HowTo: Anemosens - Een 3D-geprinte anemometer (windsensor) bouwen

Om eerlijk te zijn zweefde het idee van een 3D-printbare windsensor (in vakjargon een anemometer genoemd) al een hele tijd door mijn hoofd.

Aanvankelijk had ik het kunnen gebruiken als windsensor voor een van mijn weerstations. Ik had op dat moment een FDM 3D-printer ter beschikking en ook een paar eerste ideeën voor een printbaar ontwerp.

Vervolgens heb ik het ontwerp aan de linkerkant uitgeprint en getest.

Helaas is dit ontwerp nooit verder gekomen dan de prototypefase. De beperkingen van het FDM-afdrukproces waren hier enigszins problematisch. Vooral bij het printen van overhangende structuren waren de toleranties vaak zo slecht dat de onderdelen niet goed in elkaar pasten.

Dus heb ik het project weer on hold gezet. Maar toen ik begon met het ontwikkelen van de tweede versie van a 3D-printbare windturbine begon, kwam het onderwerp van een windmeter terug op mijn bureau. Deze keer wilde ik een windturbine bouwen met elektronische windvolging. Dat betekent dat WinDIY_2 (zo heet de windturbine) geen windvaan mag krijgen, die de gondel automatisch uitlijnt met de wind. In plaats daarvan moet de gondel via een servomotor in de wind worden gedraaid. Om dit te laten werken, moet de elektronica natuurlijk weten wat de huidige windrichting is. Dit werkt natuurlijk alleen als de elektronica de actuele windrichting kan meten. U weet waarschijnlijk al waar dit naartoe gaat: zo ontstond het idee (opnieuw) om een 3D-printbare anemometer te ontwerpen.

Op dat moment was mijn "machinepark" al wat gegroeid. Naast mijn FDM printer kon ik nu ook een SLA printer gebruiken. Het handige hiervan is dat je met SLA-printers ook overhangende structuren heel goed kunt printen en over het algemeen in een veel hogere resolutie dan met FDM-printers. Dus vanuit de productiekant waren bijna alle zorgen weggenomen 🙂

Voor integratie in WinDIY_2 moet de anemometer op een kleine arm op de gondel van de windturbine worden gemonteerd.

De anemometer moest dus zo compact mogelijk zijn, omdat onnodig gewicht op dit punt moet worden vermeden (en omdat het er gewoon cooler uitziet. 🙂 )

Het eerste ontwerp zag er nog steeds uit zoals op de foto. Een beetje "lomp" en nog steeds met een afneembare punt.

Al met al helaas nog iets te groot voor het ontwerp van WinDIY_2. Dus het was terug naar het bureau.

Na nog een paar schetsen kwam uiteindelijk het ontwerp aan de linkerkant uit.

Een zeer compacte anemometer met de volgende gegevens:

• Basisdiameter: 27 mm
• Rotordiameter: 150 mm
• Hoogte (incl. voet): ~160 mm

Dit ontwerp bestaat uit een aantal onderdelen die op een standaard SLA printer kunnen worden uitgeprint.

Om de gemeten waarden voor windsnelheid en windrichting te kunnen evalueren, heb ik een klein sensorbord gemaakt, dat zo in de basis kan worden geïntegreerd dat de sensoren precies op de juiste plaatsen worden gepositioneerd. De sensorkaart kan dan worden aangesloten op een ESP32 via een optionele extra kaart (de Anemosens_MCU PCB). De gegevens kunnen vervolgens op verschillende manieren verder worden verwerkt of opgeslagen.

Op de printplaat van de Anemosens_MCU zijn verschillende interfaces en een SD-kaartsleuf beschikbaar. Verdere informatie over dit bord is ook te vinden onder de volgende link.

• PCB - Bouw Anemosens_MCU PCB

De algemene structuur van Anemosens wordt beschreven in het volgende artikel.

De volgende galerij bevat ook enkele foto's van de gebruikte printplaten en de algemene structuur.

