HowTo: Anemosens - Construcción de un anemómetro impreso en 3D (sensor de viento)

Para ser sincero, la idea de un sensor de viento imprimible en 3D (conocido como anemómetro en la jerga técnica) lleva flotando en mi cabeza bastante tiempo.

Inicialmente podría haberlo utilizado como sensor de viento para una de mis estaciones meteorológicas. En ese momento tenía disponible una impresora 3D FDM y también algunas primeras ideas para un diseño imprimible.

Luego imprimí el diseño que se muestra a la izquierda y lo probé.

Desafortunadamente, este diseño nunca pasó de la fase de prototipo. Las limitaciones del proceso de impresión FDM fueron algo problemáticas aquí. Especialmente cuando se imprimían estructuras sobresalientes, las tolerancias a menudo eran tan malas que las piezas no encajaban correctamente.

Así que puse el proyecto en espera de nuevo. Pero cuando comencé a desarrollar la segunda versión de un Aerogenerador imprimible en 3D comenzó, el tema de un anemómetro volvió a mi escritorio. Esta vez quería construir un aerogenerador con seguimiento electrónico del viento. Eso significa que WinDIY_2 (así se llama la turbina eólica) no debería tener una veleta, que automáticamente alinea la góndola con el viento. En cambio, la góndola debe girar hacia el viento a través de un servomotor. Para que esto funcione, la electrónica debe, por supuesto, conocer la dirección actual del viento. Por supuesto, esto solo funciona si la electrónica puede medir la dirección actual del viento. Probablemente ya sepa a dónde va esto: así nació la idea (nuevamente) de diseñar un anemómetro imprimible en 3D.

En este punto, mi "parque de máquinas" ya había crecido algo. Además de mi impresora FDM, ahora también podía utilizar una impresora SLA. Lo práctico de esto es que también se pueden imprimir muy bien estructuras salientes con las impresoras SLA y, por lo general, con una resolución mucho mayor que con las impresoras FDM. Así que desde el punto de vista de la producción, se disiparon casi todas las preocupaciones 🙂 .

Para la integración en WinDIY_2, el anemómetro debe montarse en una pequeña pluma en la góndola de la turbina eólica.

Entonces, el anemómetro tenía que ser lo más compacto posible, porque en este punto se debe evitar el peso innecesario (y porque simplemente se ve más genial. 🙂)

El primer diseño seguía pareciéndose al de la foto. Un poco "gordito" y todavía con punta extraíble.

Desafortunadamente, en general, todavía es demasiado grande para el diseño de WinDIY_2. Así que volvimos al escritorio.

Después de algunos borradores más, finalmente apareció el diseño que se muestra a la izquierda.

Un anemómetro muy compacto con los siguientes datos:

• Diámetro de la base: 27 mm
• Diámetro del rotor: 150 mm
• Altura (base incluida): ~160 mm

Este diseño consta de algunas partes que se pueden imprimir en una impresora SLA estándar.

Para poder evaluar los valores medidos de la velocidad y la dirección del viento, creé una pequeña placa de sensores que se puede integrar en la base de tal manera que los sensores se colocan exactamente en los lugares correctos. Luego, la placa del sensor se puede conectar a un ESP32 a través de una placa adicional opcional (la PCB Anemosens_MCU). Luego, los datos se pueden procesar o almacenar de varias maneras.

Varias interfaces y una ranura para tarjeta SD están disponibles en la placa de circuito Anemosens_MCU. También se puede encontrar más información sobre esta placa en el siguiente enlace.

• PCB – Construir Anemosens_MCU PCB

La estructura general de Anemosens se describe en el siguiente artículo.

La siguiente galería también contiene algunas imágenes de las placas de circuito utilizadas y la estructura general.

Puedes ver más información en el siguiente vídeo.

Instrucciones de seguridad

Sé que las siguientes notas siempre son un poco molestas y parecen innecesarias. Desafortunadamente, muchas personas que sabían "mejor" han perdido ojos, dedos u otras cosas debido a un descuido o se lesionaron. La pérdida de datos es casi insignificante en comparación, pero incluso estos pueden ser realmente molestos. Por lo tanto, tómese cinco minutos para leer las instrucciones de seguridad. Porque incluso el proyecto más genial no vale la pena lesionarse u otros problemas.
https://www.nerdiy.de/sicherheitshinweise/

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Requisitos

Para la construcción hay que dominar las tareas de soldadura. Los siguientes artículos proporcionan consejos sobre cómo hacer esto.

