Berührungslose Temperaturmessung - Anfänger

Bergische Universität Wuppertal
Fachbereich C - Physik
Anfänger-Projekt-Praktikum
Berührungslose
Temperaturmessung
Anselm Hahn
Jens Inden
Raphael Kleinemühl
Benjamin Lenz
Paul Middendorf
Besonderen Dank an:
Jens Dopke und Uwe Naumann
12. August 2009
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
2
2 Theorie
2.1 Wiensches Verschiebungsgesetz
2.2 Stefan-Boltzmann-Gesetz . . .
2.2.1 Schwarzkörper . . . . .
2.3 Beugung . . . . . . . . . . . . .
2.4 Phototransistor . . . . . . . . .
2.5 CCD-Zeilenleiste . . . . . . . .
2.6 Transmission . . . . . . . . . .
2.7 Pyroelektrische Sensoren . . . .
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3 Praxis
3.1 Phototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Vermessung der Spektren verschiedener Lichtquellen
3.1.2 Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Das CCD-Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Beschalten des CCD-Arrays . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Ansteuern und Auswerten des CCD-Arrays . . . . .
3.3 Der pyroelektrische Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Vorversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Chopper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 Das Abschirmgehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 Vermessung mit einem Lötkolben . . . . . . . . . . .
3.3.5 Eichung mit einem Hohlraumstrahler . . . . . . . . .
3.3.6 Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4 Resumé
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5 Literaturverzeichnis
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1
Einführung
Heutzutage sind 45% aller Messungen in Industrie und Forschung Temperaturmessungen [1]. Die Temperaturmessung wird zum einen zur Überwachung
von Fertigungsprozessen benutzt, zum anderen zur Bestimmung von Materialeigenschaften von festen, flüssigen und gasförmigen Objekten. Temperatur
beschreibt zusammen mit spezifischen Materialkonstanten den Energiegehalt eines Körpers.
Da das menschliche Wärmeempfinden sehr subjektiv und nicht für die wissenschaftliche Nutzung geeignet ist, gab es bereits recht früh das Bestreben,
Thermometer und Thermostate herzustellen. Der erste Wissenschaftler, der
versuchte, Temperatur unter einem wissenschaftlichen Standpunkt zu untersuchen war 1596 Galileo Galilei mit seinem selbst entwickelten Thermoskop.
1715 hat David Fahrenheit das erste Quecksilber-Thermostat entwickelt,
welches erstmalig über eine reproduzierbare, standortunabhängige Temperaturskala verfügte [1]. Dies ist von besonderer Bedeutung, da es erstmals
möglich war, die Temperatur von Objekten und Ereignissen mehrmals bzw.
über einen gewissen Zeitraum zu bestimmen. Mit der Zeit haben sich die
Methoden der Temperatur- und Wärmestrahlungsmessung in zwei Gruppen
aufgeteilt [2] :
• Quanten-Detektoren, die den Photoeffekt zur Bestimmung von Wärmestrahlung nutzen
• Thermo-Detektoren, die eine Temperaturerhöhung im verwendeten Detektormaterial zur Bestimmung der Temperatur nutzen
Während die elektrische, berührende Wärmemessung durch Widerstände
bzw. durch Thermoelemente schon über 100 Jahre alt ist, wurden erst in
neuerer Zeit Pyroelemente, Photodioden und Phototransitoren zur berührungslosen Wärmemessung entwickelt. Diese Arten der Wärmemessung werden
immer dann verwendet, wenn die zu messenden Objekte nicht erreichbar sind
oder eine zu geringe Wärmekapazität für eine berührende Wärmemessung
besitzen [1] .
Zunächst haben wir uns das Ziel gesetzt, erst mit Hilfe eines Phototransistors, anschließend mit einer CCD-Leiste (vgl. 2.5) eine Spektralanalyse für einen sichtbar glühenden Körper vorzunehmen. Als zweites wollen
wir mit Hilfe eines Pyrometers die Temperatur eines nicht sichtbar Wärme
emittierenden Schwarzkörpers bestimmen. Zwecks der einfacheren Benutzung haben wir uns vorab zur berührungslosen Wärmemessung mit einen
Schmalbandpyrometer entschieden. Die Eichung des Pyrometers wird in einem Temperaturband von 150◦ C bis 450◦ C vorgenommen werden.
Im nun folgenden Teil wird auf die Grundlagen der berührungslosen Tempera-tur- und Strahlungsmessung eingegangen, dann auf die Funktionsweise
der beiden elektrischen Bauteile Phototransitor, CCD und Pyroelement, sowie auf die Idee unserer beiden Messmethoden.
2
2
Theorie
2.1
Wiensches Verschiebungsgesetz
Das Planck’sche Strahlungsgesetz gibt die Strahlungsleistungsdichte aller
emittierten Photonen eines Schwarzkörpers (s.u.) in Abhängigkeit seiner
Temperatur an. Dieser Zusammenhang führt zu den charakteristischen Planckkurven.
