Bei uns auf dem Balkon dreht sich ein Windrad. Aus Edelstahl, seit Jahrzehnten.
Voraussetzung
dafür war eine etwas aufwänderige Lagerung des Rads. Die primitive
originale Lagerung mit je einer Lochöse wurde durch je eine Hohlniet
aus Edelstahl ersetzt. Nach vielleicht 20 Jahren machte im Frühherbst
2013 dann der erste Sturm "Christian" klar: Es wird Zeit, die
verschlissene Achse zu erneuern, denn eine Bö riss die eingeklebte
Achse aus dem Haltestab und fegte das Rad über den Balkon.
Die Lagerung wurde erneuert.
Aber die Frage stellte sich: Wieviel Umdrehungen macht ein Windrad überhaupt? Wie schnell dreht es sich? Wie viele Umdrehungen hatte es hinter sich?
Nun ja, die Umdrehungen mussten gemessen werden. Der Ingenieur wurde wach. Wie macht man das? Am besten mit einer Lichtschranke, berührungs- und verlustlos.
Die
Herausforderung: Der Betrieb in Freien. Er stellte sich als Kampf gegen
die "Zehn Feinde des Sozialismus" heraus: Frühling, Sommer, Herbst und
Winter, Sonne, Regen, Schnee und Wind, Tag und Nacht! Es war eine
Abfolge von "geht - geht nicht" Situationen.
Links sieht man verschiedene denkbare Strahlführungen einer Lichtschranke.A ist die einfachste Anordnung: Der rote Strahler strahlt in Richtung des blauen Sensors. Der Nachteil: Obwohl der Strahler mit einer Keulencharakteristik i. d. R. mit einem kleinen Öffnungswinkel strahlt, kommt am Sensor nur ein Bruchteil der abgestrahlten Leistung an. Bei der Paarung IRL81/LPT80A beträgt der wirksame Durchmesser des Strahls nur 1,5 mm. Wächst die Länge der Lichtschranke, d. h. der Abstand zwischen Strahler und Sensor wird größer, dann sinkt die Intensität mit 1/L2, weil wir uns auf einer Kugeloberfläche bewegen.
B soll andeuten, dass man mit einer Linse (oder auch einer noch aufwändigeren Optik) Licht aus einem größeren Abstrahlwinkel einsammeln und auf den Sensor richten könnte. Das würde die Empfindlichkeit im Verhältnis Durchtrittsfläche/Sensorfläche erhöhen. Das Aber, und deshalb der Konjunktiv, ist: Wir sehen die Infrarot-Strahlen nicht, und deshalb müsste die Linsenfassung mit feinmechanischer Präzision hergestellt und wie ein Kameraobjektiv verschiebbar sein. Eine Dejustierung hatte einen stark negativen Effekt, die Abbildung liegt dann neben dem Sensor und das Ergebnis wäre weitaus schlechter als ohne Sammeloptik.
C wäre das Umgekehrte: Mit einem großen Winkel die Abstrahlung einfangen und auf den Sensor richten! Geht aber aus optischen Gründen nicht. Denn das ist die Situation eines Projektors: Die Strahlerfläche wird vergrößert in der Sensorebene abgebildet, die Intensität auf der Sensorfläche kann weitaus niedriger sein als ohne Optik.
D wäre dann der Ansatz, einen großen Strahlwinkel in einem Parallelstrahl zu bündeln und diesen am Sensor über eine Linse zu sammeln. Bin ich schon bei B oben skeptisch gewesen, ob man das als Bastler überhaupt hinbekommen kann, so gilt das für D noch viel mehr, weil nun zwei optische Justagen anfallen.
Also bleibt, ohne eine richtige Werkstatt im Hintergrund, nur die Variante A übrig.
Die Variante A kann bei Bedarf auch mit Umlenkspiegeln oder (Rückstrahler-) Prismen auch zu einer Reflexionslichtschranke erweitert werden, bei der Strahler und Sensor dann nebeneinaber angeordnet werden können. Dieses war für mich aber nicht interessant.
