HowTo: Anemosens – Ein 3D gedrucktes Anemometer (windsensor) bauen

Ehrlich gesagt geistert die Idee eines 3D druckbaren Windsensors (im Fachjargon „Anemometer“) schon recht lange in meinem Kopf herum.

Anfangs hätte ich es gut als Windsensor für eine meiner Wetterstationen gebrauchen können. Damals hatte ich einen FDM 3D Drucker zur Verfügung und auch ein paar erste Ideen für ein druckbares Design.

Das links gezeigte Design habe ich dann auch mal probeweise ausgedruckt und getestet.

Leider kam dieses Design aber nie über die Prototypenphase hinaus. Die Limitierungen des FDM Druckverfahrens waren hier etwas problematisch. Gerade beim Druck von überhängenden Strukturen waren die Tolelranzen oft so schlecht, dass die Teile nicht ordentlich zueinander passten.

Also hatte ich das Projekt erstmal wieder auf Eis gelegt. Als ich dann aber mit der Entwicklung der zweiten Version einer 3D druckbaren Windturbine begann, kam auch das Thema eines Anemometers wieder zurück auf meinen Schreibtisch. Dieses mal wollte ich nämlich eine Windturbine mit elektronischer Windnachführung bauen. Das heißt WinDIY_2 (so der Name der Windturbine) sollte keine Windfahne bekommen, welche die Gondel automatisch in den Wind ausrichtet. Die Gondel sollte stattdessen über einen Stellmotor in den Wind gedreht werden. Damit dies funktioniert muss die Elektronik natürlich die aktuelle Windrichtung kennen. Dies funktioniert natürlich nur dann, wenn die Elektronik in der Lage ist die aktuelle Windrichtung zu messen. Ihr sehr vermutlich schon wo das hinführt: So wurde die Idee (wieder) geboren ein 3D druckbares Anemometer zu designen.

Zu diesem Zeitpunkt war mein „Maschinenpark“ auch schon etwas angewachsen. So konnte ich neben meinem FDM Drucker nun auch auf einen SLA Drucker zurückgreifen. Das praktisch dabei ist, dass man mit SLA Druckern auch überhängende Strukturen sehr gut und generell auch in einer viel höheren Auflösung als bei FDM Druckern, drucken kann. Von der Fertigungsseite her waren also fast alle Bedenken ausgeräumt. 🙂

Für die Integration in WinDIY_2 sollte das Anemometer auf einem kleinen Ausleger an der Gondel der Windturbine montiert werden.

Das Anemometer musste also so Kompakt wie möglich sein, weil unnötiges Gewicht an dieser Stelle verhindert werden sollte (und weil es auch einfach cooler aussieht. 🙂 )

Der Erste Entwurf sah noch wie auf dem Foto dargestellt aus. Etwas „dicklich“ und noch mit abnehmbarer Spitze.

Insgesamt leider noch etwas zu groß für das Design von WinDIY_2. Also ging es zurück an den Schreibtisch.

Nach ein paar weiteren Entwürfen kam irgendwann das Links dargestellte Design heraus.

Ein sehr kopmpaktes Anemometer mit folgenden Daten:

  • Sockeldurchmesser: 27mm
  • Rotordurchmesser: 150mm
  • Höhe (inkl.Sockel): ~160mm

Dieser Entwurf besteht aus wenigen Teilen welche sich auf einem Standard SLA Drucker ausdrucken lassen.

Ansicht von Anemosens im Querschnitt.

Um die Messwerte für Windgeschwindigkeit und Windrichtung auswerten zu können, habe ich eine kleine Sensorplatine erstellt, welche sich so in den Sockel integrieren lässt, dass die Sensoren genau an den richtigen Stellen positioniert werden. Über eine Optionale weitere Platine (das Anemosens_MCU PCB) lässt sich die Sensorplatine dann mit einem ESP32 verbinden. Die Daten können dann auf verschiedene Weise weiterverarbeitet oder gespeichert werden.

Auf der Anemosens_MCU Platine stehen dazu verschiedene Schnittstellen und auch ein SD-Kartenslot zur Verfügung. Weitere Infos zu dieser Platine sind auch unter folgendem Link zu finden.

Der allgemeine Aufbau von Anemosens ist im folgenden Artikel beschrieben.

In der folgenden Galerie sind dazu noch ein paar Bilder über die Verwendeten Platinen und dem generellen Aufbau enthalten.

Mehr Infos könnt Ihr auch in dem folgendem Video sehen.

