فرازیاب

فرازیاب، ارتفاع‌سنج یا آلتیمتر (به انگلیسی: Altimeter) وسیله‌ای است که برای اندازه‌گیری فرازا (ارتفاع) یک شیء نسبت به یک سطح معین به‌کار می‌رود. اندازه‌گیری ارتفاع، «ارتفاع‌سنجی» (آلتیمتری) نامیده می‌شود که در تضاد با واژهٔ «باتیمتری» (ژرفاسنجی)، که به‌معنای اندازه‌گیری عمق زیر آب است، مطرح می‌شود.

تجهیزات هوایی

آلتیمتر فشار

سنسور فشار بارومتریک دیجیتال برای اندازه‌گیری ارتفاع در کاربردهای الکترونیکیِ مصرف‌کنندگان

آلتیمترِ فشار (که آلتیمترِ بارومتریک نیز نامیده می‌شود)، نوعی از فشارسنج است که در بیشتر هواپیماها به‌کار برده می‌شود. در ساختمان این نوع از آلتیمتر، از یک بارومتر آنروئید که فشار اتمسفریک از یک نقطهٔ ثابت خارج از هواپیما را اندازه می‌گیرد، استفاده شده‌است و نحوهٔ کار بر این اصل استوار است که فشار هوا با افزایش ارتفاع ــ تقریباً ۱۰۰ هکتوپاسکال در هر ۸۰۰ متر که معادل ۱ اینچ جیوه به‌ازای هر ۱۰۰۰ فوت نزدیک سطح دریاست ــ کاهش می‌یابد.

دستگاه ارتفاع‌سنج به گونه‌ای کالیبره می‌شود که فشار را مستقیماً به‌صورت ارتفاع بالای سطح متوسط دریا نشان می‌دهد که در تطابق با یک مدل ریاضی است که توسط ISA (اتمسفر استاندارد بین‌المللی) تعریف شده‌است.

اساس کار

اساس کار آلتیمتر فشار بر این اصل استوار است که فشار یک ستون هوا با تغییرات ارتفاع به‌طور مشخصی عوض می‌شود. رابطهٔ ریاضی‌ای که آن‌ها را به هم مرتبط می‌کند عبارت است از:

$z=(RT/gM).loge(po/p)$

که در آن:

Z اختلاف ارتفاع بین ارتفاع اولیه و ارتفاع اندازه‌گیری‌شده،
R ثابت گازها،
T دمای هوا برحسب درجهٔ کلوین،
g شتاب گرانش،
M جرم مولکولی،
Po فشار اتمسفریک در ارتفاع اولیه،
P فشار اتمسفریک در ارتفاع اندازه‌گیری‌شده

هستند. در آلتیمترهای الکترونیکی این رابطه بر روی یک تراشه (چیپ) پیاده‌سازی شده‌است.

این دستگاه تنها به تغییرات فشار پاسخ می‌دهد و برای تبدیل فشار به ارتفاع لازم است که بقیهٔ متغیرها در این رابطه ثابت فرض شوند. اما در واقعیت چنین نیست و این مسئله ممکن است باعث ایجاد خطا شود.

ارتفاع‌سنج‌های حساس

در هواپیماهای قدیمی‌تر، از یک بارومتر آنروئید ساده استفاده می‌شد که در آن عقربه در کمتر از یک دور چرخش، مقدار صفر تا تمام مقیاس را دربرمی‌گرفت. اما امروزه در هواپیماهای مدرن، نوعی از ارتفاع‌سنج به نام «آلتیمتر (ارتفاع‌سنج) حساس» به‌کار گرفته می‌شود که عقربهٔ اصلیِ آن می‌تواند چرخش‌های متعددی انجام دهد. یک یا چند عقربهٔ فرعیِ موجود نیز، مشابه یک صفحهٔ ساعت عقربه‌ای، تعداد چرخش‌ها را مشخص می‌کنند. به عبارت دیگر، هر عقربه یکی از ارقام ارتفاع اندازه‌گیری‌شده را نشان می‌دهد.

Kollsman-type آلتیمتر بارومتریک استفاده‌شده در آمریکای شمالی ارتفاع ۸۰ فوت را نمایش می‌دهد.

