Arbeitsblatt: Temperaturmessung mit Metalldrähten (Thermoelement)

 

 

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“!

Der Betrag der Mess-Spannung: ___________mV

 

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

 

 

 

 

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