U kunt meer informatie zien in de volgende video.

Veiligheidsinstructies

Ik weet dat de volgende opmerkingen altijd een beetje vervelend zijn en onnodig lijken. Helaas hebben veel mensen die "beter" wisten door onvoorzichtigheid ogen, vingers of andere dingen verloren of zichzelf verwond. Gegevensverlies is in vergelijking bijna te verwaarlozen, maar zelfs dit kan erg vervelend zijn. Neem daarom vijf minuten de tijd om de veiligheidsinstructies te lezen. Omdat zelfs het coolste project geen blessure of andere problemen waard is.
https://www.nerdiy.de/sicherheitshinweise/

Affiliate links / reclame links

De hier vermelde links naar online winkels zijn zogenaamde affiliate-links. Als u op zo'n affiliate-link klikt en via deze link een aankoop doet, ontvangt Nerdiy.de een commissie van de betreffende onlineshop of aanbieder. De prijs verandert voor jou niet. Als u via deze links uw aankopen doet, steunt u Nerdiy.de om in de toekomst andere nuttige projecten aan te kunnen bieden. 🙂 

Eisen

Voor de constructie moet je soldeertaken beheersen. In de volgende artikelen vindt u tips hoe u dit kunt doen.

• Elektronica - Mijn vriend de soldeerbout
• Elektronica – Soldeer THT-componenten met de hand
• Elektronica – Soldeer SMD-componenten met de hand

Vereist gereedschap:

Benodigd materiaal:

Bouw het sensorbord

Een belangrijk onderdeel voor het registreren van de windgegevens is het Anemosens sensorbord. Hierop zijn een Hall-sensor en een AS5048B (een "magnetische roterende encoder") geïnstalleerd. De Hall-sensor wordt gebruikt om de windsnelheid te meten. De AS5048B wordt gebruikt om de windrichting te meten.

Meer informatie over de sensorkaart vindt u in het volgende artikel.

• PCB - Bouw de printplaat van de Anemosens-sensor

De structuur van de printplaat is heel goed te zien in de volgende video vanaf de 50e seconde.

De windrichtingssensor

De AS5048B-sensor kan worden uitgelezen via de I2C-bus. Er wordt een aantal graden van 0-360° uitgevoerd. De resolutie van de AS5048B is 14 bits wat overeenkomt met 0,0219°. Om het aantal graden aan een kompaspunt toe te wijzen, moet de sensor natuurlijk correct zijn uitgelijnd of gekalibreerd.

Meer informatie over de AS5048B is hier beschikbaar: https://ams.com/en/as0548b

De windsnelheidssensor

Windsnelheid wordt geëvalueerd met behulp van een AH49E lineaire Hall-effectsensor. Dit detecteert het passeren van de drie magneten die in de rotor zijn ingebouwd. Elke keer dat een van de magneten de sensor passeert, kan dit worden gemeten als een verandering in de analoge uitgangsspanning van de sensor. Omwille van de symmetrie zijn er drie magneten in de rotor geïnstalleerd. Dit betekent dat het aantal gedetecteerde pulsen weer door drie moet worden gedeeld om de tijd voor één omwenteling te kunnen bepalen. Dit toerental kan weer gebruikt worden om de windsnelheid te bepalen. Voor exacte metingen dient u de gemeten waarde te kalibreren met een echte windsnelheid.

PCB-productie

Hier vindt u alle informatie die u nodig heeft om de printplaten te vervaardigen:

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

In de volgende paragraaf ziet u een goed overzicht van welke componenten waar op de printplaat horen. Dankzij het werk van OpenScope-project je kunt heel handige HTML-bestanden genereren waarin je direct kunt zien welke componenten waar op de print moeten worden geïnstalleerd.

