Windgeschwindigkeit und -Richtung möglichst kompakt

[Rabenauge]

Hallöle.
Mir spukt sein ein paar Wochen eine recht interessante Geschichte im Kopf herum.
Um sie realisieren zu können, muss ich im Freien Windgeschwindigkeit und Windrichtung möglichst präzise messen können. Da beides später in sehr konkrete Berechnungen einfliessen muss, müssen dabei absolute Werte herauskommen, also ein kleines Windrädchen mit "dreht langsam, also ist ein bisschen Wind" oder "dreht schneller, also ist ein bisschen mehr Wind" reicht dafür nicht.
Ein handelsüblicher Windmesser ist zum einen recht teuer, und zum anderen müssen die Werte in nen µChip, der dann Dinge damit anstellen muss- ich glaube, so ein Ding zu schlachten wäre unnötiger Aufwand.

Obendrein gibt es noch ein Handicap: der oder die Sensoren müssen so klein wie möglich sein, ein handtellergrosses Rädchen _ist_ schon zu gross!

Ich hab (hatte ich eben herumschwirren) schonmal einen kleinen PC-Lüfter (war auf einer ollen Graka oder so) zerlegt und modifiziert: mit zwei Kugellagern ausgestattet (den Motor natürlich raus) dreht das Dingens sich bereits bei leichtem Anpusten, im Moment habe ich im leeren Gehäuse eine Geberscheibe aus einer ollen PC-Maus drin, da ich das Innere des Rotors weiss eingefärbt habe und das Rädchen schwarz ist, sollte da vielleicht eine Lichtschranke was liefern.

Allerdings hätte ich es, wenn möglich, gerne _noch_ empfindlicher. Beispielsweise reagiert das Ding auch recht gut auf seitlichen Wind und ist somit nicht wirklich zu gebrauchen.

Wichtig ist, dass der Sensor möglichst empfindlich ist und dabei möglichst klein- um selber einen sehr geringen Luftwiderstand zu haben.
Und ich brauche beides: die genaue Windrichtung und die genaue Windgeschwindigkeit. Letztere sozusagen "geeicht", also in einer absoluten Masseinheit.

Ideen?

[PICture]

Hallo Rabenauge!

Ich möchte Dir bloß eine Lektüre zum Thema vorschlagen: https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=14136&highlight=windgeschwindigkeit

MfG

[Rabenauge]

Interessante Geschichte, vor allem dein Heizdraht.
Der wäre gerade klein genug.
Leider steht da nicht, wie die Sache ausging- wie genau kannst du denn mit deiner Methode messen?
Ich muss nicht unbedingt bis Windstärke 8 (und höher) messen können, wichtiger ist, auch geringe Windgeschwindigkeiten halbwegs präzise zu erfassen.
Da deine Methode ohne jegliche Mechanik auskommt, sind einige Probleme (Massenträgheit, Losbrechmoment...) gar nicht erst vorhanden.
Und da das Ganze recht leicht sein düfte, könnte ich es vielleicht mit einer Windfahne (die selber ja nun nicht unbedingt viel Luftwiderstand hat) ganz gut kombinieren.

[PICture]

Na ja ich war damals so weit, dass ich mir sowas bauen wollte. Das war aber nur eine von meinen "verrückten" Ideen.

Leztendlich habe ich festgestellt, dass ich es eigentlich gar nicht brauche und habe damit aufgehört. Das war nur eine von meinen "Spielereien", aber ich habe dabei, wie bei jeder, ziemlich viel über bisher unbekannte Sachen gelernt.

Wenn Du Lust hast es weiterzumachen, würde ich Dir sehr gerne mit der Elektronik helfen und vielleicht am Ende von Dir entwickelden Windmesser für mich nachbauen. :)

Übrigens, es gibt noch andere rein elektronische Mögligkeiten das ganze ohne Heizdraht zu realisieren, sie sind aber komplizierter. Ein Suchbegriff für Google wäre "anemometer".

MfG

[Rabenauge]

Schade, ich brauche wirklich auch Messergebnisse bei geringen Windgeschwindigkeiten, das ist wichtig für das ganze Projekt.

