Вариометр

По отзывам опытнейших планеристов, для нахождения и центрования термических потоков совершенно незаменимый прибор – вариометр.

В предлагаемых вариометрах вертикальная скорость индицируется звуковым тоном с изменяющейся частотой. Звуковой тон передается на землю с борта по радио, на частоте диапазона 433 МГц, в качестве приемника используется радиостанция LPD диапазона.
Поэтому производителю необходимо изготовить только бортовую аппаратуру, наземная часть – стандартная радиостанция, приобретается отдельно.

Совершенно понятно, что в России они не производятся, попытка приобрести вариометр за границей закончилась неудачей, интересующее меня устройство оказалось невозможно оплатить из России (на тот момент у конкретного производителя).
Решил сделать сам, максимально простой вариометр.

Итак, пытаюсь сделать что-то подобное.
Главная деталь – датчик давления, самый доступный из них мотороловский MPX4115. Датчик питается напряжением 5 В, имеет чувствительность около 0,552 мВ\метр, термокомпенсирован, работоспособен до 7,5 тыс. метров, имеет сравнительно небольшую погрешность, и, самое главное, линейную передаточную характеристику. Поскольку в стандартной атмосфере до высоты 2,5 тысячи метров давление меняется линейно, этот датчик почти идеален для альтиметра. Но мне нужен вариометр, чтобы получить вертикальную скорость, необходимо продифференцировать сигнал с датчика высоты. И здесь ждет первая проблема – громадные шумы, забивающие полезный сигнал.
А что если отказаться от индикации вертикальной скорости высотой тона и индицировать прохождение высоты коротким звуковым сигналом? При подъеме – с высоким тоном, а при спуске – с низким. Строго говоря, это будет не вариометр, а альтиметр, но при этом вертикальная скорость будет пропорциональна частоте повторения сигналов. Можно, конечно подсчитывать импульсы и таким образом узнавать высоту, но планеристам важнее знать именно вертикальную скорость, для этого надо всего лишь слушать попискивания. На деле все интуитивно понятно: «пи……пи……пи» - медленный подъем, «пи…пи…пи» - быстрее, «ту-ту-ту» - быстрый спуск.

Обрабатывать сигнал с выхода датчика давления и формировать импульсы звуковой частоты будет PIC12F675, маленький, всего с 8 выводами, контроллер с 10 разрядным АЦП.
В качестве передатчика использую готовый блок, RTFQ2-433, фирмы Telecontrolli, на частоту 433,92 МГц, с ФМ и выходной мощностью 5 мВт.
Приемник – радиостанция JJ-Micro.

А теперь посчитаем: вес одного разряда АЦП при опорном напряжении 5 В составляет 5/1024=4,883 мВ, если мы хотим получить чувствительность хотя бы 0,5 метра, то нам необходим усилитель постоянного тока между датчиком давления и АЦП с коэффициентом усиления 2*4,883/0,552=17,7 [примем=18]. А вот тут вторая засада, при таком усилении диапазон имеющегося у нас напряжения (4,5 В, больше не выдаст недорогой операционник) будет израсходован уже на высоте 460 метров, что весьма печально.
Остановился пока на этой схеме. Чтобы иметь максимальный диапазон высот, по приезде на место старта придется каждый раз устанавливать выходное напряжение усилителя постоянного тока равным 0,12-0,25 В. Это неудобство компенсируется простотой схемы. Можно этого не делать, а установить напряжение 2 В, тогда максимальная высота не привысит 250 метров что более чем достаточно для непланеров при разумном атмосферном давлении.

Ничего не меняя в схеме, сменив только прошивку контроллера, можно сделать из него альтиметр-вариометр, голосовой информации ждать от PIC12F675 нельзя, обойдемся азбукой Морзе, немного изменив схему и прошивку - сообщать напряжение батареи, но обо всем этом позднее и это уже не «максимально простой вариометр».
Для питания использую стабилизатор LM7805, что создает очередную проблему, питание от 4 аккумуляторов с напряжением 6,0-4,8 В невозможно. Пока оставим эту проблему на будущее, первые полеты совершу на электролетах с заведомо большим напряжением на аккумуляторах.
Шумы на входе АЦП относительно велики и в алгоритме микроконтроллера предусмотрен простейший фильтр.

Вот что получилось.

Готовое устройство питается напряжением 6,6-12,6 В, потребляемый ток 22 мА. Схема собрана на корпусных элементах на макетной плате и имеет размеры 80x32x12 мм, вес 22 гр.
Максимальная вертикальная скорость до 10 м/с, при большей, частота повторения тоновых импульсов не растет. Минимальная теоретически не ограничена, но на практике есть порывы ветра и шумы, поэтому иногда проскакивает ложный импульс. Дальность метров 300 гарантирована, дальше отпустить модель пока не удалось.
Летные испытания показали вполне удовлетворительные результаты. Летал с вариометром на разных моделях: летающем крыле Swift, тренере – электролете E-Starter, большом планере с размахом 2,5 метра Zeus.
Радиостанция лежит в кармане, кнопки залокированы. «Пи-пи-пи…ту…ту-ту» это все что передается с борта, к такой информации быстро привыкаешь, особенно если модель велика, тяжела и не реагирует мгновенной просадкой или взмыванием на каждый порыв ветра.
Swift слишком подвержен болтанке на сильном ветру, вариометр крепился снаружи, обдувался встречным потоком но, все же, помог искать динамические потоки от неровностей рельефа. В планере и тренере вариометр устанавливался внутри фюзеляжа, и набегающий поток влиял незначительно. На тренере можно отрабатывать горизонтальный полет «по звуку вариометра». Наиболее полезен вариометр конечно, для планера, особенно когда он над головой и изменения высоты на глаз не видно. Полезен при наборе высоты на моторе, позволяет набирать высоту с постоянной вертикальной скоростью. Незаменим для устранения раскачки по тангажу. Впереди полеты на планере на максимальную дальность и максимальную высоту.