8. – 11. Schuljahr

Christoph Hoyer und Raimund Girwidz

Vom Temperaturfühler zum WLAN-fähigen Thermometer

Mit einem Raspberry Pi Messwerte eines Multimeters erfassen, verarbeiten und über das WLAN verteilen

Die unterrichtlichen Nutzungsmöglichkeiten von handelsüblichen Multimetern können in Verbindung mit einem kostengünstigen Einplatinencomputer erweitert werden. Die Multimeter werden damit sogar netzwerkfähig. Dieser Artikel zeigt, wie Messwerte eines Multimeters mit einem Raspberry Pi (s. dazu auch den Artikel von Angela Fösel) ausgelesen, gespeichert, aufbereitet und über WLAN auf andere webfähige Geräte verteilt werden können (s. Abb. 1 und Materialliste in Kasten 1). Die gemessenen Werte gelangen dann berührungslos, kabellos und in Sekundenschnelle zum Ausgabemedium (Smartphone, Tablet oder Computer).
Die Einrichtung des Raspberry Pi erfolgt durch die Lehrkraft oder in Einzelschritten im Rahmen eines Digitalisierungsprojekts im Klassenverband. Das Vorgehen wird anhand eines kleinen „Messhäuschens (s. Abb. 2 ) zur Temperaturmessung beschrieben, kann aber auch für andere Messgrößen verwendet werden.
Die Programmcodes finden Sie mit weiteren Informationen auf der zu Beginn des Artikels genannten Website.
Kasten 1|Material: Benötigte Materialien
Kasten 1|Material: Benötigte Materialien
  • Raspberry Pi 3 (ca. 34,99 €)
  • MicroSD-Karte mit mind. 8 GB Speicherplatz
  • Betriebssystem Raspbian (kostenlos; Installationsanleitung s. https://www.raspberrypi.org/)
  • Tastatur, Maus, Bildschirm (für die Einrichtung)
  • USB-Powerbank mit mind. 10000 mAh Kapazität
  • WLAN
  • Internetverbindung (für die Installation der Software)
  • ein von Sigrok (https://sigrok.org/) unterstütztes Multimeter, das sich im Dauerbetrieb nicht in Batteriesparmodus schaltet (z.B. Uni-T-UT61E)
  • Platintemperaturfühler(PT100, z.B. von Heraeus; Conrad-Bestell-Nr. 188140-62, 16,50 €; s.a. Fachinformationen in Kasten 2)
Hinweise zum Unterricht
Das hier vorgestellte Messverfahren wurde für den Einsatz in der 8. Jahrgangsstufe erarbeitet und dient zur Vertiefung der Temperaturmessung mithilfe eines temperaturabhängigen Widerstands. Verwendet wird ein Messhäuschen, das mit dem 3D-Drucker gefertigt wurde und auch für den Außenbereich gedacht ist (s. Abb. 2). Die Druckpläne sind unter dem o.g. Link zu finden. Auf dem Dach des Häuschens befindet sich ein Platintemperaturfühler (Nr. 2 in Abb. 2).
Mit einem Multimeter wird der temperaturabhängige Widerstand des Temperaturfühlers gemessen. Dieses Multimeter, ein Raspberry Pi und für die Stromversorgung eine Powerbank (s. Kasten 1) sind im Inneren des Messhäuschens untergebracht. Damit ist die Anordnung mobil einsetzbar.
Messungen
Das Messhäusschen wird an einem schattigen Ort im Freien platziert. Der elektrische Widerstand wird über mehrere Stunden hinweg gemessen und dokumentiert. Mit den Messwerten sollen die Schülerinnen und Schüler anschließend auf den Verlauf der Außentemperatur schließen. Hierfür verwenden sie den weitestgehend linearen Zusammenhang zwischen elektrischem Widerstand und Temperatur des Sensors (s. Kasten 2).
Kasten 2|Informationen: Der Temperaturfühler PT100: physikalischer Hintergrund
Kasten 2|Informationen: Der Temperaturfühler PT100: physikalischer Hintergrund
Pt100 bezeichnet einen genormten Platin-Widerstand (in der Regel für den Bereich −200 °C bis 850 °C), der nach seinem Nennwiderstand bei einer Temperatur von 0 °C (R0 = 100 Ω) benannt ist. Der Widerstand von Platin steigt bei einer Erhöhung der Temperatur nahezu linear an (s. Abb. 3 ). Es handelt sich um einen Kaltleiter. Über die Messung des elektrischen Widerstandes kann so zunächst indirekt auf die Temperatur geschlossen werden. Die meisten Multimeter haben eine Funktion, um Widerstände direkt zu messen. Daher eignen sie sich gut für die Aufnahme der Messwerte.
Die Formel für die Umrechnung zwischen Widerstand und Temperatur beim verwendeten Platintemperaturfühler ist im Datenblatt angegeben:
R(t)= R0 (1 + at + bt2 + c...

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