EP 2006_02.pdf

P R O J E K T Y

Wysokościomierz,

część 1

AVT–916

Latanie było odwiecznym

marzeniem człowieka. Spełniło

się całkiem niedawno, bo

prawie równo 100 lat temu.

Dla homo sapiens, to jak

mgnienie oka. Opanowanie

umiejętności podniesienia

samolotu w powietrze to jednak

dopiero połowa sukcesu. Do

prowadzenia bezpiecznego lotu

pilotowi potrzebne jeszcze były

różnorodne przyrządy pokładowe,

w tym wysokościomierz.

Rekomendacje:

prezentowany układ nie

ma wymaganych certyﬁkatów

by służyć do „oﬁcjalnego”

pomiaru wysokości. Może być

jednak używany tam, gdzie te

certyﬁkaty nie są wymagane,

a jednocześnie użytkownik chce

rejestrować osiągane wysokości,

np. w turystyce górskiej

lub lotniarstwie.

„Sierra, Papa – Alpha, Victor,

Tango... Sierra, Papa – Alpha, Vic-

tor, Tango...”. To umowne wywołanie

statku powietrznego, jednoznacznie

identyﬁkujące go pośród tysięcy in-

nych na całym świecie. Dziś sa-

moloty przeszywają nasze niebo co

kilka minut i najczęściej nawet nie

zdajemy sobie sprawy z tego, że hi-

storia lotnictwa nie sięga w bardzo

zamierzchłe czasy. Cofnijmy się na

chwilę do zdarzeń, które rozegrały

się na wzgórzach Północnej Karoliny

17 grudnia 1903 roku. To właśnie

wtedy rozpoczęła

się epoka, w której

człowiek zapanował

nad przestworzami.

Czas tego panowa-

nia podczas pierw-

szej próby nie był

z dzisiejszego punk-

tu widzenia zbyt

imponujący, bo

wynosił zaledwie

12 sekund, ale wy-

starczył, by otwo-

rzyć zupełnie nowy

rozdział techniki. Po

raz pierwszy udało

się wówczas unieść

w górę statek po-

wietrzny cięższy od

powietrza i przepro-

wadzić kontrolowa-

ny lot, zakończony

bezpiecznym lądo-

waniem. Bohaterami

wydarzenia byli dwaj bracia Wright,

chociaż pamiętnego przelotu dokonał

tylko jeden z nich – Orville. Miał po

prostu więcej szczęścia od Wilbu-

ra w losowaniu, które zadecydowało

o tym, który z nich miał polecieć. Od

wspomnianej daty rozwój lotnictwa

postępował bardzo szybko. Oddając

sprawiedliwość historyczną należy

jednak pamiętać, że przed braćmi

Wright człowiek latał już w powie-

trzu. Nie były to loty w pełni kon-

trolowane – odbywały się w balonach

lub szybowcach, stąd trudno mówić,

PODSTAWOWE PARAMETRY

• Płytka o wymiarach 101 x 65 mm

• Zasilanie: bateria 9 V (6F22R)

• Funkcje: pomiar wysokości, ciśnienia

atmosferycznego, temperatury, rejestracja

ciśnienia

• Zakres pomiaru ciśnienia: 850...1050 hPa

• Zakres pomiaru wysokości: ok. 1500 m

• Liczba próbek rejestratora: 1024

• Odstęp miedzy próbkami: 1...255 s

Rys. 1. Budowa atmosfery ziemskiej z uwzględnieniem

rozkładu temperatur

Elektronika Praktyczna 2/2006

Wysokościomierz

Wysokościomierz

zwyczaić i po pewnym czasie nawet

nie zwracać na nie uwagi. Biorąc

pod uwagę powyższe spostrzeżenia,

koncepcja budowy altimetru (wy-

sokościomierza) nasuwa się niemal

samoistnie – wystarczy zbudować

czuły barometr i wyskalować go nie

w jednostkach ciśnienia (hPa, mbar,

mmHg, itp.) lecz w metrach. Poni-

żej zostanie zaproponowana oczy-

wiście wersja elektroniczna takiego

przyrządu. Do prowadzenia obliczeń

zostanie wykorzystany mikrokontro-

ler. Przemawia za tym złożoność

zjawisk z jakimi mamy do czynie-

nia w tym przypadku.