Und natürlich darfs- wie immer- nix kosten. ;)

Ich hab gerade mal den geschlachteten Lüfter auf nen kleinen Winkel montiert, und werde den nachher mal provisorisch auf meine Saphir packen, da ich sowieso gleich segeln gehen will, werd ich mal schauen, ab wann das Ding wirklich reagiert.
Vielleicht reichts ja schon.

[PICture]

Das Eichen geht mit einem Tacho von Auto bzw. Fahrrad, aber für ganz geringe Geschwindigkeiten wachrscheinlich nicht. Leider musst du selber ein bißchen in der Richtung experimentieren. Ich bin gespannt auf deine Ergebnisse. :)

Viel Erfolg!

MfG

[Rabenauge]

Ja, das bin ich auch.;)
Heute lief das mit dem Lüfter gut, aber es waren auch Windgeschwindigkeiten, bei denen segeln richtigen Spass macht.
Nutzt mir, so natürlich wenig, er muss auch bei leichterem Wind funktionieren.

[PICture]

Hallo!

Als Elektroniker mit Antitalent zur Mechanik habe ich lieber mit Heizdraht, als mit einem Lüfter gespielt, da er keine Reibung kennt. Mich hat aber eigentlich stärkere Winde interresiert und bei sehr schwachen habe ich k.A. was sich zur Messung am besten eignet und kann ich dir dabei leider nicht helfen. :(

Ich werde den Tread beobachten und versuche, falls ich könnte, dir bei konkreten elektronischen Problemen helfen. :)

MfG

[Rabenauge]

Das wäre Klasse, bei mir schaut es nämlich andersherum aus: ich glaube, von Mechanik ausreichend zu verstehen, aber wenn ich so überschlage, was das gesamte Projekt (sollte ich es in Angriff nehmen) auch elektronisch fordert, wird mir schon ein bisschen flau...;)

[wkrug]

In einem älteren ELEKTOR Halbleiterheft wurde mal so eine Windgeschwindigkeits Meß- Schaltung mit einem geschlachteten KFZ Glühbirnchen als Sensor vorgestellt.
Ausgabe weiß ich jetzt nicht mehr, sollte sich aber finden lassen.

Eventuell ginge es auch mit einem Differenzdrucksensor und einem Staurohr?
Das dürfte auch unabhängiger von der Lufttemperatur sein, als die Heiz- Lösung.

Ultraschall hört sich auch interessant an, dürfte aber in der Realisierung nicht ganz einfach sein.
Ausserdem wird man da vermutlich eine kleine Messtrecke zwischen Sender und Empfänger brauchen, was dann nicht mehr klein baut.

[oberallgeier]

Genaue Messungen auf der Basis Gesamt-/Staudruck sind immer mit relativ hohem Bauaufwand verbunden, (https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?p=394453&sid=7dc6ea076770d2e6f673c66dd2744a1e#394453) können aber sehr genau arbeiten - natürlich nur dann, wenn der Druck und die Temperatur genau bestimmt ( ! Gasgleichung ! ) und bei der Auswertung auch eingerechnet werden. Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten, unter 10 m/s, ist der Energiegehalt der strömenden Luft so gering, dass diese Messungen schwierig werden. Hier bieten sich Flügel- oder Schalenanemometer an. Gerade Flügelanemometer können in Rubinlagern und mit lastarmer Drehzahlmessung sehr genau werden, sind aber von der Temperaturkorrektur natürlich deutlich anders zu behandeln als die Druckgeräte. Von Laserdoppleranemometrie braucht man bei kleinen Budget- und Volumenforderungen nicht zu sprechen.

................https://www.roboternetz.de/phpBB2/files/gds-kiel.jpg
................Siehe dieses Posting (https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?p=394453&sid=7dc6ea076770d2e6f673c66dd2744a1e#394453)(und den Thread), Abbildung etwa 1:1.