U kunt het overzicht voor de Anemosens-sensorprintplaat hier bekijken: Anemosens-sensorprintplaat

U kunt het huidige bestand ook vinden in de GIT-repository onder de volgende link:

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

(Houd er rekening mee dat u het HTML-bestand moet downloaden om het te kunnen bekijken. Dit is niet rechtstreeks vanuit de GIT-repository mogelijk.)

Verzamel de benodigde materialen

Voordat u kunt beginnen, moet u natuurlijk alle benodigde afzonderlijke onderdelen verzamelen.

De STL-bestanden voor het 3D-printen van de benodigde onderdelen zijn te vinden in de Anemosens Git Repository op:

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

Voor de montage heeft u de volgende onderdelen nodig:

• 1x M2x6 stelschroef
• 6x M2x6 verzonken schroef
• 3x M3x6 stelschroef
• 1x M3x50 verzonken schroef
• 6x M2 schroefdraad inzetstuk
• 3x M3 schroefdraad inzetstuk
• 3x cilindermagneet 5x2mm (diameter: 5mm, hoogte: 2mm)
• 1x cilindermagneet 10x5mm (diameter: 10mm, hoogte: 5mm) diametraal gemagnetiseerd!
• 1x 623 kogellager
• 2x 608 kogellagers
• JST SR aansluitkabel
• De 3D geprinte onderdelen

Hierna worden de benodigde afzonderlijke onderdelen weer in de galerijweergave weergegeven.

In dit voorbeeld zijn de 2x5mm magneten al geïnstalleerd in de daarvoor bestemde zakken in de rotor.

Plaats de magneten eenvoudig in de zakken en sluit de openingen met wat lijm.

Magneethouder voorbereiden

De magneethouder houdt de cilindermagneet van 10x5 mm net boven de AS5048B-sensor. Het is draaibaar verbonden met de windvaan via de M3x50mm schroef. In deze stap moet u de magneethouder voorbereiden.

U heeft de links getoonde onderdelen nodig.

Plaats eerst de M3x50 schroef zoals afgebeeld en schroef deze zo ver mogelijk in de beugel.

Als de schroef moeilijk in te draaien is, moet u het gat opnieuw schoonsnijden met een M3-tap.

Draai vervolgens de M3x50-schroef er zo ver mogelijk in.

Een andere kijk op de ingeschroefde M3x50-schroef.

Nu kunt u de 10×50 cilindermagneet in de houder lijmen.

Doe hiervoor een klein druppeltje lijm in de houder en druk vervolgens de magneet in de houder.

Let op: Merk op dat deze magneet een diametraal gemagnetiseerde magneet moet zijn. Anders kan de AS5048B de rotatie niet detecteren.

De cilindermagneet moet dan vlak in de houder zitten.

Plaats kogellagers in de componenten

Voordat u verder kunt gaan met het monteren van de rest van de onderdelen, dient u deze eerst voor te bereiden. In deze stap worden de kogellagers in de 3D-geprinte onderdelen gestoken.

Voordat u dat doet, moet u echter eerst alle kogellagers ontdoen van hun lagervet en ze vervangen door soepel lopende machineolie. Fabrikanten leveren vaak kogellagers die zijn gecoat met lagervet. Dit is eigenlijk handig om de dragende delen te beschermen tegen corrosie en om ze soepel te laten lopen. Helaas verhoogt dit ook het aanvankelijke koppel en de weerstand tegen rotatie.

Om dit zo laag mogelijk te houden, moet u het trage lagervet verwijderen. Om het lager achteraf nog beschermd te houden tegen corrosie dient u het lager vervolgens te conserveren met machineolie (zoals bekend van bijvoorbeeld naaimachines).

Vervolgens kunt u de op deze manier voorbereide lagers gebruiken om het lager te monteren.

Om dit te doen, plaatst u de eerste van de 608 kogellagers in de rotor.

Het kamp moet dan...

... vlak zitten. U hoeft het op dit punt niet verder vast te maken.

Vervolgens kunt u het andere 608 kogellager in de houder in de windvaan steken.

