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Variómetros en aeromodelismo

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Un variómetro es instrumento utilizado en aviación que mide la variaciones de la altitud. Mientras que el altímetro mide la altitud, el variómetro indica la velocidad o tasa de ascenso o descenso. El funcionamiento de ambos se basa en que la presión atmosférica desciende con la altitud.

 

¿Para qué sirve?

En un avión real a motor, resulta útil para poder mantener constante un ritmo de ascenso o descenso, mientras que para el vuelo nivelado, el piloto se fijaría en el altímetro, actuando sobre el elevador para que no haya ni pérdida ni ganacia de altitud, en este caso el variómetro indicará cero. Lo habitual es que el altímetro esté en pies (1pie=0,3048m) y el variómetro en pies/minuto (100pies/min=0.508m/s)

En un planeador la cosa cambia, como los fabricantes principalemnte son europeos, el altímetro va en metros y el variómetro en m/s. Además dado que un planeador (en viento calmo), siempre desciende, el altímetro indicará que está perdiendo altitud, mientras que el variómetro indicará con qué velocidad lo hace. Una buena tasa de descenso para un planeador de rendimiento, será de 0,5m/s o inferior. A partir de aquí ya nos olvidamos un poco del altímetro, pues lo que interesa es la forma de la que se pierde o gana altura.

En viento calmo, el planeador irá descendiendo a esa tasa de 0.5m/s que corresponderían a su tasa mínima de descenso para una velocidad cercana a la de pérdida. Si el planeador vuela mas rápido, esa tasa se irá incrementando.

De pronto, el planeador entra en una térmica en la que el aire sube a una velocidad de 4m/s. Como el planeador siempre ira bajando a 0,5m/s con respecto a la masa de aire que le rodea, se producirá un ascenso con respecto a tierra de 3,5m/s.

La velocidad de ascenso de la masa de aire en una térmica es más alta por el centro que por su periferia, de forma que cuanto más alta sea la tasa de ascenso, más cerca se está del centro. Esto es de gran ayuda a la hora de centrar una térmica, el objetivo es conseguir una tasa de ascenso lo mas alta posible y uniforme, eso significará que se está volando en círculos cuyos centros serán el centro de la térmica. Si la tasa baja, es que se el planeador se aleja y habría que cerrar el viraje, mientras que si la tasa sube, habría que abrir el viraje.

Como resulta difícil estar mirando a la vez al frente y al variómetro, éstos están provistos de un indicador acústico, cuanto mas alta sea la tasa de ascenso, más agudos e intermitentes serán los pitidos, mientras que para las de descenso, serán contínuos y graves.

 

 

Para hacer llegar esta información al piloto del aeromodelo, se recurre a enviar esta señal de audio a un receptor que lleva el piloto, normalmente se trata de un walkie normativa PMR 446, que es de uso libre (sin licencia), trabaja en la frecuencia de 446Mhz y es muy habitual entre los aficionados a las actividades de aire libre.

Hasta aquí todo parece muy fácil y sencillo, el problema es que existen las llamadas "térmicas de stick", es decir, si el planeador vuela a una velocidad suficiente y el piloto tira de la palanca del elevador o corrige en exceso en un viraje, el planeador subirá y por lo tanto el variómetro avisará. Pero no hay térmica. Entonces ¿cómo diferenciarlo?

 

Sonda TEK

Se sabe que la energía no se crea ni se destruye, sólamente se transforma. De modo que la velocidad (energía cinética) puede ser transformada en altitud (energía potencial) y al revés, pero siempre una a costa de la otra. Volando sin motor, en un picado, se pierde altitud y se gana velocidad y esa velocidad puede ser transformada en altitud (aunque no a la misma que la inicial debido a la resistencia con el aire, parte de la energía pasaría al aire por rozamiento). Por tanto  lo que se busca es un variómetro con compensación de energía total, en alemán (Total Energie Kompensation TEK).

Con este sistema se realiza un balance energético de los incrementos de ambas energías.

ET=EC+EP siendo EC=(1/2)*masa*velocidad2 y EP=masa*gravedad*altura

En vieto calmo, con el planeador volando a 10m/s de velocidad y con una tasa de descenso de 0,5m/s, como la velocidad es constante, el incremento de la energía cinética es 0, mientras que como hay una pérdida de altura a 0,5m/s, la energía potencial decrece, por lo tanto el balance energético es negativo. El variometro indica pérdida de energía.

