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Physikalisches Praktikum Laborversuch:
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Carl-Engler-Schule Karlsruhe BS, BK, FS
Kalibrierung eines NTC-Widerstandes
Grundlagen Das Wasser in einem Becherglas wird durch eine elektrische Heizung aufgeheizt. Der Temperaturverlauf, sowie die Werte der Heizspannung und des -stroms werden über ein Computerprogramm erfasst und anschließend ausgewertet. Parallel dazu werden die Widerstandswerte eines NTC-Widerstandes erfasst. Der Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur wird durch eine mathematische Funktion beschrieben. Aus einem gemessenen Widerstandswert kann die zugehörige Temperatur berechnet werden. Das Netzgerät wird über den USB-Anschluss des Computers (über einen Schnittstellenumsetzer nach IEC-Bus) gesteuert und gibt die tatsächlich sich einstellenden Werte von Spannung und Strom an den Computer zurück. Die Temperatur wird mit einem Thermoelement in einem festen Zeittakt über das cDAQ-System, ebenfalls über USB, erfasst. Diese Daten (Zahlenwerte im ASCII-Format) werden in einer Datei gespeichert, die von der Tabellenkalkulation gelesen werden kann. Um die dort ausgeführen Berechnungen und Formatierungen, sowie die Diagramme zu sichern, muss anschließend im Format der Tabellenkalkulation abgespeichert werden. Es sind bei diesem Versuch Dateien unterschiedlichen Typs zu unterscheiden: labview.exe max.exe heizung31.vi heizung32.vi heizung51.vi heizung52.vi heizung01.asc excel.exe heizung01.xls
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Programmier-Umgebung, ausführbare Datei Programm zur Konfiguration und Parametrierung des cDAQ-Systems Programm zur Gerätesteuerung (E3640A; ISM) Programm zur Gerätesteuerung (E3640A; cDAQ) Programm zur Gerätesteuerung (HP6632A; ISM) Programm zur Gerätesteuerung (HP6632A; cDAQ) Textdatei mit den Messdaten (Ziffern, Dezimaltrennzeichen, Zeilenvorschub) Tabellenkalkulation, ausführbare Datei EXCEL-Arbeitsmappe mit den bearbeiteten Daten
Vorbereitung Das Becherglas (mit Magnetfisch) wird ohne Wasser gewogen. Dann wird so viel destilliertes, vorgekühltes Wasser eingefüllt, dass die am Deckel befestigten Bauteile (Heizspirale, NTC, Pt 100) vollständig ins Wasser eintauchen. Es wird erneut gewogen und die Masse des Wassers berechnet. Das Becherglas wird auf den Magnetrührer gestellt und die Heizspirale an das Netzgerät angeschlossen. Mit einer Reihenschaltung der beiden Heizwendeln kann der Leistungsbereich des Netzgeräts besser ausgenutzt werden als bei Parallelschaltung. Das zu verwendende Netzgerät wird vorgegeben. Mit dem E 3640A sind Ströme bis 3A möglich, mit dem HP 6632A sind bis zu 5A möglich. Zur Temperaturmessung wird hier ein Thermoelement vom Typ K (Ni-CuNi) verwendet. Die Messung erfolgt über einen entsprechend konfigurierten Kanal des cDAQ-Systems. Zur Messung wird das LabVIEW-Panel "heizung32.vi" bzw. "heizung52.vi" verwendet. Von dort lassen sich Strom- und Spannungswert des Netzgerätes einstellen. Das cDAQ sollte bereits vor dem Laden von LabVIEW angeschlossen und parametriert sein. Es wird eine taktgesteuerte Messung (Taktzeit z.B. 30s) vorbereitet. Bei einer Messung mit dem ISM-Modul wird die Konfiguration und Parametrierung mit dem Programm ICP100.exe vorgenommen.
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Bei einer Messung mit dem cDAQ-System wird die Konfiguration und Parametrierung mit dem Programm MAX.exe vorgenommen. Die erforderlichen Schritte im MAX (measurement & automation explorer) sind im Dokument „Entwicklung von messbasi.vi“ beschrieben.
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Test Bei unterbrochener Heizleitung und einer reduzierten Taktzeit von z.B. 3s wird das Programm getestet.
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Aufgaben
4.1
Messung Bei unterbrochener Heizleitung wird das Programm gestartet. Der Speicherort für die Daten-Datei heizungxx.asc wird festgelegt. Zeitgleich mit dem Bestätigen wird die Heizleitung wieder eingesteckt, die Messung startet jetzt. Im eingestellten Takt werden automatisch Spannungs-, Strom- und Temperaturwert des Thermoelements erfasst und in die Tabelle eingetragen. Die Messung wird manuell über den STOP-Taster beendet, wenn sich die Temperatur nicht mehr wesentlich ändert oder wenn 75°C überschritten sind.