Die genannte Hitzdrahtmethode wird in Windkanälen bis in den oberen Bereich nicht-kompressibler Strömungen, also bis 100 m/s, angewendet. Im freien (Luft-) Raum hätte ich Bedenken. Die Messwerte sind auch im unteren Bereich einigermaßen genau. Als Selbstbaumethode ist das etwas für Leute mit ruhigen Händen und belastbaren Nerven. Als Hitzdrähte werden, wie angedeutet, die Heizwendel von Minibirnchen verwendet. Das erste Bild zeigt eine strömungstechnisch sehr gute, das zweite eine schlechte Lösung (lokale Geschwindigkeitsänderung durch die tragende Struktur).

................http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ca/Hd_sonde.jpg (http://de.wikipedia.org/wiki/Hitzdrahtanemometer)........http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e5/Hot_wire_anemometer.jpg/220px-Hot_wire_anemometer.jpg
................Siehe zum Beispiel diesen Artikel - im Bild verlinkt.

Die Genauigkeit der Hitzdrahtmethode ist bei guter Auswertetechnik (Konst antstromquelle, mehrere Eichpunkte, etc.) und exakter (Strömungstechnik ! !) Ausrichtung des Sensors senkrecht zur Strömung bis runter zu 1% möglich. Im Prinzip kann man damit auch 2 (oder 3 *ggg*) orthogonale Komponenten messen und eine Richtungsauswertung erreichen. (Bitte nicht lesen: Ich stell mir grad vor, wie man dann den konvektiven Energietransport im schräg angeströmten Kreiszylinder rechnet *ggg*).

[Rabenauge]

Ok, jetzt wird es wissenschaftlich.
Ich glaube, es ist Zeit ein paar Dinge zu erklären- ihr könnt sonst nur raten.

Also, es geht -insgesamt- um folgendes.
Das Ganze soll natürlich ein Roboter werden, ein "autonomer", natürlich.
Da ich derzeit keine rechte Lust habe, mir ein Fahrzeug für draussen zu bauen (per RC machen die auch eine Menge Spass), einen grösseren Teich (oder kleineren See, was weiss ich) fast vor der Haustüre habe und dort fast immer ein bisschen Wind ist, dachte ich an ein Schiff.
Da ich gerne neues ausprobiere, würde ich gerne einen Segler bauen.
Nicht einfach irgendwas (ich habe bereits eine nette RC-Segeljacht, die mir auch seit vielen Jahren richtig Spass macht), sondern einen Segler mit Flettner-Rotoren.
In RC-Line habe ich schon vor einigen Tagen mal unter den Schiffbauern ein wenig herumgefragt, und beispielsweise ein Neptun (von Graupner, Frachter ohne konkretes Vorbild, knapper Meter lang) kostet als reiner Rumpf um nen 20er.
Kann ohne weiteres 2-3 kg tragen, denke ich und passt somit recht gut.
Frachter sind, von der Form her auf Effizienz ausgelegt, kommen also schon mit recht wenig Antriebsleistung aus, und haben auch dann ein nettes Fahrbild, wenn sie nicht im Tiefflug über das Wasser toben. Lang, schmal (Länge läuft) und nicht zu wenig Tiefgang, der ist wichtig beim segeln in jeder Form.

Auf das Dingen zwei Flettner-Rotoren drauf, und (zumindest im Kopf bin ich bereit dazu) nen normalen Hilfsantrieb für Flauten, Computerprobleme oder andere Versager.

Ausbaubar: zuerst will ich das Ding mit einer ganz normalen RC-Anlage ausrüsten, einfach, weil ich keine Ahnung habe, was mit diesem Antrieb möglich sein wird.
Die Rotoren natürlich _einzeln_ regelbar- wenn es funktioniert wie ich es mir denke, könnte man alleine damit unter Umständen sogar auf der Stelle drehen.
Später soll ein µC die Steuerung übernehmen, und Navigationsmöglichkeiten hinzugefügt werden, damit das Dingens wirklich _alleine_ an A nach B fährt- und zurück, im Idealfall. Wie ich _den_ Teil genau löse, weiss ich noch nicht, da das Gewässer überschaubar ist, vielleicht mit "Leuchttürmen" oder so- GPS wird etwas ungenau sein, möglicherweise.