Der erste Test, wie sich Fototransistoren im Licht verhalten, war mit einem Vielfachmessgerät diverse Fototransistoren im Sonnenlicht zu prüfen. Das Ergebnis war ernüchternd: Alle werden von der Sonne total durchgesteuert, auch wenn man diese nur seitwärts in die Sonne hält. Der Sensor muss also ins Dunkle, Sonnenlicht muss draußen vor bleiben! Und der Sensor darf nur den Strahler "sehen".
Wie wäre es mit einem Kästchen als Gehäuse und einem Röhrchen zum Einschränken des "Blicks" auf den Strahler? Der Ansatz ist falsch, denn im Röhrchen gibt es erhebliche Reflexionen des Streulichts, es ist fast wirkungslos. Wer's nicht glaubt, blicke mal durch den Wickeldorn einer Rolle Küchenkrepp mit seitlicher Sonneneinstrahlung.
Besser
ist es, den Sensor mit einer oder mehreren (zwei sollten reichen)
vorgeschalteten Kammern, in denen sich das Streulicht "totlaufen" kann,
zu versehen. Das ist in etwa die Situation, als ob (in einem Schloss)
mehrere fluchtende Zimmer mit fluchtenden Schlüssellöchern in den
Durchgangstüren vorhanden sind, und man schaut im letzten Raum durch
das Schlüsselloch und durch das nächste und so fort. Diese fluchtenden Kammern stellt das nebenstehende Kästchen aus totschwarzem, dicken Zeichenkarton bereit. Wie man sieht, ist der LPT80A von hinten völlig eingekapselt, während vorne durch ein 2 mm Loch die Linse herausschaut. Davor liegen zwei Kammern mit einer Länge von ca. 10 mm und einem Loch von 2,5 mm Durchmesser. Hier mit einer Lochzange gestanzt. Hat man keine, dann kann man mit der Spitze eines Japan-Messers auch zwei quadratische Löcher mit einer Kantenlänge von 2 mm schneiden. Das Ganze wird dann zugeklebt und unten auch noch mit einem Streifen abgedeckt, in dem zwei kleine Löcher für die Lötspieße vorhanden sind.
Die Wirkung war verblüffend! In dem in die Sonnne gehaltenen Kästchen
blieb der LPT80A voll gesperrt und nur wenn man die Öffnung direkt auf die
Sonne richtete, zeigte das Meßgerät Durchgang an. Der Öffnungswinkel
war sehr klein, die Richtwirkung beeindruckend. (Was mich verwirrte war
aber ein "Wackelkontakt" der Anordnung, der Durchgang meldete, wo
eigentlich keiner sein sollte. Es stellte sich dann heraus, dass der
wirkich rabenschwarze Karton elektrisch gut leitfähig war und die
Lötspieße kurzschloss. Etwas Isolierschlauch beseitigte dieses
Verwirrspiel).Links nochmal ein kleine Prinzipskizze der Kammer: Je größer das Maß "d" ist und mit steigender Kammerzahl steigt die Richtwirkung. Die Abdeckung des LPT80 von beiden Seiten ist erforderlich.
Mit
diesem Kästchen entstand der Prototyp 01 der Lichtschranke. Links der
Sensor im schwarzen Gehäuse und rechts sieht man den rosa IRL81A noch in
einer Verstelleinrichtung, die sich aber als ungeeignet erwies. Träger
der Anordnung ist ein schmaler Streifen Lochrasterplatine.Dieser Prototyp ließ zwar erkennen, dass das Prinzip funktioniert, die Konstruktion aber ein Irrweg war: Die Gabelweite war mit 60 mm viel zu gering (Messen müsste man können!) und auch die Höhe war nicht ausreichend: Nur die Flügelspitzen konnten benutzt werden. Bei 3.000 U/min ist die Unterbrechungszeit im Bereich vom Mikrosekunden und das war für den mit einem hohen Arbeitswiderstand arbeitetenden LPT80A zu schnell. Das Signal war für einfache Auswertung zu gering.
Es musste ein richtiger Rahmen als Träger für die Lichtschranke her.
