Elektor

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Schalen in Form halbierter Tischten-
nisbälle angebracht sind. Wenn der
Wind das Schalenkreuz in Bewegung
bringt, ist die Drehgeschwindigkeit der
Achse ein direktes Maß für die Wind-
stärke.
Um die Drehbewegung der Achse
berührungslos in ein geeignetes Zähl-
signal umzusetzen, stehen ebenfalls
wieder mehrere Wege offen. Man kann
beispielsweise eine mit hellen und
dunklen Zonen versehene Scheibe an
der Achse befestigen und das wech-
selnde Hell/Dunkel-Muster mit einer
Reflex-Lichtschranke erfassen. Oder
man montiert einen kleinen Magneten
an der Achse und erfaßt in eine Auf-
nehmerspule oder einen Reedkontakt
induzierte Impulse, wie man es bei-
spielsweise von einem Fahrrad-
Geschwindigkeitscomputer her kennt.
Das beste Meßergebnis liefert aber
zweifelsohne eine Konstruktion mit
einem sich drehenden Magneten
und einem Hall-Sensor als Aufneh-
merelement. Das beste ist aber
gerade gut genug für das hier vorge-
stellte Projekt ...

F

R E Q U E N Z M E T E R

Die Blockschaltung in Bild 1 zeigt, wie
das Anemometer aufgebaut und wie
einfach der elektronische Teil konstru-
iert ist. Im Prinzip handelt es sich um
nicht mehr als um ein einfaches Fre-
quenzmeter. Die durch den sich dre-
henden Magneten im Hall-Sensor ver-
ursachten Impulse werden innerhalb
einer bestimmte Meßzeit, die ein Oszil-
lator vorgibt, gezählt, von Impulse/Zeit-
fenster in Meter/Sekunde dekodiert
und das Ergebnis in einem LED-Dis-
play dargestellt.
Wer nun vermutet, daß die praktische
Schaltung doch etwas komplizierter
aussieht als das Blockschaltbild, der
sieht sich durch die Schaltung in Bild 2
eines besseren belehrt. Ein Zähler-IC
MC14553 (IC2) stellt das Herz des Fre-
quenzzählers dar. Die Impulse des
Hallsensors werden an K1 angebote-
nen und erreichen den Takteingang
des Zählers über einen Schmitt-Trigger
(IC1a). Der MC14553B besteht aus drei
BCD-Zählern, die auf negative Flanken
triggern und synchron kaskadiert sind.
Ein Vierfach-Latch am Ausgang eines

Zugegeben, ein Wind-

geschwindigkeits-

Meßgerät gehört nicht

unbedingt zur Stan-

dard-Ausstattung

eines Elektronik-

Labors. Wer sich

jedoch außer für Elek-

tronik auch für

Meteorologie interes-

siert, der findet in die-

sem Projekt eine

seriöse Alternative zu

einem bestimmt nicht

billigen Fertiggerät.

22

Entwurf von R. Veltkamp

Anemometer

Digitales

Windgeschwindigkeitsmeßgerät

Wenn man ein Meßgerät nicht täglich,
sondern nur sporadisch gebraucht, ist
die Rentabilität natürlich ein entschei-
dender Gesichtspunkt beim Kauf.
Solange man sich nicht als Fulltime-
Meteorologe betrachtet, gilt dies beson-
ders für ein Qualitäts-Windgeschwin-
digkeitsmeßgerät, für das man im
Fachhandel einen erheblichen Betrag
ausgeben muß. Wer bereit und fähig
ist, bei der Konstruktion selbst Hand
anzulegen, kann man eine Menge
Geld sparen, ohne dabei auf Genauig-
keit zu verzichten.

