11 Jul

Diskussion: Einflüsse und Ansprechzeiten von technischen Thermometern

Thermo Scientific ELEMENT XR HR-ICP-MS

 Im Rahmen eines Versuches werden im folgenden äußere Einflüsse auf Messungen mit Thermometern eingegangen. Außerdem werden die gemessenen Ansprechzeiten verschiedener Thermometer mit den theoretischen Vermutungen verglichen. 

(Die Abbildungen dürfen aus Eigentumsrechtlichen Gründen hier leider nicht veröffentlicht werden.)

1. Einflüsse auf Thermometer
1.1 Umpolung des Thermoelements

(Abbildung 1: TE bei Umpolung )

Bei der Temperaturmessung mit einem Thermoelement kann es zu einer Verwechselung der Kontakte kommen. In dem Versuch wird die Umpolung simuliert. Von der 1. Bis zur 31. Messung ist die Umpolung des Thermoelements nur gering ersichtlich. Wie in Abbildung (1) zu sehen, ist bis zur 31. Messung der Wert des fehlerhaften Sensors konstant. Die Daten der Temperatur liegt im Mittel 0,160 K unter der Referenzmessung. Durch den Seebeck-Effekt tritt bei einer Temperaturdifferenz zwischen Messungsstelle und Referenzstelle eine Spannung ein: Bei Umpolung gilt der Seebeck-Koeffizient KAB aus Gleichung (1) für die Berechnung der Temperatur nicht mehr alleine. Bei Umpolung müsste wie bei Gleichung (2) der Koeffizient KBA zusätzlich verwendet werden. Nur dann kann eine korrekte Temperatur berechnet werden.

UAB =UA-UB= KA·(JM -JV)-KB·(JM -JV)= (KA -KB)·(JM -JV)= KAB·(JM -JV)    (1)

UBA = KAB·(JM – JK) + KBA·(JK – JV)   (2)

Ab der 30. Messung wird, nach Versuchsbeschreibung, die Kontaktfläche mit einer Hand berührt. Die Referenztemperatur bleibt konstant, dabei sinkt die Temperatur des fehlerhaften Thermoelements. Nach kurzer Einschwingphase, fällt die Temperaturmessung des TEs linear bis zur 59. Messung. Die Auflegung der Hand bringt einen zusätzlichen Wiederstand in das System. Bei korrektem Anschluss wird dadurch eine höhere Temperatur gemessen, da die Spannung an der Messstelle steigt. Es würde ein höheres Spannungsgefälle entstehen. Bei falschen Anschluss tritt ein rückläufiger Effekt auf: Bei der 59. Messung ergibt sich der globale Minimalwert von 57,88 °C.

1.2 Leitungsverlängerung bei einem Thermoelement

(Abbildung 2: 50-Meterkabel bei TE)

 Bei einem Thermoelement wird der Stromfluss im Leiter, des 2-Phasigen Systems, gemessen. Mit der Verlängerung der Leitung steigt auch der Eigenwiederstand der Leitung an. Aus Gleichung (3) folgt, bei höherem Wiederstand verringert sich bei gleicher Stromstärke der Spannungsfluss.

 

U = R·I                                                                                                        (3)
Die Referenzmessung hat das globale Maximum bei Messung 43. Beim Thermoelement kann der Temperaturzuwachs hier nicht verzeichnet werden. Durch den hohen Leitungswiederstand ist die Spannungsdifferenz an der Temperaturmessstelle höher als an der Spannungsmessstelle. Dadurch wird nur ein geringerer Spannungszuwachs verzeichnet. Bei der Berechnung der Thermospannung müsste zusätzlich der Leitungswiederstand miteinberechnet werden.

