Je leest:

Droge vinger inspireert geavanceerde windmeter

Droge vinger inspireert geavanceerde windmeter

Auteur: | 15 januari 2006

In de werkkamer van dr. Kofi Makinwa, hoog in het elektronicagebouw aan de TU Delft, hangt een heliumgevulde zeppelin van een meter lang, voor gebruik tijdens kennismakingsdagen voor scholieren. “Nu zijn we aan het testen hoe lang hij blijft zweven”, zegt de elektronicus, wijzend op de tien paperclips die eronder hangen als ballast. “Om de zoveel tijd moeten we er een afhalen, zodat hij weer verder zweeft.” Eigenlijk steekt

precies hetzelfde principe achter de meetmethode voor een digitale elektronische windmeter zonder bewegende delen, die Makinwa tijdens zijn Delftse promotieonderzoek ontwierp.

“Het is gelukt, zoals je ziet”, zegt de onderzoeker, terwijl hij een zwart plastic doosje ter grootte van een autosnoeptrommeltje erbij pakt. Aan de zijkanten zitten kleine tralies, waar de wind vrij doorheen kan waaien, en op de bodem zijn vier verwarmingselementen te vinden. In bedrijf worden die continu gestookt, en door de wind weer afgekoeld.

Droge-vingerwerk

“We gebruiken hier het droge-vingerprincipe”, grapt Makinwa. Als de wind uit het noorden komt, zal het noordelijke element afkoelen, maar tegelijkertijd zal de luchtstroom wat opwarmen. Daardoor koelt het zuidelijke element al ietsje minder af. Uit dat verschil in afkoeling, gemeten door een batterij thermokoppels, en gecombineerd met eenzelfde effect op de oost-west-as, zijn kracht en richting van de wind op te maken.

“Met dit principe heeft mijn voorganger al een windmeter gemaakt”, vertelt Makinwa. Het Biltse bedrijf Mierij Meteo verkoopt deze slijtvrije windmeter, bijvoorbeeld aan jachteigenaren die niet op een cent kijken. “Men had de elektronica alleen wat onderschat”, zegt Makinwa. De handvol chips, nodig om de zeer zwakke temperatuursignalen te versterken en in een getal om te zetten, maken een groot deel van de kostprijs van zo’n tweehonderd euro uit. De noodzaak om iedere meter met de hand af te regelen, draagt daar ook aan bij.

“De uitdaging was om de elektronica drastisch te vereenvoudigen en op één chip te zetten”, zegt Makinwa. “Maar simpelweg de hele schakeling op één chip proppen werkt niet.” De voor de temperatuurmetingen noodzakelijke analoog-digitaal-omzetters bijvoorbeeld, die de continu variërende spanning van de thermokoppels omzetten in enen en nullen, kosten veel ruimte.

Het promotieonderzoek van Kofi Makinwa maakte deel uit van het Simon Stevin Meesterschap van prof.dr.ir. J.H. Huijsing. Foto: Ivar Pel

‘Eureka’-moment

“Wanneer was het ook weer?”, peinst Makinwa over zijn ‘Eureka’-moment, “Ik was gewoon hier op mijn kamer aan het werk, aan het brainstormen.” De truc die hem te binnen schoot, was om het temperatuurverschil tussen het noordelijke en zuidelijke verwarmingselement niet te meten, maar terug naar nul te stoken, net zoals het draagvermogen van de zeppelin met paperclips naar nul bijgesteld wordt. “Het is het verschil tussen wegen met een weegschaal of een balans”, verduidelijkt Makinwa, “nul is goed precies te meten, zonder analoog-digitaal-omzetter.” En door bij te houden hoeveel er bijgestookt wordt, is er toch een getal aan de meting te verbinden.

“De tweede truc was om dat laatste te doen met vaste warmtepulsen”, onthult de onderzoeker. Tienduizend keer per seconde besluit de elektronica om al of niet een vast stroompulsje naar het verwarmingselement te sturen.

Het verwarmingselement heeft een ‘thermische traagheid’ – opwarmen en afkoelen duurt even – waardoor de temperatuur rond een gemiddelde blijft zweven. Het aantal warmtepulsen vormt een mooie digitale maat voor hoeveel er bijgestookt is. Dus is ook geen digitaal-naar-analoog-omzetter nodig.

“Eerst denk je: ben ik nou zo slim? Of ben ik gewoon gek?”, herinnert Makinwa zich. Literatuuronderzoek wees uit dat het laatste niet het geval was, en de verandering van meetprincipe leverde een drastische reductie in elektronica op.

Foto: Ivar Pel

Koffiechip

“Dit is alles”, zegt Makinwa, wijzend naar de onderkant van de windmeter. Naast de meetchip zelf is er één kleine microprocessor op een printplaatje. “Geen Pentium, meer iets uit een koffiezetapparaat”, verzekert de elektronicus. Bovendien hoeft het nieuwe ontwerp niet met de hand afgeregeld te worden.

Helaas, zegt de uitvinder, is de chip nog niet op de markt, al zou het hele apparaat vermoedelijk maar enkele tientallen euro’s kosten. “De producent heeft het oude systeem nog volop in productie”, zegt hij, “en maakt geen haast.”

“Begrijpelijk”, vindt Makinwa, al zou de nieuwe prijs wel een nieuwe markt van amateur-meteorologen en minder professionele zeilers openen, en ook zijn er toepassingen op windmolens denkbaar. “Die zijn vaak moeilijk bereikbaar en bovendien trillen ze enorm, wat heel slecht is voor mechanische windmeters.”

Foto: Ivar Pel

Spin-off

Gelukkig is er nog een spin-off: het ontwerp heeft Makinwa op een ander idee gebracht, waar hij nu als Universitair Docent aan de TU Delft verder aan werkt. “Een van de problemen in de elektronica is het maken van betrouwbare tijdreferenties”, zegt hij. Ofwel elektronische klokken die met een heel nauwkeurig bepaalde frequentie tikken. Nu worden daarvoor vooral piëzo-elektrische kristallen gebruikt, die te groot zijn om op een chip te plaatsen. “Ze moeten er altijd naast, en dat kost geld, ruimte en ontwerpmoeilijkheden.”

De precies te bepalen thermische traagheid van een blokje silicium, ofwel de snelheid waarmee het opwarmt en afkoelt, biedt volgens Makinwa de mogelijkheid om ook op een computerchip een elektronische oscillator heel betrouwbaar te ‘stemmen’, zodat er geen kristal meer nodig is. “Een kristal zit in bijna ieder elektronisch apparaat”, schetst Makinwa, “in tegenstelling tot een windsensor is dit dus echt iets waar de industrie op zit te wachten.”

Technologiestichting STW co-financiert excellent technisch-wetenschappelijk onderzoek met perspectief op toepassing. Zij ontvangt haar budget van NWO en het Ministerie van Economische Zaken.

De artikelen in de brochure Technologisch Toptalent 2005 werden geschreven door wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg.

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 januari 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.