B

L O W I N G I N T H E

W

I N D

Die meisten Anemometer bestehen aus
einem getrennten Sensor- und Anzei-
geteil, wobei man als Sensor die
bekannte “Windmühle” verwendet.
Dieses Schalenkreuzanemometer, so
der Fachausdruck, besteht aus drei
oder vier Speichen, an deren Enden

HAUS & HOF

jeden Zählers speichert das Zählresul-
tat zwischen. Die Information wird
anschließend zu einem BCD-Ausgang-
scode gemultiplext.
Die Latches speichern den Zähler-
inhalt, solange der Latch-Eingang
High ist. Die Informationen in den Lat-
ches werden nach dem Zurücksetzen
der Zähler gelesen, alles unter der
Bedingung, daß der Eingang Latch
Enable (Pin 10) während des gesamten
Reset-Zyklus High bleibt.
Die Meßzeit des Frequenzmeters wird
durch die Zeit zwischen Zurücksetzen
und “Latchen” bestimmt. Diese Zeit

bestimmt der mit IC5 aufgebaute
Oszillator, der über eine Anzahl von
Schmitt-Trigger-Inverter für die not-
wendigen Schaltimpulse an den
Zähler-Eingängen LE und RST sorgt.
Da IC5 außer einem Oszillator auch
noch einen binären 14-bit-Teiler
umfaßt, kann die Oszillatorfrequenz
erheblich höher als die erforderliche
Meßzeit gelegt werden. Diese Maß-
nahme erhöht die Stabilität des Meß-
geräts. An den Aus-
gängen von IC5 befin-
den sich Jumper, mit
denen man eine Meß-

zeit wählt, die um den Faktor 256, 512
oder 1024 niedriger liegt als die Oszil-
latorfrequenz.
Welchen Teilerfaktor und welche Oszil-
latorfrequenz man mit P1 nun endgül-
tig einstellt, hängt von der Konstruk-
tion des Schalenkreuzes ab. Geht man
von einer maximal darstellbaren Wind-
geschwindigkeit von 99,9 m/s und
zwei Impulsen des Hall-Sensors pro
Umdrehung der Achse aus, kommt

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Decoder

980079 - 11

Zähler

Osz.

Hall-Sensor

1

Bild 1. Mit einem einfachen Frequenzmeter werden die
Impulse gezählt, die ein sich drehender Magnet in
einem feststehenden Hall-Sensor erzeugt.

LD1

10

a

9

b

7

c

5

d

4

e

2

f

1

g

8

3

6

CA

CA

dp

HD1105

LD2

10

a

9

b

7

c

5

d

4

e

2

f

1

g

8

3

6

CA

CA

dp

HD11050

LD3

10

a

9

b

7

c

5

d

4

e

2

f

1

g

8

3

6

CA

CA

dp

HD11050

74HCT4543

BCD/7SEG

[ T ]

IC3

9D,1

9D,2

9D,4

9D,8

N10

a10

b10

c10

d10

e10

f10

g10

14

15

13

12

11

10

C9

EN

1

5

4

6

7

9

3

2

R11

100

Ω

R12

100

Ω

R13

100

Ω

R10

100

Ω

R14

100

Ω

R15

100

Ω

R16

100

Ω

C9

1n

R9

330

Ω

T1

BC557

T2

BC557

T3

BC557

R8

22k

R7

22k

R6

22k

CTR14

IC5

4060

CT=0

RCX

10

11

12

15

13

14

11

13

12

CT

CX

RX

!G

1

6

4

5

7

9

3

4

5

6

7

8

9

3

2

+

R4

4k7

R5

1 M

500k

P1

C1

10n

JP2

JP3

JP1

3

4

1

IC1b

13

12

1

IC1f

11

10

1

IC1e

5

6

1

IC1c

9

8

1

IC1d

IC2

4553

RST

DIS

C1B

CLK

C1A

DS1

DS3

DS2

14

13

12

11

10

Q0

Q1

Q2

OF

Q3

LE

15

5

6

7

9

4

3

2

1

1

2

1

IC1a

C3

4n7

R3

4k7

R2

4k7

C2

1n

K1

K2

D1

1N4001

C4

22

µ

63V

C7

10

µ

63V

C5

100n

C6

100n

7805

IC4

R1

10k

IC1

14

7

IC2

16

8

IC3

16

8

IC5

16

8

C10

100n

C11

100n

C8

100n

IC1 = 40106

5V

5V

5V

5V

5V

5V

980079 - 12

2

Bild 2. Die Elektronik bleibt von bescheidenem
Umfang. Zähler-Baustein IC2 stellt das Herz der Schal-
tung dar.

Beim Aufbau des “Stators” mit Achsla-
gerung und Telemetrie geht es ein
wenig komplizierer zu. Um die Achse
horizontal stabil und reibungsarm zu
lagern, werden Radial-Kugellager ein-
gesetzt, die ihrerseits in passenden,
exakt gedrehten Lagerböcken stecken.
Um nun Lagerböcke und auch eine
stabile Halterung des Hall-Sensors zu
ermöglichen, läßt man sich idealer-
weise drei etwa 10 mm dicke Alu-
Scheiben anfertigen, die genau in das
Rohr passen. Zwei dieser Scheiben ver-
sieht man mittig mit 8-mm-Löchern,
über die man die Lagerböcke anbringt.
Das ist nicht ganz einfach und erfor-
dert gerade beim Gewindeschneiden
einige Übung. Zwischen den beiden

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Elektor

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(C) ELEKTOR

980079-1

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

C11

D1

H1

H2

H3

H4

IC1

IC2

IC3

IC4

IC5

JP1

JP2

JP3

K1

LD1

LD2

LD3

P1

R1

R2

R3

R4

R5

R6
R7

R8

R9

R10

R11

R12

R13

R14

R15

R16

T1

T2

T3

0

+

980079-1

(C) ELEKTOR

980079-1

3

Bild 3. Verglichen mit der mechanischen Konstruktion
ist die Bestückung der Platine ein Kinderspiel.

Stückliste

Widerstände:
R1 = 10 k
R2...R4 = 4k7
R5 = 1 M
R6...R8 = 22 k
R9 = 330

Ω

R10...R16 = 100

Ω

P1 = Trimmpoti 500 k

Kondensatoren:
C1 = 10 n keramisch
C2,C9 = 1 n, RM5
C3 = 4n7, RM5
C4 = 22

µ/40 V stehend

C5,C6,C8,C10,C11 = 100 n kera-

misch

C7 = 10

µ/63 V stehend

Halbleiter:
D1 = 1N4001
T1...T3 = BC557B
IC1 = 40106
IC2 = 4553
IC3 = 74HCT4543
IC4 = 7805
IC5 = 4060

Außerdem:
Hall-Sensor: OHN3040U (TRW,

erhältlich bei Farnell), alternativ Sie-
mens TLE44905L (Conrad 147508-
66)

LD1...LD3 = HD11050, Klassifikation

>L)

JP1...JP3 = 2polige Pfostenverbinder

mit Jumper

K1 = 3poliger Pfostenverbinder
K2 = 3polige Platinenan-

schlußklemme

Steckernetzteil >8 V/300 mA

Mechanik:
(in Klammern Conrad-Bestellnum-

mern)

2 Kugellager 4/13 mm (21 44 34-66)
2 passende Lagerböcke (2160003-

66)

Stellringe für 4-mm-Achse (á 10:

225410-66

1 Messingachse 4 mm (297348-66)
2 Ringmagnete

∅15 mm ⋅ 7 mm

(237035-66)

1 Kleinmagnet (503665-66)

oder Komplettmodul 108685-66

man auf eine Basisfrequenz von 82,6
Hz und einenTeilerfaktor von 512 (JP3
geschlossen).
In einigen Fällen kann es notwendig
sein, die Oszillatordimensionierung
den Bedürfnissen anzupassen. Die not-
wendige Berechnungsformel lautet:
F = 1/2,3 ⋅ (R4+P1) ⋅ C1
wobei lediglich der Wert von R5 nach
Herstellerangaben um den Faktor 2...10
höher sein sollte als der von P1+R4 – die
Dimensionierung ist also nicht kritisch.
Damit scheint die Schaltung ausrei-
chend ausführlich behandelt. Bleibt
noch anzumerken, daß IC3 die
BCD/Siebensegment-Umsetzung vor-
nimmt, während die LED-Displays
LD1...LD3 die Anzeige übernehmen.
R10...R16 verhindern, daß der Display-
strom pro Segment größer wird als die
zulässigen 10 mA. Die Elektronik ist
mit einem 5-V-Festspannungsregler
ausgestattet. Dieser stabilisiert die Aus-
gangsspannung eines beliebigen
Steckernetzteils, solange sie zwischen
8 V und etwa 12 V liegt. D1 macht ein
Verpolen der Spannung unmöglich.

K

O N S T R U K T I V E S

Dank der in Bild 3 dargestellten Plati-
nenlayouts ist der Aufbau der Elektro-
nik ein Kinderspiel. Leider ist die Pla-
tine nicht beim Verlag erhältlich, muß
also in Eigenregie hergestellt werden.
Ist dies jedoch erst einmal passiert,
braucht man lediglich dem
Bestückungsplan zu folgen – schwie-
rige Details kennt die Schaltung nicht,

Probleme sind nicht zu erwarten. Die
im Titelfoto sichtbare Platine stammt
übrigens aus einem ersten Testaufbau
und unterscheidet sich deutlich von
der endgültigen Version in Bild 3.
Nun aber zur Mechanik. Es ist für die
Linearität des Meßgeräts entscheidend,
daß die Achse besonders reibungsarm
gelagert ist und auch sonst wenig Rei-
bungsverluste auftreten. Aus diesem
Grund haben wir eine Konstruktion
gewählt, deren Einzelteile großteils bei
Conrad-Electronic erhältlich sind. In
der Stückliste finden Sie die entspre-
chenden Bestellnummern. Schwieriger
dürfte es sein, das “Gehäuse” für das
Anemometer zu organisieren. Ideal ist
ein 3 mm starkes und 100 mm langes
Kunststoff- oder Plexiglasrohr mit
einem Innendurchmesser von 40 mm,
auf das großzügig (mit etwa 3 mm
Abstand) ein Kunststoff-Flansch bei-
spielsweise aus dem Sanitärbereich
paßt. Die drei oder vier Schalen
schraubt man einfach außen an dem
Flansch fest. Bei dem in Bild 4 darge-
stellten Prototyp konnte so ein effekti-
ver Abstand von 55,5 mm zur Achse
erzielt werden. In den Flansch mon-
tiert man dann mittig (!) eine Buchse
für die 4-mm-Messingachse. Der Pro-
totyp nutzt das Feld zweier kleiner
Ringmagnete, um das Gewicht der
Achse zu kompensieren. Einer der
Magnete wird über die Achse gescho-
ben und auf der Buchse festgeklebt.
Damit ist die Konstruktion des rotie-
renden Teils (fast) abgeschlossen.

Scheiben befestigt man mit Winkeln
ein Lochrasterplatinchen für den Hall-
Sensor, ein dreipoliges Anschlußtermi-
nal und am besten auch eine Kabel-
Zugentlastung. Den zweiten Ringma-
gneten klebt man wie in Bild 4 zu
sehen auf die obere Scheibe, in die
untere gehört noch eine Bohrung,
durch die man später das Kabel führt.
Das Gebilde sollte nun schon ziemlich
stabil sein, so daß man die Achse pro-
beweise durch die Kugellager stecken
und die beste Lage für den kleinen Per-
manentmagneten und den Hall-Sensor
ermitteln und markieren kann. Sollte
sich jetzt herausstellen, daß einer der
ringförmigen Magnete nicht ausreicht,
um das Gewicht der Rotor-Konstruk-
tion zu tragen, lassen sich auch zwei
oder drei Ringmagnete übereinander
stapeln. Man markiert die ideale Posi-
tion der Scheibenkonstruktion im
Rohr, entfernt den Rotor, bringt seitlich
an Rohr und Scheiben Bohrungen für
selbstschneidende Befestigungs-
schrauben an, setzt den Rotor wieder
ein und bringt den kleinen Magneten
in der richtigen Position an der Achse
und den Hall-Sensor samt zweipoli-
gem Kabel mit Abschirmung auf der
Platine an. Ein Stellring am unteren
Ende der Achse verhindert, daß der
Rotor herausrutschen kann.
Nun schiebt man alles in das Rohr,
befestigt die Konstruktion und schießt
sie mit der dritten Aluscheibe ab, die
lediglich mit einem Kabeldurchlaß und
einer seitlichen Befestigungsmöglich-
keit ausgestattet sein muß.
Diese Anleitung beschreibt natürlich
nur eine der möglichen Konstruktio-

nen. Man kann sich natürlich auch
andere Lösungen einfallen lassen, wich-
tig ist aber auf jeden Fall eine reibungs-
arme Lagerung der Achse und eine sta-
bile Befestigung von Permanentmagnet
und Hall-Sensor. Wer sich die Selbstbau-
Mechanik nicht zumuten möchte, der
kann auch auf ein Fertigmodul zurück-
greifen, das aber in der Qualität von
einem sorgfältig ausgeführten Selbstbau
übertroffen werden kann.
Bei jedem Anemometer ist die Wahl
der Meßstelle von essentieller Bedeu-
tung. Hohe Bebauung in unmittelbarer
Umgebung führt zu verfälschten
Meßergebnissen. Es ist empfehlens-
wert, den Aufnehmer so hoch wie
möglich an einem stabilen Mast zu

befestigen. Nach gängiger Lehre soll
ein Windgeschwindigkeitsmeter auf
freiem Feld in zehn Meter Höhe pla-
ziert werden.
Der Abgleich des Meßgeräts ist nur mit
einem kalibrierten Referenz-Anemo-
meter möglich. Als Ausgangspunkt
steckt man den mittleren Jumper (JP2)
und probiert an P1, ob man den richti-
gen Wert erreicht. Bei einer größeren
Abweichung wechselt man JP2 mit JP1
oder JP3 (aber immer nur einen Jum-
per stecken!) und gleicht mit P1 erneut
ab. In dem unwahrscheinlichen Fall,
daß in allen drei Positionen keine Kali-
brierung möglich ist, muß man R4
und/oder C1 leicht im Wert ändern.

(980079)rg

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Der Hall-Sensor OHN3040U

Die Funktionsweise eines Hall-Sensors basiert auf dem Hall-Effekt. Dieser von dem ame-
rikanischen Physiker Edwin H. Hall schon 1879 entdeckte Effekt tritt in einem dünnen plat-
tenförmigen Leiter oder Halbleiter auf, durch den ein Strom fließt. Trifft ein magnetisches
Feld senkrecht auf diese Platte, verursacht es eine seitliche Verschiebung der Richtung
des Steuerstroms. Im rechten Winkel zur Hauptstromrichtung entsteht so ein Potentialun-
terschied, der Hall-Spannung genannt wird und der unter anderem abhängig ist von Mate-
rial und Dicke des Leiters, der Größe des Steuerstroms sowie der Stärke des magnetischen
Feldes.
Ein Hall-Element ist hervorragend als kontaktloser Schalter, zur Drehzahlmessung, zur Posi-
tionsbestimmung und für Feldstärke-Meßgeräte geeignet. Da – anders als bei Spulen – die
durch magnetischen Einfluß verursachte Spannung nicht von der Geschwindigkeit abhängt,
mit denen das magnetische Feld seine Stärke ändert, bietet sich ein Hall-Sensor geradezu
an, wenn man sich langsam verändernde oder konstante Feldstärken ermitteln möchte.
Der hier eingesetzte Sensor OHN3040U ist aber mehr als nur ein Sensorelement. Er besteht
aus einem einzigen Siliziumchip, auf dem neben dem eigentlichen Hall-Element ein linea-
rer Verstärker, ein Schmitt-Trigger und eine Bandgap-Spannungsreferenz untergebracht ist.
Der Ausgang ist TTL-kompatibel, der maximale Ausgangsstrom beträgt 25 mA und der
Betriebsspannungsbereich liegt zwischen 4,5 V und 25 V. Die Ausgangsamplitude ist im
Schaltfrequenzbereich von 0...200 kHz konstant.

OHN3040U
OHS3040U

1 2 3

980079 - 14

OUTPUT

GROUND

REG.

CC

1

3

2

V

55,5

Magnet

Magnet

Hall-Sensor

Lochrasterplatine

4-mm-Achse

Kugellager

Stellring

980079 - 13

47

4

Bild 4. Beim Prototypen läuft die Achse in
Kugellagern, der gesamte Rotor gleitet
auf einem Magnetfeld.