در آلتیمترهای حساس، فشار سطح دریای مرجع توسط یک دکمه قابل تنظیم است. این فشار مرجع که در آمریکا و کانادا بر حسب «اینچ جیوه» و در سایر کشورها بر حسب «هکتوپاسکال (میلی بار)» است، بر روی پنجرهٔ کلزمن قابل مشاهده‌است. (پنجرهٔ تنظیمات در آلتیمترهای حساس هواپیماها به افتخار پل کلزمن، مخترع آمریکایی بارومتر و ابزارهای پرواز در هواپیماها، پنجرهٔ کلزمن نامیده شده‌است) در دیاگرام اجزای داخلی آلتیمتر حساس، پنجره کلزمن قابل مشاهده‌است.

اهمیت وجود دکمهٔ تنظیم فشار مرجع به این خاطر است که این فشار، با تغییر دما و حرکت سیستم فشار زمین، تغییر می‌کند. در اصطلاحات فنی پرواز، فشار محلی یا منطقه‌ای در سطح دریا QNH و فشاری که آلتیمتر را کالیبره می‌کند تا ارتفاع بالای زمین را در یک منطقهٔ هوایی نشان داده شده مشخص کند، QFE منطقه نامیده می‌شود. با این وجود، یک آلتیمتر نمی‌تواند به ازای تغییرات دمایی تنظیم شود؛ بنابراین تغییرات دمایی در مدل ISA باعث ایجاد خطا در تعیین ارتفاع خواهد شد.

فرمول کالیبراسیون آلتیمترها تا ارتفاع ۳۶٫۰۹۰ فوت (۱۱۰۰۰ متر) به صورت زیر بیان می‌شود:

$h={\frac {(1-(P/P_{ref})^{0.19026})\times 288.15}{0.00198122}}$

که در آن h ارتفاع برحسب فوت، P فشار استاتیکی و Pref فشار مرجع است که هر دوی این فشارها باید بر حسب واحد یکسان بیان شوند. این رابطه از فرمول بارومتریک، با استفاده از مقیاس ارتفاع تروپوسفر استخراج شده‌است. فرمول بارومتریک که اتمسفر نمایی یا اتمسفر همدما نیز نامیده می‌شود، رابطه‌ای است که برای مدل کردن فشار تغییرات هوایی با ارتفاع به کار می‌رود.

آلتیمتر رادار

این نوع از آلتیمتر، ارتفاع را با روش مستقیم تری اندازه‌گیری می‌کند. برای این منظور زمانی که لازم است تا یک سیگنال رادیویی از سطح بازتاب شود و به هواپیما بازگردد، اندازه‌گیری می‌شود.

آلتیمترهای راداری عموماً برای اندازه‌گیری ارتفاع بالای سطح زمین در هنگام فرود در هواپیماهای مسافربری و نظامی استفاده می‌شوند. این نوع از ارتفاع سنج‌ها همچنین بخشی از سیستم هشدار عدم برخورد با زمین را تشکیل می‌دهند که در مواقع لزوم به خلبان اخطار می‌دهد که هواپیما در ارتفاع خیلی پایین در حال حرکت است یا در مسیر حرکت آن تپه‌ای وجود دارد. تکنولوژی رادار همچنین این امکان را فراهم می‌آورد که هواپیماهای جنگنده بتوانند سطح زمین را دنبال کرده و در ارتفاع خیلی پایین پرواز کنند.

سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS)

گیرنده‌های GPS با کمک ۴ ماهواره یا بیشتر می‌توانند ارتفاع را از روش Trilateration (سه ضلعی) تخمین بزنند. با این وجود ارتفاع برآورد شده توسط یک GPS مستقل به اندازهٔ کافی دقیق نیست که بتواند جایگزین آلتیمتر فشار در هوانوردی گردد، مگر با استفاده از برخی از روش‌ها برای ارتقا عملکرد آن.

کاربرد در روش‌های دیگر نقل و انتقال

آلتیمتر می‌تواند به عنوان یک ابزار اختیاری در خودروهایی که اغلب در خارج جاده‌ها تردد می‌کنند، به منظور کمک در جهت‌یابی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین برخی از خودروهای دارای کارایی بالا که عموماً تجملاتی هستند نیز این فناوری برخوردار هستند.