Die Tatsache, dass sich mit einer Temperaturveränderung des Schwarzkörpers
die Strahlungsleistung ändert, nutzen wir beim Phototransistor zur Bestimmung der Temperatur:
Die emittierte Wärmestrahlung eines Körpers lässt sich mit dem Planckschen Strahlungsgesetz berechnen. Diese Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen. Mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz können wir diejenige Wellenlänge berechnen, unter der
ein Schwarzkörper bei einer bestimmten Temperatur die größte Strahlungsleistung abstrahlt. Dies geschieht mittels:
λmax =
2897, 8µm · K
T
Wenn nun die Temperatur eines Körpers gemessen werden soll, reicht es aus,
mit dem Phototransistor die Wellenlänge der maximalen Strahlungsintensität zu messen, um daraus die Temperatur zu berechnen.
2.2
Stefan-Boltzmann-Gesetz
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz stellt einen Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Körpers und der von ihm abgestrahlten Wärmeleistung her.
Dabei geht neben der Fläche des abstrahlenden Körpers noch die StefanBoltzmann-Konstante und ein materialabhängiger Emissionsgrad (T) ein:
P = (T ) · σ · A · T 4
:= Emissionsgrad
σ:= Stefan-Boltzmann-Konstante
(5,67·10−8 mW
2K4 )
A:= Oberfläche des Körpers
T:= Temperatur des Körpers
2.2.1
Schwarzkörper
Ein Schwarzkörper ist ein idealisierter Körper, der eine nur von seiner Temperatur abhängige Strahlungsleistung erbringt. Das heißt, Farbe und Oberflächenbeschaffenheit des Körpers nehmen keinen Einfluss. Außerdem absorbiert er jede auf ihn treffende elektromagnetische Welle vollständig. Bei
einem Schwarzkörper handelt es sich um einen optimalen Strahler, weswegen
3
sein Emissionsgrad 1 ist und sich die Formel des Stefan-Boltzmann-Gesetzes
etwas vereinfacht. Da die Fläche eines ruhenden, zu messenden Körpers konstant ist, ist eine Proportionalität der abgestrahlten Leistung zu der vierten
Potenz der Temperatur zu erwarten.
2.3
Beugung
Trifft eine Welle auf ein Hindernis, wie einen Spalt oder eine Kante, so
kann sie sich durch Beugung auch im geometrischen Schattenraum des Hindernisses ausbreiten. Beugung entsteht, wenn sich, wie im Huygens’schen
Prinzip beschrieben, entlang einer Wellenfront neue Wellen bilden, welche
durch gegenseitige Überlagerung zu einer Interferenzerscheinung führen. Die
Interferenzen können in zwei Kategorien unterteilt werden:
• Bei konstruktiver Interferenz verstärken sich die überlagernden Wellen
gegenseitig.
• Bei destruktiver Interferenz vermindern sich die Wellen oder löschen
sich gegenseitig aus
Bei den ersten beiden Versuchen verwenden wir ein optisches Transmissionsgitter. Zum besseren Verständnis wird erstmal auf das Wirkungsprinzip
des Doppelspalts eingegangen und darauf basierend das Interferenzverhalten
des Gitters erklärt.
Wenn ein Lichtstrahl auf zwei sehr kleine, voneinander getrennte Öffnungen auch bekannt als Doppelspalt- trifft, können diese Öffnungen als Punktquellen für Kreiswellen derselben Wellenlänge angesehen werden (Huygens’sches
Prinzip). Diese Wellen der beiden Punktquellen verstärken sich immer an
den Stellen, wo sich ihre Maxima überlagern, d.h. dort, wo ihr Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge beträgt. An den Stellen, wo ein Maximum auf ein Minimum trifft, führt dies zur gegenseitigen
Auslöschung der beiden Kugelwellen (sofern beide Wellen die gleiche Amplitude haben). Hinter dem Doppelspalt wird jetzt eine Abfolge von Interferenzmaxima und Interferenzminima entstehen. Dieses Phänomen kann bei
sichtbarem Licht durch einen hinter dem Gitter angebrachten Schirm visualisiert werden.
Mehrere regelmäßig angeordnete Spalte ergeben ein Gitter, das ein Gitterspektrum abbildet. Bei einem optischen Gitter gibt es auf beiden Seiten der optischen Achse bzw. der nullten Ordnung mehrere weitere Intensitätsmaxima, sogenannte Ordnungen. Je höher die Anzahl der Spalte, desto
schärfer werden die Linien des Spektrums und umso zahlreicher werden die
Nebenmaxima. Der physikalische Zusammenhang lässt sich durch folgende
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Formel [3] für die Maxima n-ter Ordnung beschreiben:
sin α =
λ·n
g
g:= Gitterabstand
α:= Ablenkung
λ:= Wellenlänge
Die Formel zeigt auch, dass die Ablenkung umso größer ist, je größer die
Wellenlänge ist. Diese Tatsache werden wir uns bei der Spektralanaylse zu
Nutze machen.
2.4
Phototransistor
Der Phototransistor basiert auf dem inneren photoelektrischen Effekt. Der
Zustand des Basis-Kollektor-Übergangs des Transistors ist wie bei einer Photodiode vom aktuellen Lichteinfall abhängig, das heißt, bei höherer Lichtintensität fällt eine größere Spannung über der Diode ab [4] .
