Windmessung mit Drucksensor

Wissenschaft Physik
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Hallo alle,
ich bin kein Physiker, aber ich bin beauftragt mit dem
Bau einer Wetterstation für eine Schule mit den Schülern.
Meine Frage: ist es denkbar einen Wingeschwindigkeitmesser mit Hilfe eines Drucksensors zu bauen? Ich stelle mir vor daß der Wind auf eine Fläche trifft (evtl. 20 x 20 cm) und über die Hebelwirkung gegen eine Rückstellfeder auf einen Drucksensor Kraft ausübt.
Gibt es dafür eine Rechnengrundlage um aus dem Druckwert gegen die Feder eine Windgeschwindigkeitswert in Meter/sec. zu bekommen?
(Der Sensor wird mit einem Mikrocontroller ausgewertet).

Danke, für Vorschläge die ich in ein C-Programm umsetzen könnte.

Yannick.

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Hallo

Das funktioniert. Wie die Fahrtmessanlage eines Flugzeugs.
Nur - das Ding muß sich immer in Richtung Wind drehen. Und da wird die Übertragung schwierig.

mfgConrad

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Hallo alle,
ich bin kein Physiker, aber ich bin beauftragt mit dem
Bau einer Wetterstation für eine Schule mit den Schülern.
Meine Frage: ist es denkbar einen Wingeschwindigkeitmesser mit
Hilfe eines Drucksensors zu bauen? Ich stelle mir vor daß der
Wind auf eine Fläche trifft (evtl. 20 x 20 cm) und über die
Hebelwirkung gegen eine Rückstellfeder auf einen Drucksensor
Kraft ausübt.
Gibt es dafür eine Rechnengrundlage um aus dem Druckwert gegen
die Feder eine Windgeschwindigkeitswert in Meter/sec. zu
bekommen?
(Der Sensor wird mit einem Mikrocontroller ausgewertet).

Danke, für Vorschläge die ich in ein C-Programm umsetzen
könnte.

Hallo Yannick,

das mit der Platte ist messtechnisch sehr schlecht durchführbar,
da die Umströmung einer Platte mathematisch sehr schwer erfassbar ist.
Es gibt Berechnungsmodelle mit speziellen Berechnungsprogrammen
(Finite Element Methode). Der mathematische Ansatz führt immer zu nichtliniearen Differentialgleichungen.

Aber mit einem Prandtlrohr, das auch zur Bestimmung der Fluggeschwindigkeit von Flugzeugen genutzt wird, wird der Staudruck
in dem in Strömungsrichtung gerichteten Rohr nach dem Gesetz von Bernoulli in eine Geschwindigkeit umgerechnet.
Dadurch erreicht man hinreichend genaue Relativgeschwindigkeitsmessung
bezüglich der umgebenden Luft.
Für eine Messung der Strömungsgeschwindigkleit also recht gut geeignet.
Das Rohr muss aber immer genau in die Strömungsrichtung gehalten werden, was man allerdings durch eine bestimmte geometrische Form
sehr gut realisieren kann. Der Drucksensor muss zudem recht genau und eine gute Empfindlichkeit haben.

Wie ein Prandlrohr aussieht und wie es funktioniert kann man in Lehrbüchern der technischen Strömungslehre nachlesen. Auch unter „Bernoulli“ findet man die entsprechende „Formel“.

Viele Grüße
Hagen

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Hallo,

Meine Frage: ist es denkbar einen Wingeschwindigkeitmesser mit
Hilfe eines Drucksensors zu bauen?

Ja, natürlich kann man den Staudruck mit einem Drucksensor messen.
Es gibt dabei aber Randbedingungen, die beachtet werden sollten.

Ich stelle mir vor daß der
Wind auf eine Fläche trifft (evtl. 20 x 20 cm) und über die
Hebelwirkung gegen eine Rückstellfeder auf einen Drucksensor
Kraft ausübt.

Das wird sehr ungenau, zuviele Effekte, wie Reibung, die
Strömungdynamik, aber auch durch Temperaturschwankungen werden
die Anordnung stören/beeinflussen.