In diesem Video wird auch der Aufbau des Anemosens Sensor-PCB gezeigt.


Sicherheitshinweise

Ich weiß die folgenden Hinweise sind immer irgendwie lästig und wirken unnötig. Aber leider haben schon viele Menschen die es "besser" wussten aus Leichtsinnigkeit Augen, Finger oder anderes verloren bzw. sich verletzt. Im Vergleich dazu ist ein Datenverlust fast nicht der Rede Wert, aber auch diese können echt ärgerlich sein. Deswegen nehmt Euch bitte fünf Minuten Zeit um die Sicherheitshinweise zu lesen. Denn auch das coolste Projekt ist keine Verletzung oder anderen Ärger wert.
https://www.nerdiy.de/sicherheitshinweise/

Affiliatelinks/Werbelinks

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Voraussetzungen

Für den Aufbau müsst ihr Lötaufgaben bewältigen. Die folgenden Artikel enthalten Tipps dazu.

Benötigtes Werkzeug:

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1xM2 Innen-GewindeschneiderBei Amazon kaufen
1xM3 Innen-GewindeschneiderBei Amazon kaufen
1xM8 Innen-GewindeschneiderBei Amazon kaufen
1xM8 Außen-GewindeschneiderBei Amazon kaufen
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Benötigtes Material:

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1xM2x6 MadenschraubeBei Amazon kaufen
6xM2x6 SenkkopfschraubeBei Amazon kaufen
3xM3x6 MadenschraubeBei Amazon kaufen
1xM3x50 Senkkopfschraube Bei Amazon kaufen
6xM2 Gewindeeinsatz Bei Amazon kaufen
3xM3 Gewindeeinsatz Bei Amazon kaufen
3xZylindermagnet 5x2mm Bei Amazon kaufen
1xZylindermagnet 10x5mmhttps://www.supermagnete.de/scheibenmagnete-neodym/scheibenmagnet-10mm-5mm_S-10-05-DN
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2x608 Kugellager Bei Amazon kaufen
1xJST SH Anschlusskabel Bei Amazon kaufen
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Die Sensorplatine aufbauen

Eine wichtige Komponente zur Erfassung der Winddaten ist die Anemosens Sensorplatine. Darauf sind ein Hallsensor und ein AS5048B (ein „magnetic rotary encoder“) verbaut. Mit dem Hallsensor wird die Windgeschwindigkeit gemessen. Mit dem AS5048B wird die Windrichtung gemessen.

Weitere Infos zur Sensorplatine findet Ihr auch im folgenden Artikel.

Der Aufbau der Platine ist in dem folgenden Video ab Sekunde 50 sehr gut zu sehen.

Beschaltung des Anemosens Sensor PCB

Der Windrichtungssensor

Der AS5048B Sensor kann über den I2C Bus ausgelesen werden. Dabei wird eine Gradzahl von 0-360° ausgegeben. Die Auflösung des AS5048B beträgt 14 Bit was 0.0219° entspricht. Um die Gradzahl einer Himmelsrichtung zuzuordnen muss der Sensor natürlich passend ausgerichtet bzw. kalibriert werden.

Mehr Infos zum AS5048B sind hier verfügbar: https://ams.com/en/as0548b

Der Windgeschwindigkeitssensor

Die Windgeschwindigkeit wird mithilfe eines AH49E Linear Hall Effekt Sensor ausgewertet. Dieser erkennt das vorbeiziehen der drei im Rotor verbauten Magnete. Jedes mal wenn einer der Magnete am Sensor vorbeizieht ist dies als Veränderung der analogen Ausgangsspannung des Sensors zu messen. Aus Symmetriegründen sind in dem Rotor drei Magnete verbaut. Das heißt, dass die Anzahl der detektierten Impulse nochmal durch drei geteilt werden muss um die Zeit für eine Umdrehung bestimmen zu können. Aus dieser Umdrehungszahl lässt sich wiederum auf die Windgeschwindigkeit schließen. Für exakte Messwerte solltet ihr den gemessenen Wert mit einer realen Windgeschwindigkeit kalibrieren.

PCB-Fertigung

Alle infos die Ihr zur Fertigung der PCBs braucht, könnt Ihr hier finden:

Ein gute Übersicht darüber zu bekommen welche Komponenten an welcher Stelle auf das PCB gehören seht Ihr im folgenden Absatz. Dank der Arbeit von Open Scope Project kann man nämlich sehr hilfreiche HTML Dateien generieren in denen man direkt sehen kann welche Komponenten wo auf dem PCB verbaut werden müssen.