Phototransistoren haben eine von der Wellenlänge des einfallenden Lichts
abhängige Empfindlichkeit. Die maximale Empfindlichkeit eines Siliziumphototransistors liegt bei einer Wellenlänge von ca. 850 nm. Daher muss bei
einer mit diesem Phototransistor aufgebauten Verstärkerschaltung die Wellenlängenabhängigkeit der gemessenen Ausgangsspannung berücksichtigt werden; es ist also erst nach Herausrechnen dieser Wellenlängenabhängigkeit ein
proportionaler Zusammenhang zwischen Lichtintensität und Ausgangssignal
festzustellen.
Wenn nun ein vom zu messenden Körper abgestrahltes Wellenlängenspektrum
vermessen wird kann man die Intensitäten der Wellen der einzelnen Wellenlängen bestimmen und somit auch die Wellenlänge, bei der die maximale Intensität vorliegt. Mit Hilfe des Wienschen Verschiebungsgesetzes kann
dann auf die Temperatur geschlossen werden.
2.5
CCD-Zeilenleiste
Für den zweiten Versuch verwendeten wir eine CCD-Leiste; hierbei steht
CCD für Charge Coupled Device. Dieser Baustein besteht aus vielen kleinen Kondensatoren (Plättchen in der Größenordnung von wenigen µm), die
in einer Kette angeordnet sind. Gesteuert wird das CCD mittels Taktsignalen.
Erhält ein Kondensator ein Signal, so kommt es zum Überlauf, d.h. er gibt
seine Ladung an die nächste Kondensatorzelle weiter. Dieser Effekt kann
so gesteuert werden, dass die ganze Kondensatorreihe mit einer bestimmten Frequenz die Ladung in eine Richtung weitergibt und man am Ende der
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Leiste ein serielles Signal auslesen kann. In diesem Signal sind dann nacheinander die Informationen jeder einzelnen Zelle zum Zeitpunkt des Überlaufs
enthalten.
Beim CCD-Sensor handelt es sich nun um eine solche Kondensatorkette,
die zwecks Lichtempfindlichkeit mit Photodioden gekoppelt ist. Dabei ist je
eine Kondensatorzelle mit einer über ihr befindlichen Photodiode verbunden.
Die Steuerung der Ladungsverschiebung wird mit zwei Taktsignalen von bis
zu 50MHz gewährleistet. Bei einfallendem Licht entstehen in den einzelnen
Pixeln der CCD-Leiste Potentialunterschiede, die durch den externen Takt
in der CCD-Leiste weitergeleitet werden. Auf Grund der Tatsache, dass die
Detektoren der meisten CCD-Leisten aus Silizium bestehen, können diese
nur bis zum nahen Infrarot (bis ca. 1000nm) verwendet werden, weswegen
solche CCD-Leisten auch nur zur visuellen Spektralanalyse eingesetzt werden können. Die von uns verwendete CCD-Leiste (s. 3.2) selbst besteht aus
insgesamt drei Einzelleisten für die jeweiligen Grundfarben (rot, blau, grün),
die nebeneinander angeordnet sind.
Abbildung 1: CCD-Leiste
2.6
Transmission
Ein Körper strahlt Wärme in Form von elektromagnetischen Wellen ab.
Diese Strahlung kann dann von Sensoren gemessen werden.
Dabei ist die Transmissionskurve des Sensors eine wichtige Kenngröße. Sie
gibt den Transmissiongrad, also den Quotienten zwischen der Intensität der
Welle vor und nach dem Durchgang durch ein Medium, in Abhängigkeit der
vom Körper abgestrahlten Wellenlänge an.
Neben der Transmission einer Welle durch ein Medium gibt es noch einen
Anteil der Welle, der reflektiert und einen Anteil, der absorbiert wird. Da
unsere Temperaturmessung direkt von der Strahlungsintensität abhängen
wird, ist es wichtig, dass keine Strahlung durch Reflektion und Absorption
6
verloren geht. Ein hoher Transmissionsgrad ist für uns von Vorteil, da dann
- bei vernachlässigbaren Reflektionen - am meisten Strahlung zum Sensor
gelangt und als elektrisches Signal erfasst werden kann.
2.7
Pyroelektrische Sensoren
Abbildung 2: pyroelektrische Sensoren
Diese Sensoren nutzen den pyroelektrischen Effekt aus: Der Hauptbestandteil des Sensors ist ein pyroelektrischer Kristall. Auf eine Temperaturänderung reagiert der Kristall mit einer Ladungstrennung, die auf den
Oberflächen mit zwei Elektroden als Spannung gemessen werden kann.
