Stand:14.2.2014
In Kundengesprächen stelle ich immer wieder fest, dass Eigenschaften und Parameter von Variometern nicht richtig interpretiert werden. Auch in Internet-Foren werden oft irreführende Aussagen gemacht und falsche Begriffe verwendet.
Die folgende Zusammenstellung soll helfen, die wichtigsten Eigenschaften, Parameter und Qualitätsmerkmale von Variometern zu erklären.
Für Hersteller die einen Variometerton für hochauflösende Variometer in ihren Sender integrieren, finden sich hier alle notwendigen Anforderungen.
Das Messprinzip
Modellflug-Variometer messen den Luftdruck mit einem elektronischen Drucksensor. Durch Differenzierung des Drucksignals (=Höhensignals) wird das Variometer-Signal gewonnen. Diese Differenzierung kann entweder analog oder digital erfolgen.
Zur Anzeige, bzw. Ansage bei Sprachausgabe, gelangen üblicherweise beide Werte, das Höhensignal und das Variometer-Signal. Das Variometer-Signal wird wie im Segelflug üblich durch die sog. Variometer-Akustik angezeigt.
Variometer Akustik
Hierbei handelt es sich um ein Tonsignal, an Hand dessen der Pilot auch ohne optisches „Anzeigegerät" das Variometer-Signal, also Steigen bzw. Sinken und dessen Stärke, beurteilen kann. Üblicherweise wird Sinken durch einen Dauerton und Steigen durch einen Intervallton angezeigt. Die Tonhöhe nimmt über den gesamten Anzeigebereich mit größer werdendem Steigwert zu. Der Intervallton kann auf verschiedene Arten gepulst sein.
Anforderungen an das Variometer-Signal
Verschiedene Parameter bestimmen die Qualität und die praktische Nutzbarkeit des (akustischen) Variometer-Signals. Hierzu gehören z.B. die Auflösung des Signals, die „Stabilität", also die Schwankungsbandbreite des Signals und die Ansprechzeitkonstante. Als weiter Parameter kommt beim Variometer mit Datenübertragung auf der Telemetrie des 2.4GHz Fernsteuersystem, auch Rückkanal genannt, noch die Übertragungsrate hinzu. Damit ist die Anzahl der Datensätze die pro Sekunde übertragen werden gemeint.
Neben diesen objektiv messbaren Parametern bestimmen aber auch weitere, subjektive Eigenschaften das Signal, z.B. die Frage, ob der Variometer Ton als „angenehm" oder eher aufdringlich und nervend empfunden wird.
Anforderungen sind eine sehr individuelle Angelegenheit, ebenso die Frage, was als angenehm bzw. störend empfunden wird. Während der eine Pilot damit zufrieden ist, wenn er irgendwie die Bestätigung bekommt, dass es mit 2m/s nach oben geht, interessiert sich der andere für feinste Heber bei schwacher Abendthermik aus denen er das maximale herausholen möchte.
Daraus wird klar, dass es universell gültige Anforderungen an ein Variometer nicht geben kann.
Wstech Variometer orientieren sich eher am oberen Ende der Anforderungs-Skala. Sie sind für den anspruchsvollen Modellflieger entwickelt, der Wert auf ein präzises Messinstrument legt und dessen Eigenschaften zu schätzen und nutzen weiß.
Auflösung und Stabilität des Variometer-Signals
Diese beiden technischen Werte bestimmen im wesentlichen die Qualität eines Variometers!
Bei der Auflösung handelt es sich um den Wert, mit welchen Stufen die Sinken/Steigen-Änderung systembedingt erfassbar ist, und reproduzierbar in Variotonänderungen umgesetzt wird. Die Feinfühligkeit der Tonänderung hängt direkt von der Auflösung ab.
Gängige Werte der Tonänderung sind bei wstech Variometern 1Hz pro 0,01m/s Sinken/Steigen-Änderung. Dies muss nicht mehr sein, da das menschliche Gehöhr sehr sensibel auf Frequenzänderungen reagiert. Größe Änderungen oder gar Sprünge der Frequenz werden eher als aufdringlich und störend empfunden. Diese Eigenschaften werden im besonderen von Piloten die aus der Großfliegerei kommen als sehr positiv bewertet.