Die Übersicht für das Anemosens Sensor-PCB seht ihr hier: Anemosens Sensor-PCB

Die jeweils aktuelle Datei findet Ihr aber auch im GIT-Repository unter folgendem Link:

(Beachtet dabei bitte, dass Ihr die HTML-Datei herunterladen müsst um sie anzuzeigen. Direkt aus dem GIT-Repository ist dies nicht möglich.)


Die benötigen Materialien sammeln

Bevor es losgehen kann solltet Ihr natürlich alle benötigten Einzelteile zusammensuchen.

Die STL Dateien zum 3D Drucken der benötigten Teile findet Ihr im Anemosens Git Repository unter:

Für den Aufbau benötigt Ihr die folgenden Teile:

  • 1x M2x6 Madenschraube
  • 6x M2x6 Senkkopfschraube
  • 3x M3x6 Madenschraube
  • 1x M3x50 Senkkopfschraube
  • 6x M2 Gewindeeinsatz
  • 3x M3 Gewindeeinsatz
  • 3x Zylindermagnet 5x2mm (Durchmesser: 5mm, Höhe: 2mm)
  • 1x Zylindermagnet 10x5mm (Durchmesser: 10mm, Höhe: 5mm) diametral magnetisiert!
  • 1x 623 Kugellager
  • 2x 608 Kugellager
  • JST SR Anschlusskabel
  • Die 3D gedruckten Teile

Im folgenden sind die benötigten Einzelteile nochmal in der Galerieansicht dargestellt.

Die 2x5mm Magnete sind in diesem Beispiel bereits in den vorgesehen Taschen im Rotor verbaut.

Legt die Magnete dazu einfach in die Taschen ein und verschließt die Öffnungen mit etwas Kleber.


Magnethalter vorbereiten

Der Magnethalter hält den 10x5mm Zylindermagnet genau überhalb des AS5048B Sensors. Dabei ist er drehbar über die M3x50mm Schraube mit der Windfahne verbunden. In diesem Schritt solltet Ihr den Magnethalter schonmal vorbereiten.

Dazu benötigt Ihr die links dargestellten Teile.

Setzt dann als erstes die M3x50 Schraube wie abgebildet an und schraubt sie bis zum Anschlag in die Halterung ein.

Falls die Schraube nur schwergängig einzudrehen ist, solltet Ihr die Bohrung nochmal mit einem M3 Gewindeschneider sauber schneiden.

Schraubt die M3x50 Schraube dann bis zum Anschlag ein.

Weitere Ansicht der eingeschraubten M3x50 Schraube.

Nun könnt Ihr den 10×50 Zylindermagnet in die Halterung einkleben.

Gebt dazu einen kleinen Tropfen Kleber in die Halterung und drückt dann den Magneten in die Halterung.

Achtung: Achtet darauf, dass dieser Magnet ein diametral magnetisierter Magnet sein muss. Ansonsten kann der AS5048B die Drehbewegung nicht erfassen.

Der Zylindermagnet sollte dann bündig in der Halterung sitzen.


Kugellager in die Komponenten einsetzen

Bevor Ihr mit dem Zusammenbau der restlichen Komponenten fortfahren könnt, solltet Ihr diese zunächst vorbereiten. Dazu werden in diesem Schritt die Kugellager in die 3D gedruckten Teile eingelegt.

Bevor Ihr das jedoch macht solltet ihr als erstes alle Kugellager von Ihrem Lagerfett befreien und durch leichtgängiges Maschinenöl ersetzen. Kugellager werden von den Herstellern oft mit Lagerfett bestrichen ausgeliefert. Dies ist eigentlich sinnvoll um die Lagerteile vor Korrosion zu schützen und leichtgängig zu halten. Leider erhöht sich dadurch auch der Anfangsdrehmoment und der Drehwiderstand.

Um diesen so gering wie möglich zu halten müsst Ihr also das schwergängige Lagerfett entfernen. Damit das Lager danach trotzdem vor Korrosion geschützt ist solltet Ihr das Lager dann mit Maschinen-Öl (wie man es zum Beispiel von Nähmaschinen kennt) konservieren.

Die so vorbereiteten Lager könnt Ihr dann für den Zusammenbau des Lagers verwenden.

Legt dazu das erste der 608 Kugellager in den Rotor ein.