Da der Sensor nur auf Temperaturänderungen reagiert, erhält man kein
stetiges Signal, das wie bei anderen Sensoren (z.B. Pt100-Sensoren) proportional zur Intensität der auftreffenden Strahlung ist. Die Lösung dieses
Problems stellt das Verwenden eines Choppers (s. 3.3.2) dar. Ein Chopper oft über eine rotierende Lochscheibe realisiert - unterbricht mit einer festen
Frequenz den Strahlungsfluss vom zu messenden Körper zum Sensor, so dass
kurzfristig die Eigenstrahlung des Sensors gemessen wird. Es liegt also eine
Temperaturänderung zwischen Temperatur des zu messenden Körpers und
Eigentemperatur des Sensors vor, welche als Spannung abgegriffen werden
kann. Die Frequenz, mit der der Chopper bei pyroelektrischen Sensoren betrieben werden muss, liegt im Bereich von wenigen Hertz (typisch sind 1 Hz
oder 10 Hz). Bei dem von uns verwendeten Sensor müssen wir den Chopper
mit 10 Hz betreiben.
7
3
Praxis
3.1
Phototransistor
Obwohl wir uns bewusst sind, dass der Phototransistor aller Wahrscheinlichkeit nach Ergebnisse liefern wird, die nicht an die Genauigkeit des pyroelektrischen Sensors heranreichen werden, wollten wir dennoch der Vollständigkeit
halber Messreihen mit dem Phototransistor aufnehmen, damit wir die beiden Sensoren miteinander vergleichen können.
3.1.1
Vermessung der Spektren verschiedener Lichtquellen
Um eine Temperatur messen zu können, muss man bewirken, dass unser
Messgerät nicht das volle Farbspektrum sieht“ und dementsprechend auch
”
vermisst, sondern dass lediglich die für die Temperaturmessung interessante
Infrarotstrahlung auf den Phototransistor fällt. Wir haben das Licht verschiedener Lichtquellen (Hg-Lampe, Energiesparleuchte, Glühlampe) durch
ein 600 Linien/mm Strichgitter fallen lassen, um das Farbspektrum aufzuspalten. Für die Temperaturmessung muss man nun den Phototransistor in
den infraroten Bereich des Spektrums halten.
Zunächst haben wir jedoch versucht, eine Kennlinie des Transistors aufzunehmen, indem wir das gesamte sichtbare Spektrum unterschiedlicher Lichtquellen vermessen haben:
Hg-Lampe
Maximum n. Ordnung
Haupt
Violett 1
Grün 1
Gelb 1
Rot 1
Violett 2
Grün 2
Gelb 2
Rot 2
U (in mV)
250
2.9
10.5
9.5
Keine Änderung messbar
1.7
2.2
1.4
Keine Änderung messbar
Bei dieser Messreihe ist besonders problematisch, dass der Transistor, wenn
es in den für uns interessanten Bereich geht, kein klares Signal messen kann.
Dies mag daran liegen, dass das Quecksilberspektrum zwar wunderbare,
scharf voneinander getrennte Farblinien liefert, jedoch nicht das gesamte
sichtbare Spektrum abdeckt.
Also versuchen wir, das Spektrum einer Glühlampe zu vermessen:
8
Glühlampe (60 W)
Bei der Glühlampe war das Licht im aufgefächerten Spektrum leider zu
schwach, als dass der Phototransistor die Maxima hätte erkennen können.
Außerdem war auffällig, dass sich das Farbspektrum bei der Glühlampe nicht
so schön auffächerte wie bei den anderen Lampen, sondern die Farben in einem sehr schmalen Band und sehr unscharf sich fast schon überlagerten,
anstatt durch das Gitter scharf voneinander abgetrennt zu werden.
Nun versuchen wir noch, das Spektrum einer Weißlichtlampe (Energiesparleuchte) zu vermessen:
Energiesparleuchte
Maximum
Haupt
Violett
Dunkelgrün
Hellgrün
Gelb
rot
U (in mV)
2.5
0.4
0.4
0.7
0.4
0.8
Bis auf den gelben Messwert entspricht die Messung unserer Erwartung.
Da wir aber nichts im infraroten Bereich gemessen haben, entspricht dies
unseren Befürchtungen, dass der Transistor nicht für unseren Zweck zu gebrauchen ist.
3.1.2
Schlussfolgerung
Leider mussten wir feststellen, dass der Phototransistor für unsere Anforderungen nicht empfindlich genug war. Außerdem hätten wir für den Phototransistor noch einen speziellen Infrarotfilter verwenden müssen, da sich
die verschiedenen Ordnungen des Spektrums teilweise überlagern und der
Transistor sonst nicht nur das infrarote Licht vermisst, sondern auch die
Überlagerungen. Dies ist beim pyroelektrischen Sensor nicht notwendig, da
dieser Sensor nur für infrarotes Licht empfindlich ist.
3.2
Das CCD-Array
Ein Nachteil des Phototransistors ist, dass mit ihm nur eine punktuelle Messung möglich ist. Ein Wellenlängenspektrum kann somit nur vermessen werden, wenn man es mit dem Phototransistor abfährt und kontinuierlich Messwerte aufnimmt.
Für unser Thermometer würde das bedeuten, dass die emittierte Strahlung
nach dem Auffächern auf ein Wellenlängenspektrum mittels eines Gitters
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noch stückweise mit dem Phototransistor vermessen werden müsste. Dies
hätte einen großen Zeitaufwand zur Folge; das Thermometer wäre also sehr
langsam.