• Electrónica - Mi amigo el soldador
• Electrónica – Soldar componentes THT a mano
• Electrónica: suelde componentes SMD a mano

Herramienta requerida:

Material requerido:

Construya la placa de sensores

Un componente importante para registrar los datos del viento es la placa de sensores Anemosens. En ella están instalados un sensor Hall y un AS5048B (un "codificador rotatorio magnético"). El sensor Hall se utiliza para medir la velocidad del viento. El AS5048B se utiliza para medir la dirección del viento.

Puedes encontrar más información sobre la placa de sensores en el siguiente artículo.

• PCB: construya el PCB del sensor Anemosens

La estructura de la placa de circuito se puede ver muy bien en el siguiente video del segundo 50.

El sensor de dirección del viento

El sensor AS5048B se puede leer a través del bus I2C. Se emite un número de grados de 0 a 360°. La resolución del AS5048B es de 14 bits que corresponde a 0,0219°. Por supuesto, para asignar el número de grados a un punto de la brújula, el sensor debe estar alineado o calibrado adecuadamente.

Más información sobre el AS5048B está disponible aquí: https://ams.com/en/as0548b

El sensor de velocidad del viento

La velocidad del viento se evalúa utilizando un sensor de efecto Hall lineal AH49E. Este detecta el paso de los tres imanes integrados en el rotor. Cada vez que uno de los imanes pasa por el sensor, esto se puede medir como un cambio en el voltaje de salida analógico del sensor. Por razones de simetría, se instalan tres imanes en el rotor. Esto significa que el número de pulsos detectados debe dividirse nuevamente por tres para poder determinar el tiempo de una revolución. Este número de revoluciones se puede utilizar a su vez para determinar la velocidad del viento. Para lecturas exactas, debe calibrar el valor medido con una velocidad real del viento.

fabricación de placas de circuito impreso

Puede encontrar toda la información que necesita para fabricar los PCB aquí:

• https://www.pcbway.com/project/shareproject/Anemosens_sensor_PCB.html

Puede ver una buena descripción general de qué componentes pertenecen en qué lugar de la PCB en el siguiente párrafo. Gracias al trabajo de Proyecto OpenScope puede generar archivos HTML muy útiles en los que puede ver directamente qué componentes deben instalarse en qué lugar de la PCB.

Puede ver la descripción general de la PCB del sensor Anemosens aquí: Placa de circuito impreso del sensor Anemosens

También puede encontrar el archivo actual en el repositorio GIT en el siguiente enlace:

• https://github.com/Nerdiyde/Anemosens/blob/main/PCB/anemosens_sensor_pcb_v1.1_bom.html

(Tenga en cuenta que debe descargar el archivo HTML para verlo. Esto no es posible directamente desde el repositorio GIT).

Reúna los materiales necesarios

Antes de que pueda comenzar, por supuesto, debe recopilar todas las piezas individuales requeridas.

Los archivos STL para la impresión 3D de las piezas requeridas se pueden encontrar en el Repositorio Git de Anemosens en:

• https://github.com/Nerdiyde/Anemosens/tree/main/STLs

Necesitará las siguientes piezas para el montaje:

• 1 tornillo sin cabeza M2x6
• Tornillo avellanado 6x M2x6
• 3 tornillos prisioneros M3x6
• 1x tornillo avellanado M3x50
• Inserto de rosca 6x M2
• Inserto de rosca 3x M3
• 3 imanes cilíndricos de 5x2 mm (diámetro: 5 mm, altura: 2 mm)
• 1 imán cilíndrico de 10x5 mm (diámetro: 10 mm, altura: 5 mm) ¡diametralmente magnetizado!
• 1 rodamiento de bolas 623
• 2 rodamientos de bolas 608
• Cable de conexión JST SR
• Las piezas impresas en 3D

A continuación, las piezas individuales necesarias se muestran de nuevo en la vista de galería.

En este ejemplo, los imanes de 2x5 mm ya están instalados en los bolsillos designados en el rotor.

Simplemente coloque los imanes en los bolsillos y cierre las aberturas con un poco de pegamento.

Preparar soporte magnético

El soporte del imán sostiene el imán cilíndrico de 10x5 mm justo encima del sensor AS5048B. Está conectado de forma giratoria a la veleta a través del tornillo M3x50mm. En este paso debes preparar el soporte del imán.

Necesitará las piezas que se muestran a la izquierda.

Primero coloque el tornillo M3x50 como se muestra y atorníllelo en el soporte hasta el tope.

Si el tornillo es difícil de enroscar, debe volver a cortar el orificio con un macho de roscar M3.

A continuación, atornille el tornillo M3x50 hasta el tope.

Otra vista del tornillo M3x50 atornillado.

