Einführung in die Reaktionskinetik: Bau des zugehörigen Postionssensors (Wegesensor)

Bauanleitung des Sensors zum Versuch: "Reaktionskinetik: Reaktion zwischen Magnesium und Salzsäure"

Bernhard Heindl, Rimsting am Chiemsee (Facharbeit, angefertigt im Frühjahr 1999), Dr. Gabriel Hetz, Gymnasium Eckental (22.10.2000)


Download der folgenden Schaltung, Zeichnung und Anleitung (Word-Dokument)


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Entwurf und Anfertigung des Sensors

Der Sensor soll in der Lage sein, das bei der Reaktion gebildete Wasserstoff-Volumen in Abhängigkeit von der Zeit zu ermitteln. Ein bei der Chembox mitgelieferter Tropfenzähler gibt pro Tropfen ein 5 V TTL - Signal ab, dem die Chembox ein bestimmtes kalibrierbares Volumen zurechnet. Dieses Prinzip wurde auch für den Positionssensor verwendet. Um das notwendige TTL-Signal für die Chembox zu erzeugen, kommen für einen Positionssensor theoretisch zwei Möglichkeiten in Frage:

  • Optisches Prinzip: Der Sensor unterbricht eine Lichtschranke, die dann das elektrische Signal erzeugt.
  • Mechanisches Prinzip: Der Sensor unterbricht oder schließt einen 5V-Gleichspannungsstromkreis.

Das optische Prinzip arbeitet zwar weitgehend reibungsfrei, doch ist die Anfertigung eines geeigneten Kolbenproberstempels sehr aufwendig. Bei dem mechanischen Prinzip ist es schwierig, eine hohe Sensorauflösung zu erreichen, ohne den Reibungswiderstand stark zu erhöhen. Es bietet sich aber eine Mischform beider Prinzipien an:

  • Die elektrischen Signale werden durch die Unterbrechung einer Lichtschranke erzeugt (optisches Prinzip).
  • Die Lichtschranke wird durch eine drehbare Lochscheibe unterbrochen, die durch die Bewegung des Kolbenprober-Stempels angetrieben wird (mechan. Prinzip).

Durch diesen Kompromiss bleibt das System weitgehend reibungsfrei und der Sensor mit der Lochscheibe läßt sich mit relativ wenig Aufwand herstellen. Vereinfacht wird die Herstellung auch dadurch, dass dieses Prinzip in einer handelsüblichen Computermaus Anwendung findet. Deshalb werden für den Sensor die Lochscheibe und die fotoelektrischen Teile aus einer alten Computermaus (hier: alte Phillips-Maus) verwendet. Für die Anfertigung benötigt man noch die folgenden Teile:

  • 4-polige Lüsterklemme
  • 7-poligen DIN-Stecker
  • 2 Büschelstecker (Durchmesser: 4 mm, rot und schwarz)
  • 100 Ohm Widerstand 1/8 Watt (= R1)
  • mit Flüssigfolie behandelte Umlenkrolle
  • 2 Abstandshalter
  • Kabel und Kabelbinder, Bindfaden, Gewicht, Schrumpfschlauch

Diese Teile werden -wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist- am Kolbenprober befestigt.

  

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Der Aufbau des Sensors

(Diese Zeichnung sowie die folgende Schaltung können hochaufgelöst, zum Ausdrucken hier downgeloadet werden).

Der Grundaufbau des Sensors besteht aus dem Kolbenprober, an dem der eigentliche Maussensor an der Unterseite befestigt ist. Am Stempel des Kolbenprobers wird ein Bindfaden befestigt, der über eine Umlenkrolle läuft. Um ein Durchrutschen des Fadens zu verhindern wird die Umlenkrolle mit Flüssigfolie beschichtet und der Faden einmal ganz um die Rolle gelegt. Der Faden wird durch ein leichtes Gewicht (z.B. einen Nagel) gespannt.
Vor dem Sensor wird an einer Lüsterklemme die Sensorschaltung angebracht, die die Schnittstelle zur Chembox darstellt. Die Abbildung zeigt den Kolbenprober mit dem Maussensor und der Schaltung an der Lüsterklemme, die in Abb. 2.2.1 (siehe oben) noch genauer beschrieben ist. Weiter sind noch Abbildungen über den genauen Aufbau des Maussensors (Abb. 2.2.2) und der Belegung der 7-poligen DIN-Buchse am Ereigniszählereingang der Chembox (Abb. 2.2.3) beigefügt. Für den Sensor sind jedoch nur die Pins 1 und 6 (Zählereingang von Bedeutung).

Der komplette Schaltplan des Sensors lässt sich aus der folgenden Zeichnung entnehmen:

  

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Funktionsweise des Sensors

Damit der Sensor das gewünschte TTL-Signal erzeugt, muss man die Büschelstecker an eine 5V-Gleichspannungsquelle anschließen (Leider gelang es uns nicht, diese Spannung aus den 15V, die die DIN-Buchse der Chembox liefert, zu erzeugen).
Lässt man dann das beim Versuch entstehende Gas in den Kolbenprober strömen, so wird der Stempel nach außen gedrückt. Dabei bringt er die Lochscheibe durch den Bindfaden und die Umlenkrolle in Bewegung. Die Lichtschranke wird dadurch abwechselnd unterbrochen und wieder geöffnet. Der Widerstand im Fototransistor wechselt dabei von ca. 10 Ohm (belichtet) auf über 20 Mega-Ohm (unbelichtet). Da der Eingangswiderstand am Ereigniszähler der Chembox ca. 300 Kilo-Ohm beträgt, fällt bei unbelichtetem Fototransistor der Großteil der Spannung am Transistor selbst ab, bei belichtetem Fototransistor dagegen an der Chembox. Diese Spannungsflanke stellt das Signal für die Chembox dar.
Um die Spannung an der Leuchtdiode des Computermaus-Sensors herab zu setzen und den Stromfluss zu begrenzen, wurde der Widerstand R1 mit der Leuchtdiode in Reihe geschaltet.

Das maximale Auflösungsvermögen dieses Sensors beträgt ca. 0,4 ml, was für den Versuch vollkommen ausreichend ist.

Haftungsausschluss:
Wir übernehmen keine Verantwortung für Schäden, die durch die Verwendung des oben beschrieben Sensors an ihrer Chembox eventuell entstehen.


© Bernhard Heindl, Dr. G. Hetz, 2000