Systeme zur Messwerterfassung

Messinterfaces von CMA / NTL.

0.) Überblick.

Diese Messinterfaces und die dazugehörige Software entstanden aus einer Kooperation des   CMA (Centre for Microcomputer Applications) an der Universität Amsterdam, Holland und der   österreichischen Lehrmittelfirma NTL. Dabei entwickelt CMA vor allem die Interfaces und die Software, NTL stellt die Sensoren bereit, die man mit Hilfe einer sechspoligen Steckverbindung der British Telekom (BT) einfach an alle Interfaces anschließen kann. Diese Verbindung ist so etwas wie eine übergroße Version der bekannten Western-Stecker, mit denen heute häufig Telefone angeschlossen werden.

Die Produktlinie umfasst vier verschiedene Interfaces und zwei verschiedene Software Versionen. Alle Sensoren können mit allen Interfaces betrieben werden. Meist werden diese automatisch erkannt und benötigen keine weitere Zwischenverstärkung. Alle Interfaces werden über USB 1 oder 2 Schnittstelle an den Computer angeschlossen CoachLabII+ und ULab haben auch die Möglichkeit des Anschlusses über die 9-polige serielle Schnittstelle.

a) Hardware:

b) Software:

1) Interfaces / Hardware

a) EuroSense.

Das rosarote EuroSense Interface hat schon ein Mikrofon und einen Lichtsensor (bis 1500 Lux) eingebaut, ein Temperatursensor ist ebenfalls enthalten. Die Software Coach6Lite ist auch mit dabei. Es wird direkt an die USB-Schnittstelle angeschlossen und die Sensoren werden auch von dort versorgt.

Vorteil: eine einfache und sehr kostengünstige Lösung mit der man Helligkeitsmessungen, Tonaufzeichnungen und einfache Temperaturmessungen durchführen kann. Die Sensoren und die Software sind bereits enthalten.

Nachteil: zwar ist die Firmware des Messinterfaces upgrade-fähig, jedoch hat man durch die schon eingebauten Sensoren keine Erweiterungsmöglichkeiten mehr - andere physikalische Größen, etwa Stromstärken und Spannungen lassen sich mit EuroSense nicht erfassen.
Dieses Interface ist also eher für einen Einsatz in der Unterstufe (Naturphänomene) geeignet. Dabei erscheint dann der Temperaturmessbereich (5 .. 45°) zu klein.
Tonaufzeichnungen lassen sich auch mit einem einfachen Computermikrofon über die Soundkarte mit Freeware Programmen deutlich preisgünstiger durchführen.

b) EuroLab.

Im gelben EuroLab sind keine Sensoren eingebaut, es verfügt über Anschlüsse für zwei externe, analoge Sensoren, die über BT-Buchsen angeschlossen werden. Es gibt dabei zwei Typen von Sensoren, die das System selbstständig erkennt, Sensoren für 0..5V und Sensoren -10V bis +10V. Wie EuroSense hat es einen eingebauten Mikroprozessor und einen eigenen Speicher sowie einen internen Taktgeber. Es sind bis zu 50.000 Messungen je Sekunde sind möglich. Das Interface erscheint sehr stabil und robust, es ist daher auch für Schülerhände geeignet. Durch die Versorgung über die USB-Schnittstelle benötigt es kein Netzteil. Auch die Firmware dieses Interfaces ist upgrade-fähig, damit ist es zukunftssicher.

Vorteil: eine einfache, kostengünstige Lösung, speziell wenn man für Schülerexperimente mehrere Interfaces anschaffen möchte.
Es kann eine Vielzahl verschiedener Sensoren angeschlossen werden, so dass praktisch alle in der Physik vorkommenden Größen erfasst werden können.   (vgl. Liste der lieferbaren Sensoren). Daher wird es zum variablen Partner für alle Messungen von der Unterstufe bis in den Sekundarbereich.
Die Software Coach6Lite ist enthalten.
Es ist kein externes Netzteil nötig.

Nachteil: Das Interface kann keine Versorgung der Versuchsanordnung übernehmen, da die USB Schnittstellen nur mit etwa 100 mA belastbar sind. Die Spannungsversorgung muss über externe Netzteile erfolgen. Mit EuroLab kann man also "nur" messen, aber nicht steuern.

c) CoachLab II+

Das etwa tellergroße CoachLab II+ enthält noch etwas mehr Komfort. An das CoachLabII+ können auch einige wenige digitale Sensoren angeschlossen werden, die am EuroLab nicht funktionieren, z.B. ein Ultraschall-Bewegungssensor und ein 3-Achsen Beschleunigungssensor. Diese werden an den zwei digitalen Eingängen des CoachLabII+ angeschlossen. Darüber hinaus verfügt CoachLabII+ über vier analoge Messeingänge, zwei davon für die Sensoren mit BT-Steckern, zwei für 4 mm Laborstecker. Dabei ist die Datenerfassung mit bis zu 100.000 Werten je Sekunde in etwa doppelt so schnell wie beim EuroLab. Der größte Unterschied zum EuroLab besteht aber darin, dass CoachLabII+ auch Spannungen ausgeben kann. Einerseits ist dies eine 5V-Festspannung, andererseits 8 Ausgänge mit vom Computer aus regelbarer Spannung. Diese Spannungen sind keine echten Gleichspannungen, sondern werden über eine 625 Hz Pulsweitenmodulation aus 12 V gewonnen. Insgesamt sind alle Ausgänge zusammen mit 1,2 A belastbar.