Hier
ein nicht unwichtiges Detail beim Bau des Rahmens aus einem
quadratischen U-Profil 10 mm: Die 2 mm Stange ist die "optische Achse "
der Lichtschranke. Dieses Stängelchen wurde benutzt, um ein kleines
Plättchen zu Aufkleben der IRED oben zu zentrieren und plan
auszurichten. Ebenso wurden unten, durch den Schraubstock noch
verdeckt, die nun aus dünnem Blech ausgeführten Kammerwände mit ihren
Löchern so zu zentrieren, dass der Infrarotstrahl ohne Hindernisse auf
den Fototransistor treffen kann.Die Kammern wurden mit mattschwarzem Acryllack (aus dem Künstlerbedarf) geschwärzt. Man kann aber auch schwarze PLAKA-Farbe (oder etwas Äquivalentes) nehmen. Ein nun seit über einem Jahr laufender Bewitterungstest auf dem Balkon zeigt keine Unterschiede zwischen dem Lack und der PLAKA-Farbe für zwei auf ein Blechstück gemalte Tupfer.
Hier
ist der Prototyp 02 zu sehen. Rechts ist der IRL81A als Strahler, mit
einem Plättchen von 15 mm Durchmesser umgeben. Dieses Plättchen sperrt
den "schielenden Blick" des LPT80A. Das ist unten weiter erläutert.Als Signalleitung wurde ein 4-adriges Telefonkabel mit 3 m Länge benutzt. In der Lichtschranke befindet sich außer den Opto-Halbleitern keine Elektronik. Mir war und ist der Bau temperaturfester Elektronik in einem Berech von -15 °C bis +35 °C zu kitzelig.
Auf der Sensorseite (links) sieht man, schwarz umrahmt, die Eintrittsöffnung für die Kammerflucht, aus zwei Kammern bestehend. Das Kammergehäuse ist aus 2 mm Alublech geklebt. Die Eintrittsöffnung ist mit einem kleinen Stückchen transparentem Klebeband verschlossen und damit gegen Regen gesichert.
Dieser Aufbau erlaubte jetzt, sich um das Verhalten im Wetter und die Auswerteelektronik zu kümmern.
Hmmm: Sonne, Tag, Nacht und Wind sowie Frühling, Sommer und Herbst waren jetzt schon einmal besiegt. Aber der Regen! Schon der erste Tropfen auf der Abdeckung der Sensorkammer setzt die Lichtschranke außer Funktion. Der Tropfen wird nicht vom Winde verweht oder perlt ab! Oder Wasser setzt sich auf der IRED ab.
Eine
Ursache für die Tropfenbildung ist die Oberflächenspannung des Wassers.
Mit Unterlegscheiben und etwas Blech wurde ein Regenschutz gebaut und
vor die Eintrittsöffnung geklebt. Der relativ große Innendurchmesser
der ersten Scheibe sollte verhindern, dass ein Tropfen festgehalten
wird. Auch vor die IRED wurde eine ähnliche Vorrichtung geklebt. 
So sieht jetzt im Detail die Führung der Lichtschranke im Prototyp 02a aus: Rechts in rot-gelb die IRED IRL81A mit dem Regenabweiser und einer Unterlegscheibe davor (Rot). Links von dem Windradflügel der Regenabweiser vor den drei gelb eingezeichneten Streulicht-Dämm-Kammern und dem grün-gelben LPT80A. Die in den Regenabweisern eingeklebten Unterlegscheiden (rot) haben einen Innendurchmesser von über 6 mm. Die Regenabweiser sind unten mit einem weiten Spalt offen, damit ggf. Wasser abfließen kann.
Das hat die Regensicherheit erheblich gesteigert, aber nicht vollständig. Im lauen Winter 2013/2014 konnte allerdings die Schneesicherheit nicht getestet werden: Es hat nicht geschneit.
Eine
Skizze zur Erläuterung der "Schielens": Strahler und Sensor stehen
gegenüber, der blau umrahmte Bereich ist der "Strahl" aus der
abgestrahlten Keule des Strahlers. Der Sensor "sieht" aber mit einer
Kante über die gegenüberliegende Blendenkante einen größeren Bereich.