کوهنوردان و چتربازها در ارتفاعات زیاد از آلتیمترهای بارومتریک مچی استفاده می‌کنند.

در زیردریایی‌های دیزلی آلتیمتر نصب می‌شود تا خلأ ناشی از بسته شدن هواکش‌ها در هنگام کار دیزل‌ها که باعث مکش هوای زیردریایی می‌شود را نشان دهد.

ارتفاع سنج آنلاین

ابزار ارتفاع‌سنج آنلاین یک سرویس کاملاً رایگان، تحت وب و بدون نیاز به نصب اپلیکیشن است که به کاربران اجازه می‌دهد با تنها چند کلیک ساده و فعال کردن خدمات موقعیت‌یابی دستگاه (Location Services)، ارتفاع فعلی خود را نسبت به سطح متوسط دریا به صورت لحظه‌ای و واقعی‌زمان (real-time) مشاهده کنند، به این صورت که وقتی وارد صفحه می‌شوی، ابتدا باید مجوز دسترسی به موقعیت مکانی را به مرورگر بدهی و اگر خدمات مکان‌یابی خاموش باشد، وضعیت "OFF" نمایش داده می‌شود اما با روشن کردن آن به "ON" تغییر می‌کند و سپس ابزار بلافاصله شروع به دریافت مختصات جغرافیایی (عرض جغرافیایی یا Latitude و طول جغرافیایی یا Longitude) از GPS گوشی یا کامپیوترت می‌کند و با استفاده از مدل دیجیتال ارتفاعی پیشرفته Copernicus DEM 2021 release GLO-90 که رزولوشن ۹۰ متری دارد و یکی از دقیق‌ترین مدل‌های جهانی رایگان موجود است، ارتفاع را محاسبه کرده و آن را به دو واحد متر (m) و فوت (ft) به طور همزمان نمایش می‌دهد، مثلاً اگر الان در نیویورک سیتی باشی (که ارتفاع متوسط بخش‌هایی از منهتن حدود ۱۰ متر یا ۳۳ فوت از سطح دریا است)، ابزار تقریباً همین مقدار را نشان خواهد داد و با حرکت کردنت (مثل پیاده‌روی، رانندگی یا حتی بالا رفتن از ساختمان)، ارتفاع به صورت خودکار آپدیت می‌شود تا همیشه اطلاعات تازه و دقیق داشته باشی.

علاوه بر نمایش ساده ارتفاع، این ابزار اطلاعات جانبی بسیار مفیدی هم ارائه می‌دهد که آن را از یک ارتفاع‌سنج معمولی متمایز می‌کند، از جمله نمایش آدرس تقریبی مکان فعلی (My Location Address)، نام کشور، زمان دقیق طلوع خورشید (Sunrise) و غروب خورشید (Sunset) در موقعیت تو، نقطه جوش آب بر حسب درجه سانتی‌گراد (Boiling Point of Water) که با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد (چون فشار اتمسفر کمتر می‌شود)، فشار بارومتریک فعلی در واحد هکتوپاسکال (hPa) که به عنوان یک شاخص جوی اضافی عمل می‌کند، و همچنین یک نقشه تعاملی (Interactive Map) که موقعیت فعلی را به صورت بصری روی زمین نشان می‌دهد و با هر تغییر مختصات به‌روزرسانی می‌شود؛ یکی از ویژگی‌های برجسته‌اش هم وجود نمودار Elevation-Time Plot است که تغییرات ارتفاع را در طول زمان به صورت گراف رسم می‌کند و این قابلیت برای فعالیت‌هایی مثل کوهنوردی، دوچرخه‌سواری در مسیرهای ناهموار، پیاده‌روی طولانی یا حتی تحلیل توپوگرافی در سفرها بسیار کاربردی و مفید است.