11000 m, powyżej temperatura jest

stała aż do ok. 20000 m i wynosi

–56 o C, po czym nieznacznie rośnie.

Gdyby pominąć wpływ temperatury

na ciśnienie gazu można by przyjąć,

że różnica ciśnień na wysokościach

h i h+dh ( rys. 2 ) jest równa:

dp=p(h+dh)–p(h)=–r·g·dh (2)

Na podstawie powyższych zależ-

ności można napisać równanie róż-

niczkowe:

dp g

—— = – —— p (3)

dh kT

którego rozwiązaniem (przy za-

łożeniu stałości temperatury) jest:

– — h

p=–p 0 e (4)

Wyrażenie (4) jest nazywane

wzorem barometrycznym . Po odpo-

wiednich przek szta łceni ach formuła

ta może być stosowana do oblicza-

nia wysokości:

kT P h P h

Dh=–—ln—=–A ln— (5)

g P 0 P 0

Stała A dla temperatury 25 o C

jest równa 8727 [m]. Choć w po-

wyższym wzorze występuje za-

równo ciśnienie, jak i temperatura,

to przy pogodzeniu się z popeł-

nieniem pewnego błędu można

ograniczyć się jedynie do pomia-

ru ciśnienia. Rezygnacja z pomiaru

temperatury spowoduje zawyżenie

wskazań. Przykładowo, na wysoko-

ści 1500 m altimetr pokaże o ok.

52 m za dużo. W wartościach bez-

względnych wydaje się to sporym

błędem lecz błąd względny wynosi

w tym przypadku jedynie 3,5%, co

jest wartością „znośną”. Zmierzyć

temperaturę dla elektronika, to ża-

den problem. W opisywanym tu

urządzeniu taka możliwość zosta-

ła przewidziana, jednak uwzględ-

nianie temperatury w obliczeniach

może spowodować pojawienie się

Rys. 2. Definicja ciśnienia słupa po-

wietrza (cieczy) o danej wysokości

Atmosfera standardowa, wzór

barometryczny

Nawet zastosowanie mikrokontro-

lera nie zwolniło mnie z przyjęcia do

obliczeń pewnych uproszczeń. Wy-

nikają one z trudności w stworzeniu

modelu matematycznego, który w ak-

ceptowalnie prosty sposób opisywałby

rzeczywistość. Na marginesie moż-

na tu dodać, że tworzeniem takich

modeli zajmują się bardzo poważne

instytucje światowe, jak: National

Advisory Committee for Aeronautics

(NACA), U.S. Committee o Extention

to the Standard Atmosphere (COESA),

National Aeronautics and Space Ad-

ministration (NASA). Organizacje te

opracowały kilka standardów atmos-

fery ziemskiej, które obowiązują już

od 1925 roku i nadal są systematycz-

nie poprawiane i ulepszane. Publikuje

się je w postaci tabel zawierających

wartości poszczególnych parametrów

obowiązujących na różnych wysoko-

ściach. W swoim projekcie nie się-

gałem aż tak głęboko, zastosowałem

daleko idące uproszczenia. Zapewne

podobnie czynili konstruktorzy pro-

stych wysokościomierzy mechanicz-

nych, które od lat z powodzeniem są

stosowane w lotnictwie.

Pierwsze założenie, to przyjęcie,

że otaczające nas powietrze jest ga-

zem doskonałym (tak naprawdę da-

leko mu do niego). Ciśnienie takie-

go gazu określone jest zależnością:

p=krT (1)

w której r – gęstość powietrza,

T – temperatura [K], k jest tzw.

stałą gazową równą 29,27 m/(K*g),

gdzie: g – przyspieszenie ziemskie.

Jak widać z powyższego wzoru ci-

śnienie atmosferyczne zależy m.in.

od temperatury powietrza, a ta z ko-

lei niestety zależy również od wy-

sokości – przebieg zmian został

pokazany na rys. 1 . Jest to funk-

cja malejąca liniowo do poziomu

że stanowiły podwaliny rozwoju tej,

jakże pięknej dziedziny.

W początkowym etapie lotnic-

twa wszystkie przeloty statkami po-

wietrznymi odbywały się w zasięgu

widoczności ziemi. Wynikało to po

pierwsze z faktu, że ówczesne sa-

moloty nie były zdolne do wzbi-

cia się na większe wysokości, po

drugie – loty na dużych pułapach

wymagałyby odpowiedniego oprzy-

rządowania, a takowe jeszcze w tym

czasie nie powstało. Wskaźnikiem,

który jako jeden z pierwszych na-

leżało opracować był wysokościo-

mierz. Wiedza teoretyczna i dostęp-

ne środki techniczne początku XX

wieku były do tego wystarczające.