Vorteil: CoachLabII+ kann nicht nur messen sondern auch steuern. Es können auch externe Geräte wie Spulen, Lampen oder Motoren gesteuert werden. Damit sind dann auch vollautomatische Experimentierstände, wie etwa eine ph-Wert-Messung mit einer motorbetriebenen Bürette möglich.

Nachteil: Das System ist deutlich teurer als EuroLab. CoachLabII+ funktioniert nur über das mitgelieferte externe Steckernetzteil. Eine Versorgung über die USB-Schnittstelle aus dem Computer ist nicht vorgesehen.
Damit sind z.B. Messungen außerhalb von Räumen erschwert, die mit EuroLab im Prinzip möglich sind, wenn man einen Laptop verwendet und dieser über die USB Schnittstelle die Spannungsversorgung übernimmt.

d) ULab.

Möchte man häufig Messungen außerhalb des Klassenzimmers durchführen, dann ist ULab wahrscheinlich die beste Wahl. An ULab können wie an CoachLabII+ vier analoge und zwei digitale Sensoren angeschlossen werden. Die Erfassung und Speicherung der Messwerte geschieht dabei im Gerät selbst (Datenlogger), die Kommunikation erfolgt über ein großes menügeführtes Display. Die Messergebnisse können anschließend über eine USB Schnittstelle in den Computer übertragen werden. Die Stromversorgung erfolgt über Akkus im Gerät oder auch über ein mitgeliefertes Netzteil, das auch die Aufladung der Akkus übernimmt. ULab kann aber auch als ganz normales Messinterface eingesetzt werden, wenn es während der Messungen direkt mit dem Computer verbunden ist.

Vorteile: ein sehr robustes Interface, mit dem auch Messungen außerhalb der Schule unabhängig von Computer und Spannungsversorgung durchgeführt werden können. Das Interface kann aber auch direkt am Computer als "normales" Interface betrieben werden.
Nachteil: natürlich hat das Gerät seinen Preis. Es wird sich daher nur für denjenigen wirklich lohnen, der häufiger Messungen außerhalb des Klassenraumes durchführt. Steuerungsaufgaben kann ULab nicht übernehmen.

2.) Kurzvergleich der Systeme und Empfehlung

Für welches System aus der CMA-Produktlinie sie sich entscheiden, wird vor allem vom Etat und dem vorgesehenen Einsatzzweck bestimmt.

Das EuroSense ist durch seinen doch sehr eingeschränkten Funktionsumfang für einen Einsatz am Gymnasium weniger empfehlenswert.

Wollen Sie das Messwerterfassungssystem vor allem in Schülerexperimenten einsetzen, so erscheint mir EuroLab die erste Wahl. Das Interface ist robust, preiswert, einfach zu handhaben und zukunftssicher und es lassen sich die wichtigsten Sensoren anschließen. In begrenztem Umfang kann EuroLab auch zu Messungen außerhalb des Klassenzimmers eingesetzt werden, denn ein Laptop kann die Spannungsversorgung des Interfaces und der Sensoren übernehmen.

Wollen Sie mit dem Computer nicht nur messen sondern auch steuern, dann müssen Sie sich für CoachLabII+ entscheiden. Es ist etwas schneller als EuroLab und kann mehr Sensoren verwalten. Es funktioniert aber nur mit dem Steckernetzteil, daher sind Messungen außerhalb des Klassenraumes kaum möglich. Es hat seine Stärken wahrscheinlich vor allem im Demonstrationsbetrieb und in den Schülerexperimenten, sofern Sie über einen großen Etat verfügen.

Für häufige Einsätze außerhalb des Klassenzimmers bietet sich das ULab an, dessen Anschaffung sich allerdings nur dann wirklich lohnen wird, wenn Sie von dieser Möglichkeit sehr häufig Gebrauch machen.

3.) Software.

3.1) Coach6Lite.

Mit Coach6Lite, das allen Messinterfaces beiliegt, können relativ schnell und intuitiv Messungen gemacht werden.

Fröhliches "Fensterln".

Zunächst etwas verwirrend ist die Vielzahl der geöffneten Fensteransichten:

Das Fenster oben links ist dafür gedacht eine Versuchsanleitung anzuzeigen. Es ist sozusagen das integrierte Arbeitsblatt. Solche Anleitungen können von den Lehrkräften auch selbst geschrieben und abgespeichert werden.

Das Fenster unten links zeigt das Interface und daran angeschlossene Sensoren. Die aktuellen Messwerte der Sensoren werden über kleine Zahlenangaben eingeblendet. Damit sieht man sofort, ob die Sensoren richtig arbeiten. Die Sensoren werden automatisch erkannt.