Das ist mit den grünen Linien gezeigt. Dieser Bereich muss abgeschattet
werden, am einfachsten auf der Sensorseite mit einem schwarzen
Plättchen. Sonst kann von Lichtquellen hinter dem Strahler
unerwünschtes Streulicht auf den Sensor fallen.In meinem Fall war das im Winter die untergehene Sonne, weil die Lichtschranke ziemlich genau nach Südwest ausgerichtet ist.
Die verflixte Oberflächenspannung! Die Scheiben mit einem Innendurchmesser von über 6 mm wurden immer wieder durch Tropfen verstopft. Mit einem Testplättchen aus Verpackungs-Kunststoff, in das Löcher in verschiedensten Geometrien (Kreis, Raute, Rechteck, Diabolo-Projektion (zwei auf der spitzen Seite aufeinander stehende Kegelstümpfe, u.a.m.) eingeschnitten waren wurden in Wasser getaucht und geprüft, ob es Geometrien gibt, in denen der Wasserfilm schneller reißt als in anderen. Wie zu erwarten war: Ein Kreis ist eine sehr stabile Halterung für einen Wassertropfen, selbst in Löchern mit 8 mm Durchmesser hält sich ein Tropfen sehr lange. Ein schmales Rechteck ist für Tropfen schon ungemütlicher: Sie reißen in den Winkeln viel schneller! Genau der gewünschte Effekt.
Was wäre, wenn man in einem schmalen Kanal Blenden einbaute, die einen einfliegenden Wassertropfen, von einem Luftstrom getragen, abbremsten und nach unten ablenkten? Ein 1:1 Modell musste her:
Zu
sehen sind die zwei unter 45° schräg stehenden Regenabweiser-Blenden
mit dem rechteckigen Ausschnitt, vorne etwas größer als im zweiten
Abweiser, und dahinter drei
Streulicht-Fangkammern. Alle Blenden sind offen, keine ist mit einer
Folie verschlossen. Die Drainageöffnungen nehmen im Durchmesser von
vorne nach hinten ab, hier z. B. 6 mm und 4 mm. Die Idee dahinter ist,
den Luftwiderstand im Bereich des Abfangs schnell wachsen zu lassen, um
fliegende Tropfen abzubremsen.Auch dieses Modell ist aus Verpackungs-Kunststoff geschnitten und zusammengeklebt. Es musste mehrere Sommergewitter, festgeklemmt am Balkon, überstehen. Gezeigt ist hier der Zustand nach dem heftigsten Gewitter: in den beiden ersten Kammern rechts steht unten etwas Wasser, der Wind hat es nicht durch die Bohrungen nach unten gedrückt. Links davon ist kein Wasser zu sehen. Sieht gut aus.
Das
ist nun die in Metall umgesetzte bisher letzte Lösung. Links die beiden
schrägstehenden Regenblenden, rechts die beiden Streulichtfallen. Zu
erkennen ist auch der noch nicht festgeklebte LPT80A, der mit
Widerständen auf einer kleine Platine eingelötet ist. Man sieht auch,
bei genauem Hinschauen, die drei im Durchmesser abnehmenden
Drainage-Bohrungen.Nun, was ist wenn es schneit und friert? Dann würde dieser Empfängermodul einfrieren. Dem soll entgegenwirken eine geregelte Heizung. Messstelle ist ein platt-gefeilter KTY 82-210, der oben innen eingeklebt ist. Als Heizungselement dient ein kleiner Leistungstransistor im TO126er Gehäuse (etwa BD135), der mit der Kunststoffseite zur Mutter eingeschraubt ist. Auf der metallenen Seite ist ein U aus 2 mm Alublech aufgelegt, dessen Schenkel den feuchten Bereich umschließen und beheizen. Von dem Transistor ist hier nur Befestigungsschraube zu sehen ist.
Die Innereien des Kanals wurden mit mattschwarzem Acryllack ausgepinselt, und auch die Innenseite des L-föirmigen Deckels wurde damit vor den Verkleben geschwärzt.
Die kleine Platine hat sich so nicht bewährt.
Ein letzter Blick auf das Innenleben vor dem Verschließen: Der verdeckt eingeschraubte Heiztransistor ist an den drei Beinchen zu erkennen. Die Platine wurde gekippt um die Befestigung gleichzeitig als Zugentlastung für die angeschlossenen Kabel verwenden zu können. Weil nun mehr elektronische Komponenten eingebaut waren, musste die Versorgungsspannung über ein zweiadriges Kabel 0,75 mm2 zugeführt werden. Es fließen bei voller Heizleistung ca. 500 mA.