از نظر دقت، این ابزار بر پایه مدل GLO-90 عمل می‌کند که برای کاربردهای روزمره، طبیعت‌گردی، چک کردن ارتفاع ساختمان‌ها، بررسی ریسک سیل یا حتی کشاورزی و ساخت‌وساز، دقت قابل قبولی (معمولاً در حد چند متر تا ده‌ها متر بسته به منطقه) دارد اما باید توجه کنی که رزولوشن ۹۰ متری یعنی در مناطق بسیار ناهموار یا شیب‌دار ممکن است خطای جزئی وجود داشته باشد و همچنین در داخل ساختمان‌ها، تونل‌ها، زیر پل‌ها یا جاهایی که سیگنال GPS ضعیف است، ممکن است داده‌ای نمایش ندهد یا بگوید "Nothing found"، ضمن اینکه این ابزار ارتفاع سطح زمین (Elevation) را اندازه می‌گیرد نه ارتفاع پرواز یا ارتفاع شیء از سطح زمین (Altitude) که در هواپیماها استفاده می‌شود، بنابراین تفاوت مفهومی مهمی بین این دو وجود دارد؛ در مقایسه با سرعت‌سنج آنلاین همان سایت (که با GPS سرعت لحظه‌ای را محاسبه می‌کند)، این ابزار هم از موقعیت‌یابی GPS بهره می‌برد اما تمرکز اصلی‌اش روی بعد عمودی (ارتفاع) است و اطلاعات جغرافیایی و جوی بیشتری ارائه می‌دهد که آن را به یک دستیار کامل برای فعالیت‌های outdoor تبدیل کرده است.

اندازه‌گیری فشار هوا

فشار اتمسفریک محلی یا فشار پیرامون بر روی پنجرهٔ کلزمن در آلتیمترهای حساس، زمانی که بر روی ارتفاع صفر تنظیم شده باشد، قابل مشاهده است.

ماهواره‌ها

تعدادی از ماهواره‌ها از آلتیمترهای رادار دوبانده برای اندازه‌گیری ارتفاع از یک فضاپیما استفاده می‌کنند. این اندازه‌گیری به همراه عناصر مداری (معمولاً تقویت‌شده به‌وسیلهٔ GPS) تعیین مکان زمین را میسر می‌سازد.

دو طول موج متفاوت موج‌های رادیویی ارسال شده به آلتیمتر این امکان را می‌دهد که به صورت خودکار، تاخیرهای متفاوت در یونوسفر را اصلاح کند.

آلیتیمترهای رادار مورد استفاده در فضا ابزارهای فوق‌العاده‌ای برای نقشه‌برداری از توپوگرافی سطح اقیانوس‌ها، تپه‌ها و کف دریاها هستند. این ابزار یک پالس مایکروویو را به سطح اقیانوس می‌فرستد و مدت زمان رفت و برگشت پالس را اندازه‌گیری می‌کند. یک رادیومتر مایکروویو هرگونه تأخیر را که ممکن است بر اثر بخار آب در اتمسفر ایجاد شده باشد تصحیح می‌کند. اصلاحات دیگری نیز برای رفع اثر الکترون‌ها در یونوسفر و تودهٔ هوای خشک در اتمسفر صورت می‌پذیرد.

تلفیق این اطلاعات به‌همراه مکان دقیق فضاپیما این امکان را فراهم می‌آورد که بتوان ارتفاع سطح دریا را با دقت چند سانتی‌متر (در حدود یک اینچ) مشخص نمود. همچنین قدرت و شکل سیگنال دریافت شده اطلاعاتی را در زمینهٔ سرعت باد و ارتفاع امواج اقیانوس در اختیار ما قرار می‌دهد.

این اطلاعات در مدل‌سازی اقیانوس‌ها به منظور محاسبهٔ سرعت و جهت «جریان‌های اقیانوسی» مورد استفاده قرار می‌گیرند و نیز مقدار و مکان ذخیره‌های گرمایی در اقیانوس‌ها که در نهایت به آشکارسازی تغییرات جهانی دما منجر می‌شود، از این طریق قابل محاسبه می‌باشند.

پیوند به بیرون

تاریخچهٔ آلتیمتر کلزمن

کاربرد آلتیمتر در ارتفاع‌سنجی

استفاده‌های اولیه از بارومترها بایگانی‌شده در ۴ آوریل ۲۰۱۷ توسط Wayback Machine

آلتیمتر و انواع ارتفاع

سیر تکاملی آلتیمتر

منابع

http://en.wikipedia.org/wiki/Altimeter

https://web.archive.org/web/20110524192925/http://www.biber.fsnet.co.uk/altim.html

http://www.stolaf.edu/people/hansonr/soaring/altimetr.htm