1.3 Leitungsverlängerung bei einem Platin-Wiederstand

(Abbildung 3: Einflüsse auf das PT100)

Wie bei der manuellen Messung des Kohlewiederstandes hat die Leitungsveränderung Einflüsse auf das Messergebnis. Bei einem 2-Leiter-System wird die Spannung an der Stromquelle gemessen. Dadurch besteht der Gesamtwiederstand aus Leitungswiederstand und dem Messwiederstand des Pt-100. Bei Leitungsverlängerung (und bei Temperaturerhöhung der Leitung) ändert sich der Leitungswiederstand [2]. Der Wiederstand eines Platinwiederstandes erhöht sich bei Temperaturerhöhung annährend linear. Bei Spannungsabfall an der Messstelle, geht das Messgerät von einer steigenden Temperatur aus. In unserem Fall bewirkt der zusätzliche Wiederstand des Kabels einen erhöhten Gesamtwiederstand, das führt zu einem Spannungsabfall. Der Spannungsabfall wird vom Messgerät falsch interpretiert und wird als Temperaturerhöhung aufgefasst. Wie in Abbildung 4 zu sehen, entsteht dadurch die höchste Temperaturänderung mit einer Gesamttemperatur 108,30 °C.

Auch der kürzere 2-Phasen-Anschluss des Platin-Wiederstandes erwirkt einen registrierten Wiederstand. Beim 4-Phasen-Anschluss kann hier der Unterschied festgestellt werden:

Durch eine Trennung des Speisestroms und der Spannungsmessung durch einen hochohmigen Wiederstand, kann der bereinigte Spannungsabfall an dem Platinwiederstand, ohne dem Zuleitungswiederstand gemessen werden. Da in der Leitung der Spannungsmessung, ein vernachlässigbar kleiner Messstrom durchfließt (hochohmiger Wiederstand) fällt sehr geringe Spannung über die Leitung ab, ein genauer Wert kann bei der 4-Leiter-Schaltung gemessen werden.

 

2. Diskussion der Ansprechzeitenaufnahme

(Abbildung 4: Ansprechzeiten der Sensoren)

Bei gleichem Versuchsaufbau sollten die Ansprechzeiten einen konstanten Verlauf zeigen. Durch zufällige und systematische Fehler sind im Versuch Abweichungen entstanden. Die Temperaturmessgeräte wurden vor der Messung nicht kalibriert. Das Temperiergerät des Thermostats wurde nicht kalibriert. Als weiteren systematischen Fehler ist eine falsche Anzeige des Thermostates nicht auszuschließen. Die Fehler sind über den Verlauf des Versuchs konstant und können teilweise bis vollständig eliminiert werden. Bei den Ansprechzeiten sind durchaus systematische Fehler vorhanden. Da die Fehler eine konstante Temperaturdifferenz zur realen Temperatur hervorrufen, kann der Fehler nicht die Abweichung der Ansprechzeiten verursacht haben. Zusätzlich können zufällige Fehler die Ansprechzeiten beeinflussen. Die Messung wird manuell mit dem Eintauchen der Thermometer gestartet. Auf die Außenhaut der Sensoren wirkt bereits beim Umstecken ein Temperaturunterschied. Die Ansprechzeit ist daher auch von der Umsteck-Geschwindigkeit der Thermometer abhängig. Auch der Einfluss der Versuchsteilnehmer kann nicht ausgeschlossen werden. So ist es möglich, die Thermometer am Messstab zu berühren. Die zusätzliche Wärme wirkt sich positiv auf die Ansprechzeiten aus. Auch die Kontaktierung an den Anschlüssen der Thermometer kann sich verändert haben: Es kann somit nicht mit Sicherheit von einer Temperaturänderung ausgegangen werden, die Änderung kann auch durch den zusätzlichen Leitungswiederstand an den Kontaktstelle hervorgerufen worden sein.

Das Thermoelement hat die geringste Ansprechzeit. Die freien Elektronen im Metall geben den Temperaturunterschied mit höchster Geschwindigkeit an den Sensor weiter. Der Spannungsunterschied kann nach durchschnittlich 3,5 Sekunden gemessen werden. Auch der Platin-Wiederstand ist in Metall-Ummantelung ausgeführt. Dadurch kann auch hier die Temperaturdifferenz gut übertragen werden. Der NTC-Wiederstand ist mit Kunststoff ummantelt. Der Wärmeübergangskoeffizient von Kunststoff ist mit 0,17 bis 0,57 W/mK [1] erheblich kleiner als der Koeffizient von Metall [3]. Im Metall wird die Wärme durch die Elektronen übertragen, da diese frei beweglich vorliegen, liegt ein schneller Austausch vor. Bei Kunststoff tritt der umgekehrte Fall auf: Elektronen sind in molekularen Bindungen gefestigt. Die Wärmeübertragung tritt hier in Form der Brownschen-Molekularbewegung auf. Der Wiederstand erfährt die Spannungsdifferenz erst nach einigen Sekunden. Der PTC-Wiederstand ist auch in Kunststoff eingebettet. Die Übertragung der Wärme erfolgt hier nach gleichen Prinzip. Der PTC-Wiederstand erfährt dadurch auch nach dem NTC-Wiederstand die langsamste Wärmezunahme.