Wysokościomierz ciśnieniowy

Każdy, kto kiedyś startował sa-

molotem (mam nadzieję, że tyle

samo razy szczęśliwie lądował),

jechał samochodem bądź rowerem

po górzystym terenie lub wjeżdżał

szybkobieżną windą na górne piętra

wysokościowca, zapewne odczuwał

towarzyszące tym etapom podróży

dość niemiłe przytępienie słuchu.

Efekt ten wywołany był reakcją na-

szego ucha na szybkie zmiany ci-

śnienia atmosferycznego. Można by

więc powiedzieć, że pilot został

już wyposażony przez naturę w od-

powiedni do pionowej nawigacji

„przyrząd”, po co mu rozwiązanie

techniczne? Przytkane ucho nie po-

zwoli jednak ocenić bezwzględnej

wysokości samolotu, „poinformuje”

co najwyżej o jej zmianie, a i to bez

określenia kierunku. Każdy człowiek

charakteryzuje się ponadto inną

wrażliwością na zmiany ciśnienia,

a do tych „efektów” można się przy-

Rys. 3. Sposób pobierania powietrza

do przyrządów pokładowych samolo-

tu (altimetru, wariometru i prędkościo-

mierza)

Elektronika Praktyczna 2/2006

Wysokościomierz

Rys. 4. Definicje różnych rodzajów wysokości

wykorzystywanych w lotnictwie

wynika z różnych deﬁnicji

stosowanych w lotnictwie.

Przyznam, że po prześle-

dzeniu dyskusji jaka kiedyś

wywiązała się na grupie

dyskusyjnej pl.rec.lotnictwo,

dotyczącej pewnych funda-

mentalnych jakby nie było

pojęć, nie czułem się najle-

piej jako potencjalny pasa-

żer linii lotniczych. Okazało

się bowiem, że wśród pilo-

tów nie ma jednoznacznej

interpretacji podstawowych

terminów lotniczych, z któ-

rymi mają do czynienia na

co dzień. Spór nie dotyczył

przy tym drobnych niuan-

sów, ale samego sedna spra-

wy. Chodziło o to, co wła-

ściwie oznaczają powszechnie stoso-

wane skróty: QFE, QNH i QNE? Czy

jest to deﬁnicja wysokości, ciśnienia,

czy wręcz sposobu nastawienia alti-

metru. Wobec tego faktu nieśmiało

zaproponuję swoje wersje deﬁnicji.

Będą one potrzebne do zrozumienia

trybów pracy opisywanego altimetru

( rys. 4 ), a jeśli są niezgodne z poglą-

dami specjalistów, to z góry za to

przepraszam.

QFE – wysokość mierzona od

poziomu lotniska. Niektórzy in-

terpretują to również jako ciśnie-

nie lotniska i można doszukać się

tu jakiegoś uzasadnienia, jeśli się

weźmie pod uwagę, że altimetry

bazują na pomiarze ciśnienia i za-

wsze właśnie ta wielkość ﬁzyczna

stanowi odniesienie. Na QFE będą

najczęściej nastawiane altimetry

statków powietrznych latających

z widocznością ziemi. Wysokość

mierzona od poziomu lotniska

określana jest również jako height.

QNH – wysokość mierzona od

poziomu morza. Do ustawienia al-

timetru w ten tryb niezbędne jest

znormalizowanie lokalnego ciśnienia

zmierzonego na znanej wysokości

do odpowiadającego mu ciśnienia

na poziomie morza. Do przeliczenia

można założyć, że ciśnienie zmniej-

sza się o 1 hPa na każde 8,5 m

(stopień baryczny). Przykładowo:

jeśli na lotnisku w Warszawie (wy-

sokość 110 m.n.p.) zmierzono ci-

śnienie 1020 hPa, to po ustawieniu

altimetru w tryb QNH ciśnienie od-

niesienia będzie równe:

p QNH =p QFE +110/8,5=1020+12,9=

1032,9 hPa

Zauważmy, że w tym przypadku

altimetr samolotu lecącego 100 m nad

ziemią, ustawiony na QFE będzie po-

kazywał wysokość 110 m, a altimetr

ustawiony na QNH w samolocie le-

cącym tuż obok pokaże wysokość

220 m. Nie chcę nawet myśleć o tym,

co mogło by się stać, gdyby piloci

nie mieli świadomości trybów pra-

cy swoich przyrządów pokładowych.