4.2
Auswertung: Tabelle Bereits während der Messung kann ein Tabellenblatt mit den Spalten "U inV", "I in A", "T in °C" und „R in Ω“ vorbereitet werden. Während der Messung werden die Daten automatisch in einer Datei gespeichert. Nach Abschluss der Messung werden sie (vom Anwender) in die Tabellenkalkulations-Tabelle übertragen. Achtung: Die Datei enthält die Daten im ASCII-Format (Text). Starten Sie zuerst die Tabellenkalkulation und ziehen Sie vom Dateiverzeichnis die *.ascDatei ins tabellenblatt. Lesen Sie mit Hilfe des Text-Assistenten die Daten richtig ein. Kopieren Sie sie von dort in die Arbeitsmappe, in der sie die Auswertungen vornehmen (*.xlsDatei oder *.odt-Datei).
4.3
Auswertung: Temperatur-Zeit-Diagramm In einem geeigneten Diagramm wird die Temperatur als Funktion der Zeit dargestellt. Die Änderungsgeschwindigkeit (z.B. in K/min) sollte über mehrere Datenpunkte ermittelt werden. Wie gross ist die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur zu Beginn der Messung? Wie gross ist die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur bei etwa 50°C?
4.4
Auswertung der NTC-Daten Stellen Sie die Abhängigkeit der NTC-Widerstandswerte von der Temperatur in einem geeigneten Diagramm grafisch dar (Kalibrierfunktion). Stellen Sie die Temperaturwerte in Abhängigkeit von den NTC-Widerstandswerten in ei-
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nem geeigneten Diagramm grafisch dar (Analysenfunktion). Berechnen Sie für die Darstellung ein Ausgleichspolynom und geben Sie die Funktionsgleichung im Diagramm mit an (sinnvolle Anzahl signifikanter Stellen der Koeffizienten beachten).
4.5
Temperaturmessung mit dem NTC Bestimmen Sie für verschiedene Temperaturen den Widerstandswert des NTC. Bestimmen Sie die zugehörige Temperatur und vergleichen Sie diese mit der Temperatur, die vom Thermoelement erfasst wird. Erstellen Sie für das cDAQ-System ein LabVIEW-Programm, mit dem der NTC-Widerstand periodisch gemessen und der zugehörige Temperaturwert parallel dazu berechnet und angezeigt wird. Dazu wird die Analysenfunktion (=Umkehrung der Kalibrierfunktion) benötigt. Wenden Sie eines der angegebenen Verfahren an. Erste Variante: Stellen Sie die Abhängigkeit der Temperatur vom Widerstand grafisch dar und berechnen Sie dazu eine neue Ausgleichsfunktion (Polynom) T=f(R). Zweite Variante: Nach der Theorie ist bei Verwendung der absoluten Temperatur in K eine Exponentialfunktion zu erwarten. c
R= R∞∗e T Trägt man R über 1/T grafisch auf, kann eine Ausgleichsfunktion (Trendlinie
exponentiell) berechnet werden, die als Parameter R∞ und c enthält. Durch Umstellung der Gleichung kann T aus R berechnet werden. Dritte Variante: Trägt man R über T grafisch auf, kann eine Ausgleichsfunktion mit dem SOLVER gefunden werden, die als Parameter R∞ und c enthält. Durch Umstellung der Gleichung kann T aus R berechnet werden.
4.6
Auswertung: Ergebnis- und Unsicherheitsdiskussion Beschreiben Sie die Diagramme in Worten. Vergleichen Sie erwartetes und gemessenes Verhalten. Begründen Sie physikalisch die Ergebnisse. Nennen Sie Messunsicherheiten in der Reihenfolge der vermuteten Einflussgrösse. Schätzen Sie die Unsicherheiten bei der Kalibrierung und der Temperaturmessung mit dem NTC ab.
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Hinweise Dokumentieren Sie alle Schritte und Einstellungen, die notwendig sind, um den Versuch unter gleichen Bedingungen wiederholen zu können. Die Dokumentation sollte Kopien von Bildschirm-Fenstern enthalten. Mit der Taste
wird der gesamte Bildschirm, mit nur das aktuelle Fenster in die Zwischenablage kopiert und kann von dort in ein Textdoument eingefügt werden.
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