En las mismas condiciones el planeador hace un picado ganando velocidad y perdiendo altitud, como pierde altitud hay un incremento negativo de la energía potencial, que se transforma en un incremento de la cinética, con la pérdida de la resistencia aerodinámica. Por tanto el balance también será negativo. Como la resistencia es proporcional al cuadrado de la velocidad, será tanto más negativa cuanto más rápido vuele.

Continuando en las mismas condiciones esta vez con el planeador volando a gran velocidad, tirando del stick comienza a ascender, ganando altitud. Como se está ganando alitud, hay un incremento de la energía potencial, pero a la vez que sube el planeador, va perdiendo velocidad, de modo que hay un incremento negativo de la energía cinética. Hay una transformación de energía, pero como antes, al haber resistencia con el aire, el balance también es negativo y no indicaría ascendencia.

En una térmica, con el planeador volando a velocidad constante, no hay incremento de velocida, por tanto no hay incremento de energía cinética, sin embargo se está ganando altitud, por lo que sí hay incremento de energía potencial, como el incremento del balance energético es positivo, el variómetro indica ganacia de energía. Esto es, ascendencia y tanto más cuanto mayor sea la velocidad de ascenso.

Resultarían también balances energéticos positivos, el uso de motor para aumentar la velocidad en vuelo nivelado, el uso de motor para ganar altitud, tanto a velocidad constante como con aumento de ésta, los remolcajes, subidas a torno y goma (mientras esté enganchado)

Un lanzamiento a mano o zoom del torno, sería el caso de ganancia de altitud a costa de velocidad.

Darían como resultado cero del balance energético, el vuelo con motor a velocidad constante y sin ganancia de altitud, así como el vuelo en ladera una vez trimado para que en los largos no se gane ni pierda altitud.

 

 

¿Cómo funciona el TEK?

A primera vista es fácil pensar que exsisten dos sensores, uno destinado a captar la  variación de la altitud y otro para la variación de la velocidad. No es así. Toda la compensación se realiza con un solo sensor de presión. El sensor del variómetro está conectado mediante un tubo flexible a la sonda TEK, esta no es más que un tubo metálico, cerrado por el otro extremo y situado en una posicion casi vertical, que tiene una pequeña abertura en la cara opuesta al sentido del vuelo (aunque existen diferentes diseños), de esta forma, el aumento de velocidad (energía cinética) implicará una disminución de la presión en el interior del tubo, lo mismo que el aumento de altitud (energía potencial). Así ambas magnitudes tienen el mismo signo y se pueden compensar, que es lo que se busca.

Por tanto, esta compensación depende sólo de diponer de una sonda TEK conectada mediente un tubo al variómetro.

 

tek_fl1

Este gráfico corresponde a un vuelo de planeo descendente, sin térmicas, en el que se han realizado continuos "caballitos". La línea azul oscuro es la altitud, en la que se ven las subidas y bajadas. La línea verde es la velocidad de planeo, con sus correspondientes aumentos, por pérdida de altitud y sus recuperaciones. Y, aquí va lo importante, la línea azul clara es la tasa de ascenso/descenso sin compensar, mientras que en naranja ya está compensada por el acoplamiento a la sonda TEK. La línea roja sería la altitud si fuera tomada a través del sensor conectado a dicha sonda, por ese mismo efecto el resultado da una lectura "amortiguada".

 

Diseño de la sonda TEK

A lo largo del tiempo han existido diferentes diseños de sondas, el objetivo es conseguir la compensación justa entre ambas presiones, estática y dinámica, para así poder compensar ambas energías, potencia y cinética, respectivamente. Pero también que esta compensación sea efectiva para diferentes ángulos de ataque y de deriva. El desarrollo de un disño de sonda TEK lleva, a parte de sus cálculos de fluídos, una gran cantidad de pruebas experimentales en tunel de viento bajo distintas condiciones. La opción de comprarla hecha, siempre existe, pero también puede ser fabricada por uno mismo. Al fin y al cabo se trata de un tubo metálico cerrado por un extremo y con una abertura.

Construcción sonda TEK (en alemán)

Construcción sonda TEK (en francés)

Para buscar mas información sobre este tipo de sondas TEK, en inglés es "TEK Probe" y en alemán "TEK Sonde".