Dann gibt es noch drei weitere leere Fenster rechts, die mit Elementen belegt werden können. Man wählt dazu aus den Symbolen in der Kopfleiste ein Symbol aus, wählt den dazugehörigen Sensor aus und klickt anschließend (der Mauszeiger hat sich zum Symbol verändert) in eines der leeren Felder.
Üblicherweise wird man den aktuellen Messwert, eine Tabelle und ein Diagramm darstellen.

Nach sehr kurzer Zeit hat man sich aber diese Anordnung gewöhnt und arbeitet mit Coach6Lite sehr intuitiv.

Durchdachte Exportmöglichkeiten

Die Unterstützung der einzelnen Elemente ist dabei sehr vielseitig und durchdacht (rechte Maustaste):
Die Darstellungen können allesamt über die Zwischenablage in andere Programme kopiert oder ausgedruckt werden.
Tabellen lassen einen Export der Werte in eine Textdatei zu. Dabei kann man das Dezimaltrennzeichen (Punkt oder Komma) und das Trennzeichen für die Felder wählen. Der Tabelleninhalt kann so leicht in ein Tabellenkalkulationsprogramm wie EXCEL oder OpenOffice exportiert und dort weiter ausgewertet werden. Umgekehrt können Messtabellen auch aus Textdateien erstellt und dann in einem Diagramm dargestellt werden.

Diagramme können sich auf Mausklick an die gemessenen Werte automatisch anpassen, man kann aber auch Bereiche herauszoomen.
Führt man mehrere Messungen aus, so bleiben die Messkurven der bisherigen Messungen in verschiedenen Grautönen erhalten, so dass man man leicht Vergleiche anstellen kann. Auf Wunsch können dann alle Diagrammwerte gelöscht werden.
Sogar weiterführende mathematische Operationen wie das Bestimmen einer Geradensteigung oder die Fläche unter der Kurve kann die Diagrammfunktion ermitteln.

Messstart / Messmodi
Durch Drücken der grünen Starttaste wird das Experiment gestartet. Dabei werden die Zahl der erfassten Messwerte und der zeitliche Abstand der Erfassung vorher festgelegt. Danach hat der Experimentator selbst für das Messereignis zu sorgen, das innerhalb des festgelegten Zeitfensters erfolgen muss.

Coach6Lite sieht auch einen Messbeginn durch ein Triggerereignis vor (z.B. dass die gemessene Spannung einen bestimmten Wert übersteigt, einen Impuls, etc.).
Das erst Ende 2006 entwickelte EuroLab hat mit dieser Betriebsart aber noch Probleme. Nach Auskunft von CMA werden die -10V ..+10V Sensoren derzeit bei EuroLab und dieser Betriebsart nicht unterstützt. Dies sei aber nicht systembedingt und werde in der nächsten Version von Coach6 behoben.

Möchte man nur Messwerterfassung betreiben, kommt man mit Coach6Lite vollkommen aus.

3.2.) Coach6-Vollversion.

Die Vollversion von Coach6 umfasst über 100 MByte und ist damit deutlich mächtiger als Coach6Lite.
Neben Messwerterfassung und Steuerung enthält Coach6 auch ein integriertes Modellbildungssystem, ein Tool zur Videoanalyse. Enthalten sind zahlreiche Videoaufnahmen, auch solche, die mit Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen wurden, die Sie kaum zur Verfügung haben werden.
Coach6 ist netzwerkfähig. Die Lizenz gilt dann für alle Rechner der Schule.
Es ist daher ein Universal-Software-Paket für den naturwissenschaftlichen Unterricht - auch über die Physik hinaus - aus einem Guss.
Ob Ihnen dieser Komfort 700 Euro wert ist, müssen Sie selbst entscheiden. Wer nur gelegentlich Videoanalyse und Modellbildung mit einem Programmsystem betreibt, findet hier mit  Viana und  Easysim auch kostenlose Alternativen im Internet.

Weitere Links und Informationen über das System:

Informationen über das System, Webseite der Universität Amsterdam (englisch):
 http://www.cma.science.uva.nl/english/index.html

Die Lieferung der Messinterfaces erfolgt über NTL:
 http://www.ntl.at/

Liste der verfügbaren Sensoren von NTL zum System
 http://www.ntl.at/cma/pdf/ntl_sensoren_liste.pdf (PDF-Dokument) 

Versuchsanleitungen für physikalische Versuche mit CMA/NTL kann man hier herunterladen:
 http://www.ntl.at/cma/pdf/ntl_physik.pdf

Bezugsquellen und Lieferadressen:
 http://www.ntl.de/shop/partner.php

Für Baden-Württemberg zuständig sind:

• NTL competence center Germany
  Johann-Hammer-Straße 26
  97980 Bad Mergentheim
  p.wohlgemuth@ntl.at
  
  
• SCHULHAUSER
  Lehrmittel und Schulbedarf
  Austraße 107
  70376 Stuttgart
  info@schulhauser.de

Der Landesbildungsserver bedankt sich bei Herrn Hauser für die kostenlose Überlassung der Messeinrichtungen zu Testzwecken.

Testbericht: Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver Baden-Württemberg

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