Ahora puedes pegar el imán cilíndrico de 10×50 en el soporte.

Para hacer esto, ponga una pequeña gota de pegamento en el soporte y luego presione el imán en el soporte.

Precaución: tenga en cuenta que este imán debe ser un imán diametralmente magnetizado. De lo contrario, el AS5048B no puede detectar la rotación.

El imán del cilindro debe asentarse al ras en el soporte.

Insertar rodamientos de bolas en los componentes.

Antes de que pueda continuar ensamblando el resto de los componentes, primero debe prepararlos. En este paso, los rodamientos de bolas se insertan en las piezas impresas en 3D.

Sin embargo, antes de hacer eso, primero debe liberar todos los cojinetes de bolas de su grasa para cojinetes y reemplazarlos con aceite de máquina de funcionamiento suave. Los fabricantes suelen suministrar rodamientos de bolas recubiertos con grasa para rodamientos. Esto es realmente útil para proteger las piezas de los cojinetes de la corrosión y mantenerlas funcionando sin problemas. Desafortunadamente, esto también aumenta el par inicial y la resistencia a la rotación.

Para mantener esto lo más bajo posible, debe eliminar la grasa de cojinete lenta. Para que el cojinete siga estando protegido contra la corrosión después, debe conservar el cojinete con aceite de máquina (como se conoce en las máquinas de coser, por ejemplo).

A continuación, puede utilizar los rodamientos preparados de esta manera para montar el rodamiento.

Para hacer esto, inserte el primero de los rodamientos de bolas 608 en el rotor.

El campamento debería entonces...

... sentarse al ras. No tienes que sujetarlo más en este punto.

A continuación, puede insertar el otro rodamiento de bolas 608 en el soporte de la veleta.

Esto es solo una prueba para ver si todo encaja correctamente. A continuación, debe volver a retirar el rodamiento del soporte de la veleta.

Así que coloque el rodamiento directamente en el soporte...

...y lo empuja hasta que...

... queda al ras en el soporte.

En este punto ya puedes fijar el rodamiento con el tornillo sin cabeza M2x6.

Si es necesario, primero debe volver a cortar la rosca con un macho M2.

Otra vista.

A continuación, puede simplemente colocar el rodamiento de bolas 623 restante en el tornillo avellanado M3x50 del soporte del imán.

Otra vista.

Montar las piezas preparadas.

A continuación, puede montar las piezas preparadas en el paso anterior.

Necesitará las piezas que se muestran para esto.

Primero coloque el rotor con el rodamiento de bolas en el eje de la base...

... hasta que el rotor se asiente en el eje como se muestra.

Luego coloque el anillo espaciador que se muestra en el eje.

En este punto, a más tardar, debe quitar el cojinete 608 del soporte en la veleta.

Luego coloque este rodamiento en el eje de la base como se muestra.

Y luego atornille los cojinetes con la contratuerca que se muestra.

Importante: ¡No trabaje aquí con demasiada fuerza/par! Si es necesario (definitivamente recomendado dependiendo de la calidad de impresión), ¡debería volver a cortar la rosca externa e interna M8 con un toque!

Luego, desenrosque la contratuerca hasta que los rodamientos de bolas estén asentados de forma segura en el eje principal.

Ahora puede volver a colocar la veleta en el rodamiento de bolas 608 previamente conectado...

... y con el tornillo prisionero M2x6...

... arreglar.

En el último paso, el soporte del imán se conecta a la veleta.

Para esto debes (solo) la cumbre del tornillo avellanado M3x50 con un poco de barniz fijador de tornillos.

Aquí es importante que llegue un poco de barniz de bloqueo de tornillos en la rosca de la veleta. Si es necesario, también puede quitar la veleta nuevamente y gotear la pintura de bloqueo directamente en el orificio roscado. En cualquier caso, asegúrese de que no entre pintura de bloqueo en los cojinetes de bolas.

Vista de la abertura en la que se debe insertar el soporte del imán.

Luego coloque el soporte del imán de tal manera que el cojinete de bolas 623 adjunto se deslice en el bolsillo provisto. A continuación, sujete el soporte magnético y gire la veleta al mismo tiempo hasta que el tornillo M3x50 agarre la rosca de la veleta y se atornille por completo.

También puedes ver todo el proceso en este video desde el segundo 95 en adelante.

Completamente atornillado, el soporte del imán completamente ensamblado debe asentarse en la base como se muestra.

Inserte la placa del sensor en el zócalo

Ahora que ha construido la mayor parte de la carcasa del sensor, puede comenzar a construir la base.

Necesitará los elementos que se muestran a la izquierda para esto.