Eine wesentliche Verbesserung der Messgeschwindigkeit wäre durch das zeitnahe Auslesen des ganzen Spektrums zu erreichen. Daher entschlossen wir
uns ein CCD-Array zu verwenden, auf welches wir das Wellenlinienspektrum
der Strahlung des zu messenden Körpers abbilden.
Wir verwendeten für unsere Versuche ein CCD-Array aus einem Scanner
mit der Typbezeichnung TCD2252D. Leider war es nicht in dem von uns
geforderten Wellenlängenbereich sensitiv. Trotzdem entschlossen wir uns,
das CCD-Array zu verwenden und gegebenenfalls später durch ein Array zu
ersetzen, das im Infrarot-Bereich sensitiv ist.
3.2.1
Beschalten des CCD-Arrays
Um das CCD-Array ansteuern und auslesen zu können, benötigten wir eine zusätzliche Schaltung. In Datenblatt des TCD 2252D ist eine typische
Beschaltung des Bausteins zu finden, die wir auf einem Bread Board aufsteckten. Wir tauschten lediglich die beiden in der Standardbeschaltung des
Datenblatts aufgeführten Inverter vom Typ TC74HC04AP gegen drei vorhandene NAND(-Schmidt-Trigger) vom Typ HCF4093. Dabei war zu beachten, dass die Eingänge der Trigger jeweils verbunden werden mussten (also
Pin 1 mit Pin2, Pin 5 mit Pin 6, usw.) und Ausgang und Eingang jeweils
vertauscht werden mussten.
Abbildung 3: NAND-Schmidt-Trigger
10
Abbildung 4: Schaltplan der CCD-Leiste
3.2.2
Ansteuern und Auswerten des CCD-Arrays
Um die CCD-Leiste nun in Betrieb zu nehmen muss man sie, wie im Theorieteil bereits erwähnt, mit Taktsignalen ansteuern. Aus dem Datenblatt
geht hervor, wie diese Signale aussehen müssen: Um die Signale zu erzeugen
Abbildung 5: Taktung der CCD-Leiste
haben wir einen programmierbaren µ-Controller (PIC) verwendet. Die einzelnen Ausgänge des PIC wurden dabei zu verschiedenen Zeiten zwischen 0
und 1 hin- und hergeschaltet. Dies wurde mit folgendem Code realisiert:
11
//Einmalig zur Initialisierung aufgerufen
int sheep;
TRISA = 0;
TRISB = 0;
LATA = 0;
LATBbits.LATB0 = 0;
sheep = 1;
//Immer wieder in einer Schleife aufgerufen
LATBbits.LATB0 = 1 ^ LATBbits.LATB0;
if(LATBbits.LATB0)
LATAbits.LATA0 = 1 ^ LATAbits.LATA0; //phi
LATAbits.LATA1 = 1 ^ LATAbits.LATA1; //SP
LATAbits.LATA2 = 1 ^ LATAbits.LATA2; //RS
LATAbits.LATA3 = 1 ^ LATAbits.LATA3; //CP
if(sheep++ == 5000)
{
LATAbits.LATA4 = 1 ^ LATAbits.LATA4; //SH
sheep = 1;
LATAbits.LATA4 = 1 ^ LATAbits.LATA4;
}
Wie aus der Graphik zu erkennen ist, erfolgt die Ausgabe eines Kanals
(rot, grün, blau) in serieller Form nach einem SH-Takt. Die Ausgabe besteht
aus mehreren Dummy-Elementen und den darauf folgenden Daten der Pixel
(2700 Elemente).
Im Prinzip sollte man nun durch Auswertung der 2700 ausgegebenen Elemente eine Intensitätsverteilung auf dem CCD messen können. Wird die
CCD-Leiste hinter einem Gitter angebracht, so sollte man also ein Spektrum aufnehmen können.
Bei der Auswertung ergab sich jedoch das praktische Problem, das der verwendete PIC viel zu langsam war. Auch eine Auswertung weniger, herausgegriffener Pixel war kaum möglich, da die effektive Taktrate (also die Anzahl
an Durchläufen unseres Codes pro Sekunde) des PIC sich mit jedem Befehl
im Quelltext änderte. Bei dem Versuch einer Auswertung wäre die Taktrate
so weit gesunken, das wir nur noch sehr wenige Pixel hätten sehen können.
Eine mögliche Lösung dieses Problems wäre es gewesen, das CCD direkt
an einen Computer anzuschließen. Das hätte allerdings weit mehr Aufwand
bei der Programmierung bedeutet und somit den Rahmen des Praktikums
gesprengt.
Abschließend lässt sich sagen, dass die Ansteuerung der CCD-Leiste soweit
12
möglich war, das wir ein Signal erhalten haben, das deutlich vom Lichteinfall auf der Leiste abhing.
Nur die tatsächliche Auswertung dieser Ausgabe hätte zu viel Aufwand bedeutet.
3.3
Der pyroelektrische Sensor
Wir haben zwei pyroelektrische Sensoren zur Hand:
• Einen IRA E712ST3, den wir bei Farnell bestellt haben.
• Einen hochpräzisen, geliehenen, Sensor mit der Typbezeichnung LME302 von Infratec, den wir uns von den Atmosphärenphysikern geliehen
haben.
