Konventionelle Systeme zur Windgeschwindigkeitsmessung basieren typischerweise auf mechanischen Anemometern oder Ultraschallgeräten. Während Anemometer eine kostengünstige Lösung bieten, sind ihre beweglichen Teile anfällig für Verschleiss, Verschmutzung und Korrosion, was langfristige Drift, unzuverlässigen Betrieb im Aussenbereich und letztlich teure Garantiefälle für Installateure und Kunden zur Folge haben kann. Ultraschalltechnologien bieten zwar höhere mechanische Robustheit, sind jedoch empfindlicher gegenüber Störungen durch Lärm, elektromagnetische Interferenzen oder physische Hindernisse (Eis, Blätter, Spinnweben usw.), die die Ultraschallimpulse stören, unregelmässige Messwerte verursachen und komplexere Signalverarbeitung sowie Energieversorgung erfordern.
Ein differenzdruckbasierter Ansatz, der den Venturi-Effekt nutzt, um den Druckunterschied zwischen zwei Luftspalten mit der Luftgeschwindigkeit in Beziehung zu setzen, stellt eine kosteneffiziente, kompakte und leicht zu realisierende Alternative dar.
Funktionsprinzip basierend auf dem Venturi-Effekt
Wenn Luft durch einen verengten Bereich strömt, erhöht sich ihre Geschwindigkeit und der statische Druck sinkt, wie durch die Prinzipien von Bernoulli und Venturi beschrieben. Der resultierende Druckunterschied, Δp, zwischen dem Staugebiet und dem Engpass (Throat) der Verengung skaliert mit dem Quadrat der Luftgeschwindigkeit gemäß Δp = ½ ρ (v₁² − v₂²), wobei ρ die Luftdichte bezeichnet. Die Messung dieses Differenzdrucks liefert somit eine direkte und physikalisch fundierte Schätzung der Windgeschwindigkeit. Anders als bei traditionellen Strömungskanälen kann die Geometrie in zwei Dimensionen als planare oder scheibenförmige „Venturi“-Struktur umgesetzt werden, was Messungen im Freien ohne geschlossene Kanäle und somit richtungsunabhängige Windgeschwindigkeiten ermöglicht.
Sensortechnologie und Messprinzip
Der Differenzdruck wird von unseren SDP3x- und SDP8xx-Serien erfasst, die auf dem CMOSens™-Thermoflow-Prinzip basieren. Diese Technologie misst sehr kleine Druckunterschiede über thermische Leitfähigkeitseffekte in einem Mikrokanaal und wandelt sie in ein digitales, temperaturkompensiertes Ausgangssignal um. Das Fehlen mechanischer Komponenten gewährleistet Langzeitstabilität, während die hohe thermische Empfindlichkeit kleinste Druckschwankungen detektieren kann, sodass Windgeschwindigkeiten bis zu 0,2 m/s messbar sind. Die digitale Kalibrierung und Nullpunktstabilität der Sensoren erleichtern die Integration und machen eine regelmässige Neukalibrierung überflüssig.
Systemaufbau und mechanische Integration
In einer typischen Konfiguration wird der Sensor an zwei Druckanschlüsse angeschlossen, die über die Venturi-Verengung platziert sind, z. B. zwischen Stau- und Engpassregion. Der gemessene Δp wird kontinuierlich über eine Kalibrierkurve, abgeleitet aus Strömungssimulationen oder Windkanalmessungen, in Windgeschwindigkeitswerte umgerechnet. Die kompakte Geometrie kann aus Kunststoff spritzgegossen werden, was eine einfache mechanische Integration an Gebäudeoberflächen, Sensorknoten oder eingebetteten Umweltsensoren ermöglicht. Aufgrund des geringen Massenstroms durch die Messöffnungen ist das System sehr unempfindlich gegenüber Verschmutzungen; optional können kostengünstige Filterringe zum Schutz vor Staub und Insekten hinzugefügt werden.
Umweltkompensation und Systemleistung
Temperatur- und Umgebungsdruckkompensation können die Genauigkeit unter variierenden Umweltbedingungen weiter verbessern. Der SDP3x-Sensor arbeitet mit minimalem Energieverbrauch und kommuniziert über eine digitale I²C-Schnittstelle, was ihn für energiearme Embedded-Systeme geeignet macht. Dieses Konzept ermöglicht einen kosteneffizienten und mechanisch robusten Windsensor, der stabile und präzise Messungen ohne bewegliche Teile liefert. Durch Kombination mehrerer Differenzdrucksensoren können auch Richtungsanteile des Windes ermittelt werden, wodurch sich die Methode auf zweidimensionale Windvektormessungen erweitern lässt.
Skalierbare Lösung für Anwendungen der nächsten Generation
Dieses differenzdruckbasierte Prinzip, kombiniert mit unserer bewährten CMOSens™-Technologie, bietet somit eine skalierbare und zuverlässige Grundlage für Windgeschwindigkeitsmesslösungen der nächsten Generation in den Bereichen Umweltmonitoring, Smart-Building-Steuerung und industrielle Automatisierung.