Welche Werte kommen in der Praxis vor?
In der Ebene mit schwacher Thermik haben wir es mit Steigenwerten von meist unter 1m/s zu tun. An sog. "Hammertagen" können es dann auch mal >3m/s Steigen sein. Am Hang sind oft größere Werte die Regel.
Halten wir fest, ein Variometer das bei schwacher Thermik in der Ebene benutzt wird, erfordert eine höhere Auflösung und Präzision als am Hang mit starken Aufwindfeldern.
Den Modellen mit geringem Eigensinken, z.B. F3J-Modellen, gebührt ganz besonders ein hochauflösendes und präzises Variometer.
Beispiel in der Ebene bei schwacher Abendthermik
Modelle haben im allgemeinen je nach Typ und Flächenbelastung ein Eigensinken von 0.4 - 1m/s.
Nehmen wir einen durchschnittlichen Zwecksegler mit 0,6m/s Eigensinken und schwache Thermik im Bereich von 0,3 m/s. Das Modell würde also ohne Thermikeinfluss aus 200m Höhe 333 Sekunden lange fliegen.
Unter Nutzung von der mit dem Vario erkannten Thermik würde es nur noch mit 0,6 - 0,3 = 0,3m/s sinken und somit die Flugzeit auf 666 Sekunden verdoppeln.
Dies zeigt uns, dass wir zur Nutzung dieser Bedingungen mit einer Variometer-Auflösung von 0,1m/s eventuell zurecht kommen können. Eine höhere Auflösung, also z.B. 0,02m/s wäre beim Zentrieren des Barts aber sicher ein weiterer Gewinn.
Unter Stabilität des Variometer-Signals wird verstanden, wie geichbleibend ein konstanter Wert erfasst und angezeigt wird (Schwankungsbandbreite der Anzeige). Der technische Begriff dafür ist „Rauschen". Dies ist ganz und gar nicht selbstverständlich, wie man irrtümlicherweise annehmen könnte.
Hier unterscheiden sich die Variometer durch verschiedene Technologien, welche sich auch im Schaltungsaufwand und Preis niederschlagen teilweise ganz erheblich.
Die Stabilität kann einfach überprüft werden, während sich das System in Ruhe befindet.
Wichtig: Dieser Test ist in Gebäuden nur bei ruhigem Wetter mit Windstille vernünftig durchzuführen. Auch das öffnen von Türen oder Personenbewegungen in den Räumlichkeiten verursachen ungewollte Druckänderungen. Also Vorsicht mit den aus den Ergebnissen voreilig gewonnen Schlüssen.
Die Stabilität des Signals kann bei Variometer-Systemen, deren Werte über den Rückkanal übertragen und in einem Display dargestellt werden, direkt abgelesen werden. Logger-Aufzeichnungen sind bei der Beurteilung hilfreich. Ansonsten muss man sich mit der Beurteilung des Variometer-Tons zufrieden geben. Er muss so konstant wie möglich bleiben.
Einfache Variometer zeigen hier oft eine Schwankungsbandbreite bis zu +/- 0,3m/. Auch eine höhere Auslösung könnte diese Problem nicht beseitigen.
Typische Werte für die Stabilität des Variosignals bei wstech Variometern mit analoger Vario-Signalaufbereitung sind im Bereich von +/-0,03m/s.
Das im Beispiel aufgezeigte Szenario mit einem 0,3m/s-Aufwind ist mit einer Schwankungsbandbreite des Variometer-Signals von +/-0,3m/s schwer zu nutzen, da sich die Signalschwankungen in der Größenordnung der Thermik bewegt und diese somit quasi im Rauschen untergehen lässt.
Beim wstech Konzept wird die Differenzierung in einer analogen Schaltung erledigt und das gewonnene Variometersignal erst nach einer Verstärkung und Filterung in Präzisions-Operationsverstärkern von einem AD-Wandler digitalisiert. Die hier auftretenden AD-Wandlerfehler und das Sensorrauschen sind wegen der zuvor erfolgten analogen Verarbeitung sehr gering und vernachlässigbar. Dies ist sowohl beim wstech LinkVario als auch beim DataVario so umgesetzt.
Ansprechzeitkonstante
Dies ist der dritte Parameter, welcher die Eigenschaft des Signal bestimmt.
