8.3.4 Windrichtung

Letztes Update 25.08.2002


8.3.4.1 Übersicht

Windrose

N

Nord

NO

Nordost

NNO

Nordnordost

NNW

Nordnordwest

O

Ost

SO

Südost

ONO

Ostnordost

WNW

Westnordwest

S

Süd

SW

Südwest

OSO

Ostsüdost

SWS

Südwestsüd

W

West

NW

Nordwest

SSO

Südsüdost

SSW

Südsüdwest

Die alte Wondrose (heute nicht mehr gebräuchlich) hatte eine Einteilung von 32 Strichen (gleich 11,25°). Eine genauere Aufteilung war nicht möglich, und auch nicht erforderlich, da man nicht genauer steuern konnte. Daraus leitet sich der Ausspruch "Strich" ab. Es soll z.B. "1 Strich mehr nach Backbord" gesteuert werden oder ein Schiff wird "2 Strich steuerbord voraus" gepeilt.

Ein Beispiel: Eine Fregatte steuert Richtung Nordnordwest (NNW), der Wind kommt aus Ostnordost (ONO) und es soll 2 Strich abfallen. Der neue Kurs beträgt dann Nord-West (NW).

Alte Windrose

N

Nord

O

Ost

S

Süd

W

West

NzN

Nord zu Nord

OzS

Ost zu Süd

SzW

Süd zu West

WzN

West zu Nord

NNO

Nordnordost

OSO

Ostsüdost

SSW

Südsüdwest

WNW

Westnordwest

NOzN

Nordost zu Nord

SOzO

Südost zu Ost

SWzS

Südwest zu Süd

NWzW

Nordwest zu West

NO

Nordost

SO

Südost

SW

Südwest

NW

Nordwest

NOzO

Nordost zu Ost

SOzS

Südost zu Süd

SWzW

Südwest zu West

NWzN

Nordwest zu Nord

ONO

Ostnordost

SSO

Südsüdost

SWS

Südwestsüd

NNW

Nordnordwest

OzN

Ost zu Nord

SzO

Süd zu Ost

WzS

West zu Süd

NzW

Nord zu West

Meßprinzip 1 - Kodierungsscheibe

Der Sensor besteht aus einer durchsichtigen Scheibe. Die Achse der Scheibe ist mit der Windfahne verbunden. Die Scheibe ist in Ringe unterteilt und jeder Ring in Sektoren. Einige der Sektoren sind mit einer lichtundurchlässigen Farbe beschichtet (Bild 2). Für jeden Sektor kann die Beschichtung jetzt so gewählt werden, daß durch nebeneinanderliegende Sensoren, nach dem Lichtschranken Prinzip, ein binärer Code erzeugt werden kann (Bild 1).

 Bild 1

Der Vorteil dieses Prinzips liegt in der berührungslosen Messung der Winkelposition. Das Layout der Scheibe könnte mit einem Zeichenprogramm erzeugt und auf einer durchsichtigen Folie ausgedruck werden. Aus Stabilitätsgründen sollte die Folie dann auf eine durchsichtige Kunststoffscheibe aufgeklebt werden.

 Bild 2

Bild 2 zeigt als Beispiel eine Scheibe mit einer binären Codierung. Der Nachteil ist jedoch, das sich bei einem Wechsel der Sektoren immer mehrere Bits gleichzeitig ändern können. Die Wahrscheinlichkeit einer Fehlinformation ist dadurch relativ hoch. Um diese Fehlerquelle zu verkleinern wird in der Regel als Kodierung der Gray-Code benutzt.

 Bild 3

Bild 3 zeigt als Beispeil eine Scheibe mit einer Gray-Code Kodierung. Der wesentliche Unterschied liegt darin, das sich bei einer Sektoränderung immer nur 1 Bit ändert. Der Sinn liegt in der geringeren Meßunsicherheit. Durch die ungenaue Abtastung beim Übergang von der abgeschattenen Fläche zur durchsichtigen Fläche wird demnach lediglich der Übergang von einer Position zur nächsten etwas verschoben, es kann jedoch nicht zur Ausgabe von völlig falschen Positionswerten kommen (Bild 4).