 

verwendete Quellen:

[1]       Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik, 2018.Versuchsanleitung Versuch V3 Temperaturmesstechnik.

[2]       Innorat GmbH, 2010.Wärmeleitfähigkeit Kunststoffe Werkstoffe. http://www.innorat.ch/Kunststoffe_u2_69.html

[3]       Hans-Jürgen-Bargel, Hermann Hilbrans, 2008.Werkstoffkunde S.275.

 

 

 

 

01 Jul

Feststofflaser: Vergleich der maximalen Ausgangsleistung mit einer gaußförmigen Intensität

Sailing laser

Vorgang TEM-Mode Erfolgskriterium
Maximierung der Ausgangsleistung durch Verrückungen in Richtung der Strahlachse TEM01 maximale Ausgangsleistung des Lasers
Einstellung einer Gaußförmigen Intensität durch Verdrehung des Resonators TEM00 gaußförmige Intensität

Im ersten Vorgang wird die Ausgangsleistung durch eine Verrückung der Komponenten in Stabrichtung maximiert. Hier stellt sich eine maximale Ausgangsleistung von 61,2mW mit einem TEM01  ein. Im nicht-kalibrierten Ausgangszustand hat der Nd:YAG-Festkörperlaser den TEM-Mode „01“, von diesem Zustand lassen sich Rückschlüsse auf die Polarisation des Laserstrahls schließen: Es stellt sich ein Knotenpunkt in vertikaler Richtung ein. Das bedeutet, dass bei dem verwendeten konfokalen Spiegel, die Strahlung nicht parallel zur optischen Achse reflektiert wird, sondern mit einem spitzen Winkel in den Kristall eintritt. Die Wellen werden über den konfokalen Spiegel doppelt abgelenkt, es entsteht eine Interferenz zwischen den Wellenanteilen nach Eintritt in den Komulator. Es kommt zu elektrischen und magnetischen Komponenten der Welle in Richtung der Ausbreitung. Bei paralleler Spiegelung liegen die Phasen der elektro-magnetischen Wellenanteile senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (Lehrstuhl für photonische Technologien, 2018). Die Interferenz bewirkt eine Potenzialänderung der einzelnen Wellenanteile, es kommt zur Überschneidung: Die Anteile wechselwirken einander.

 

TEMmn

Intensitätsverteilung für einen Resonator mit rechteckigen Spiegeln

In einem Teil der Ausbreitungsrichtung beträgt der Gangunterschied der Welle ein vielfaches der halben Wellenlänge. Es kommt zu einer gegenphasigen Überlagerung. Aufgrund der Phasendifferenz kommt ein Wellenberg auf ein Wellental und umgekehrt. Die Anteile löschen das Potenzial der Welle gegenseitig aus. Es entsteht ein Knotenpunkt. Die Polarisation in Ausbreitungsrichtung ist null, dadurch hat der Laser in diesem Bereich kein Potenzial. Das gesamte Potenzial sinkt durch die Überlagerung der Wellen, es entsteht eine negative Interferenz. Die Leistung hängt demnach von der Ausrichtung der einzelnen Wellenanteile ab. Wellenanteile addieren sich oder heben das gegenseitige Potenzial auf. Je nach Wellenausbreitungsrichtung kann sich die Interferenz positiv oder negativ auf die Ausgangsleistung P des Lasers auswirken.

Im zweiten Vorgang wird der Resonator parallel zur optischen Mittelachse gestellt, es entsteht ein Gaußprofil. Die Ausgangsleistung steigt bei diesem Vorgang um 7,02% auf 65,5mW an. Es kommt zu keiner sichtbaren Interferenz zwischen den Wellenanteilen, da der Eingang des Pulses und die Spiegelung kohärent zueinander gestellt wurden. Durch das senkrechte Auftreffen der Wellen auf den Resonator, bleiben die elektromagnetischen Anteile der Welle in senkrechter Ausrichtung zur Ausbreitungsrichtung. Das Potenzial setzt sich nun aus der Summe der elektrischen und magnetischen Wellenanteile zusammen. Die Interferenz im TEM01  hat sich daher negativ auf das Potenzial ausgewirkt. Es wurden mehr Wellenanteile durch Interferenz abgeschwächt, als angeregt.