Achja: statt der üblichen Decksladung oder grossen Ladeluken möchte ich das Deck mit genug Solarzellen ausrüsten (was dann wiederum eine Ausbaustufe wäre..), dass es _wirklich_ autonom arbeitet. Viel Strom brauchen die Rotoren ja nicht.

Nun zum Problem: die Rotoren müssen, abhängig von der Windgeschwindigkeit, unterschiedliche Drehzahlen haben- es geht schlichtweg um die Effizienz. Ausserdem müssen sie natürlich die passende Drehrichtung haben, je nach Windrichtung bzw. nötigem Kurs.

Dafür brauche ich ein Messgerät, was auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten tadellos funktioniert.
Da es, wegen den Rotoren, obendrein auf einen Mast muss (um nicht irgendwann Windschatten zu haben) , darf es weder schwer sein noch allzuviel Luftwiderstand haben- sonst krängt der Dampfer zu doll.

Und da ich nunmal notorisch knapp bei Kasse bin, "nix" kosten. ;)
Bei Sturm werde ich das Dingen, wenn ich es bauen sollte, zu Hause lassen, es muss also nicht Windstärken >6 auch noch schaffen.

[oberallgeier]

Hi Sly,

das mit dem Segeln geisterte mir durch den Hinterkopf (war grad ne ganze Weile an der Côte d´Azur segeln - 2 bis 6 Bft, Meer 1 bis 4+).

Als Windmesser für niedrige Windgeschwindigkeiten habe ich für Drachen und Gleitschirm diesen Schleppsensor (http://www.brauniger.com/images/accessories/large/photo_1213286791.jpg) mit diesem

................http://www.brauniger.com/images/accessories/small/photo_1213286923.jpg
Windrädchen (dürfte leicht vergrössert - 1,5 - sein). Drehzahlabgriff über eine Minispule im Sensorkörper. So ein ähnlicher Aufbau könnte für Dich möglich und sinnvoll sein, eingebaut in den Verklicker *ggg*. Das Flügelrädchen mit Fassung/Halter/Lagerung gibts als Ersatzteil (http://www.brauniger.com/deutsch/products/accessories.html) (bekommst Du sicher direkt ab Werk (http://www.brauniger.com/deutsch/contact.html) für ne Eigen-"reparatur"). Übrigens, am Drachen hält der Sensor bis über 130 kmh, am Boden zeigt er auch einen halben Hauch an . . . . Ruf mal die Leute an und erzähl Dein Vorhaben, die geben sicher auch Ratschläge zum Selbstbau der Auswertung. Ich kann mir gut vorstellen, dass so etwas Ähnliches auch mit der Encoderscheibe von einem Wheelmouse-Rädchensensor geht.

[PICture]

Hallo!

@ oberallgeier!

Dein Windrädchen gefällt mir sehr, weil sehr einfach ist. :)

Ich habe bisher eben schon erfahren, dass mechanische Lösungen, zumindest für mich, viel einfacher als elektronische sind, natürlich nur wenn ich sie basteln kann.

Entscheindend für angenommene Lösung wären genaue Voraussetzungen. Dafür ist algemeine Feststellung von Rabenauge, "schwacher Wind" leider nicht genügend. :(

MfG

[Rabenauge]

Ja, mein Hauptproblem ist erstmal die Empfindlichkeit.
Mein gestrippter Lüfter reagiert erst, wenn man den Luftzug bereits als solchen wahrnimmt.
Ich hätte es gerne noch genauer, immerhin "segelt" meine Saphir auch schon bei weniger (oook, sie bewegt sich....).
Wenn man den Theorien zu den Flettner-Rotoren glauben darf (ich bin derzeit aus meinen Erfahrungen mit Aerodynamik da noch skeptisch), sind die ja deutlich effizienter, wirken also wirklich bei weniger als nem Hauch noch.

Das Teil da von dir schaut gut aus, auf jeden Fall dürfte es deutlich sensibler sein, da das Teil einfach mehr Fläche an den Flügeln hat.