Das Lager sollte darin dann …

… bündig sitzen. Weiter befestigen müsst Ihr es an dieser Stelle nicht.

Das andere 608 Kugellager könnt Ihr dann in die Halterung in der Windfahne einsetzen.

Dies ist erstmal nur ein Test um zu gucken ob alles ordentlich passt. Das Lager müsst Ihr danach nochmal aus der Halterung in der Windfahne entfernen.

Setzt das Lager also gerade an der Halterung an…

… und drückt es hinein bis es…

… bündig in der Halterung sitzt.

An dieser Stelle könnt Ihr das Lager auch schon über die M2x6 Madenschraube fixieren.

Falls nötig solltet Ihr zuvor das Gewinde mit einem M2 Gewindeschneider nachschneiden.

Weitere Ansicht.

Das verbleibende 623 Kugellager könnt Ihr dann einfach auf die M3x50 Senkkopfschraube der Magnethalterung aufstecken.

Weitere Ansicht.


Die vorbereiteten Teile zusammenbauen

Die im vorherigen Schritt vorbereiteten Teile, könnt Ihr dann zusammenbauen.

Dazu benötigt Ihr die abgebildeten Teile.

Setzt als erstes den Rotor mit dem Kugellager auf die Achse der Basis…

… bis der Rotor wie abgebildet auf der Achse sitzt.

Steckt dann den abgebildeten Distanzring auf die Achse auf.

Spätestens an dieser Stelle müsst Ihr das 608 Lager nochmal aus der Halterung in der Windfahne entfernen.

Setzt dieses Lager dann ebenfalls wie abgebildet auf die Achse der Basis.

Und verschraubt die Lager dann mit der abgebildeten Sicherungsmutter.

Wichtig: Arbeitet hier nicht mit Zuviel Kraft / Drehmoment! Falls nötig (je nach Druckqualität auf jeden Fall empfohlen) solltet Ihr das M8 Außen- und Innengewinde nochmal mit einem Gewindeschneider nachschneiden!

Schraubt die Sicherungsmutter dann soweit auf, dass die Kugellager sicher auf der Hauptachse sitzen.

Nun könnt Ihr die Windfahne wieder auf das zuvor aufgesetzte 608 Kugellager aufstecken…

… und mit der M2x6 Madenschraube…

… fixieren.

Im letzten Schritt wird der Magnethalter mit der Windfahne verbunden.

Dazu solltet Ihr (nur) die Spitze der M3x50 Senkkopfschraube mit etwas Schraubensicherungslack benetzen.

Hierbei ist es wichtig, dass etwas Schraubensicherungslack in dem Gewinde in der Windfahne ankommt. Ggf. könnt Ihr die Windfahne auch nochmal abnehmen und den Sicherungslack dort direkt in das Gewindeloch tropfen. Achtet aber in jedem Fall darauf, dass kein Sicherungslack in die Kugellager gerät.

Ansicht der Öffnung in die der Magnethalter eingeführt werden muss.

Setzt den Magnethalter dann so an, dass das aufgesetzte 623 Kugellager in die dafür vorgesehene Tasche rutscht. Haltet den Magnethalter dann fest und dreht gleichzeitig die Windfahne bis das die M3x50 Schraube das Gewinde in der Windfahne packt und ganz eingeschraubt ist.

Den gesamten Prozess könnt Ihr in diesem Video ab Sekunde 95 auch gut sehen.

Komplett verschraubt sollte der fertig montierte Magnethalter wie abgebildet im Sockel sitzen.


Die Sensorplatine in den Sockel einsetzen

Nachdem Ihr den Großteil des Sensorgehäuses aufgebaut habt, könnt Ihr nun mit dem Aufbau des Sockels beginnen.

Dazu benötigt Ihr die links abgebildeten Einzelteile.

In diesem Sockel sind die M2 und M3 Gewindeeinsätze bereits eingesetzt.

Dazu wurden die M2 von oben und in die obere Reihe von außen in die Halterung eingeschmolzen.

Die M3 Gewindeeinsätze werden in die untere Reihe der von außen zugänglichen Bohrungen eingeschmolzen.

Weitere Ansicht der eingeschmolzenen Gewindeeinsätze.

In der oberen Reihe sind die M2 Einsätze eingeschmolzen.

in der unteren Reihe die M3 Einsätze.

Nun könnt Ihr das JST SR Anschlusskabel in die Buchse am Sensorgehäuse einstecken.

