Variometer
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
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 funktioniert ähnlich wie eine Thermosflasche. Der Druck in diesem Gefäß wird über eine Kapillare ständig an den statischen Druck angeglichen (pneumatisches Differenzieren). Das heißt, im Horizontalflug ist der Druck auf beiden Seiten des Sensors gleich, die Anzeige ist in der Neutralstellung (auf Null). Bei stetigem Steigflug erfolgt ein kontinuierlicher Druckausgleich zwischen dem höheren Druck im Ausgleichsgefäß und dem abnehmenden statischen Außendruck. Hieraus resultiert eine Bewegung der Mechanik und damit eine Anzeige am Instrument. Beim Beenden einer Vertikalbewegung gleichen sich die Drücke aus und die Anzeige geht in die Neutralstellung zurück. Im Sinkflug steigt der statische Außendruck und es erfolgt ein entsprechender Druckausgleich zum Ausgleichsgefäß. Beim Steigen bewegt sich der Zeiger nach oben, beim Sinken nach unten.
Die Luftdruckänderung, und damit der Unterschied zwischen dem statischen Druck und dem Druck im Ausgleichsgefäß, ist ein Maß für die Vertikalgeschwindigkeit. Die Kapillare dämpft den zur Messung erforderlichen Luftstrom, was für eine ruhige und exakte Anzeige des Varios erforderlich ist. Man unterscheidet zwischen Dosenvariometer (Membrandose) und Stauscheibenvariometer (bewegliche Zunge). Bauartbedingt ist das Dosenvariometer recht träge, während das Stauscheibenvariometer schneller anspricht.
Elektronische Variometer
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:
- Staudruck:
- Kompensationsdruck:
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 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.