[radbruch]

Hallo

Flettner-Rotor (http://de.wikipedia.org/wiki/Flettner-Rotor)? Was ist das denn? Als schwäbische Landratte sagt mir das garnichts :)

Als Laie (mit Wiki-Wissen) finde ich das sehr interessant:

Anstelle der Rotation des Rotors wird der Magnus-Effekt bei Cousteaus Entwurf durch eine Absaugung der Grenzströmung entlang der Zylinderseiten bewirkt.
(Zitat aus http://de.wikipedia.org/wiki/Alcyone)

Kann man das an Modelbauverhältnisse anpassen? Was war der Grund für "Cousteaus Entwurf"? Keine Rotation bedeutet vielleicht weniger Aufwand.

Ansonsten viel Erfolg beim Projekt.

mic

[oberallgeier]

... Flettner-Rotor ... Was ist das denn ... Cousteaus Entwurf ...Der Auftrieb beim Fliegen, wissen wir ja, geschieht durch höhere Geschwindigkeit der Luft ( = geringerer statischer Luftdruck, siehe Bernoulli) auf der Profiloberseite. Warum? Weil die Luft oberhalb des Profils einen längeren Weg zurücklegen muss als "unten". Unten ist der Weg kürzer, die Geschwindigkeit niedriger und damit der statische Luftdruck höher. Fazit: oben weniger, unten mehr Druck -> Auftrieb. Siehe insbes. untere Darstellung im folgenden Bild:

................http://www.systemdesign.ch/images/thumb/7/77/Zirkulation_Fl%C3%BCgel.gif/180px-Zirkulation_Fl%C3%BCgel.gif Im Link ausführlicher und mit VIEL mehr Formeln. (http://www.systemdesign.ch/index.php?title=Dynamischer_Auftrieb#Potenzialstr. C3.B6mung)

Beim Zylinder fliesst die Luft normalerweise gleichmässig um beide Zylinderhälften. WENN sich aber der Zylinder dreht, dann schleppt die Grenzschicht die Luft mit. Da, wo die Zylinderoberfläche gegen die Strömung läuft, entsteht ein kleiner Luftstau, mit der Strömung entsteht eine kleine Beschleunigung. Die Folge sind ähnliche Druckverhältnisse wie beim Profil, das ist der Magnuseffekt und der wird beim Flettnerrotor genutzt. Siehe hierzu dies hier auf Seite 7, 8 und 9. (http://www-imk.fzk.de/~kouker/flugphysik/FliegenFOLIEN.pdf) Auf Seite 9 ist das mit einem Zylinder schön dargestellt. Kutta und Joukowsky haben das theoretisch nachgewiesen und die Strömung um den Auftrieb erzeugenden Flügel in (mehr oder weniger) geradlinige Umströmung und in eine Kreisströmung (Wirbelströmung) um den Flügel zerlegt (siehe Link von eben, Seite 9 und hier). (http://www.systemdesign.ch/index.php?title=Dynamischer_Auftrieb#Potenzialstr. C3.B6mung) Dieser Wirbel "reisst" beim Flugzeug an den Flächenenden ab und ist dort zu sehen - siehe im PDF auf Seite 16 und im Link von eben unter "Folgerungen". (http://www.systemdesign.ch/index.php?title=Dynamischer_Auftrieb#Folgerungen)

Die höhere Geschwindigkeit der Luft auf einer Zylinderseite kann man nicht nur durch Drehung bekommen, sondern auch dadurch, dass man durch einen Schlitz entlang des Zylinders an der richtigen (sorry für diese lasche Bezeichnung) Stelle Luft absaugt. Das hatte Cousteau an seinem Schiff gemacht. Vorteil: dann muss der Zylinder nicht gedreht werden. Genau das:
... Keine Rotation bedeutet vielleicht weniger Aufwand ...
Ok? Dies natürlich nur etwas sehr kurz gefasst und nicht sehr lupenrein sauber. @Sly: sorry für noch mehr Theorie :- (