Beschreibung für das Windmessgerät

Das Prinzip des „miniaturized calorimetric mass flow sensor“ wurde im Institut für Mikro- und Informationstechnik der HAHN-SCHICKARD-GESELLSCHAFT entwickelt. Miniaturisierte kalorimetrische Strömungssensoren weisen eine ausgezeichnete Dynamik auf. Basierend auf den geringen involvierten Massen der Sensoren und der für die Messung thermisch beeinflussten Umgebung, lassen sich in Abhängigkeit der verwendeten Medien ohne Probleme Zeitkonstanten im Bereich unterhalb von 1ms erreichen. Geschwindigkeitsbestimmend für das System sind dabei die Zeitkonstanten für die thermische Equilibration. Neben den guten dynamischen und energetischen Eigenschaften handelt es sich bei den betrachteten Sensoren um sehr robuste Systeme. Eine Messwertverfälschung durch die Erschütterung des Sensors, hervorgerufen etwa durch das Umfallen des Sensors oder einen Schlag auf das Gehäuse, tritt bei kalorimetrischen Strömungssensoren, im Gegensatz zu mechanisch wesentlich empfindlicheren Ultraschallsensoren, nicht auf. Auf Grund der vielen positiven Eigenschaften miniaturisierter kalorimetrischer Strömungssensoren kommen derartige Sensoren dort zum Einsatz, wo hohe Anforderungen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit gestellt werden. Wichtige Einsatzgebiete sind hier die Luftfahrtindustrie sowie die Medizintechnik.

Es sollten keine Teile bewegt werden, so dass der Wind letztendlich nur zum Messen gebraucht wird und nicht zum Antrieb irgendwelcher mechanischen Teile die Energie schlucken und dadurch Messfehler verursachen. Als Beispiel nehmen wir einen Fügelradaneometer. Hier muss der Wind das Windrad erst in Bewegung setzen und beim Abklingen des Windes läuft das Rad noch nach.

In der Grafik soll dieses Verhalten erklärt werden. Die obere „Rechteckformation“ soll einen tatsächlichen Wind darstellen (In dieser Form kommt der Wind natürlich in der Praxis nicht vor! Die Grafik dient nur als Beispiel) Unten sehen wir das Verhalten des Windrades. Bei vorhandenem Wind, sieht man, dass das Windrad erst langsam Geschwindigkeit aufbaut.

Ebenso, wenn der Wind weg ist, läuft das Windrad noch einige Zeit nach. Man erkennt, dass das tatsächliche Windverhalten durch einen Flügelradaneometer nicht ideal abgebildet wird. Wichtig ist deshalb bei einem Flügelradaneometer, dass die bewegenden Massengewichte sehr gering gehalten sind, so dass ein annäherndes ideales Strömungsverhalten entsteht.

Die optimale Bauform für ein Windmessgerät wäre tatsächlich „Nichts“ aber mit Nichts kann man nichts messen. Das nächst Beste wäre eine Kugelform zum Messen aller Windrichtungen (auch senkrechte Winde). Da in der Leichtathletik aber nur waagrechte Winde gemessen werden hat ein Zylinder ebenfalls die optimale Bauform. Wir möchten dies ansprechen, damit der Leser auch das Gespür für die ganze Problematik bekommt, die beim Thema Windmessung auftritt. Der MFS D1 wurde mit der Strömungssimulations-Software ANSYS im Anströmungsverhalten ausgetestet und ausgemessen. Solche Prozeduren sind dem Leser wahrscheinlich nur vom Flugzeugbau und Formel-1 Rennwagendesign bekannt. Wir finden, dass auch ein Windmesser mehr denn je diesen Ansprüchen gerecht werden muss. Komplizierte und sperrige Windmesseraufbauten können keine optimale Windmessung garantieren!

Wichtig ist, dass die Messung der Windgeschwindigkeit in einem sehr kurzen Zeitinterwall erfolgt, so dass in diesem Zeitinterwall keine Veränderung des Windes stattfindet. Dies war übrigens, neben der Robustheit, das Killkriterium für die Entwicklung eines Ultraschall-Windmessgerätes. Für eine Windmessung mit Ultraschall sind zwei entgegengesetzte Schallimpulse zwischen zwei in einem bestimmten Abstand liegenden Ultraschallkapseln notwendig. Die Differenz der Laufzeit der Schallwellen von einem Sensor zum anderen und umgekehrt wird zur Berechnung der Windgeschwindigkeit herangezogen. Das Prinzip beruht darauf, dass sich z.B. bei 2 m Wind der Schall in eine Richtung mit ungefähr 330 m/s bewegt und in die andere Richtung mit 332 m/s was eine etwas kürzere Schalllaufzeit ergibt. Aus der Differenz der Laufzeiten kann die Windgeschwindigkeit errechnet werden. Das Problem ist jetzt, dass nur etwa alle 0,125 Sekunden ein Schallimpuls gesendet werden kann, anschließend muss der Schallgeber wieder zur Ruhe kommen. D.h. die Restschwingungen müssen so weit abklingen, dass sie sich nicht störend auf den neuen Schallimpuls auswirken. Wie man leicht erkennt ist die Ultraschallwindmessung nur dann exakt richtig, wenn sich der Wind innerhalb dieser zwei Schallimpulse nicht verändert, ansonsten haben wir eine Messverfälschung, die zwar gering ist, aber sie tritt auf.

Für eine Messaufnahme wird weit weniger als eine Millisekunde Zeit benötigt. Der Windmaster MFS D1 arbeitet mit 1024 Messungen pro Sekunde. Man sieht, dass die Möglichkeiten des Sensors weit über das hinaus gehen, was eigentlich im Sport erforderlich ist.

Eigentlich benötigt der Mass Flow Sensor keine Nachkalibrierung. Der Siliziumchip wird bei Auslieferung kalibriert und behält diese Eigenschaft bis zum Lebensende bei. Er verhält sich einfach gesagt wie ein ganz normales IC-Bauteil. Genauso gibt es keine Störeinflüsse wie Temperatur oder Feuchtigkeit.

Ein weiterer wichtiger Punkt bei der Entwicklung war die Robustheit. Das System muss auch nach einem „Umfaller“ noch einwandfrei funktionieren. Unserer Meinung nach kann dies kein System besser als ein Mass Flow Sensor.

Der Windmaster MFS D1 benötigt im Betrieb etwa 12 mA. Bei einer Kapazität der Akkus von 1700mAh entspricht das einer Betriebsdauer von rund 140 Stunden!