Aby nie dopuścić do niebezpiecz-

nych sytuacji odpowiednie przepisy

nakazują pilotom przełączanie trybów

pracy altimetrów na określonych wy-

sokościach. Wysokość QNH stosuje się

głównie w przelotach, QFE natomiast

w lataniu nad lotniskiem. Wysokość

mierzona od poziomu morza określa-

na jest również jako altitude.

QNE – wysokość mierzona

od umownego poziomu, na któ-

rym panuje ciśnienie standardowe

1013,2 hPa. Ze względu na to, że

pilot nie zawsze dysponuje informa-

cją o lokalnym ciśnieniu panującym

na poziomie ziemi lub morza (np.

podczas przelotu nad oceanem),

altimetr skalibrowany wcześniej

w punkcie odległym o np. 1000 km

od aktualnej pozycji z pewnością

nie będzie pokazywał prawidło-

wej wysokości QFE, a nawet QNH.

W takim przypadku najbezpieczniej

jest ustawić jako poziom odnie-

sienia wartość ciśnienia przyjętą

umownie na całym świecie. Przy-

jęto, że będzie to 1013,2 hPa, jako

uśredniona wartość ciśnienia at-

mosferycznego na poziomie morza

w temperaturze 15 o C. Ustawienie al-

timetrów na QNE zagwarantuje, że

dwaj piloci, z których jeden wystar-

tował we Frankfurcie, drugi w Chi-

cago w chwili spotkania się gdzieś

nad oceanem, identycznie zinterpre-

tują wskazania swoich altimetrów.

Wysokość QNE stosuje się jak wi-

dać wyłącznie w przelotach. Uwa-

ga: może się zdarzyć, że lecąc na

niskim pułapie w streﬁe wysokiego

ciśnienia atmosferycznego, altimetr

ustawiony na QNE pokaże wartości

ujemne. Wysokość mierzona wzglę-

dem ciśnienia 1013,2 hPa określana

jest również jako FL (Flight Level).

W tej części artykułu nie za

wiele było o czystej elektronice

i niestety nie da się już tego nadro-

bić. Zaległości nadgonimy w drugiej

części, do lektury której już teraz

serdecznie wszystkich zapraszam.

Jarosław Doliński

jaroslaw.dolinski@ep.com.pl

niepożądanych przekłamań. Wystą-

pią one, gdy temperatura powie-

trza zmieni się z przyczyn innych

niż zmiana wysokości. Zaobserwu-

jemy wtedy dość irytujące wahania

wskazań wysokości w statycznym

położeniu altimetru.

W powyższych rozważaniach

teoretycznych przyjmowany był pe-

wien idealny, w dodatku statyczny

model atmosfery ziemskiej. W rze-

czywistości tak nie jest, i bynajm-

niej nie jest to koniec kłopotów.

Elektronika, to nie wszystko. Na-

leży się jeszcze zastanowić, w ja-

ki sposób dostarczyć powietrze do

czujnika ciśnienia. Nie sądzę, żeby

opisywany altimetr był instalowa-

ny w hermetycznych kabinach, ale

gdyby tak się stało, to oczywiście

nie będzie on działał prawidłowo

mierząc ciśnienie wewnętrzne. Do

prawidłowego pomiaru niezbędne

jest dostarczenie powietrza z ze-

wnątrz. Należy przy tym zadbać,

aby czujnik mierzył ciśnienie sta-

tyczne. Nie spełniając tego warun-

ku jesteśmy o krok od zbudowania

prędkościomierza  . W samolotach

lub szybowcach powietrze dla alti-

metru jest pobierane przez specjal-

ne otwory w bocznej części kadłu-

ba, dla prędkościomierza natomiast

przez tzw. rurkę Pitota, która zasy-

sa powietrze od przodu ( rys. 3 ).

Czy samoloty mogą lecieć

kursem kolizyjnym poruszając

się na różnych wysokościach?