Zur Erklärung ein Beispiel: Nehmen wir an, das Modell fliegt in ruhiger Luft mit seinem Eigensinken von ca. 0,5m/s und trifft auf einen Aufwind von 2m/s, der abrupt beginnt (was in der Praxis nicht vorkommt). Das Modell wird nun mit 2-0,5 also 1,5m/s steigen.
Dieses Steigen wird vom Vario nicht sofort angezeigt, sondern entsprechend gedämpft, d.h. der volle Wert von 1,5m/s wird erst nach einer Zeit von z.B. 1s angezeigt. Dies ist systembedingt und gewollt, und führt zu einer Beruhigung der Anzeige, welche ansonsten sehr nervös und schwer zu interpretieren wäre!
Es handelt sich also nicht um eine „Verzögerung" im eigentlichen Sinne, sondern um eine Mittelwertbildung mit einer bestimmten Zeitkonstante.
Leider werden bei diesem Thema oft falsche Aussagen getroffen. Dies rührt zum einen von technischem Unverständnis, zum anderen wird die Sache auch dadurch noch verschlimmert, dass durch die Parametrierbarkeit der Vario-Akustik (Sinkenschwelle) weitere Fehlinterpretationen begünstigt werden, die dann dem Thema Zeitkonstante angelastet werden.
Wird die Sinkenschwelle für ein Modell mit z.B. mit 0,9m/s Eigensinken auf 0,5/s eingestellt, so kommt der Steigenton eben deutlich später als erwartet und dieser Effekt wird dann gerne der Trägheit des Variometers, also einer zu hohen Ansprechzeitkonstante, zugeordnet.
Diese Interpretation ist aber nicht richtig. Es ist minimal die vergangene Flugzeit, die ist von der Stelle ohne Thermik, bis zu der Stelle an welcher 0,9- 0,5= 0,4m/s Aufwind vorhanden ist. Dabei ist es durchaus möglich das Steigen mit dem Auge zu erkennen. Es ist also eine korrekt Einstellung der Sinkenschwelle sehr nahe am Eigensinken des Modells wichtig.
Allgemein kann man sagen, dass dem Thema „Zeitkonstante" viel zu viel Aufmerksamkeit geschenkt wird! Ein Wert von 0,5s - 1s hat sich in der Praxis bewährt und wird auch im manntragenden Segelflug verwendet.
Übertragungsrate
Um einen flüssigen und sich angenehm ändernden Varioton zu erhalten ist eine Datenrate >5Hz besser >10Hz anzustreben. Bei der Übertragung auf der Telemetrie des 2.4GHz-Fernsteuersystems, kann eine mögliche Priorität für das Variometersignal helfen, dieser Anforderung gerecht zu werden.
Von der Übertragungsrate sind Variometer-Systeme mit Übertragung des Variotons auf einer Audio-Funkstrecke befreit, da dieser nicht digitalisiert werden muss und direkt ohne jegliche Umwandlungen übertragen wird.
Nullschieberausblendung von Nachteil?
Wenn z.B. im Bereich von 0m/s bis -0,6m/s der Varioton ausgeblendet wird, also das Variometer stumm ist, durchfliegt der Pilot schwache Aufwinde, wie im Beispiel dargestellt, ohne sie zu erkennen.
Diese wichtige Information zu verschenken ist das verkehrteste was man tun kann! Eine Erkennung dieser schwachen Aufwindfelder wird normalerweise die Suche nach besserem Aufwind erleichtern, oder kann die Flugzeit zumindest verlängern.
wstech Variometer mit drei verschieden Variotönen
Betrachtet man den Wertebereich einen Variometersignals als Zahlenskala, von links kommend mit z.B -5m/s und rechts endend mit z.B. +5m/s, dann gibt es auf dieser Skala zwei charakteristische Werte welche die Skala in drei Bereiche aufteilen. Der eine Wert ist der Nullpunkt (0m/s), der andere ist das Eigensinken des Modells, also z.B. -0,6m/s. Für alle Werte oberhalb des Nullpunkts liegt tatsächliches Steigen vor. Werte unterhalb des Eigensinkens deuten auf fallende Luftmassen hin. Der Bereich dazwischen ist der sog. Nullschieber-Bereich - die Luft steigt schon, aber für das Flugzeug reicht es (noch!) nicht ganz.
