Temperaturmessungen⚓︎

Auszüge aus der Jugend-Forscht-Arbeit von Robert Reuß, Eric Krahl und Lukas Heinz (Klasse 7; 2017)⚓︎

Einleitung

Wenn man die Temperatur im Inneren von einem Stoff messen will, kann man ein Thermometer reinstecken. Nach einiger Zeit wirddas Thermometer die Temperatur des Stoffs anzeigen. Dieser Wert wird relativ genau sein, wenn das Thermometer selbst klein ist und viel von dem Stoff außenrum ist. Allerdings bringt das Thermometerselbst etwas Wärme mit, wenn es wärmer als der Stoff ist und es nimmt selbst etwas Wärme auf, wenn es kälter als der Stoff ist. In jedem Fall verändert ein Thermometer also die Temperatur an der Stelle, an der die Temperatur gemessen werden soll.Normalerweise ist dieser Fehler klein. Wenn man die Temperatur einer Oberfläche messen will, ist das schwieriger. Eine Oberfläche ist immer die Grenze zwischen 2 verschiedenen Stoffen. Bei einer Wand ist das das Material, aus dem die Wand besteht und die Luftim Raum. Wenn man mit einem Sensor die Oberflächenwärme messen will gibt es ein Problem. Dieses besteht darin, dass die Sensoren nicht den genauen Wert anzeigen, denn dieser Wert wird von der Umwelt abgefälscht und zwar durch die Umgebungsluft, durch die Kabel an den Sensoren und durch die Sensoren selbst.

Forschungsziel

Wir wollen herausfinden, wie man Temperatursensoren an einer Oberfläche anbringen muss, um die Oberflächentemperatur möglichst genau messen zu können.

Die Temperatursensoren

Wir wollen als Temperatursensoren digitale Sensoren von Dallas verwenden (DS18B20). Diese Sensoren haben mehrere Vorteile: Sie sind nicht sehr teuer und sie sind digital und sie sind nach Angabe des Herstellers sehr genau. Das sie digital sind hat den Vorteil, dass jeder Sensor eine eigene Adresse hat und von einem Arduino erkannt werden kann. Durch die One-Wire-Schaltung kann man die Sensoren einfach hintereinander schalten und braucht nur einen einzigen Pin am Arduino. Außerdem braucht man noch einen einzigen 4,7 KOhm Widerstand. Wir wollen diese Sensoren testen und dazu müssensie zuerst mit Kabeln verbunden werden. Zuerst hatten wir die Kabel direkt an den Beinen der Sensoren angelötet. Dies ist aber nicht so gut, weil die Kabel oft abgehen und es kann auch leicht zu Kurzschlüssen führen. Dann haben wir kleine Stückchen von Streifenrasterplatinen genommen und die Sensoren und die Kabel drangelötet. Dabei haben wir Grünfür GND, Braun für +5V und Weiß für das Signal verwendet. Dann haben wir Schrumpfschlauch darüber gezogen und alles zusammengeschrumpft. Diese Kabel mit Sensoren konnten wir dann für die weiteren Experimente verwenden

Die Kalibrierung

Als Erstes wollten wir herausfinden, wie genau die Sensoren sind. Dazu wollten wir sie auf die gleiche Temperatur bringen und messen, was sie anzeigen. Dazu haben wir sie in einen Thermobecher gelegt, den wir in eine Styropor-Isolierbox eingebaut haben:

Außer den 10 DS18B20-Sensoren, haben wir auch noch einen Pt500 an ein Kabel gelötet und ebenfalls in den Thermobecher getan. Ein Pt500 istein Platinwiderstand, der bei 0°C genau 500 Ohm hat und dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Wenn wir den Widerstand von diesem Pt500 messen, können wir die Temperatur im Inneren der Box angeben. Wir haben die Box 48 Stunden im Raum E1 (Mad ScienceRaum) liegen lassen, bevor wir mitden Messungen begonnen haben, damit sich die Temperaturen angleichen können.

Die Untersuchung der Einbauart

Um zu untersuchen, ob die Sensoren gut sind und wie wir sie einbauen sollen, haben wir eine Kiste gebaut, die eine Hauswand simuliert. Im U-CUBE Projekt haben wir Kuben aus Massivholz mit ca. 10 cm Wandstärke. Wenn es im Winter draußen -10°C kalt ist und innen +20°C sind, beträgt die Temperaturdifferenz durch die Wand ca. 30°C. Unsere Kiste hat vorne eine Wand aus 4 Brettern mit 1,8cm Dicke. Im Inneren der Kiste erzeugen wir durch eine Eis und Wasser-Mischung eine Temperatur von 0°C und im Raum haben wir so ca. 20°C. Damit haben wir eine ähnliche Temperaturdiffernez, wie im Beispiel. Auf diese Oberfläche haben wir die Temperatursensorenin verschiedenen Weisen eingebaut. Es gibt die Möglichkeit, die Sensoren mit der flachen Seite in verschiedenen Tiefen anzukleben oder sie verschieden tief in Bohrlöcher zu schieben. Dies haben wir in 10 verschiedenen Positionen gemacht.

Wir haben die Vorderseite mit einem Gebläse angepustet und mit einer IR-Lampe bestrahlt und dieTemperaturen mit den Sensoren gemessen und Wärmebilder dazu gemacht, damitwir die echte Oberflächentemperatur kennen.

Ergebnisse

Wir haben in unserer Isolierbox die Sensoren und den Pt500 übers Wochenende liegen lassen. Dann haben wir mit dem Arduino die Temperaturen ausgelesen. Das haben wir nach einer Woche wiederholt und die Werte mehrfach ausgelesen, wobei die Werte sich nicht verändert haben.

Das Auflösungsvermögen der digitalen Sensoren ist 0,06°C. Den genauen Temperaturwert konnten wir mit dem Pt500 nicht bestimmen, weil wir den Widerstand nicht genau genug messen können.

Wie baut man sie am besten ein?

Nach den Ergebnissen aus den vielen Experimenten haben wir die schwarzen Sensoren mit Aluminiumfolie umwickelt. Dann haben wir eine Weile gewartet, bissich die Temperaturen wieder ausgeglichen haben. Man erkennt,dass die axialen Sensoren sehr gutdie Oberflächentemperatur anzeigen. Der weiße Sensor ist verglichen damit deutlich schlechter. Bei den orthogonalen Sensoren sind die Werte schlechter. Das liegt daran, dass wir dort die Alufolie nicht gut um die Kabel und Sensoren wickeln konnten. Wir haben später festgestellt, dass die Alufolie nicht eng anlag und Teile des Schrumpfschlauchs am Sensor offen gelassen hat.

Diskussion

Wir haben herausgefunden, dass die DS18B20 Sensoren eine Auflösung von 0,06°C haben und wir ihre Genauigkeit im Bereich von ± 0,1°C angeben können. Das ist sehr gut. Wir haben herausgefunden, dass man die Sensoren am besten axial etwa 3mm tief in die Oberfläche einbauen sollte. Dabei ist besonders wichtig, dass die Kabel flach an der Wand entlang geführt werden und dass der Sensor mit weißem Schrumpfschlauch und reflektierender Alufolie auf den letzten 10cm umwickelt wird. Dadurch werden Störungen durch Wärmestrahlung und Wärmeübertragung durch das Kabel minimiert. Wir können so dieOberflächentemperatur einer Wand im Rahmen der Messgenauigkeit unserer Sensorenmessen: also ± 0,1°C. Unsere Einbauempfehlungen werden nun bei den Sensoren im U-CUBE Forschungszentrum der GHS berücksichtigt.