Das Potenzial berechnet sich aus dem Integral der Strahlung über die Fläche des Strahlenpotenzial-Messgerätes. Die Bündelung des Laserstrahls ist daher nicht vom Potenzial abhängig. Die maximale Ausgangsleistung hängt nicht nur von der optimalen Ausrichtung der Optik ab. Auch der konfokale Resonator trägt maßgeblich zur Intensitätssteigerung bei.

01 Jul

Umweltschutz mit der Soja Pflanze ?

Image from page 114 of "Die Gartenwelt" (1897)„Die Soja-Bohne“

Der Anbau der Soja-Planze hat in den letzten Jahren stark zugenommen, um unsere vegetarischen Vorlieben und auch die der Tierzucht mit wertvollen Nahrungsstoffen zu versorgen. So enthält etwa die Bohne 34% Einweiß, daneben noch weitere gesunde Inhaltsstoffe. Und so nutzen viele diesen Energieträger um mit einer ausgewogene Ernährung zu leben. Doch woher stammt die Bohne ?

Die Bohne stammt meistens nicht aus Deutschland. Anbauländer der Soja-Bohne sind die USA, Brasilien, Argentinien und China. In diesen Länder herrscht ein konservativeres Umweltrecht. Zudem fallen bei einem Import große Transportwege an. Da Soja als Lebensmittel einen niedrigen Volumenpreis hat, nimmt die Fracht einen hohen Anteil in den Gesamtkosten ein.

 

Die Grundsätzliche Annahme unsere Umweltbelastung mit Verzicht auf Fleisch zu reduzieren geht nicht auf. Wir brauchen eine zu der Soja-Bohne. Wenn ein Anbau in Deutschland möglich ist, kann der Transport erheblich verringert werden. Auch hier wird Soja gepflanzt, die Bedingungen sind nicht ideal, aber einige Landwirte machen es. Es wird eine Pflanze oder Art der Bohne benötigt welche auch in unseren Breitengraden ohne natürlich gedeihen kann:

die Lupine

 [Public domain], via Wikimedia Commons

Am Wegesrand oder zwischen den Schienen wächst sie, unter normalen Bedingungen ist ihr Bitterstoff für uns giftig, bestimmte Züchtungen sind für uns nicht giftig und nach kochen der Bohnen können diese Verzerrt werden.

Die UfOP informiert in einem Artikel über den Anbau der Pflanze, die Erträge der Landwirte steigen jährlich, mit einer Basis von 36,5 dt/ha liegt die Pflanze im Ertragsfeld der ähnlicher Bohnen. Das bedeutet bei einem Hektar der blauen Lupine ist ein Ertrag von 3,65 Tonnen der Bohnen zu erwarten. Zum Vergleich liegt der wünschenswerte Ertrag von Weizen in Norddeutschland bei etwa 90 dt/ha. (siehe Wiki) Das bedeute auf jedem Quadratmeter Beet sind 36,5 kg Ernte zu erwarten. Diese Werte beziehen sich auf die kommerzielle Landwirtschaft, können demnach hier nur bedingt verwendet werden. Wir haben nur die eine Umwelt, ist es uns nicht mehr Wert, diese zu schützen ?

Ein weiterführender Artikel lässt sich von Dr. Tom Deutschle auf seiner Seite lesen.

 

20 Okt

Review: Fotobuch und AluDibond Wandbild von Saal-Digital

Zunächst möchte mich für die kostenlose Bereitstellung der Produkte von Saal-Digital bedanken. Allerdings wird dies nicht meine Meinung und die folgende Vorstellung des Produktes beeinflussen.