Dit is slechts een test om te zien of alles goed past. Je moet dan het lager weer uit de houder in de windvaan halen.

Dus zet het lager recht op de beugel...

...en duwt hem naar binnen tot hij...

... zit vlak in de houder.

Op dit punt kunt u het lager al vastzetten met de M2x6 stelschroef.

Indien nodig moet u de schroefdraad eerst opnieuw afsnijden met een M2-tap.

Een ander opzicht.

U kunt dan eenvoudig de resterende 623 kogellagers op de M3x50 verzonken schroef van de magneethouder bevestigen.

Een ander opzicht.

Monteer de voorbereide onderdelen

Vervolgens kunt u de in de vorige stap voorbereide onderdelen monteren.

Hiervoor heeft u de afgebeelde onderdelen nodig.

Plaats eerst de rotor met het kogellager op de as van de voet...

... totdat de rotor zoals afgebeeld op de as zit.

Plaats vervolgens de afgebeelde afstandsring op de as.

Uiterlijk op dit punt moet u het 608-lager uit de houder in de windvaan verwijderen.

Plaats vervolgens dit lager op de as van de basis zoals afgebeeld.

En schroef vervolgens de lagers vast met de getoonde borgmoer.

Belangrijk: Werk hier niet met te veel kracht / koppel! Indien nodig (zeker aan te raden afhankelijk van de printkwaliteit) dient u de M8 buiten- en binnendraad opnieuw af te snijden met een tap!

Draai vervolgens de borgmoer los totdat de kogellagers stevig op de hoofdas zitten.

Nu kunt u de windvaan weer op het eerder bevestigde 608 kogellager plaatsen...

... en met de M2x6 stelschroef...

... repareren.

In de laatste stap wordt de magneethouder verbonden met de windvaan.

Hiervoor dient u (alleen) de top van de M3x50 verzonken schroef met een beetje schroefborgende lak.

Hierbij is het belangrijk dat er wat schroefborglak in de schroefdraad van de windvaan komt. Indien nodig kunt u de windvaan ook weer verwijderen en de borgverf direct in het draadgat druppelen. Zorg er in ieder geval voor dat er geen borgverf in de kogellagers komt.

Zicht op de opening waarin de magneethouder moet worden gestoken.

Plaats vervolgens de magneethouder zo dat het bijgevoegde kogellager 623 in de daarvoor bestemde uitsparing glijdt. Houd vervolgens de magneethouder vast en draai tegelijkertijd de windvaan totdat de M3x50-schroef de schroefdraad in de windvaan grijpt en helemaal is ingedraaid.

Je kunt het hele proces ook zien in deze video vanaf seconde 95.

Volledig vastgeschroefd, moet de volledig gemonteerde magneethouder in de basis zitten, zoals afgebeeld.

Steek de sensorkaart in de socket

Nu je het grootste deel van de sensorbehuizing hebt gebouwd, kun je beginnen met het bouwen van de basis.

Hiervoor heeft u de hiernaast afgebeelde artikelen nodig.

De M2- en M3-schroefdraadinserts worden al in deze sokkel gebruikt.

Hiervoor werden de M2 van bovenaf in de houder gesmolten en in de bovenste rij van buitenaf.

De M3-schroefdraadinzetstukken zijn gesmolten in de onderste rij van de van buitenaf toegankelijke gaten.

Een andere kijk op de ingesmolten draadinzetstukken.

In de bovenste rij zijn de M2-inzetstukken omgesmolten.

in de onderste rij de M3-inzetstukken.

Nu kunt u de JST SR-aansluitkabel in de bus op de sensorbehuizing steken.

Duw vervolgens de kabel van het voorbereide sensorbord door het gat in de basis...

... en schroef de printplaat met de M2x6 verzonken schroeven op de basis zoals afgebeeld.

Monteer de behuizing met de basis

In de laatste stap hoef je alleen nog maar het stopcontact met de rest van de behuizing te verbinden.