Wir benutzen den Sensor von Infratec, weil er in dem für uns interessanten
Wellenlängenbereich sensitiver ist.
Für den Betrieb des Sensors haben wir folgendes Schaltbild aus dem Datenblatt des Sensors verwendet:
Abbildung 6: Schaltplan pyroelektrischer Sensor
Die Ausgänge des Sensors haben wir an ein Oszilloskop angeschlossen.
Das sinusförmige Signal ist abhängig vom Temperaturunterschied, den der
Sensor misst: Je höher der Temperaturunterschied (die zu messende Temperatur), desto größer ist die Amplitude der Ausgangsspannung. Wir haben
alle Messwerte mit der USS-Funktion des Oszilloskops gemessen, d.h. dass
wir die doppelte Amplitude der Ausgangsspannung gemessen haben.
3.3.1
Vorversuche
Um die Funktionsfähigkeit des Sensors zu testen, haben wir Abbildung 6
zunächst auf einem Breadboard zusammengesteckt und verschiedene Wärmequellen
vor den Sensor gehalten:
13
Abbildung 7: Hand vor den Sensor gehalten
Abbildung 8: zündendes Streichholz vor den Sensor gehalten
3.3.2
Chopper
Kristalle reagieren auf eine zeitliche Temperaturänderung mit Ladungstrennung. An Abbildung 9 sehen wir, dass die Spannung wieder sinkt, wenn
keine ständige Temperaturänderung erfolgt. Ursache dafür sind freie Elektronen in der umgebenden Luft, welche die Oberflächenladung des Kristalls
abbauen. Da für uns eine regelmäßige Spannung zur Temperaturmessung am
nützlichten ist, benötigen wir eine regelmäßige Temperaturänderung. Mittel
für dieses Ziel ist ein Chopper, den wir uns nur dann sparen könnten, wenn
wir in der Lage wären, das Umfeld des Sensors zu evakuieren.
Der Chopper hat die Funktion, den Sensor von der Wärmestrahlung abzuschirmen. Wir begannen mit dem Bau eines Choppers an einem Zeitpunkt,
zu welchem uns das Vorhandensein von fertigen Choppern in den Praktikumsräumen noch nicht bekannt war.
Unser erster Versuch, einen Chopper herzustellen, bestand in der Verwendung eines CPU-Lüfters mit fünf Rotorblättern. Zur Vereinfachung entfernten wir vier der fünf Blätter und standen anschließend dem Problem der
Umlaufmessung gegenüber. Wir behalfen uns mit einer Heißklebepistole und
14
Abbildung 9: abfallende Spannung bei vorgehaltener Hand
Abbildung 10: Computerlüfter
einer Bleistiftmine, indem wir die rotierend Mine gleichmäßig über ein Blatt
Papier zogen und dann die Umlaufkreise zählten. Diese Messung ist natürlich
sehr ungenau, denn die menschliche Koordination ist nicht gleichmäßig, der
Rotor wird durch Berührung mit dem Blatt abgebremst und die Umlaufkreise liegen derartig nahe beinander, dass ein Zählen unmöglich gemacht
wird.
Auf der Suche nach einem Ersatz für den Lüfter fanden wir eine Festplattenscheibe. Diese hatte die guten Eigenschaften, dass sie
1. rund war
2. sehr gut reflektiert, was für die Messung der Umlaufzeit sehr vorteilhaft
war (s.u.)
Die Messung der Umlaufzeit geschah mittels eines Laserpointers, der so
auf die Scheibe gerichtet war, dass der reflektierte Strahl genau auf einen
Phototransistor traf. Indem wir noch eine Hälfte der Scheibe abklebten
und sie so ihrer Spiegeleigenschaft beraubten, konnten wir beim Drehen
der Scheibe Hell-Dunkel-Impulse auf dem Oszilloskop sichtbar machen.
15
Abbildung 11: Festplattenscheibe
Abbildung 12: Umlaufmessung
Eine Impulsperiode gab uns dann die Umlaufzeit. Die kleinste realisierbare Umlauffrequenz betrug 10 Hz. Wenn wir die Frequenz verringerten,
lief die Scheibe nicht mehr rund, weil der Motor für die gewichtige Scheibe
zu schwach war. Daher waren wir froh, einen sogenannten Variable Speed
”
Light Beam Chopper“ gefunden zu haben mit einer kleinsten einstellbaren
Frequenz von 0,1 Hz.
Wir widmen uns nun der Frage, was die Umdrehungsgeschwindigkeit bewirkt: Aus dem Datenblatt [10] eines der uns zur Verfügung stehenden Sensoren geht hervor, dass bei 10 Hz das Verhältnis von Ansprechbarkeit/Empfindsamkeit
und Rauschen Eins ist. Die doppellogarithmische Darstellung zeigt: Jede
von 10 Hz abweichende Frequenz ist schlechter, weil entweder das Rauschen
und die Ansprechbarkeit kleiner werden oder beide größer. Wir entscheiden uns also für den Schnittpunkt der beiden frequenzabhängigen Kurven,
weil beispielsweise kleines Rauschen und schlechte Ansprechbarkeit weniger
gewinnbringend sind.