 

Fotobuch von Saal-Digital

Ich habe mich für die A4 quer Variante entschieden. Es stehen drei  Druckqualitäten zur Auswahl: Premium Matt (habe ich gewählt), matt und glänzend(+5€). Der Gesamtpreis des Produktes setzt sich aus der Grundauswahl, also „Fotobuch“ und den wählbaren Variationen zusammen. So kostet zB. ein Kunstleder einband +15€ Aufpreis.

Nach wenigen Tagen ist das Fotobuch bereits angekommen. Die Verpackung ist perfekt:  trotz Regen und einigen Kratzern, war das Fotobuch nicht beschädigt. Der Einband ist glänzend, die Qualität ist ok. Ich habe mir für den Preis von 30€ ein hochwertigeres Produkt vorgestellt. Allerdings ist der Druck in den Innenseiten sehr gelungen. Auch dunkle Bereiche kommen durch den matten Druck gut zur Geltung. Bei der Produktbestellung wurde die Kennzeichnung durch einen Barcode im Buch angesprochen. Der Barcode kann auch entfernt werden, allerdings muss das bei der Bestellung angegeben werden.

Wandbild AluDibond

Saal-Digital bietet hier eine große Auswahl an Wandbilder Arten. Der Kunde kann zwischen AluDibond, Acrylglas, Butlerfinish, Hartschaumplatte, GalleryPrint und Fotoleinwand entscheiden. Da die Hochwertigen Produkte mit der steigenden Größe auch im Preis steigen, habe ich mich für eine klassische AluDibond Platte entschieden. Dieser Verbundwerkstoff wird oft für Unternehmensschilder und Außenanwendungen verwendet. Die AluDibond Platte ist wasserfest und witterungsbeständig. Für einen Print mit den Maßen 30×45 und einer Schraubhalterung bezahlt ihr 49.90€. Der Print kam nach 4 Tagen an. Trotz der günstigeren Ausführung ist der Druck überzeugend. Mit der Halterung lässt sich der Druck gut an der Hauswand befestigen. Die Schrauben und Dübel sind in der Lieferung enthalten.

 

Die Saal-Digital Software wollte ich hier nochmal in den Fokus rücken. Bei vielen anderen Discountern etc. ist es auch möglich Fotobücher zu bestellen und diese über eine Software zu gestalten. Mich konnte erst die Software von Saal überzeugen, Sie ist einfach und intuitiv zu bedienen und hat keine Bugs. Auch auf dem Mac überzeugt die Software durch kürzere Wartezeiten als bei der Konkurrenz. Auch der Upload der Bilder ist relativ schnell geschafft.

 

Demnächst werde ich euch hier noch ein paar Bilder von den Produkten hochladen…

 

05 Sep

Interrupts für Anfänger in C

In manchen Fällen muss das Programm wegen eines Ereignisses unterbrochen werden. Davor wurde die Interuptsteuerung eingeführt. Hiermit können unvorhersehbare, äußere Ereignisse erfasst werden und sofort verarbeitet. Dafür wird das Hauptprogramm kurzzeitig unterbrochen und der Interupt-Befehl ausgeführt. Danach läuft das Hauptprogramm wieder weiter.
In diesem Artikel behandele ich folgende Themenfelder:

  • Polling vs. Interrupt
  • Funktionen der Interrupts (ATmega)
  • Implementierung eines Interrupt (ATmega)
  • Interrupt-Indexierung bei ATmega
  • Pegel und Flankensteuerung (kommt noch…)
  • Interruptsteuerung eines Kaffeautomaten (kommt noch…)

Beim Polling wird im Programmcode der Zustand des Ergebnisses immer und immer wieder erneut abgefragt.  Hier wird synchron zum Code gearbeitet. Dieses Verfahren benötigt Speicher und Rechenleistung . Jedes mal wird erneut abgefragt, ob der Zustand nun  – endlich – eingetroffen ist. Auch bei einem negativen Ergebnis der Abfrage wird Rechenleistung für die Abfrage benötigt. Bei hoher Taktung der Abfrage wird das Programm unnötig verlangsamt. Allerdings können Fehler bei direkter Implementierung schneller gefunden werden.

