braunschweig

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht
BRAUNSCHWEIG
Konstruktion einer
Geoelektrik-Messapparatur
David Hunkemöller
Jan Ammermann
Schule:
Hoffmann-von-Fallersleben
Gymnasium
Jugend forscht 2013
Jugend forscht 2013
Konstruktion einer
Geoelektrik-Messapparatur
David Hunkemöller,
Jan Ammermann
Hoffmann-von-Fallersleben-Schule
Thema
Idee Nummer 1: Zwei-Polmessung
Idee Nummer 2: Vier-Polmessung
Idee Nummer 3: Umplungsmessung
Idee Nummer 4: Wechselstrommessung
Zusammenfassung, Ausblick und Danksagung
Seite
1,2
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6
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Konstruktion einer Geoelektrik Messapparatur
Unsere Idee:
In unserer AG messen wir oft mit Erdungsmessgeräten den Widerstand im Boden. Da aber
diese Erdungsmessgeräte sehr teurer sind, haben wir uns entschlossen ein preiswertes
Erdungsmessgerät selber zu entwickeln. Außerdem ist es aufwendig, die Messwerte
aufzuschreiben und dann in den PC einzugeben. Deshalb möchten wir versuchen, die
Messung direkt vom PC auszuführen und die Daten automatisch einlesen zu lassen.
Dazu haben wir ca. 5,9 kg, bzw. 10 kg feuchte Erde in einen Plastikbehälter gefüllt und
zunächst richtig durchfeuchtet.
Wir wollen nun untersuchen, wie sich der Widerstand mit abnehmender Bodenfeuchte
verändert.
Idee Nr. 1:
Wir haben versucht, den Widerstand des Bodens zwischen zwei Nägeln zu messen.
Die Grundgleichung U = R x I haben wir nach R umgestellt.
R= U / I
Im folgenden Bild ist der Messaufbau für unsere Bodenmessung dargestellt.
Diese Messmethode funktioniert nicht, da der Übergangswiderstand vom Nagel zum Boden
zu groß ist.
Ersatzschaltbild der Messung
Erläuterung auf dem Bild ( 6V Batterie….)
Erläuterung:
R(A): Übergangswiderstand vom ersten Nagel
R(B): Übergangswiderstand vom zweiten Nagel
R(E): Widerstand zwischen den beiden Nägeln
R (gemessen) = R (A) + R (E) + R (B)
Idee Nr. 2
Unsere nächste Idee war, mit der 4Pol Methode zu messen, dabei ist der Vorteil, dass man nur
den Widerstand (RE) im Boden zwischen den zwei Nägeln misst.
Hierzu werden 4 Nägel im gleichen Abstand in einer Reihe in den Boden gedrückt.
An den Äußeren Nägeln wird Strom eingeleitet, der gemessen wird.
An den inneren Nägeln wird die Spannung gemessen.
Mit der Formel R = U / I wird der Widerstand berechnet.
Der Vorteil ist, dass der gemessene Strom im Stromkreis auch genau dem Strom in der Erde
entspricht.
I = IE
Strom durch die Erde
U = UE
Spannung am „Erdwiderstand“
RE = UE / IE
Scheinbarer Widerstand der Erde
Als wird diese Messungen durchgeführten, stellten wir fest, dass es mit echtem Erdboden
weitere Probleme gibt:
Durch das Oxidieren der Nägel wird im Boden eine Spannung aufgebaut, die auch schon
vorhanden ist, bevor überhaupt der Strom angeschaltet wird. Diese stört auch die Messungen
nach der 4 Pol-Methode.
Versuchsaufbau:
Diese Spannung nennen wir U0, sie ist abhängig von der Art der Nägel, der Bodenfeuchte und
der Bodenart.
Idee Nr. 3:
Damit die Kontaktspannung die Ergebnisse nicht mehr verfälscht, haben wir eine
Doppelmessung mit einer Umpolung ausprobiert (Eine positive und eine negative Messung).
