1-Signal liefert künstlich eine ungenaue Satellitenuhrzeit - Bahndaten werden verfälscht übertragen. - beides führt zu ungenauer Position. - unter Kontrolle des US-Militärs, derzeit keine Verfälschung

Zu wenige Satelliten sichtbar

System wird abgeschaltet für zivile Nutzer (unter Kontrolle des US-Militärs)

Gerätefehler (Hardware, Software, Stromversorgung)

Bedienerfehler

Empfänger für Flugnavigation überwachen selbständig, ob alle Bedingungen für eine sichere Navigation erfüllt sind und melden ggf. Fehler (Integritätsprüfung). In diesem Fall darf der Empfänger wirklich nicht für die Navigation verwendet werden.


Instrumentenkunde

Einteilung

Höhenmesser

Fahrtmesser

Variometer

Kompass

Kreiselinstrumente

Kurskreisel


Wendezeiger


GPS

FLARM

Gliederung


Instrumentenkunde

FLARM ist eine GPS-Anwendung zur Vermeidung von Zusammenstößen in der Luft.

Aus der aktuellen Position und Geschwindigkeit berechnet FLARM die wahrscheinliche Position, die das Flugzeug in wenigen Sekunden haben wird.

Das Ergebnis der Analyse sendet es als Datenpaket mit schwacher Leistung.

FLARM-Empfänger in der näheren Umgebung empfangen das Datenpaket und vergleichen es mit dem eigenen wahrscheinlichen Flugweg.

Falls beide Flugzeuge zur selben Zeit an der selben Position auftauchen würden, löst es Alarm aus.

Auch vor feststehenden Hindernissen warnt FLARM.

Dazu hält FLARM die Position vieler Hindernisse (Seilbahnen etc.) in einer Datenbank. Falls der eigene wahrscheinliche Flugweg dem Hindernis zu nahe käme, löst es Alarm aus.

FLARM


Instrumentenkunde

FLARM-Kommunikation

Mist, da bin ich dann auch.ALARM!

Position in 5

sec.

Info an alle FLARMe:„Ich bin in 20 Sekunden ungefähr an Position xy ...“

Position in 20 sec.

Position in 15 sec.

Position in 10 sec.

1 IK071 Frank Kursawe LSV Albgau 20.01.2007 Instrumentenkunde.

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Transcript of 1 IK071 Frank Kursawe LSV Albgau 20.01.2007 Instrumentenkunde.