| Medizintechnik - Beispiele für Versuche im Physikunterricht (Digitalthermometer) |
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Im Anfangsunterricht wird der elektrische Strom behandelt (8.
Jahrgangstufe im neunjährigen bayerischen Gymnasium, 7. Jahrgangsstufe im
achtjährigen). Hierbei können auch Versuche mit Stoffen durchgeführt
werden, die sowohl leitend oder nicht leitend sein können, den sog.
Halbleitern. Ein motivierendes Anwendungsbeispiel ist die Funktionsweise
eines Digital-Fieberthermometers. Mit dem folgenden Versuch sollen die
Schüler einen vereinfachten Aufbau eines Digital-Fieberthermometers kennen
lernen. Bei einem durchsichtigen Fieber-thermometer sieht man die
Batterie, den Schalter, das Display und den Sensor zu erkennen (Abb. 100
a, zerlegtes Thermometer in Abb. 102).
Abb. 100: a) Rückseite eines durchsichtigen
Digital-Fieberthermometers,
b) stark vereinfachter Nachbau des Thermometers zur Temperaturmessung.
Abb. 100 b zeigt einen möglichen Versuchsaufbau, bei dem alle Bauteile in
Reihe geschaltet sind. Als Spannungsquelle dient eine 4,5 V-Blockbatterie.
Ein Schalter symbolisiert die Einschalttaste und der Strommesser die
Anzeige des Thermometers. Als Sensor wird ein NTC-Widerstand verwendet,
der den Schülern als Halbleitermaterial vorgestellt wird. Mit Hilfe des
Arbeitsblatts AB KT1 führen sie den Versuch durch. Die Schüler werden
darauf angeleitet, in Zusammenarbeit mit ihrem Banknachbarn ein
Thermometer nach dem skizzierten Schaltplan nachzubauen und die Kennlinie
des Widerstandsthermometers aufzunehmen, in dem sie den Stromfluss im
Stromkreis bei unterschiedlichen Temperaturen messen. Der Sensor wird dazu
in verschieden temperierte Wasserbäder gehalten, deren Temperatur mit
einem Flüssigkeitsthermometer bestimmt wird. Wie in Abb. 101 zu sehen,
handelt es sich bei der NTC-Kennlinie um eine nichtlineare Funktion (vgl.
auch Kapitel IV, 1.1, Abb. 78). Die Schüler sollen dann lernen, aus dem
Graphen Eigenschaften abzulesen, wie dass der Stromfluss mit steigender
Temperatur immer mehr zunimmt. Anschließend lesen die Schüler aus dem
aufgenommenen Verlauf die Wassertemperatur von einer Probe ungekannter
Temperatur ab.
Abb. 101: NTC- Kennlinie
a) Die Stromkurve nimmt mit steigender Temperatur zu.
b) Die 1/I-Kurve ist proportional zur Widerstandskurve. Sie fällt
exponentiell mit der Temperatur ab.
Abb. 102: Rückseite (unten) eines geöffneten Digital-Fieberthermometers
Abb. 102 zeigt das geöffnete Digital-Fieberthermometer aus Abb. 100 a. Der Sensor ist in eine metallische, also wärmeleitende Schutzhülle eingebaut und über zwei isolierte Drähte an die Platine angeschlossen. Nachfragen beim Hersteller bzw. Vertreiber des Thermometers haben ergeben, dass ein temperaturabhängiger Widerstand als Sensor in der Messspitze verwendet wird. Auf der Rückseite der Platine sind die Lötstellen der Sensorzuleitungen zu erkennen, die über einen Widerstand (blaues Bauteil) mit der nachfolgenden Auswerteelektronik verbunden sind. Ebenso erkennt man einen Piezopiepser, der als Signalgeber in das Thermometer eingebaut ist.
Hier soll ein Analogieversuch zur Temperaturmessung mit einem NTC-Widerstand (2,2 kW) durchgeführt werden. Der Versuch eignet sich zum Einsatz bei der Behandlung der Spannungsteilerschaltung. Der NTC-Widerstand wird dabei an eine Spannungsquelle, z.B. eine 4,5V-Blockbatterie angeschlossen und mit einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet, an dem eine Spannung U abgegriffen wird (Abb. 103). Jede Temperaturänderung führt zu einer Änderung des Spannungssignals U, woraus eine temperaturgesteuerte Spannungsteilerschaltung entsteht. Aus der Spannungsteilerregel berechnet sich die gemessene Spannung zu:
.
Abb. 103: Einfache Methode der Temperaturmessung mit einem NTC-Widerstand
Die Schüler lernen hiermit ein weiteres Einsatzgebiet der Spannungsteiler-Schaltungstechnik. Man kann aber noch weiter weiter in Richtung ‚Verständnis für Auswertetechnik’ gehen. Der Vorteil der Spannungsteilerschaltung ist es, dass man durch Wahl eines geeigneten Vorwiderstands R das Ausgangssignal U linearisieren kann und somit ein der Temperatur direkt proportionales Spannungssignal erhält (Kennlinienverlauf des NTC-Widerstands siehe Abb. 101 a und b). Durch Experimentieren kann man einen geeigneten Widerstand zur Linearisierung des Ausgangs-signals zu finden (siehe auch Kapitel IV, 1.1). Dazu bauen die Schüler eine Schaltung nach Abb. 103 auf und testen verschiedene Vorwiderstände R, während der NTC-Widerstand in z.B. sich abkühlendes Wasser gehalten wird (z.B. im Gruppenunterricht jede Schülergruppe einen anderen Vorwiderstand). Die gemessenen Werte tragen die Schüler dann in ein Diagramm ein und bestimmen aus dem Diagramm den Widerstand, der den linearsten Kennlinienverlauf aufweist. In Abb. 104 sieht man die Kennlinien für vier verschiedene Vorwiderstände aufgetragen. Für den Versuch wurden die Ausgangsspannungen an folgenden Widerständen abgegriffen: 200 W, 470 W, 1 kW und 5 kW. Vergleicht man die Ausgangssignale der verschiedenen Widerstände R, so erkennt man, dass sich mit steigendem Widerstandswert die Krümmung der Kurve von linksgekrümmt auf rechtsgekrümmt ändert. Während die 470 W-Kennlinie noch eine leichte Linkskrümmung aufweist, ist die 1 kW-Kurve schon wieder minimal rechtsgekrümmt. Der optimale Linearisierungswiderstand muss also irgendwo zwischen den beiden Widerständen liegen, evtl. bei 700 W oder 800 W. Damit ist das Ziel des Versuchs erreicht.
Abb. 104: Ausgangsspannungen U einer Spannungsteilerschaltung bestehend aus einem NTC-Widerstand und verschiedenen Vorwiderständen R nach Abb. 103 in Abhängigkeit von der Temperatur