Für den Piloten ist es ganz entscheidend zu wissen, in welchem dieser 3 Bereiche er sich befindet. Da wir keine optische Anzeige haben, müssen diese 3 Bereiche über die Akustik irgendwie unterschieden werden können! Gerade der Nullschieber-Bereich ist von großem Interesse.
Das Sinken unterhalb der Sinkenschwelle wird wie üblich durch einen Dauerton angezeigt, der mit zunehmendem Sinken immer tiefer wird. Steigen wird stets durch einen gepulsten Ton angezeigt, dessen Frequenz und Pulsfolge mit zunehmendem Steigen anwächst.
Im Nullschieber-Bereich wird ebenfalls ein gepulster Steigenton ausgegeben, der sich aber vom eigentlichen Steigenton ( >0m/s) dadurch unterscheidet, dass das Tastverhältnis hier 50:50 ist, während der eigentliche Steigenton dann das Tastverhältnis 25:75 besitzt (Tastverhältnis = Tonzeit / Pausenzeit). Der Ton ist also kürzer. Auf diese Weise sind echtes Steigen, beginnendes Steigen im Bereich des Nullschiebers, und Sinken sehr gut voneinander zu unterscheiden ohne dabei aufdringlich zu wirken.
Eventuell muss man sich an das immer vorhandene Tonsignal erst gewöhnen (es gibt keine Phase, in der das Vario „ruhig" ist). Das geht aber sehr schnell und man wird die Vorteile dieser Einstellung nicht mehr missen wollen.
Aktuell ist dies so möglich bei wstech LinkVario für Jeti Duplex, Multiplex M-Link und Weatronic LinkVario. Beim LinkVario HoTT (kein Tastverhältnis 25:75) etwas eingeschränkt. Ferner im wstech DataVario, hier ist der Ursprung dieser Varioton-Option.
Hier ein Beispiel für den wsTech-typischen 3-Ton Klang. Einstellung der Sinkenschwelle bei -1m/s.
Varioton-Verlauf:
Bei der Sinkenschwelle liegt der Startwert mit 270Hz. Von hier aus ausgehend ergeben 0,01m/s Steigen/Sinkenänderung eine Frequenzänderung von 1Hz. Dieser dezente Variotonverlauf hat sich tausendfach bewährt.
Beim LinkVario muss die Sinkenschwelle über ein Setup im Variometer-Sensor oder am besten im Sender direkt konfigurierbar sein.
Hier ein Beispiel:
Sinkenschwelle z.B. bei -0,6m/s (ein durchschnittliches Eigensinken eines Modells) ergibt:
-0,6m/s = 270Hz
3m/s Steigen = 270 + 360 = 630Hz (Ton getaktet mit 630/64 = 9,8Hz, also ca 0,1s an, dann ca. 0,1s aus)
-1m/s also Sinken = 190Hz Dauerton nicht getaktet
ab -3,3m/s Sinken = 0Hz, also kein Ton, oder tiefes Brummen mit wenigen Hz.
Dies wäre die Minimalforderung an den Varioton.
Total Energie Kompensation (TEK = Total Energie Kompensation)
Ein Variometer mit TEK-Anschluss bietet die Möglichkeit, über einen druckstabilen PTFE-Schlauch (besser kein Silikon-Schlauch) eine TEK-Düse anzuschließen, eine Technik, die von der Großfliegerei übernommen wurde. Die Düse wird im Normalfall am Seitenleitwerk angebracht. Es gibt aber auch eine Sonderform für V-Leitwerke zur Montage auf dem Rumpf zwischen bzw. knapp hinter den Tragflächen.
Ein Variometer welches nicht TEK kompensiert ist, arbeitet als reines „Höhenvario". Es zeigt jede Höhenänderung an, völlig gleichgültig wodurch sie zustande kommt, also z.B. auch durch Steuerbewegungen.
Der große Vorteil des TEK-Variometers ist es, dass das Hochziehen und Nachdrücken als Energieumwandlung von potentieller (Epot) in kinetische Energie (Ekin), und umgekehrt, nicht mehr angezeigt wird, die so genannte „Knüppelthermik" wird kompensiert.
