Vinger in de lucht; Sensor zonder bewegende delen registreert wind

Delftse ingenieurs ontwikkelden samen met het bedrijf Mierij Meteo in de Bilt een windsensor die zeer nauwkeurig snelheid en richting van de wind bepaalt.

EEN STUKJE NOSTALGIE op de boot gaat verdwijnen. De traditionele windmeters met de ronddraaiende 'ijscupjes' en het wapperende vaantje hebben een concurrent gekregen: een windmeter zonder bewegende delen. Samen met de TU Delft ontwikkelde het bedrijf Mierij Meteo in de Bilt een windsensor die via een chip zowel windrichting als windsnelheid kan bepalen. Booteigenaren kunnen zich daarmee een hoop ellende besparen, meent R. Schutterop, voorlichter van Mierij Meteo. “De traditionele apparaten lopen nog wel eens vast en zijn daardoor bijna jaarlijks aan vervanging toe. Onze windsensor kent dat probleem niet.”

Het bedrijf heeft de meter in eerste instantie ontwikkeld voor de low cost botenmarkt, voor de amateurs die tijdens het weekend rivieren en meren bezeilen. Schutterop: “Dat is een aardige markt. Er worden jaarlijks zo'n 30.000 windmeters verkocht. Maar er zijn veel meer mogelijkheden voor toepassing. Denk aan meteorologische stations, vliegvelden of havens. Onze windsensor staat inmiddels in de belangstelling van tuinders. Nu bedienen ze de ramen van hun kassen nog via de traditionele windmeters. Als zo'n ding vastloopt, weet de tuinder niet wanneer hij zijn ramen moet sluiten. Dat kan heel wat ruiten kosten als het flink gaat waaien.”

Het hart van de windmeter bestaat uit een chip die is ontwikkeld aan de TU Delft, bij het Delft Institute for Micro-electronics and Submicron Technology (DIMES). “De chip meet de wind op basis van het warme-vinger-principe. Dat werkt hetzelfde als de natte vinger. Als je die in de lucht houdt kun je voelen waar vandaan de wind komt. De ene kant van de vinger koelt sneller af dan de andere”, zegt prof.dr.ir. J.H. Huijsing, werkzaam bij het DIMES.

Bovenop de chip (vier bij vier millimeter groot) is een keramische plaat gemonteerd. Het midden van die plaat wordt verwarmd door vier thermoregulatoren. Ze houden de temperatuur daar continu 16ß8 C boven de omgevingstemperatuur. De wind koelt de plaat af, de chip registreert de afkoeling. Huijsing: “Komt de wind bijvoorbeeld van rechts, dan zal het rechter gedeelte van de plaat afkoelen. De wind waait vervolgens verder naar links en warmt door het contact met het warme centrum enkele tienden van graden op. Het verschil in temperatuur tussen de rechter- en de linkerkant wordt geregistreerd door een thermokoppel. Hoe harder die wind waait, hoe sterker de rechterkant afkoelt, hoe groter het temperatuurverschil tussen beide uiteinden van de plaat.”

Op de chip zitten twee, loodrecht op elkaar staande thermokoppels; de ene registreert de wind in de noord-zuid richting, de andere in de oost-west richting. Een combinatie van beide verraadt waar de wind precies vandaan komt. De chip meet windsnelheden van 0,1 tot 60 m/s, met een maximale onnauwkeurigheid van drie procent.

Om hun chip te kunnen verwerken in commerciële producten, zochten de ingenieurs uit Delft samenwerking met Mierij Meteo. Gesteund door subsidies van de Stichting Technische Wetenschappen en het ministerie van Economische Zaken leverde dat onder andere de windsensor op. Huijsing: “Voor deze toepassing had de chip een behuizing nodig om hem te beschermen tegen regen, opwaaiende rommel en insecten.”

In het eerste ontwerp waren chip en keramische plaat ingeklemd tussen twee platen en omgeven door gaas. Dit bood voldoende bescherming, maar door deze constructie werd de wind niet goed over de chip geleid. “Een vliegtuig-ingenieur heeft toen bedacht dat we het gaas wellicht kunnen vervangen door spijltjes. Die aanpassing bleek de wind goed te conditioneren voor nauwkeurige registratie.”

De ontwerpers moeten bovendien rekening houden met de speciale eisen van de markt. Schutterop: “Zet je de windsensor op een tanker, dan hoef je weinig aan het oorspronkelijke model te veranderen. Maar watersporters hebben specifieke eisen. Ze willen dat zo'n meter bovenop een mast klein is en niet te veel weegt. Als je aan toepassing bij windturbines denkt, moet je weer aan andere eisen voldoen. Dan is een combinatie van nauwkeurigheid en stabiliteit vereist.”

Bij het DIMES probeert men de chip op dit moment verder te optimaliseren. De signalen die van de chip komen, moeten nu nog via een aparte interface worden verwerkt met andere data, zoals de snelheid van de boot. Pas daarna komen de gegevens in de computer terecht. Huijsing: “We proberen de thermokoppels nu anders op de chip aan te brengen zodat er in het midden een vrije ruimte ontstaat. Daar willen we 'smart electronica' gaan aanbrengen die de gegevens verwerken. Je kunt de chip dan direct aansluiten op de computer. Zo'n geïntegreerd systeem is niet alleen praktischer, maar ook een stuk goedkoper.”