 Bild 4

Beim Gray-Code gibt es jedoch noch etwas zu beachten. Wenn die Anzahl der Unterteilungen immer aus eine Potenz von 2 Sektoren besteht, hat man grundsätzlich eine 'geschlossene Kodierung', d.h. der Unterschied im Code ist vom letzten Wert zum ersten Wert immer 1 Bit. Soll aber die Unterteilung nur 10 Sektoren betragen (oder z.B. 360 für 1° Auflösung) dann ist dies nicht mehr gegeben (Bild 5). Um das zu verhindern, werden aus der kompletten Gray-Code Sequenz gleichviele Teile vom Anfang und vom Ende entfernt. Die Einschrittigkeit bleibt dabei automatisch erhalten. Der Nachteil ist jedoch, das daß nur für eine gerade Anzahl von Sektoren gilt. Dieser Code nennt sich dann Gray-Excess-Code. Diese abgeschnittenen Stücke müssen jedoch bei der späteren Umwandlung in den binären Code als Offsetverschiebung berücksichtigt werden.

 Bild 5

Beispiel

Der Gray-Code der Scheibe für einer Wetterfahne setzt sich aus 9 Bit zusammen 0 bis 511. Um eine Auflösung von 1° zu erhalten müssen also am Ende und am Anfang je 76 Schritte entfernt werden, also 76 bis 435 = 0 bis 359 mit einem Offset von -76 bei der späteren Umwandlung in den Binär-Code.

Zur weiteren Auswertung muß jedoch der Gray-Code in den Binär-Code umgewandelt werden.

Hardwarelösung

Bild 6

Die Gleichung für die Umwandlung des Gray-Codes in den Binär-Code ist

Bild 6 zeigt die zugehörige Schaltung. Sie besteht aus einer Reihe von Exklusiv-ODER-Gattern und läßt sich sehr einfach auf beliebige Bits erweitern.

Softwarelösung

// Konvertierung von Gray-Code in Binär-Code
//  Input: i1 - Gray-Code
//         i2 - Anzahl der Bits (maximal 32)
// Result: Binär-Code
Function GrayToBin(i1,i2:Integer):Integer;
Var i,k1,k2,k3,k4:Integer;
Begin
  // Bitmaske erzeugen
  k1 := 1;
  For i := 1 to i2-1 do k1 := k1 * 2;
  // Ergebnis
  k2 := i1 and k1;
  // Bitweise XOR Verknüpfung durchführen
  k3 := i1;
  For i := 1 to i2-1 do Begin
    k3 := (k3 and k1) div 2;
    k1 := k1 div 2;
    k4 := i1 and k1;
    k3 := (k3 xor k4) and k1;
    k2 := k2 or k3;
  End;
  Result := k2;
End;

Nur der Form halber noch das gegenstück dazu:
// Konvertierung von Binär-Code in Gray-Code
//  Input: i1 - Binär-Code
//         i2 - Anzahl der Bits (maximal 32)
// Result: Gray-Code
Function BinToGray(i1,i2:Integer):Integer;
Var i,k1,k2,k3,k4:Integer;
Begin
  // Bitmaske erzeugen
  k1 := 1;
  For i := 1 to i2-1 do k1 := k1 * 2;
  // Ergebnis
  k2 := i1 and k1;
  // Bitweise XOR Verknüpfung durchführen
  For i := 1 to i2-1 do Begin
    k3 := (i1 and k1) div 2;
    k1 := k1 div 2;
    k4 := i1 and k1;
    k2 := k2 or (k3 xor k4);
  End;
  Result := k2;
End;

Vorteile

Nachteile

Meßprinzip 2 - Potentiometer

Die Achse der Windfahne ist mit dem Schleifer eines Potentiometers verbunden. Es handelt sich dabei um eine Sonderbauform ohne Anschlag, d.h. die Fahne läßt sich "durchdrehen". Herstellungsbedingt kann das Potentiometer einen unterschiedlich großen toten Bereich von etwa 0 bis 90° haben (abhängig vom Preis). Dies hat zur Folge, daß nicht der komplette Windrichtungskreis aufgelöst werden. Der Windrichtungsmesser ist so justiert, daß der Winkel 0°, bzw. 360° etwa der Himmelsrichtung “NORD“ entspricht. Am Potentiometer kann eine veränderliche Spannung abgegriffen werden, der ein bestimmter Stellwinkel, d.h. die Windrichtung zugeordnet werden kann.

Vorteile

Nachteile

Meßprinzip 3 - Ultraschall.

Vorteile

Nachteile

8.3.4.2 Schaltung

8.3.4.3 Steckerbelegung

8.3.4.4 Kalibrierung

8.3.4.5 Mechanik

8.3.4.6 Schaltplan und Layout

Schaltplan

Layout

8.3.4.7 Stückliste

Stückliste

8.3.4.8 Ergebnisse