Unter dem Heizbügel ist das Gehäuse offen, der Regen muss abfließen können.
Schließlich wurde das Ganze noch in 5 mm Styropor eingepackt, weil nur 5 W Heizleistung verfügbar sind. Über das Styropor kam ein Gehäuse aus dünnem Alublech.
(Fast) geschafft! Nach einer Nacht mit leichtem Schneefall. Die Heizung reicht aus, das Gehäuse schneefrei zu halten, im Inneren liegen bestimmt Temperaturen über dem Gefrierpunkt vor, evtl. eingedrungener Regen bleibt flüssig, Schnee wird aufgetaut.
Wie man sieht ist das ursprüglich kleine Gehäuse um den Sensor herum sehr viel größer geworden. Um den Luftwiderstand des quaderförmigen Gehäuses zu reduzieren, bekam es einen Schwanz aus Styrodur und auch einen Vorsatz mit abgerundeten Ecken. An dem Schwanz sind sogar die ersten 15 mm an der Seite schneefrei. Die Heizung reicht also bis dorthin.
Die Lichtschranke war noch voll funktionsfähig, bis die Windrichtung von West auf Ost drehte und dann doch eine nasse, große Schneeflocke genau in den Regenabweiser vor den IRED flog und hängen blieb. Ende der Funktionsfähigkeit.
Hier nun die vorläufig letzte Version: Die IRED ist nun von einem Ellipsoiden umgeben, aus dessen unterer Hälfte heraus die IRED strahlt. Die dem Sensor zugewandten Spitzen der Radflügel wurden mit dem matten Lack geschwärzt, weil Reflexionen (der Sonne) den Dunkeldurchgang mit einem kurzen Peak erhellten, was zu unsinnig hohen Drehzahlanzeigen führte.
Diese Anordnung hat die windigen und feuchten ersten Wochen von 2015 klaglos überstanden.
Und das Ergebnis? Allein in diesen zwei Wochen mit relativ konstanten Windstärken von 5 aus Südwest drehte das Rad fast konstant mit 500 U/min. Nimmt man einen Mittelwert von 200 an, dann waren das in einer Woche 240 h = 10080 min * 500 U/min = 2 Mio Umdrehungen!
Nun gibt es aber auch frustierend lange Flautezeiten, u. U. mehrere Wochen, in denen gar keine Bewegung des Rads feststellbar ist. Aber bei Sturm (aus der richtigen Richtung) und Gewittern kann die Drehzahl bis zu 3000 U/min erreichen. Faszinierend, wie das Rad wegen des geringen Trägheitsmoments bei Böen, oder auch in den Wirbeln des Winds durch die Hauskante, in Sekundenbruchteilen von 0 auf 2000 U/min hochschnellt und genauso schnell wieder stoppt. Und was der Windschatten eines Hauses bedeutet. Unser Balkon ist nach Südosten ausgerichtet, bei West- bis Nordwetterlagen liegt er im Windschatten. Dann können sich im Garten die Bäume im tosenden Wind biegen und die Äste zappeln, aber das Rad macht mal eine halbe Umdrehung nach vorne, steht still and dreht dann die halbe Umdrehung wieder zurück. Und zwar langsam!
Ich glaube, man kann von einer mittleren Umdrehungszahl von 20 U/min ausgehen. Das Rad läuft, wie einleitend gesagt, ca. 20 Jahre. Das sind ca. 200 Mio Umdrehungen! Bei einer so einfachen Gleiltlagerung, die im Abstand von einigen Wochen mit einem Tropfen Molybdänfett geschmiert wird. Sehr Erstaunlich.
Details zur undramatischen Auswerteelektronik folgen.
Leider hat sich bei einem weiteren Tag mit Südwest-Wetterlage und Schneefall gezeigt, das sich eine erkleckliche Schneemenge auf der Eintrtrittsfläche festsetzen kann und den Strahl blockiert. Ein weiterer Ausbau wird folgen.
