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Stand: 12.09.2009 |
Kostengünstige Sonden sind aus mehreren Gründen sinnvoll:
Daraus ergaben sich zwei Schwerpunkte:
Der Elektronik-Versand bietet eine Vielzahl von Sensoren zur Messung physikalischer Größen an. Stellvertretend wurden ein Drucksensor und ein Heißleiter (NTC-Widerstand) für die Realisierung preisgünstiger Sonden ausgewählt.
Mit dem unter der Bestellnummer 183890-77 bei der Firma CONRAD ELECTRONIC angebotenen Drucksensor MPX5100DP können Druckdifferenzen bis zu 100 kPa gemessen werden. Weil der Spannungsabfall am Kontakt 1 (Vout) linear von der gemessenen Druckdifferenz abhängt, kann dieser Sensor an vielen computerunterstützten Messwerterfassungssystemen eingesetzt werden.
Der finanzielle Aufwand inklusive Zuleitungen und Bananensteckern bzw. -buchsen beläuft sich auf etwa DM 110,- und ist damit wesentlich günstiger als vergleichbare Produkte der Lehrmittelhersteller (z.B. PHYWE Messmodul Druck für das Interface COBRA: DM 405,-).
Besonders kostengünstig zur Messung von Temperaturen sind NTC-Widerstände, die - je nach Ausführung - mit Zuleitungen und Bananensteckern bzw. -buchsen etwa Euro 10,- kosten. Zur Abdichtung empfiehlt sich ein dünner Schlauch, an dessen einem Ende der NTC z.B. mit UHU-Plus eingebettet und gleichzeitig abgedichtet wird, damit die Sonde auch in Flüssigkeiten eingetaucht werden kann. Die nichtlineare Kennlinie der Form R(T)=A*exp(-B*T) eines NTC schränkt den Einsatzbereich des Sensors stark ein, weil einerseits die Auflösung der Messbereiche linear und nicht exponentiell quantisiert sind und andererseits die mathematischen Funktionen ln(x) bzw. exp(x) nicht bei jeder Software zur Verfügung stehen. In diesen Fällen ist eine gute Linearisierung in einem Temperaturbereich von 50 bis 100 K nach folgender Abbildung möglich.
Von CONRAD ELECTRONIC wurden zwei Gabellichtschranken CNY 37 und eine Reflexionslichtschranke CNY 70, die jeweils mit Zuleitung und Bananensteckern bzw. -buchsen etwa Euro 10,- kosten, für den Einsatz in Verbindung mit den Geräten der Lehrmittelhersteller vorbereitet. Um ein TTL-Signal am Ausgang der Lichtschranken (Signal) zu erhalten, mußte beim Betrieb mit 5V Gleichspannung ein Differenzenverstärker eingesetzt werden.
Der Betrieb erfolgte reibungslos wie mit den Lichtschranken der Lehrmittelhersteller.
Der Handlungsablauf zur Konvertierung von Messsonden ist für jedes computerunterstützte Messwerterfassungssystem von den spezifischen Eigenschaften des Interface und der Software gekennzeichnet. Somit ist es ausreichend für jedes der untersuchten Interfaces jeweils ein Beispiel zum Betrieb einer Fremdsonde vorzustellen.
Die mir zur Verfügung gestellten Messeinschübe erlaubten das Messen von maximal zwei analogen Signalen. Da keine interne Spannungsquelle vorhanden war, mussten zusätzliche Netzgeräte eingesetzt werden. Mit dem Programm Transientenrekorder können über die Kalibrierfunktion ausschließlich Sonden mit einer spannungsproportionalen Kennlinie zur direkten Anzeige der physikalischen Größe genutzt werden. Falls Sensoren eingesetzt werden, die sowohl positive als auch negative Betriebsspannungen benötigen, bietet sich eine Schaltung mit einem massefreien Netzgerät und einem Potentiometer an (siehe Abbildung).
Auch beim COBRA konnte ich mit den mir zur Verfügung gestellten Programmen nur Sonden mit linearen Kennlinien verwenden. Positiv zu vermerken ist, dass das Interface permanent eine Spannung von 5V bereitstellt.
Die Messmodule des Interface PHYWE COBRA sind mit einem SUB-D-25-Stecker zur Anbindung an das Interface versehen. Ein Adapter zur Verwendung von Messleitungen mit Bananensteckern muss nur fünf Leitungen aufweisen.
Mit dem vorhandenen Konstantstrom-Ausgang, dessen Ausgangswiderstand >300 kOhm beträgt, stehen über ein internes Relais an der oberen Buchse des Analog-Eingangs C mit einem Spannungshub von 0 bis 10 V 10 mA bereit. Aufgrund der Kennlinie eines NTC-Widerstandes ist die Messgenauigkeit für höhere Temperaturen relativ schlecht, weil die Quantisierung der Messkanäle linear erfolgt und die Auflösung nur 8 bit beträgt. Durch die Linearisierung (siehe oben) konnte die Messgenauigkeit im oberen Temperaturbereich verbessert werden. Dank der umfangreichen mathematischen Fähigkeiten des Programms Messen und Auswerten kann eine Vielzahl von Sonden am CAP3 eingesetzt werden.
Unter DOS müssen externe Netzgeräte zur Spannungsversorgung herangezogen werden. Mit der Kalibrierfunktion des Programms Messen und Auswerten sind - ebenso wie beim Interface CAP3 - sehr viele Sonden am CASSY einsetzbar.
Mit dem Programm Universelle Messwerterfassung für Windows können Messsonden Verwendung finden, die maximal zwei Versorgungsspannungen von max. +/- 10 V benötigen.
Am Interface PASCO ScienceWorkshop 700 werden drei unveränderliche Spannungen (+12 V, -12 V und +5 V) permanent und ein steuerbarer Ausgang (bis max. +/-5 V) nach Bedarf bereitgestellt. Eine Fremdsonde kann im Programm ScienceWorkshop als Spannungs-Sensor oder als benutzerdefinierter Sensor eingerichtet werden. Unabhängig davon sind die Möglichkeiten der Kalibrierung, Darstellung und Auswertung identisch. Einmalig in dem Vergleich ist die Einbindung von Bildern in den versuchbegleitenden Notizen. Die Fähigkeiten des integrierten Taschenrechners sind außerordentlich umfangreich und gestatten es beliebige Kennlinien zu berücksichtigen.
Da das Interface zur Anbindung von Sonden analoger Messgrößen nur 8-pol-DIN-Stecker akzeptiert, ist die Anfertigung von Adaptern unumgänglich. Diese können entweder einfach ausgeführt werden, indem die 7 Kabel einzeln mit entsprechend gekennzeichneten Bananensteckern zugänglich gemacht werden oder mit einer Verlängerung zu einer entsprechenden Box geführt werden, auf der die 7 Anschlüsse in Form von Bananenbuchsen zur Verfügung stehen.
Digitale Sonden müssen mit 6,3mm-Stereo-Klinken-Steckern versehen werden, damit sie am Interface ScienceWorkshop genutzt werden können.