 

 

 

Posicionamiento de la sonda TEK

Dado que la sonda mide la presión del aire que circula a su alrededor, este aire no debe (o lo menos posible), estar influenciado por nada más, tiene que llegar lo más laminar (imperturbado) posible. Entonces entramos en lo que se denomina la capa límite. Como la capa límite es una perturbación creada por el fuselaje y las alas, la sonda debe situarse lo más lejos posible de la corriente perturbada, lo mas común es situarla lejos de la estela del ala, cerca de la cola y a una altura de aproximadamente una cuerda, por encima del borde de salida. En los planeadores con empenaje vertical, se suele posicionar horizontalmente saliendo del borde de ataque de ésta. En los que no disponen de ésta, como los cola en V o alas volantes, se coloca de forma vertical en la cola, tras el borde de salida.

 

 

Sensor de presión electrónico

Estos variómetros disponen de un sensor electrónico de presión, al contrario que en los instrumentos de vuelo tradicionales, que se basan en la deformación de una membrana. Esto plantea algunos problemas, el primero es que su alta sensibilidad muestra variaciones, por pequeñas que sean, dando una lectura en cuanto a altitud, el primer paso, muy inestable. Para solucionarlo es necesaria la aplicación de un filtro en la programación. Esto no ocurre en los instrumentos de vuelo tradicionales ya que la naturaleza de los elementos mecánicos estabilizan la lectura con su propia inercia.

 

pressure_data

Aplicación de filtro en la lectura de la altitud

 

El segundo problema se plantea al obtener la tasa de ascenso o descenso, que es la pendiente de la gráfica de la altitud. Se recordará de tiempos del instituto que esta tasa, como velocidad que es, no es otra cosa que la derivada del espacio (altura) con respecto al tiempo. Si se sigue estrictamente la definición de derivada y se toma un diferencial (incremento) de tiempo infinitamente pequeño, se obtiene la velocidad (tasa instantánea), pero nuevamente es una lectura muy inestable, de modo que ese incremento de tiempo se toma más amplio, de modo que se consigue un valor medio mucho más estable, eso sí, a costa de un pequeño retardo.

 

linear_regression

Diferencial de tiempo de 1, 2 y 3 segundos

 

Recomendaciones para un variómetro para RC

Reducido peso y tamaño. De nada sirve si su peso o tamaño es tal que impide montarlo en nuestros planeadores habituales.

Sensibilidad. Un buen sensor de presión dará medidas precisas y una información más exacta.

Tonos y frecuencia. El tono y frecuencia han de cambiar en función de la velocidad de la ascendencia, con el objeto de poder centrarla en el viraje. Una simple alarma de ascendencia no será de gran utilidad.

Ajustes. Resulta muy útil poder configurar el tipo de tono y cuando uno quiere que avise, si sólo para ascendencias o también para las descendencias y y el punto en que empiece a avisar acústicamente. Resultaría un martirio estar oyendo pitidos continuamente a la menor variación.

Adaptador de sonda TEK. Esto no es mas que la carcasa del sensor tenga forma de boquilla para así poder enchufar el tubo hacia la sonda (en el caso de tenerla).

Frecuencia de uso libre. Que permita usarlo legalmente en el país sin necesidad de tener que obtener una licencia de radio aficionado, PMR 446 y 2,4Ghz son de uso libre es España.

A partir de aquí ya va en función de lo que uno se quiera gastar, como por ejemplo:

-Indicación por voz de la altitud
-Voltaje de la batería del recepor
-Sonda de temperatura
-Velocidad
-Consumo
-Registro de datos en vuelo para su posterior análisis
-...

 

2ª Parte: Thermal Scout, un pequeño gran variómetro

Última actualización el Martes, 25 de Marzo de 2014 21:27  

Comentarios  

 
0 #2 Ramonchu 09-05-2013 15:15
Hola, buenas.. Mira, estoy interesado en comprarme un variometro para mi planeador de 1' 80 m. Y me gustaria saber cuanto me puede costar uno que lleve todo lo que as escrito o sino, uno lo mas completo posible sin que me supere el precio, tengo de presupuesto alrededor de 150 euros, me gustaria un kit de esos que ya bienen con el walky y todo a poder ser...tampoco se donde puedo encontrarlos para mirar aber cual es el que mejor se adapte a mis necesidades. Muchas gracias y espero su respuesta.
 
 
+1 #1 PACHOALCOTANES 19-03-2010 16:28
Muy buenos tus articulos.
Sigue asi.
Un Saludo
Pacho
 

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