Pytanie z pozoru bez sensu,

w praktyce jest to jednak możli-

we (sic!). Nie, nie, nie chodzi tu

o łamanie praw ﬁzyki. Możliwość

zderzenia się dwóch samolotów le-

cących na różnych wysokościach

http://www.ﬁrst–to–ﬂy.com/History/

Wright%20Story/wright%20story.htm

http://www.szybowce.enter.net.pl/in-

strum/instrum.htm

Elektronika Praktyczna 2/2006

Przystawka oscyloskopowa do TV

Przystawka

oscyloskopowa do TV

AVT–917

Projekty oscyloskopów należą

ostatnio do jednych z najczęściej

opisywanych w EP. Prezentowane

są konstrukcje bardzo

zaawansowane oraz amatorskie.

Przedstawiany przyrząd

z pewnością należy do grupy

amatorskiej. Jego działanie jest

jednak dość nietypowe, a przez

to może być interesujące.

Rekomendacje:

przystawka stanowi duże

wyzwanie dla Czytelników

zdecydowanych na jej

wykonanie. Dziś już chyba

niewielu elektroników montuje

urządzenia w taki sposób, ale

moda retro w elektronice jest

zjawiskiem zauważalnym.

Przed kon-

struowaniem

oscyloskopu przyjęto na-

stępujące założenia: niska

cena i łatwy dostęp do nie-

zbędnych elementów, a przy tym

możliwie duża szybkość działania.

Przy okazji autor chciał podjąć pró-

bę zbudowania urządzenia nietypo-

wego jak na dzisiejsze czasy, pozba-

wionego układów „inteligentnych”.

Z tego względu na element wizu-

alizujący został wybrany telewizor,

czyli sprzęt posiadany niemal przez

każdego. Tanie i łatwo dostępne kom-

ponenty to konieczność zadowolenia

się asortymentem typowego sklepu

elektronicznego, a zatem scalakami

typu glue logic zamiast układów

logiki programowalnej (czy nietypo-

wych mikrokontrolerów) i tranzysto-

rami zamiast szybkich wzmacniaczy

operacyjnych. Prezentowany oscy-

loskop zbudowano na bazie łatwo

dostępnych układów pamięciowych,

elementów cyfrowych rodziny 74HC,

popularnych tranzystorów i kom-

paratorów oraz taniego, scalonego

przetwornika C/A (cena elementów

wyniosła niewiele po-

nad 100 zł). Tak, to

nie pomyłka – oscylo-

skop jest pozbawiony

przetworników A/C,

a zamiast nich (pomi-

mo dwóch kanałów)

wymaga tylko jednego

przetwornika C/A.

sygnałów telewizyjnych typu PAL

i SECAM. Z amatorskiego punktu

widzenia najprostszym sposobem

wyświetlania obrazu na telewizorze

jest generowanie odpowiadającego

mu sygnału typu composite . Jak

wskazuje nazwa, sygnał taki składa

się zarówno z informacji obrazowej,

jak i impulsów synchronizacji, co

przedstawiono na rys. 1 . Jego pa-

rametry elektryczne są następują-

ce: amplituda sygnału zmiennego

1 Vpp (składowa stała w praktyce

dowolna) i dopasowanie do obcią-

żenia 75 V. Różnym poziomom

napięcia tego sygnału przyporząd-

kowano różne znaczenia, które ze-

brano w tab. 1 . Z uwagi na stopień

skomplikowania i brak takiej po-

PODSTAWOWE PARAMETRY

• Zasilanie 2 x 15 VAC (15 W)

• Płytka o wymiarach 176 x 111 mm

• Liczba kanałów 2 (AC/DC)

• Częstotliwość próbkowania 18 MHz max

• Pasmo analogowe 2 MHz max

• Podstawa czasu: 1\2\4\8\16\32\64\128\256\

512\1024\2048\4096 m s/div

• Czułość wejściowa: 0,05\0,1\0,2\0,5\1\2\5 V/div

• Źródła wyzwalające: kanał „A”\kanał „B”\

zewnętrzne

• Tryb wyzwalania: automatyczny\normalny

O telewizji słów

kilka

Aby wyjaśnić sposób wyko-

rzystania telewizora, należy nie-

co odkurzyć wiedzę o standardach

Rys. 1. Przebieg sygnału Composite

w trakcie przesyłania pojedynczego

impulsu obrazu (jednej linii ekranowej)

Elektronika Praktyczna 2/2006

PROJEKTY

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: