Messtechnikprojekt für Prüfstand/Windenergieanlage

[Totte]

Hallo Siegfried,

sieht so aus, als hättest Du Dir den Eltako WS-20000082 zugelegt?
Den verwende ich auch, habe damals Eltako angeschrieben, da auch keinerlei Doku dabei war.
Die haben mir dann zwei "Datenblätter" zugesendet:

WS_Datenblatt.pdf

(206.17 KiB) 787-mal heruntergeladen

WS_Datenblatt2.pdf

(524.58 KiB) 755-mal heruntergeladen

Die Innenbeschaltung könntest Du einfach mal überprüfen: 220kOhm Innenwiderstand, im Impulsfall 330Ohm.
Und zwei Impulse pro Umdrehung müsstest Du messen können.

Beste Grüße
Totte

[Köpke]

Moin Totte,

na, das sieht doch richtig klasse aus. Vielleicht schaffe ich das jetzt noch mit Hilfe der Dokumente die Messung zu starten bevor es wieder auf Reisen geht...

Vielen Dank und
windige Grüße

Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,

nach einem Monat „Pause“ hier im Forum wieder mal ein Bericht aus der Werkstatt:

Nachdem ich den Windsensor von Eltako und die Datenblätter dazu von Totte (vielen Dank dafür) bekommen habe, war klar wie der Sensor angeschlossen wird. Ich habe eine erste Messreihe aufgenommen, indem ich den Sensor dicht neben meiner Wetterstation montiert habe.

Da der Sensor einen Reedkontakt besitzt, der zweimal pro Umdrehung geschlossen und geöffnet wird, habe ich dieses Signal an einen Interrupteingang meinen Raspberry Pi angeschlossen, die Impulse pro festgelegten Zeitraum gezählt und in eine Geschwindigkeit umgerechnet. Nach jedem Impuls warte ich eine definierte Zeit (Bouncetime) in Millisekunden, um das Prellen zu ignorieren. Reedkontakte prellen deutlich weniger als andere Kontakte und liegen so bei einigen Millisekunden.

Trotzdem war das Ergebnis ernüchternd! Egal ob ich auf die steigende oder fallende Flanke triggere, und unabhängig davon welche Bouncetime ich einstelle, das Ergebnis ist einer Punktwolke ähnlicher als einer Geraden.

Kalibrierung_Eltako.jpg (50.13 KiB) 20645-mal betrachtet

Bild oben: Nach rechts aufgetragen sind die gemessenen und sortierten Windgeschwindigkeiten meiner Wetterstation, Nach oben die Werte des Eltako. Wenn beide exakt gleiche Werte messen, ergibt sich eine Gerade durch den Nullpunkt und mit einer Steigung von 45°. Mein Ergebnis sieht etwas anders aus! Egal welche Windgeschwindigkeit meine Wetterstation gemessen hat - Eltako zeigt fast immer die gleichen Werte um die 4 m/s - total unrealistisch, die auch noch breit streuen. R² ist bei 0,38. Also nur 38% der Messwerte entsprechen dem Modell "Geradengleichung".

Damit es weiter geht habe ich mir dann von Lambrecht meteo den dynamischen Sensor „1457 S2“ liefern lassen. Darin werkelt ein kleiner Generator, der eine der Windgeschwindigkeit proportionale Spannung liefert.
Messbereich 0...35 m/s entsprechen umgerechnet 0..2 Volt. Den Sensor habe ich an meinen 12-Bit-AD-Wandler angeschlossen. Den Messbereich +/-2,048V ausgewählt und fertig. Dazu ein kleines Testprogramm geschrieben – technisch funktioniert das alles sehr gut. Also auch diesen Sensor wieder in Nähe meiner Wetterstation montiert und nun warte ich seit gestern auf Wind....

Kalibrierung1457.jpg (109.55 KiB) 20645-mal betrachtet

Bild oben: Der untere Windgeschwindigkeitssensor mit dem schwarzen Schalenstern ist der Lambrechtsensor 1457. Darüber der kombinierte Geschwindigkeits- und -richtungssensor meiner Wetterstation.

[Köpke]

Hallo Leute,

seit meinem letzten Posting gab es nicht allzuviel Wind. Trotzdem hat meinTestprogramm zusammen mit dem Lambrechtsensor erste, vielversprechende Ergebnisse geliefert. Ich habe wieder die Daten meiner Wetterstation und die des Sensors in einer Korrelation dagestellt.

Ausw2.png (21.21 KiB) 20608-mal betrachtet

Bild oben: Im Ggensatz zu dem Eltakosensor beginnt die Gerade im Nullpunkt des Diagramms. Die Messwerte liegen nahe einer Gerade. Das Bestimmheitsmaß R² liegt jetzt bei 0,811 – rund 81% der Messwerte sind also mit der angegebenen Geichung beschreibbar.

Was jedoch auffällt ist der sehr flache Anstieg der Gerade. Die Steigung beträgt ledigich ein Fünftel der erwarteten Steigung. Also habe ich mir in einem zweiten Diagramm mal den zeitlichen Verlauf beider Meswertreiehen angesehen.

Ausw1.png (11.79 KiB) 20608-mal betrachtet

Bild oben: Die roten Balken geben die Windgeschwindigkeit, gemessen von meiner Wetterstation, und die Blauen die Messwerte meines neuen Sensors wieder. Auch hier haben die blauen Balken lediglich ein Fünftel der Länge der roten Balken – allerdings folgen sie im grundsätzlichen Verlauf dem der Roten.

Bemerkenswert ist, das der Verlauf der blauen Balken deutlich „harmonischer“, also ohne Ausreisser nach oben verläuft. Was passiert da? Der Sensor liefert eine der Windgeschwindigkeit proportionale Gleichspannung zwischen 0 Volt und 2 Vot für den Bereich 0 m/s und 35 m/s. Der AD-Wandler ist auf einen Spannungsbereich +/- 2,048 Volt eingestellt und erzeugt 12-Bit-Zahl entsprechend der gemessenen Spannung. Diese Spannung habe ich mir mit einem (weiteren) kleinen Testprogramm nzeugen lassen und mit der Anzeige eines am Sensor „hängenden“ Multimeters verglichen.

Ausw3.jpg (174.98 KiB) 20608-mal betrachtet

Bild oben: Temporärer Prüfstand auf dem Dachboden des Schuppens, direkt unter meinen Messmast.

Folgenden Effekt konnte ich beobachten: Sehr kleine Spannungen bis ca. 160 mV werden ohne weitere Verzögerung von meinem Programm angezeigt – sie folgen schnell den Messwerten auf dem Multimeter. Größere Spannungen werden nur zeitverzögert erkannt und angezeigt. Und das auch nur wenn die größere Spannung ausreichend lange vorhanden ist. Damit läßt sich der „harmonische“ Verlauf der Messkurve gut erklären. Nur: Wo kommt diese Verzögerung her? Solange das nicht geklärt ist, geht es mal wieder nicht weiter...

Ihr habt nicht zufällig eine Idee

Windige Grüße
Siegfried

[Ekofun]

Hallo Köpke,

Schöne Dinge machen Sie ,leider für meine Elektronikkenntnise unverstäendlich.
Habe aber eine Frage über diese Sensor der ein Generator ist.

Beim Geni steigt Spanung linear mit den Drehzahl.Wenn ich ein Geni baue dann teste ihn mit verschiedenen Drehzahlen,und beim jedem Drehzahl habe auch eine bestimmte Frequenz und Spanung.Spane ist zum Beispiel 0 bis 10 V . 10 V hat er z.B. bei 30 m/s Wind.Dann neme eine einstellbare Antrieb und gebe Drehzahle dem Geni aber so das Verteilung ist um 0,5 V.Spanung soll AC sein,kein Gleichrichter.
Wenn Spanne größer ist denke ist auch Wert genauer.

Dann Habe ein digitale V-Meter und beginne eichen.Habe dann eine Skala:

0---0,5---1---1,5---2---2,5-.........und so weiter bis 10 V.Denke Ddamit ist Geni geeicht,Jede Messwert hat eine bestimmte Drehzahl der nur beim entsprechenden Wind kommen kann.Drehzahl vom Windrad kann man ausrechnen,ist kein Problem.

Ist so was nicht Möglich,wäre einfach und man hat nicht Kopfschmerzen über Elektronik.

Grüße

Ekofun

[Köpke]

Moin ekofun,

den Spannungsbereich von 2 Volt auf z. B. 10 Volt zu erhöhen ist sicher eine gute Idee. In Abhängigkeit vom verwendeten Messgerät wird dann auch die Auflösung und/oder Genauigkeit größer. Ich habe mich für den verständlicheren und (kopf-)schmerzenderen Weg entschieden, weil ich zugleich mit der Windgeschwindigkeit auch die Drehzahl des Savonius-Rotors, Spannungen und Ströme messen möchte. Das muss natürlich automatisiert sein. Außerdem sollen die Daten in einer kleinen Datenbank gespeichert werden. Deswegen der Aufwand mit der Elektronik. Mein Analog-Digitalwandler (ADS1015) kann max. 5 Volt, alles darüber quittiert er mit "Rauchzeichen"!

Aber:

Ich werde deine Idee trotzdem umsetzen, und mir eine kleine Anzeige mit einer Skala wie du sie beschrieben hast, bauen. Denn die funktioniert immer und Fehler sind leicht erkennbar. Das ist eine gute Kontrolle für das ordnungsgemäße Funktionieren der Elektronik - so ähnlich wie auf dem dritten Bild in meinem letzten Posting. Das blaue Multimeter zeigt die Spannung des Windsensors an, also0..2 Volt. Wenn ich die mit 17,5 multipliziere, dann erhalte ich die Windgeschwindigkeit in m/s. Der Faktor 17,5 ergibt sich aus dem Datenblatt des Sensors.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Moin Leute,

jetzt ist die Kalibrierung des Sensors abgeschlossen - endlich. Die letzte Messreihe die ihr in meinem Posting vom 29.Juli seht, steckte ein Kommunikationsfehler: Immer wieder kam es zu einer Art Stau auf dem Datenbus meines Controllers. dadurch wurden reale Änderungen in der gemessenen Windgeschwindigkeit nicht an mein Programm weitergegeben. Die Folge war der auffällig "harmonische" Verlauf der Messwerte.
Das habe ich per Programmänderung gelöst. Mit der Verwendung anderer Programmmodule zur Abfrage des Sensors taucht dieses Problem nicht mehr auf.

Die nächste Verbesserung war die Ausdehnung des Messzeitraumes auf fünf Tage, und die sekundengenaue Erfassug der Messwerte. Fünf Tage mal 24 Stunde mal 60 Minuten mal 60 Sekunden = 432000 Messwerte! Diese habe ich dann (per Software) zu Datenpakten von jeweils einer viertel Stunde zusammengefasst (blaue Punkte im Diagramm), also 900 Messwerte je viertel Stunde - und daraus den Mittelwert gebildet. Diese Mittelwerte sollten möglichst genau zu denen der Wetterstation passen - dann ergibt sich eine Gerade durch den Nullpunkt im Diagramm mit einer Steigung von m=1, bzw. 45°, ähnlich wie die rote Linie im Diagramm. Sie hat die Funktion f(x) = 0,99x + 0,18. Die Linie hat also eine etwas kleinere Steigung (m=0,99) und läuft nicht durch den Nullpunkt, sondern knapp darüber (=0,18)

Wie bekomme ich nun die blauen Originalmesswerte auf die rote Linie?
Mit der Funktion f(rt) = ... im Diagramm. Diese Potenzialfunktion resultiert aus den Originalmesswerten, bei denen ich in Abständen von 0,5 m/s den Ausgleichfaktor interpoliert habe.

Am Ende komme ich auf eine Übereinstimmung meiner Messwerte mit der gewünschten Geradengleichung von 85,8% (R²=0,858) - nicht so dolle aber zumindest besser als das Ergebnis im Juli.

Kalibrierung_final.png (75.85 KiB) 20467-mal betrachtet

Es spielen einfach zu viele Fehler in die Rechnung rein:
- Ich messe alle Sekunde, meine Wetterstation nur einige Male pro viertel Stunde
- Die wirkliche Geschwindigkeits-Spannungskurve des Sensors ist nicht bekannt (ich vermute eine Nichtlinearität aufgrund meiner Messwerte)
- ...

Auf jeden Fall habe ich jetzt ein Windgeschwindigkeitssensor, der zu 85,8 Prozent so mißt wie meine Wetterstation. Und auf deren Werte habe ich bisher alle Berechnungen bezogen. Also kann ich jetzt endlich meine Felderprobung vorbereiten:

- Drehzahlmessung funktioniert (Reedkontakt)
- Windmessung funktioniert
- Strom-, Spannung funktioniert

Was noch fehlt ist so was wie: Stromversorgung in freier Wildbahn. Ich will ja nicht extra einen Notstromgenerator in die Botanik schleppen...

Windige Grüße
Siegfried

[Bernd]

Hallo Siegfried, was ich beim Kalibrieren als relativ genau empfinde ist die Fahrt mit einem Auto und den Sensor an einer Stange oberhalb des Autos messen lassen.

So eine Messfahrt muss in zwei Richtungen bei (nach Möglichkeit) absoluter Windstille erfolgen.
Die Geschwindigkeit des Autos ist dabei gleich der Windgeschwindigkeit.
Mit einer GPS Messung, z.B. durch ein Navi, erhält man relativ gut die genaue Fahrzeuggeschwindigkeit.
Durch den Messpunkt in vielleicht 1,5 oder 2m Höhe über dem Auto (oder noch mehr) werden Fahzeugeinflüsse sehr stark minimiert und bedinden sich dort meiner Einschätzung
nach vermutlich ausserhalb der Wahrnehmbarkeitsgrenze, zumindest dann wenn das Fahrzeug ein normales Auto und keine Schrankwand ist.
Da sich die Drehzahl des Sensors proportional zur Windgeschwindigkeit verhält kann man die Messung auch bei nur einer einzelnen bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit durchführen.

Die so ermittelten Daten erachte ich als ziemlich genau.
Sicher genauer als die meisten einfachen Wetterstationen wenn nicht sogar besser als teure Varianten.
Natürlich kann man so auch die Anzeige seiner bisherigen Messeinrichtung kontrollieren.


Grüße

Bernd

[Köpke]

Hallo Bernd,

ja da stimme ich dir vollkomen zu. Die üblichen Wettermessstationen - auch meine ELV WS2500 - sind richtige "Schätzometer". Jeder Meteorologe würde mich wegen meiner Messergebnisse bemitleiden, die Methodik jedoch akzeptieren. Der Sensor von Lambrecht ist genauer, allerdings ist die Angabe des Fehlers nicht eindeutig. Im Internet findet sich in der Produktbeschreibung die Angabe: "Genauigkeit +/- 2% FS". FS steht vermutlich für Full Scale und kann ein Hinweis auf den Messbereichsendwert sein. also: +/- 2% vom Meßbereichsendwert 35m/s.
Im mitgeschickten Datenblatt steht: "Fehlergrenzen: +/- 2% vom Messwert". Das ist natürlich ganz was anderes als die erste Definition. Im ersten Fall (FS) wären das, unabhängig vom Messwert immer +/- 0,7 m/s. Die Fehlergrenzen sind also immer gleich weit weg vom Messwert. Im zweiten Fall entfernen sich die Fehlergrenzen immer weiter vom Messwert und wir messen umso ungenauer je größer der Messwert.

Bei der Wetterstation ist es ähnlich. Zunächst findet man als Fehlerangabe zwei Werte, nämlich 2% und 3%. Ob diese auf den Endwert oder den Messwert bezogen sind ist unklar.

Deine Idee einer Meßfahrt mit dem PkW hat mich daran erinnert, das ich mir vor einigen Jahren mal ein Staurohr-Anemometer von Voltcraft gekauft habe, das VPT-100. Und tatsächlich - ich habs gefunden. Und die Genauigkeit ist angegeben mit 0,25% bei 10m/s. Jetzt nur noch beide Sensoren auf das Autodach und aus der Messfahrt wird eine Kalibrierfahrt! Das muss ich mir tatsächlich mal überlegen.

Windige Grüße
Siegfried

[Bernd]

Da bin ich auch drauf gespannt, auch inwieweit dein Staurohr dann Werte liefert die mit dem Tacho überein stimmen.
Wenn sich da die Ergebnisse in etwa treffen hast du ein prima genaues "Kalibriereisen" für deinen neuen Sensor.


Grüße

Bernd