Aus diesen Messungen haben wir die Mittelwerte von U und I errechnet.
Der Vorteil bei dieser Messmethode ist, dass die Spannung U0, die durch das Oxidieren der
Nägel entsteht, herausgerechnet wird.
Das Problem bei dieser Messmethode ist, dass sich der Boden mit der Zeit auflädt und somit
die Messergebnisse von der Dauer der Messung abhängen, also liefern U1 und U 2 keine
stabilen Messwerte.
Δ U = U2 – U1
Δ I = I2 – I1
Diese Messwerte sind in der Tabelle zu sehen.
Idee Nr. 4:
Um das aufwendige Umpolen, Messen und Rechnen, wie es in der Idee Nr. 3 beschrieben
wurde, zu vermeiden, wird nun Wechselstrom benutzt.
Im Labor haben wir zunächst eine Frequenz von 50 Hz bei 6 V AC Spannung verwendet.
R = U / I gilt auch für Wechselstrom
Den Versuch mit der Wechselspannung, haben wir Zuhause durchgeführt. Hierzu haben wir
in einer Kiste Sand den Wiederstand gemessen. Die Wechselspannung haben wir aus einem
Netzgerät bezogen.
Der Versuch war erfolgreich. Die prozentualen Meßabweichungen im Vergleich zur
Umpolmessung (Idee Nr. 3) sind bei der Messung mit Wechselstrom geringer. Eine Tabelle
haben wir hierzu erstellt.
Zum Vergleich haben wir in beiden Tabellen zusätzlich den Widerstand mit einem
Profi-Erdungsmesser gemessen und die Werte mit unseren verglichen.
Bei unseren Messungen mit Wechselstrom hatten wir nur sehr geringe Abweichungen (Max
1,5%) im Gegensatz zu der Umpolmessung.
Letztes Problem:
Da wir die Wechselspannung aus einem Netzgerät mit 220V Anschluss benutzt haben, und
auf dem Feld kein 220V Anschluss zur Verfügung haben mussten wir nur noch eine Methode
entwickeln, um Wechselstrom auf dem Feld zu erzeugen.
Hierzu haben wir einen Relais, einen Magneten und einen Kondensator verwendet.
Weiteres Ziel:
Die Messwerte aus der Wechselstrommessung möchten wir direkt in den PC einlesen. Das
Notieren der Messwerte kann somit entfallen.
Ein Messgerät (Multimeter)(VA18B mit USB Anschluss haben wir bereits angeschafft.
Zusammenfassung:
Wir haben lernen, das der Bodenwiderstand nicht leicht zu messen ist, da chemische Effekte
zusätzlich Spannungen erzeugen und der Boden sich wie ein Akku bzw. Kondensator
aufladen kann. Mit der Wechselstrommethode konnten wir diese Probleme aber weitgehend
umgehen, sodass das Messprinzip nun klar ist.
Daher muss man ein genaues Timing bei der Messung einhalten, z. B.
1. U0 messen
2. Strom nach 3 sec, U1 und I1 messen
3. Strom für 3 sec aus
4. Umgepolten Strom an, nach 3 sec U2 und I2 messen
5. Strom aus
Das Aufladen des Bodens kann durch einen Kondensator in der Ersatzschaltung nachgebaut
werden.
Ausblick:
Wir wollen nun einen kleinen Wechselstromgenerator bauen, der auf dem Feld einsetzbar ist.
Als nächstes sollen die Multimeter durch PC-gesteuerte Geräte ersetzt werden und die
Messdaten direkt in den PC eingespeichert werden. Außerdem wollen wir noch bei weiteren
Bodenproben untersuchen, wie sich der Bodenwiderstand mit der Bodenfeuchte verändert
(Sand, Lehm, Kalkstein, Walderde, Heideerde, überdüngte Erde und Löss).
Danksagung:
Wir möchten uns bei Herrn Dr. Fieberg bedanken, der dies erst alles möglich gemacht hat.