16
3.3.3
Das Abschirmgehäuse
Um mit dem Sensor effektiv zu messen, haben wir ein Gehäuse gebaut. Die
Motivation für den Bau des Gehäuses ist:
1. Den Sensor vor störender Wärmestrahlung abzuschirmen
2. Für eine konstante Temperatur des Sensors zu sorgen
3. Kurze Signalwege von Pyrosensor zur Auslesektronik mit dem Ziel den
Einfluss durch EM-Störeinfänge möglichst gering zu halten
4. Leichter Austausch der Sensoren
Als Material für das Gehäuse des Sensors entschieden wir uns für Plastik.
Wir verwendeten eine passende 4cm × 2, 5cm × 1cm große wiederverschließbare, schwarze Box, in der wir eine Halterung für den Sensor einbauten.
Dazu kamen Anschlüsse für die am Gehäusedeckel befindliche Elektronik;
der Grund für die externe Befestigung der Elektronik liegt in der Absicht,
bei verschiedenen Sensoren die Elektronik schnell austauschen zu können
und die ausreichende Kühlung des Spannungsreglers sicherzustellen.
An einer länglichen Gehäuseflanke wurde passend zur Halterung ein Loch
für die einkommende Wärmestrahlung gebohrt und aus schwarzer Kartonage gebauten Strahlungstunnel zum Sensor hin eingesetzt. Des weiteren
wurde ein Loch gebohrt passend für das Sensorkontrollthermometer.
Abbildung 13: das Gehäuse mit externer Schaltung
3.3.4
Vermessung mit einem Lötkolben
Nun geht es daran, den pyroelektrischen Sensor zu vermessen. Eine relativ
schnelle Möglichkeit, das Verhalten des Sensors zu untersuchen, ist, einen
Lötkolben mit einstellbarer Temperatur vor den Sensor zu halten und somit
die Spitze des Lötkolbens zu vermessen.
17
Abbildung 14: Innenansicht des Gehäuses mit Sensor
T (in ◦ C)
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
U (in mV) ∆T
40
44
48
52
52
56
56
64
68
68
72
80
88
88
96
104
112
120
128
136
144
152
160
168
184
192
208
216
236
248
256
18
(in ◦ C)
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
∆U (in mV)
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
Abbildung 15: Temperaturkurve Lötkolben
Die mit gnuplot gefittete Funktion zu den Messwerten lautet:
U = f (T ) = 2.54 · 10−9 T 4 + 6.45 · 10−4 T 2 + 25.39
Nach der Boltzmann-Formel hätten wir eine stärkere T 4 Abhängigkeit erwartet, da wir jedoch nicht genau wissen, wie der Sensor die Signale verarbeitet,
entspricht der Graph prinzipiell unseren Erwartungen.
3.3.5
Eichung mit einem Hohlraumstrahler
Da die Vermessung mit dem Lötkolben zwar recht schnell funktioniert, auf
Grund der kleinen Spitze des Lötkolbens aber nicht ganz genau ist, nehmen
wir zur Eichung des Sensors einen kleinen Ofen als Schwarzkörper. Der Ofen
wird über ein Netzgerät betrieben, an dem die Spannung eingestellt werden
kann, mit der der Ofen betrieben wird. Um eine bessere Genauigkeit in der
Temperaturmessung zu erhalten, haben wir drei verschiedene Temperatursensoren in den Ofen gehalten (PT1000 über Cassy, Temperatursensor des
Digitalmultimeters von Peaktech, Temperaturmessgerät aus dem AP, das
allerdings nur bis 200◦ C arbeitet):
19
CASSY
T (in ◦ C)
44,8
65,3
95,5
144,6
181,2
207,2
222,8
248,8
274,8
311,2
342,4
373,6
410
∆CASSY
∆T (in ◦ C)
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
DMM
T (in ◦ C)
49
70
103
156
193
215
230
258
285
320
351
381
415
∆DMM
∆T (in ◦ C)
7
7
7
7
7
7
7
7
7
7
7
7
7
Thermo
T (in ◦ C)
47,1
67,2
98,3
149,2
185,1
∆Thermo
∆T (in ◦ C)
2
2
2
2
2
Diese drei Messwerte haben wir dann arithmetisch gemittelt. Der Gesamtfehler berechnet zu (n=3, bzw. n=2):
∆xges =
p
(∆x1 )2 + (∆x2 )2 + (∆x3 )2
n
Damit erhalten wir folgende Messwerte:
Mittel
T (in ◦ C)
46,97
67,5
98,93
149,93
186,43
211,1
226,4
253,4
279,9
315,6
346,7
377,3
412,5
∆Mittel
∆T (in ◦ C)
2,94
2,94
2,94
2,94
2,94
4,3
4,3
4,3
4,3
4,3
4,3
4,3
4,3
Pyro
U (in mV)
24
40
68
140
188
244
304
384
496
628
808
992
1210
20
∆Pyro
∆U (in mV)
4
4
4
4
4
8
8
8
8
8
8
8
10
Abbildung 16: Temperaturkurve Ofen
Die mit gnuplot gefittete Funktion zu den Messwerten lautet:
U = f (T ) = 8.61 · 10−9 T 4 + 3.07 · 10−3 T 2 + 19.64
Auch hier entsprechen die Messwerte prinzipiell unseren Erwartungen. Der
auch hier sehr niedrige T 4 Zusammenhang hängt wohl, wie bereits oben vermutet, damit zusammen, wie der pyroelektrische Sensor die Eingangssignale
verarbeitet.