Ein Interupt hingegen arbeitet asynchron zum Programmcode. Hier wird ein Nebenläufiger Prozess implementiert, welcher bei negativer Abfrage keine Rechenleistung verbraucht. Denn der Interupt wird,sobald der gewollte Zustand positiv ist, „angestoßen“ und führt den vorgesehenen Programmcode aus. Hierfür wird das Programm direkt vor dem nächsten Maschinenbefehl pausiert, die Register zwischengespeichert und nach dem Interrupt wieder fortgesetzt. Durch diesen „ruckhaften“ Eingriff ist die Fehleranalyse sehr viel aufwendiger.
Sie sehen: bei korrekter Implementierung ist ein Interupt komfortabler und genauer.

Funktionen der Interrupts (ATmega)

Ein Interrupt ist ein vordefinierter Vorfall. Er kann nicht verändert werden. Allerdings gibt die Tabelle eine reichliche Auswahl:

AdresseBezeichnungBeschreibung
0x000RESETReset
0x001INT0Externer Interrupt 0
0x002INT1Externer Interrupt 1
0x030TIMER2_COMPTimer Compare Match
0x004TIMER2_OVFTimer Overflow
0x0005TIMER1_CAPTTimer Capture Event
0x006TIMER1_COMPATimer Compare
0x007TIMER1_COMPBTimer Compare
0x008TIMER1_OVFTimer Overflow
0x009TIMER0_OVFTimer Overflow
0x00ASPI_STCSPI-Übertragung abgeschlossen
0x00BUSART_RXUSART-Empfang abgeschlossen
0x00CUSART_UDREUSART-Datenregister leer
0x00DUSART_TXUSART-Sendung abgeschlossen
0x00EADCAD-Wandlung abgeschlossen
0x00FEE_RDYEEPROM bereit
0x010ANA_COMPAnalogkomparator
0x011TWITwo-Wire Interface
0x012SPM_RDYStore Program Memory Ready

Implementierung eines Interrupt (ATmega)

Schritt 1: die IQR-Anweisung

Bei Eintritt des Interrupt wird das Hauptprogramm beendet und die Interrupt-Service-Routine wird aufgerufen. Diese wird zunächst geschrieben:

 

In der wird zunächst eine Hilfsmethode zur Initialisierung aufgerufen. Danach wird durch „sei()“ die Verwendung der Interrupts freigeschaltet. Mit cli() können die Interrupts wiederum ausgeschaltet werden. Mittels cli()…sei() Konstruktionen können somit bestimmte Programmbereiche von den Interrupts befreit werden. Interrupts, welche im Laufe der sperre Auftreten werden nach dem Schlüsselwort sei() bearbeitet. Eine systemgegebene Priorisierung liegt vor.

Schritt 2: Initialisierung des Interrupts

In einer Hilfsmethode (oder in der main) wird die Interuptsteuerung initialisiert. Die Indexierung hängt von dem jeweiligen Interrupt ab (siehe Indexierung).

 

Schritt 3: Problembehebung 

Bei vielen Anwendungen (zB: Kaffeeautomat) wird nur auf ein außerordentliches Ereignis gewartet. In der Zwischenzeit wird keine Rechenleistung benötigt. Der Mikrocontroller kann in den Stromsparmodus gehen. 

!Achtung! Interrupts unterbrechen ein Programm an einer x-beliebigen Stelle. Dies kann zu Problemen führen:
Lost-WakeUp

Das Programm erwacht nach dem Energiesparmodus nicht mehr. Die Befehle sei(), cli() und sleep() werden atomar ausgeführt. Das heißt die Befehle werden in einem Maschinenschritt verarbeitet. Dadurch kann das Lost-WakeUp Problem behoben werden. So kann dann eine Wait-Funktion aussehen:

Für eine erfolgreiche Synchronisation mittels Interrupts sollten folgende Punkte beachtet werden:

  • Verwende im Interrupt nur volatile-Variablen !
  • Die Fehler-Anomalien werden durch Testen des Programmes nicht auffallen. Das Programm sollte vor Verwendung nochmals durchdacht werden.
  • Interrupts können bei langen Interruptsperren verloren gehen.

Interrupt-Indexierung bei ATmega

Über die Steuerregister EIMSK und EICRA werden die Interupts INT0 und INT1 geschalten.

ISC11ISC10Beschreibung
00niedriger Pegel generiert Interrupt
01jede digitale Pegel-Veränderung generiert ein Interrupt
10fallende Flanke generiert ein Interrupt
11steigende Flanke generiert ein Interrupt