Projekt-Nr. 55: Windstärke erfassen

3. April 2015, 14:09 Uhr
Bild 2: Für den mechaniklosen Windstärkemesser haben wir eine Platine entworfen.
Bild 2: Für den mechaniklosen Windstärkemesser haben wir eine Platine entworfen.
Ohne Mechanik die Geschwindigkeit des Windes bestimmen, wie kann das gehen? Ganz klar, das ist mit ausschließlich elektronischen Komponenten machbar. Wir beweisen, dass wenig Aufwand genügt.

Ohne Mechanik die Geschwindigkeit des Windes bestimmen, wie kann das gehen? Ganz klar, das ist mit ausschließlich elektronischen Komponenten machbar. Wir beweisen, dass wenig Aufwand genügt. Meistens arbeiten Windmesser mit mechanischen Konstruktionen, sie messen die Richtung mit einer Fahne und die Geschwindigkeit mit einem Schaufelrad. Weil Elektroniker nicht selten mit der Mechanik auf Kriegsfuß stehen, zeigen wir hier, dass es auch anders geht. Dabei hilft uns die Tatsache, dass Luftströme abkühlend auf Körper wirken, die höhere Temperaturen als die Umgebung haben. Unser „Windstärkemesser′′ ist zwar kein hoch präzises, meteorologisches Messgerät, doch es lohnt sich, ihn auszuprobieren.

Nur Elektronik
Der Sensor ist ein Transistor, T2 in Bild 1, der als Diode geschaltet ist, denn Kollektor und Basis sind miteinander verbunden. Wenn die Temperatur sinkt, steigt die Durchlassspannung mit jedem Grad Celsius um ungefähr zwei Millivolt. Hier wird der Transistor von außen erwärmt, so dass die Temperatur einige Grad über der Umgebungstemperatur liegt. Das Maß der Abkühlung ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der die Luft über den Sensor streicht.

Das wärmende Element ist T1, durch ihn fließt ein konstanter Gleichstrom. T1 und T2 sind miteinander thermisch gekoppelt. Die Spannung an T2 wird ausgewertet, indem sie mit der Spannung an dem ebenfalls als Diode geschalteten Referenz-Transistor T3 verglichen wird. Die Spannungen an T2 und T3 gelangen zu den nicht invertierenden und invertierenden Eingängen des Opamps IC1 (CA3130), seine Verstärkung ist mit R5 und R6 auf 1000 festgelegt. Der Ausgangsstrom steuert über R1 den als Wärmeelement dienenden Transistor T1. Wenn der Wind Transistor T2 abkühlt,nimmt seine Durchlassspannung zu, so dass die Ausgangsspannung des Opamps ebenfalls steigt. Der in die Basis von T1 fließende Strom steuert diesen Transistor stärker durch, die produzierte Wärme erreicht höhere Werte. Der Opamp ist bestrebt, den Temperaturabfall zu kompensieren, indem er den Kollektorstrom von T1 erhöht. Ein Strommesser in der Kollektorleitung von T1 zeigt an, wie stark T2 abkühlt, oder genauer gesagt, in welchem Maß T1 Wärme nachführen muss. Zwischen T1 und T2 entsteht eine gute thermische Kopplung, wenn die Berührflächen mit Wärmeleit-paste bestrichen werden, bevor eine Klammer oder ein umgewickelter Draht sie zusammenpresst. Als Strommesser ist ein konventionelles Drehspulinstrument mit dem Messbereich 50 mA geeig- net, ein digitales Voltmeter-Modul, dem ein Shunt-Widerstand für 50 mA parallel geschaltet ist, leistet die gleichen Dienste.

​Für den mechaniklosen Windstärkemesser haben wir, wie Bild 2 zeigt, eine Platine entworfen. Das Layout kann frei unter [1] heruntergeladen werden.


Bild 1: Die Abkühlung eines Transistors, hier T2, hängt von der Windgeschwindigkeit ab.
Platine
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