Schiebt die Leitung der vorbereiteten Sensorplatine dann durch die Bohrung des Sockels…

… und verschraubt die Platine mit den M2x6 Senkkopfschrauben wie abgebildet mit dem Sockel.


Das Gehäuse mit dem Sockel zusammenbauen

Im letzten Schritt müsst Ihr nur noch den Sockel mit dem Rest des Gehäuses verbinden.

Schiebt den Sockel dazu wie gezeigt in die Basis des Sensors.

Richtet dann die Löcher in der Basis mit den Bohrungen / Gewindeeinsätzen im Sockel aus.

Weitere Ansicht.

und verschraubt den Sockel mit der Basis mithilfe der drei M2x6 Senkkopfschrauben.

Falls gewünscht könnt Ihr an dieser Stelle auch ein 10mm (Außendruchmesser) Rohr in den Sockel einführen…

…und mit den M3x6 Madenschrauben…

… im Sockel fixieren.

Fertig aufgebaut sollte Euer Anemosens nun so aussehen. 🙂

Was nun noch fehlt ist der Anschluss an eine passende MCU, welche dann die Sensorsignale auswerten und aufbereiten muss.


Optional: Die Anemosens_MCU Platine aufbauen

Die Anemosens MCU Platine ist nicht zwingend notwendig zum Betrieb von Anemosens. Ihr könnt die Sensoren der Sensorplatine auch mit einer eigenen Hardware auswerten.

Mithilfe der Anemosens MCU Platine habt Ihr die Möglichkeit die Sensordaten auszulesen und über den USB-C Anschluss, Modbus, Wifi oder Bluetooth weiter zu senden. Optional können die Daten auch auf eine in den µSD Kartenslot eingelegten µSD Karte gespeichert werden. Über die Integrierte und Batteriegepufferte Real Time Clock können die Daten dann mit Zeitstempel protokolliert werden. Zur weiteren Überwachung der Umgebungsdaten kann die Platine auch mit einem BME280 bestückt werden. So lassen sich auch Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck protokollieren.

Weitere Infos über die Anemosens_MCU Platine findet Ihr auch in dem Artikel

PCB-Fertigung: Alle infos die Ihr zur Fertigung der PCBs braucht, könnt Ihr hier finden:

Ein einfacher Weg um eine gute Übersicht darüber zu bekommen welche Komponenten an welcher Stelle auf dem PCB platziert sind, seht Ihr im folgenden Absatz. Dank der Arbeit von Open Scope Project kann man nämlich sehr hilfreiche HTML Dateien generieren in denen man direkt sehen kann welche Komponenten wo auf dem PCB verbaut werden müssen.

Die Übersicht für das Anemosens Sensor-PCB seht ihr hier: Anemosens_MCU PCB

Die jeweils aktuelle Datei findet Ihr aber auch im GIT-Repository unter folgendem Link:

(Beachtet dabei bitte, dass Ihr die HTML-Datei herunterladen müsst um sie anzuzeigen. Direkt aus dem GIT-Repository ist dies nicht möglich.)


Die Anemosens_MCU Firmware

Eine erste Version einer Arduino kompatiblen Software zum Auswerten der Sensordaten findet Ihr unter folgendem Link.

Diese Software ist auf die Verwendung mit der Anemosens_MCU Hardware zugeschnitten. So lassen sich die Daten messen, weiterverarbeiten und speichern. Außerdem werden sie (wenn gewünscht) über die serielle Schnittstelle (Über USB), über das Modbus-Interface, wer WiFi oder über Bluetooth zur Verfügung gestellt.

Die Firmware ist kompatibel mit der Arduino IDE und kann mit dieser auf den verwendeten Mikrocontroller übertragen werden.

Hinweise dazu wie Ihr mit der Arduino IDE einen Mikrocontroller programmieren könnt, findet Ihr in dem Artikel


Ich hoffe bei euch hat alles wie beschrieben funktioniert. Falls nicht oder ihr Fragen oder Anregungen habt lasst es mich in den Kommentaren bitte wissen. Ich trage dies dann ggf. in den Artikel nach.
Auch Ideen für neue Projekte sind immer gerne willkommen. 🙂

P.S. Viele dieser Projekte - besonders die Hardwareprojekte - kosten viel Zeit und Geld. Natürlich mache ich das weil ich Spaß daran habe, aber wenn Du es cool findest, dass ich die Infos dazu mit Euch teile, würde ich mich über eine kleine Spende an die Kaffeekasse freuen. 🙂

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