Computereinsatz im Chemieunterricht

Computergestützte Messwerterfassung

Es gibt keinen Grund, Versuche, die man bisher ohne Computer zur Zufriedenheit aller durchführen konnte, nun mit Computer durchzuführen.

Damit diese Worte nicht zur Ausrede führen, Computer seien im Unterricht überflüssig, sei erwähnt, dass die Betonung auf zur Zufriedenheit aller liegt, was bei manchen Experimenten, in herkömmlicher Weise ausgeführt, sicher zweifelhaft erscheint.

1. Vorteile eines Computers beim Messen

2. Erforderliche Hardware

Folie: Schritte der instrumentellen Abstraktion

Bevor ein Computer diese Aufgaben erfüllen kann, müssen zwei Probleme gelöst werden:

1. Chemische Meßgrößen müssen irgendwie in Spannungen oder in Stromfluss umgesetzt werden. Dies Problem besteht allerdings für alle elektrischen Messgeräte und es gibt dafür auch gute Lösungen: so wird die c(H₃O⁺) oder die Temperatur von geeigneten Fühlern und den angeschlossenen Geräten in eine Spannung umgesetzt, die der Meßgröße proportional ist. Man benötigt also einen Meßfühler und einen Verstärker.
2. Meßgrößen verhalten sich in der Natur "analog", d.h. sie können beliebige Werte innerhalb gewisser Grenzen annehmen. Genauso verhält es sich auch mit den herkömmlichen Meßgeräten: sie liefern eine Spannung, die sich zwischen zwei Grenzwerten stufenlos ändert. Der Computer hingegen arbeitet "digital", d.h. er kennt nur den Zustand "Spannung da" = logische 1, und "Spannung nicht da" = logische 0. Damit sich nun Meßgerät und Computer "verstehen" können, benötigt man einen "Übersetzer", einen Analog-Digital-Wandler. Die Signale, die dieser Wandler liefert, können direkt in den Computer über die serielle Schnittstelle eingelesen werden.

Folie: Für die Meßwerterfassung benötigte Komponenten

Das Prinzip dieser Wandler soll nur insoweit erläutert werden, damit Sie in der Lage sind, die Qualität eines Wandlers zu beurteilen.

Folie: Prinzip der A/D-Wandlung

Grundsätzlich gilt: Je höher die Bit-Wandlungsrate, desto genauer die Messung. Ab 10 Bit sind Wandler für den Unterricht brauchbar, ab 16 Bit werden sie teuer.

Bei dieser Darstellung ist noch nichts ausgesagt über:

Je nach Gruppierung von Messfühler, Verstärker und Wandler unterscheidet man drei unterschiedliche Ausführungen der Geräte:

Folie: Modulare Gerätekonfigurationen

Folie: Kompakte Gerätekonfigurationen

Folie: Marktübersicht

Vorteile von Kompaktgeräten (All-Chem-Mißt, teilw. ChemBox):

3. Anforderungen an die Software

3.1. Meßwertaufnahme:

3.2. Auswertung:

3.3. Service:

4. Grundsätzliche Verfahrensweise

Folie: Für Messwerterfassung benötigte Komponenten (siehe oben; Anpassung)

Jedes Gerät muss an das folgende angepasst werden. Darin, ob das auf einfache Art und Weise oder überhaupt nicht geht, unterscheiden sich die vorgestellten Gerätekonfigurationen grundlegend:

Beispiel für eine kompliziertere Kombination: pH-Meßkette von Mettler Toledo, pH-Messgerät von WTW, A/D-Wandler von Voltcraft und Erfassungssoftware vom AK Computer.

Was ist zu tun?

4.1. Schritt 1: Abgleich der Messkette

Dieser Schritt fällt auch bei der herkömmlichen pH-Messung an: Steilheit und Asymmetrie sollten vor jeder Messfolge eingestellt werden. Detaillierter wird jetzt nicht darauf eingegangen.

4.2. Schritt 2: Anpassung des Wandlers an das Schreiber-Signal

Der Schreiberausgang liefert eine dem Messwert proportionale Gleichspannung im Bereich von -2V bis +2V. Im Falle des pH-Meters von WTW sind das für pH = 0-14 die Spannungen von 0-1.40V. Genau diese Spannung wird vom Multimeter VC506 angezeigt. Würde man den Wandler nur mit dem pH-Meter betreiben, so könnte man einen Verstärkungsfaktor von 10 fest einstellen. Nachdem der Faktor für andere Geräte (Thermometer, Photometer, Gaschromatograph) sicher anders ist, wäre es einfacher, diese Einstellungen per Software erst in Schritt 4 vorzunehmen.

4.3. Schritt 3: Einstellen von Übertragungsparametern

Dieser Schritt kann sich beliebig kompliziert gestalten, weil die Software das Format der digital übertragenen „Worte“ genau kennen muss:

Gute Software nimmt dem Lehrer solche Arbeiten ab, indem sie vom Autor (der sich logischerweise auskennt) auf möglichst viele in Frage kommende Geräte und Fabrikate schon voreingestellt wurde.

Demonstration: AK-Analytik; ACM, VC506, Ohaus-Waage...

4.4. Schritt 4: Eichung (Kalibrierung)

Nun folgt jene Maßnahme, die eigentlich zwischen pH-Meter und Wandler gehört hätte: es gilt zu erreichen, dass der Rechner den gleichen Wert anzeigt wie das pH-Meter. Die Schritte 3 und 4 müssen in der Regel nur einmal pro Gerät durchgeführt werden, dann stehen die richtigen Daten in einer Datei, in die die Software bei der Auswahl der Messgröße und des angeschlossenen Gerätes jeweils hineinschaut. Die Eichung erfolgt nach dem Prinzip einer Zweipunktgeraden:

Folie: Eichen über die Zweipunktgerade

Ergebnis ist ein „Eichfaktor“, mit dem alle vom pH-Meter kommenden Spannungswerte multipliziert werden, um auf dem Rechner pH-Werte zu ergeben (z.B. 10,038).

4.5. Schritt 5: Eingabe von Messoptionen

Dieser Schritt geschieht über die Software und gliedert sich in zwei Bereiche:

1. Angaben zum Verlauf der Messwerterfassung (z.B. Gesamtdauer der Erfassung, Zeittakt der Messungen etc.);
   Beispiel: „miss alle 0.1s 1200s lang“;
2. Angaben zur Darstellungsform (z.B. Großanzeige, Grafik, Einteilung der Achsen, Achsenbeschriftung, Nachkommastellen, Achsenausschnitte...);
   Beispiel: „x-Achse von 350 bis 700, in 7 Abschnitte unterteilt und beschriftet, Einheit nm, keine Nachkommastellen“.

Diese Einstellungen sind für jeden Versuch spezifisch. Für Wiederholungen können sie in Optionen-Dateien abgespeichert werden.

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de