Om dit te doen, schuift u de houder in de basis van de sensor zoals afgebeeld.

Lijn vervolgens de gaten in de basis uit met de gaten/inzetstukken met schroefdraad in de basis.

Een ander opzicht.

en schroef de basis op de basis met behulp van de drie M2x6 verzonken schroeven.

Indien gewenst kunt u op dit punt ook een buis van 10 mm (buitendiameter) in de basis steken...

...en met de M3x6 stelschroeven...

... vast in de basis.

Uw anemosens zouden er nu zo uit moeten zien als ze in elkaar zijn gezet. 🙂

Wat nog ontbreekt, is de verbinding met een geschikte MCU, die vervolgens de sensorsignalen moet evalueren en verwerken.

Optioneel: bouw het Anemosens_MCU-bord

De printplaat van de Anemosens MCU is niet absoluut noodzakelijk voor de werking van Anemosens. U kunt de sensoren op het sensorboard ook evalueren met uw eigen hardware.

Met behulp van de Anemosens MCU printplaat heeft u de mogelijkheid om de sensordata uit te lezen en door te sturen via de USB-C aansluiting, Modbus, Wifi of Bluetooth. Optioneel kunnen de gegevens ook op een µSD-kaart in de µSD-kaartsleuf worden opgeslagen. De gegevens kunnen vervolgens worden gelogd met een tijdstempel via de geïntegreerde en batterijgebufferde real-time klok. Het bord kan ook worden uitgerust met een BME280 voor verdere monitoring van de omgevingsgegevens. Ook kunnen temperatuur, luchtvochtigheid en luchtdruk worden gelogd.

Meer informatie over het Anemosens_MCU-bord vind je in het artikel

• PCB - Bouw Anemosens_MCU PCB

PCB-productie: Hier vindt u alle informatie die u nodig heeft om de printplaten te vervaardigen:

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

Een eenvoudige manier om een goed overzicht te krijgen van welke componenten waar op de printplaat zijn geplaatst, wordt weergegeven in de volgende paragraaf. Dankzij het werk van OpenScope-project je kunt heel handige HTML-bestanden genereren waarin je direct kunt zien welke componenten waar op de print moeten worden geïnstalleerd.

U kunt het overzicht voor de Anemosens-sensorprintplaat hier bekijken: Anemosens_MCU-printplaat

U kunt het huidige bestand ook vinden in de GIT-repository onder de volgende link:

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

(Houd er rekening mee dat u het HTML-bestand moet downloaden om het te kunnen bekijken. Dit is niet rechtstreeks vanuit de GIT-repository mogelijk.)

De Anemosens_MCU-firmware

Een eerste versie van een Arduino-compatibele software voor het evalueren van de sensorgegevens vindt u onder de volgende link.

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

Deze software is op maat gemaakt voor gebruik met de Anemosens_MCU-hardware. Op deze manier kunnen de gegevens worden gemeten, verwerkt en opgeslagen. Ze worden (indien gewenst) ook beschikbaar gesteld via de seriële interface (via USB), via de Modbus-interface, via WiFi of via Bluetooth.

De firmware is compatibel met de Arduino IDE en kan worden overgedragen naar de microcontroller die ermee wordt gebruikt.

Tips voor het programmeren van een microcontroller met de Arduino IDE vind je in het artikel

• ArduinoIDE - Tips en trucs

Veel plezier met het project

Ik hoop dat alles werkte zoals beschreven. Zo niet, of als je vragen of suggesties hebt, laat het me weten in de commentaren. Ik zal dit dan zo nodig aan het artikel toevoegen.
Ideeën voor nieuwe projecten zijn altijd welkom. 🙂

PS Veel van deze projecten - vooral de hardwareprojecten - kosten veel tijd en geld. Natuurlijk doe ik dit omdat ik het leuk vind, maar als je het cool vindt dat ik de informatie met je deel, dan zou ik blij zijn met een kleine donatie aan het koffiefonds. 🙂