Los insertos de rosca M2 y M3 ya se utilizan en esta base.

Para hacer esto, los M2 se fundieron en el soporte desde arriba y en la fila superior desde el exterior.

Los insertos de rosca M3 se funden en la fila inferior de los orificios accesibles desde el exterior.

Otra vista de los insertos de rosca fundidos.

En la fila superior, los insertos M2 están fundidos.

en la fila inferior los insertos M3.

Ahora puede enchufar el cable de conexión JST SR en el enchufe de la carcasa del sensor.

Luego empuje el cable de la placa del sensor preparado a través del orificio en la base...

... y atornille la placa de circuito a la base con los tornillos avellanados M2x6 como se muestra.

Ensamblar la caja con la base

En el último paso solo tienes que conectar la toma al resto de la carcasa.

Para hacer esto, deslice el enchufe en la base del sensor como se muestra.

Luego alinee los orificios de la base con los orificios/insertos roscados de la base.

Otra vista.

y atornillar la base a la base con los tres tornillos de cabeza avellanada M2x6.

Si lo desea, también puede insertar un tubo de 10 mm (diámetro exterior) en la base en este punto...

...y con los tornillos prisioneros M3x6...

... fijar en la base.

Sus anemosens ahora deberían verse así cuando estén ensamblados. 🙂

Lo que todavía falta es la conexión a una MCU adecuada, que luego tiene que evaluar y procesar las señales del sensor.

Opcional: construye la placa Anemosens_MCU

La placa de circuito MCU de Anemosens no es absolutamente necesaria para el funcionamiento de Anemosens. También puede evaluar los sensores en la placa de sensores con su propio hardware.

Con la ayuda de la placa de circuito Anemosens MCU, tiene la opción de leer los datos del sensor y enviarlos a través de la conexión USB-C, Modbus, Wifi o Bluetooth. Opcionalmente, los datos también se pueden almacenar en una tarjeta µSD insertada en la ranura para tarjetas µSD. Luego, los datos se pueden registrar con una marca de tiempo a través del reloj en tiempo real integrado y respaldado por batería. La placa también se puede equipar con un BME280 para un mayor control de los datos ambientales. También se pueden registrar la temperatura, la humedad y la presión del aire.

Puedes encontrar más información sobre la placa Anemosens_MCU en el artículo

• PCB – Construir Anemosens_MCU PCB

fabricación de placas de circuito impreso: Puedes encontrar toda la información que necesitas para fabricar los PCB aquí:

• https://www.pcbway.com/project/shareproject/Anemosens_MCU.html

En el siguiente párrafo se muestra una forma sencilla de obtener una buena visión general de qué componentes se colocan en qué lugar de la placa de circuito impreso. Gracias al trabajo de Proyecto OpenScope puede generar archivos HTML muy útiles en los que puede ver directamente qué componentes deben instalarse en qué lugar de la PCB.

Puede ver la descripción general de la PCB del sensor Anemosens aquí: PCB Anemosens_MCU

También puede encontrar el archivo actual en el repositorio GIT en el siguiente enlace:

• https://github.com/Nerdiyde/Anemosens/blob/main/PCB/anemosens_mcu_v1.3_bom.html

(Tenga en cuenta que debe descargar el archivo HTML para verlo. Esto no es posible directamente desde el repositorio GIT).

El firmware de Anemosens_MCU

Una primera versión de un software compatible con Arduino para evaluar los datos del sensor se puede encontrar en el siguiente enlace.

• https://github.com/Nerdiyde/Anemosens/tree/main/software/anemosens_mcu

Este software está diseñado para su uso con el hardware Anemosens_MCU. De esta manera, los datos se pueden medir, procesar y almacenar. También están disponibles (si se desea) a través de la interfaz serie (a través de USB), a través de la interfaz Modbus, a través de WiFi o a través de Bluetooth.

El firmware es compatible con Arduino IDE y se puede transferir al microcontrolador que se utiliza con él.

Puede encontrar consejos sobre cómo programar un microcontrolador con Arduino IDE en el artículo

• ArduinoIDE - Consejos y trucos

Diviértete con el proyecto.

Espero que todo te haya funcionado como se describe. Si no es así, o si tiene alguna pregunta o sugerencia, hágamelo saber en los comentarios. Si es necesario, lo añadiré al artículo.
Las ideas para nuevos proyectos siempre son bienvenidas. 🙂

PS Muchos de estos proyectos, especialmente los proyectos de hardware, cuestan mucho tiempo y dinero. Por supuesto que hago esto porque lo disfruto, pero si crees que es genial que comparta la información contigo, me encantaría hacer una pequeña donación al fondo del café. 🙂