Arbeitsblatt: Temperaturmessung mit Metalldrähten (Thermoelement)
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Die kühne Behauptung: Mit drei simplen
Metalldrähten soll es möglich sein, die Temperatur deiner Fingerspitzen zu
messen!
Die erstaunliche Tatsache: Berühren sich zwei
verschiedene Metalle, dann entsteht nur durch die Berührung eine Spannung zwischen
ihnen.
Das Problem: Diese Spannung können wir
nicht messen! Wenn wir z.B. Kupfer und Konstantan sich berühren lassen und
wollen die Spannung messen, müssen wir mit den Kupferkabeln an diese beiden
Metalle heran! Also haben wir noch eine zweite Berührungsstelle zwischen Kupfer
und Konstantan.
Und
da ist diese Kontaktspannung gerade andersherum gepolt. Und zwei gleich große
Spannungen, die entgegengesetzt gepolt sind, heben sich gegenseitig auf. Wir
würden also null Volt messen!
Das Schöne: Diese Kontaktspannungen
sind temperaturabhängig. Wenn also eine Kontaktstelle eine andere Temperatur
hat als die andere, ergibt sich eine Spannungsdifferenz, die wir messen können.
Ein Beispiel: Wenn an der einen Stelle
11,2453 mV bestehen und an der anderen -11,2333 mV, haben wir einen
Spannungsunterschied von ___________mV. Das Beispiel zeigt dir
auch, dass es dabei um extrem niedrige Spannungen geht! Also brauchen wir einen
Messverstärker.
Und jetzt kannst du mal
zeigen, wie genau du experimentieren kannst!
Den
Messverstärker hast du ja schon kennen gelernt. Er wird wieder mit einem DMM
betrieben.
Vorbereitungen: (Bitte
die Reihenfolge beachten! Punkte abhaken!)
1. Links am
DMM sind einige Druckschalter. Der oberste (rote) darf nicht gedrückt sein. Der
mittlere schwarze („V“) wird
gedrückt und der rote für den Bereich 2V.
2. Das blaue
Kabel wird in die schwarz umrahmte Buchse „COM“ gesteckt und das rote Kabel in
die rechte Buchse „WVmA“.
3. Mit dem
Schiebeschalter links oben wird das DMM eingeschaltet. Sollte auf der Anzeige
BATT zu lesen sein, muss die Batterie
ausgewechselt werden.
4. Das blaue
Kabel in die schwarze Buchse und das rote in die rote Buchse des
Messverstärker-Ausgangs stecken.
5. Den
linken Kippschalter des Messverstärkers auf „I“ und den rechten auf „1x“ bzw.
„V“ stellen.
6. Die
beiden Drehknöpfe am Messverstärker in Mittelstellung (=Markierung nach oben)
bringen.
7. Den
Messverstärker an der Rückseite einschalten. Jetzt muss vorne eine LED grün
aufleuchten.
8. Mit den
Drehknöpfen „grob“ und „fein“ die Ausgangsruhespannung möglichst genau auf .000
Volt einstellen.
9. Jetzt die
drei Drähte mit den Bananensteckern an den Eingang des MV anschließen.
Achtung: Wenn du jetzt eine der beiden verdrillten Enden berührst oder auch nur
versehentlich anatmest, haben beide Stellen nicht mehr die gleiche
Temperatur!!! Im Zweifelsfall halte dich von beiden Stellen für 1-2 Minuten
fern. Auch ein Luftzug kann alles verderben!
10. Jetzt
wird der linke Schalter auf „U“ gestellt. Das ist die Position für Spannungsmessung.
11. Nun wird
die Nulleinstellung kontrolliert und ggf. nachgeregelt.
12. Jetzt wird sich ein Fehler einschleichen: Der
rechte Schalter wird auf „1000x“ oder „mV“ gestellt. Der Nullpunkt stimmt jetzt
nicht mehr. Versuche nicht, ihn wieder richtig einzustellen. Wenn die jetzt
angezeigte Fehlerspannung innerhalb ±1 Volt liegt, brauchst du
nichts zu verändern. Diese Fehlerspannung wird (mit Vorzeichen!) notiert und
nachher von der Ausgangsspannung abgezogen.
13. Jetzt
geht´s los: Nimm eines der beiden verdrillten
Drahtenden zwischen Daumen und Zeigefinger. Das verdrillte Stück muss dabei ganz zwischen den Fingerspitzen
verschwinden.
Die nach
einigen Sekunden angezeigte Spannung wird notiert. Gleichzeitig muss die
Temperatur der anderen
verdrillten Drahtenden gemessen werden (macht
der Lehrer...).
14. Weitere
Experimente (nach der Auswertung) mündlich.
Auswertung auf gesondertem Blatt
Auswertungsblatt zum Versuch mit dem Thermoelement:
Datum:............
Name:...................................
Die (unter Punkt 12 abgelesene) Fehlerspannung
beträgt ___________ mV.
Die abgelesene Spannung (Punkt 13) beträgt
_____________ mV.
(Achtung: Jeweils das Vorzeichen nicht vergessen!)
Die Vergleichstemperatur beträgt _______ oC.
Jetzt muss die korrigierte Ausgangsspannung errechnet werden. Dazu wird von der abgelesenen Ausgangsspannung die Fehlerspannung abgezogen. Jetzt sind die Vorzeichen wichtig!
Zwei Beispiele: Die Fehlerspannung sei –122mV und die abgelesene Ausgangsspannung sei –351mV. Die Rechnung sieht dann so aus: -351mV – (-122mV) = -351mV + 122mV = -229mV.
Die Fehlerspannung sei –122mV und die abgelesene Ausgangsspannung sei +261mV. Die Rechnung sieht dann so aus: 261mV – (-122mV) = 261mV + 122mV = 383mV.
______________mV - _____________mV =
________________mV
deine Ausgangsspannung deine Fehlerspannung deine korrigierte Ausgangsspannung
Ob du eine negative oder eine positive Spannung bekommst, hängt davon ab, welches der beiden verdrillten Drahtenden du berührt hast. Solange deine Fingerspitzen wärmer sind als die Umgebung (oder bist du ein Vampir?), ist ab jetzt nur noch der Betrag deines Rechnungsergebnisses wichtig.
Das ist nun aber noch nicht die wirkliche Mess-Spannung, denn der Messverstärker hat die Mess-Spannung an seinem Eingang ja 1000-fach verstärkt. Du musst dein Rechnungsergebnis also durch 1000 teilen. Das geht sehr einfach, wenn du aus „milli“ einfach „mikro“ machst, denn „mikro“ ist ein Tausendstel von „milli“!
Wie bekommst du daraus die Temperatur deiner Fingerspitzen???????????????????? ?
Du musst wissen, wie hoch die thermoelektrische Spannung bei diesem Metallpaar pro Kelvin Temperaturunterschied ist. Das haben andere schon ausgemessen und man kann es nachlesen:
Bei Konstantan-Kupfer entsteht eine Thermospannung von 42,5mV pro Kelvin.
Jetzt ist es leicht:
Du musst nur noch ................
Und schon weißt du, um wie viel Kelvin deine Fingerspitzen wärmer sind als die Umgebung.
Und zum Schluss wird jetzt noch die Temperatur berechnet:
___________oC + __________ K =
_____________oC
Umgebungstemperatur errechnete Temperaturdifferenz Temperatur deiner
Fingerspitzen