3.3.6
Schlussfolgerung
Prinzipiell haben wir es geschafft, mit dem pyroelektrischen Sensor ein funktionsfähiges Thermometer zu bauen, mit dem man Schwarzkörper vermessen
kann.
Auf Grund der mangelnden Zeit haben wir es leider nicht mehr geschafft,
einen unbekannten“ Schwarzkörper, sprich einen anderen Ofen mit Gra”
phiteinlage, mit unserem Pyrometer zu vermessen und die Temperatur mit
einem geeichten Thermometer zu kontrollieren. Dieser Schritt wäre eigentlich noch notwendig gewesen, um zu überprüfen, inwieweit die Öfen als
Schwarzkörper anzusehen sind und ob man eventuell diesbezüglich noch
Korrekturterme einfügen muss.
Insbesondere das Eichen des Pyrometers mit dem kleinen Ofen hat sich als
sehr zeitintensiv herausgestellt, da es jeweils knapp eine Stunde dauerte, bis
sich der Ofen auf eine konstante Temperatur eingependelt hatte. So haben
wir 2 Tage gebraucht, um die komplette Messung durchzuführen.
21
4
Resumé
Auf Grund der freien Wahl der beiden Versuchsthemen und der individuellen Gestaltungsmöglichkeit im Projektpraktikum wurden wir im Vergleich
zu den bisherigen Praktika erstmalig zu einer selbständigen Ausarbeitung
der notwendigen physikalischen Grundlagen für das Projektpraktikum angehalten.
Die selbst gestellten Aufgaben verlangten desweiteren von uns, dass wir,
bezogen auf die Experimente, und die daraus resultierenden Daten individuelle Schwerpunkte in der Datenerfassung und Analyse setzen mussten.
Im Rahmen der Teamarbeit wurden uns immer wieder die unterschiedlichen
Analysen der einzelnen Mitglieder vor Augen geführt. Die Summe der Einzelanalysen war für das physikalische Verständnis ungemein hilfreich, da sich
schon recht früh die individuellen Sachkenntnisse der einzelnen Teilnehmer
zeigten.
Bei der Konzeption, Aufbau, Durchführung und Auswertung unserer Experimente haben wir gelernt, dass eine gemeinsame und fachlich stimmige
Vorbereitung, sowie eine ordentliche Dokumentation der Ergebnisse eine notwendige Grundlage für wissenschaftliches Arbeiten sind.
Eine ordentliche Dokumentation ist auch die elementare Grundlage für eine
spätere Präsentation der Ergebnisse, wobei wir gelernt haben, dass weniger
die Quantität, sondern viel mehr die Qualität der Messwerte entscheidend
für die Beschreibung eines physikalischen Sachverhalts ist.
Die experimentelle Bestimmung der Temperatur mit Hilfe von Phototransitor und CCD-Leistenspektroskopie ist uns, wegen der uns zur Verfügung
stehenden Sensoren, wie befürchtet, nicht gelungen. Dies hat jedoch nicht
an unseren Konzepten gelegen, sondern, wie erwähnt, an den vorhandenen
Messinstrumenten.
Trotzdem hat uns die Arbeit an beiden Projekten gerade wegen der Komplexität der Versuche und den Rückschlägen bei der Ausarbeitung des Messaufbaus in der Teamarbeit gestärkt und einen guten Einblick in die Forschungsarbeit ermöglicht. Das erfolgreiche Temperaturmessen mit den Pyrosensor
war eine schöne Bestätigung für unser gemeinsam entwickeltes Konzept der
berührungslosen Messung und ein schöner Abschluss unseres Praktikums.
22
5
Literaturverzeichnis
Literatur
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”
und Widerstandsthermometern“, JUMO, 2007
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lag, 23. überarbeitete Auflage, 2006
[4] Neil Sclater, Electronics Technology Handbook“, McGraw-Hill Profes”
sional, 1. Auflage, 1999
[5] Wolfgang Demtröder, Experimentalphysik 1“, Springer Verlag, 5. Auf”
lage, 2008
[6] Wolfgang Demtröder, Experimentalphysik 2“, Springer Verlag, 5. Auf”
lage, 2009
[7] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Physik“, Wiley-VCH,
”
Bachelor-Edition, 2007
[8] Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik“,
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Springer Verlag, 12. Auflage, 2002
[9] Peter Kind et al., EP 11b Digitalelektronik - Teil 3: Mikrocontroller“,
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2006
[10] InfraTec, Datenblatt LME-302- pyroelectric detector“
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[11] Toshiba, Datenblatt “TCD 2252D Toshiba CCD Linear Image Sensor“
[12] ST Microelectronics, Datenblatt HCF 2093 QUAD 2-input NAND
”
Schmidt-trigger“
23