Somit wird unabhängig von irgendwelchen Fahrtänderungen durch Ziehen und Drücken vom Variometer nur noch hörbar gemacht, ob insgesamt Energie gewonnen wird oder nicht. Damit ist es einfacher Aufwindgebiete als "Energiegewinnzonen" ausfindig zu machen. Etwas mehr Informationen hierzu ist unter TEK PRO-Düse / Theorie [1] und TEK-Theorie [2] zu finden.
Es ist ganz wichtig festzuhalten, dass das Variometer nun nicht mehr die Höhenänderungen, sondern die Veränderung der Gesamtenergie des Modells anzeigt.
Dies alles mag sich für den „Praktiker" sehr kompliziert und theoretisch anhören. Es lohnt sich jedoch, sich mit der Materie etwas zu beschäftigen, im Grunde genommen sind die Zusammenhänge ganz einfach. Wer sich für weiter in die Materie einlesen möchte, dem seien [3] und [4] empfohlen.
Die Verwendung der TEK-Düse wird für den anspruchsvollen Modellflieger unbedingt empfohlen, ansonsten ist es schwierig thermisches Steigen von den bewussten oder unbewussten Steuerbewegungen am Höhenruder zu unterscheiden.
Mit TEK wird das Vario-Signal beruhigt, da kleine Steuerbewegungen welche eigentlich nur Fahrtänderungen aber keine Energieänderung hervorrufen, nicht als Steigenänderung angezeigt werden. Dadurch kann in der Praxis die Sinkenschwelle dichter an das Eigensinken des Modell gelegt werden und man bekommt eine sehr direkte, aber nicht nervöse Anzeige der Verhältnisse.
Auflösung der absoluten Höhenmessung
Durch Wetterumschwung und auch tageszeitabhängige normale Druckänderungen sind innerhalb von weniger als einer Stunde Druckdifferenzen von 1-3 hPa (mb) möglich. Hier kommen also schnell daraus abgeleitet Höhenfehler im Bereich von 10 bis 20m zustande.
Eine Auflösung von 1m reicht zur Höhenmessung also vollkommen aus. Bei Gleitzahlmessungen in kurzen Zeitintervallen z.B. von 10 Sekunden, ist eine Auflösung bezüglich der Höhenmessung von 0,1m allerdings von Vorteil. Ebenso bei den Integralvario-Ansagen bei kurzen Ansageintervallen.
Durch Rumpföffnungen kann im Flug im Rumpfinnern geringer Über- oder Unterdruck entstehen. Dadurch können bei der Höhenmessung Fehler auftreten, und man muss hier gewisse Genauigkeitsabstriche zulassen. Diese liegen in der Praxis in Größenordnung von+/-10m.
Variometer mit zwei Drucksensoren
Bei Nutzung der TEK-Düse an einem Variometer mit nur einem Drucksensor werden systembedingt fahrtabhängig vergrößerte Höhenwerte gemessen. Das rührt daher, dass mit der TEK-Düse die energetische Gesamthöhe des Flugzeugs gemessen wird, welche sich zusammensetzt aus der tatsächlichen Höhe + der Höhe die der kinetischen Energie des Flugzeugs entspricht. Im normalen Gleitflug (mit ca. 15m/s) beträgt dieser zusätzliche Anteil etwa +10m bis +15m. Der Fehler steigt allerdings quadratisch mit der Geschwindigkeit. Doppelte Fahrt erzeugt also den vierfachen Fehler.
Bei wstech werden Variometer mit zwei unabhängigen Drucksensoren als sog. Duo-Varianten angeboten. Hier wird dieser Effekt durch einen zweiten Drucksensor, der den Luftdruck für die Höhenmessung TEK unabhängig misst, umgangen.
„Es geht auch ohne Variometer, mit eben nur besser" Zitat aus: „Das Thermikbuch für den Modellflieger" von Liesken / Gerber
wstech W. Schreiner u. R. Schuler
Quelleninformation:
[1] http://www.wstech.de/tek_pro.htm
[2] http://www.wstech.de/tek_theo.htm
[3] STRECKENSEGELFLUG von Helmut Reichmann Motorbuch Verlag ISBN 3-87943-371-2
[4] http://www.schempp-hirth.com/fileadmin/Pdfs/TEdeutsch.pdf