Gibt es dafür eine Rechnengrundlage um aus dem Druckwert gegen
die Feder eine Windgeschwindigkeitswert in Meter/sec. zu
bekommen?

Ist zu stark von der Konstruktion abhängig.
Deshalb nutzt man dafür eine strömungstechnisch sinnvollere
Anordnung wie z.B. Pitotrohr bzw. Prandtlrohr.
http://de.wikipedia.org/wiki/Prandtlrohr
Da steht auch die Staudruckformel für’s Prandtlrohr.

Beachte, daß der Staudruck quadratisch mit der Windgeschw.
zunimmt. In Folge dessen muß der Drucksensor eine gewaltige
Dynamik haben, wenn man von sehr kleinen bis zu sehr großen
Windgeschw. messen will. Der Wirkdruck für die sehr kleinen
Windgeschw. ist auch so winzig, daß es nur mit sehr hochwertigen
Sensoren möglich ist, diese ohne Nullpunktfehler hinreichend
genau zu messen.

(Der Sensor wird mit einem Mikrocontroller ausgewertet).

Der Drucksensor an sich ist das Problem. Um unter 1m/s zu kömmen,
muß man im Bereich von hunderstel mbar genau messen. Das ist
sehr anspruchsvoll.

Danke, für Vorschläge die ich in ein C-Programm umsetzen
könnte.

Wie so oft, kann man mit Programmen keine Sensoren basteln.
Vorher ist die Physik zu beackern.

Aber mit einem Prandtlrohr, das auch zur Bestimmung der
Fluggeschwindigkeit von Flugzeugen genutzt wird, wird der
Staudruck in dem in Strömungsrichtung gerichteten Rohr nach
dem Gesetz von Bernoulli in eine Geschwindigkeit umgerechnet.

Bloß, daß diese bei leichten Lüftchen eben kaum noch klappt.

Dadurch erreicht man hinreichend genaue
elativgeschwindigkeitsmessung bezüglich der umgebenden Luft.

Für hohe Strömungsgeschw. ist das rel. einfach.

Für eine Messung der Strömungsgeschwindigkleit also recht gut
geeignet.

Nur wenn man die Randbed. beachtet. In diesem Fall eher nicht.

Da würde ich ein „Windrad“ (Flügelannemometer eher empfehlen).

Gruß Uwi

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Ich bedanke mich für die ausführlichen Antworten.
So werde ich doch, wie üblich, ein Schalensystem wählen.
Wie sieht eigentlich die Rechengrundlage eines solchen Schalensystems aus?

Allerseits, guten Rutsch ins Jahr 2007!

Yannick.

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Hallo,

es wurde ja schon eine Menge dazu gesagt, das grösste Problem ist die quadratische Abhängigkeit: willst du von 1 bis 100 km/h messen mit jeweils 10% Genauigkeit (sonst kannst du ja gleich schätzen), brauchst du eine Auflösung von 1 / 100000, für einen Laien ausserhalb jeder Machbarkeit. Eine mögliche Lösung wäre ein grosses und ein kleines Blech.

Du kannst aber natürlich mal so eine Platte bauen, aufs Autodach montieren und eine Anzeige des Sensorsignals nach innen führen (BITTE für den Beifahrer!), dann wirst du wohl feststellen, dass du unterhalb 20 km/h nichts vernünftiges mehr messen kannst. Aber grundsätzlich könntest du so deinen Klapparatismus auf diese Weise halbwegs eichen.

Ein Staurohr ist ok für Flugzeuge, da zeigt es immer in Strömungsrichtung, aber bei einem Windmesser schaffst du das nicht, und wenn es aus der Richtung abweicht, liefert es falsche Werte.

Im übrigen ist es immer eine vernünftige Hypothese anzunehmen, dass die anderen Fachleute nicht mehrheitlich Idioten sind - wenn die Meteorologen immer noch so etwas vermeintlich Primitives wie die üblichen Halbkugelanemometer verwenden, dann deswegen, weil es nichts besseres und zuverlässigeres gibt. Beispielsweise ist das Messprinzip völlig unabhängig von der Windrichtung.

Gruss Reinhard

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