Systeme zur Messwerterfassung

PHYWE: Cobra 4

0.) Überblick

Der bekannte Hersteller von physikalischen Lehrgeräten, PHYWE aus Göttingen, hat sein seit Jahren bewährtes Cobra System neu aufgelegt und um einige Möglichkeiten erweitert - es heißt nun Cobra 4. Die passenden Sensoren werden über eine 15-Pol Submin-D Buchse an die unterschiedlichen Messinterfaces angeschlossen. Diese Verbindung ist sehr stabil und als "kleiner Bruder" - als 9 Pol Verbindung - seit Jahren als serielle Schnittstelle in Computern bewährt. Diese Stabilität wird durch das Klick-Steck-System noch verstärkt und sie minimiert den "Kabelsalat".
Diese Art der Schnittstelle verwendet aber nur PHYWE, daher sind PHYWE-Sensoren auch nur an PHYWE-Interfaces zu betreiben.

a) Hardware / Interfaces:

b) Software:

1) Interfaces / Hardware

a) Cobra 4 USB-Link.

Mit Hilfe des Cobra 4 USB-Links können alle Cobra 4 Sensoren über ein USB-Kabel direkt an einen PC angeschlossen werden. Diese Anbildung eignet sich besonders für schnelle Messungen und für Schülerübungen. Laut PHYWE sind bis zu 400.000 Werte/s möglich.

Vorteil: eine einfache, und noch kostengünstige Lösung, speziell wenn man für Schülerexperimente mehrere Interfaces anschaffen möchte.
Es sind keine externen Netzteile oder Akkus nötig, daher sind das USB-Link und Sensoren immer sofort einsatzbereit

Nachteil: Zum Messen benötigt jeder Messplatz seinen eigenen Computer / Laptop.

b) Cobra 4 Mobile-Link.

Das Mobile-Link ist ein Datenlogger, der unabhängig von einem Computer zunächst Messungen durchführen kann. Die Kommunikation mit dem Anwender erfolgt dabei über eine relativ einfache, einfarbige LCD-Anzeige und ein Navigationskreuz. Die Daten selber werden auf handelsüblichen SD Cards von bis zu 2 GB gespeichert. Es sind Datenraten von bis zu 1000 Messwerten/s möglich. Das Mobile-Link wird über zwei handelsübliche Mignon-Akkus versorgt. Diese übernehmen auch die Energieversorgung von angeschlossenen Sensor-Units. Durch das PHYWE Stecksystem gibt es keine weiteren Kabel zwischen den Sensor-Units und dem Mobile-Link, was bei bestimmten Versuchen sehr vorteilhaft sein kann.

Vorteile: ein relativ robustes Interface, mit dem auch Messungen außerhalb der Schule unabhängig von Computer und Spannungsversorgung durchgeführt werden können. Dabei spielt die Entfernung zum Rechner, auf dem später die Auswertung erfolgt, keine Rolle.
Nachteil: Das Mobile-Link ist fast doppelt so teuer wie das USB-Link. Es wird sich daher nur für denjenigen wirklich lohnen, der häufiger Messungen außerhalb des Klassenraumes durchführt, bzw. Messungen durchführen möchte, die unbedingte Kabelfreiheit erfordern.

b) Cobra 4 Wireless-Link.

Das ist eine ganz neue Art der Funkdatenübertragung, die es so im Augenblick wohl nur bei PHYWE gibt (Stand Januar 2009). Das System besteht aus dem Wireless-Manager, der in seiner Form und Größe an einen USB-Stick erinnert (vgl Foto mit Vergleich zu einem USB-Stick). Er wird in die USB-Buchse des Rechners gesteckt und übernimmt die Kommunikation zu den Wireless-Link Stationen. Dies geschieht über ein Bluetooth-System im freigegebenen 2,4 GHz-Band, wobei mit 1 mW Sendeleistung bis zu 20 m Reichweite (in einem Raum) möglich sind.

Die Gegenstation ist das Wireless-Link, an das die Sensor-Units (hier z.B. für Beschleunigung) angeschlossen werden. Das Wireless-Link wird mit zwei Mignon-Akkus versorgt und übernimmt die Energieversorgung der Sensorboxen mit. In einem Messsystem können bis zu 99 Wireless-Link über den Wireless-Manager mit dem Computer kommunizieren, dieser weist ihnen eine Kanalnummer (hier die 01) zu. Beim Anschluss vieler Messplätze wird die für den einzelnen Messplatz zur Verfügung stehende Bandbreite (Datenübertragungsrate) natürlich geringer. Allerdings kann das durch mehrere Wireless-Manager wieder verbessert werden.

Vorteile:
Der Messplatz kann an einer anderen Stelle sein als der Auswertrechner.
So könnte man z.B. eine Messung auf dem Pult durchführen und die Messdaten auf einen in einem Medienschrank untergebrachten Rechner übertragen, der dann über einen Beamer die Auswertung des Experimentes anzeigt.
Besonders vorteilhaft kann diese Trennung in Messszenarien sein, wo an den Arbeitsplätzen mit Flüssigkeiten / Chemikalien umgegangen wird, die keinesfalls mit dem empfindlichen Computer oder Laptop in Berührung kommen sollten. In Physik ist das eher selten der Fall, in Chemie hingegen häufiger.
Nachteil: Natürlich emittieren die Geräte Strahlung im Mikrowellenbereich, deren Auswirkungen immer noch nicht ganz geklärt sind. Angesichts von nur 1 mW Sendeleistung dürfte das Problem nicht allzu groß sein.
Wenn es im Raum andere Bluetooth Geräte oder ein WLAN gibt, ist die Wahrscheinlichkeit gegenseitiger Störungen relativ groß, da diese Geräte den gleichen Frequenzbereich für ihre Kommunikation nutzen.
Wegen der Reichweite des Funknetzes darf der Messaufbau nicht weiter als 20 m vom Rechner entfernt sein.
Sie könnten also z.B. die Wetterdaten aus einem Heißluftballon z.B. über Funk nicht zur Empfangsstation übertragen, sondern müssten hierfür wieder Datenlogger nutzen.

Vgl. hierzu auch  http://de.wikipedia.org/wiki/Bluetooth.
PHYWE weist in den Betriebsanleitungen auch auf dieses mögliche Problem hin.

2. Sensor-Units

a) Spannungsversorgung.

Alle Sensor-Units werden über die Interfaces versorgt:
Bei USB-Link also direkt aus dem Computer über die USB-Schnittstelle und ohne weitere Quelle, wie z.B. ein Steckernetzteil.
Beim Mobile-Link und beim Wireless-Link übernehmen die im Interface eingebauten Akkus die Stromversorgung.

Lobenswert ist, dass hierfür keine teuren und schwer zu beschaffenden Spezialakkus nötig sind, sondern, dass man auf handelsübliche Mignon-NiMH-Akkus zurückgreifen kann.
Allerdings gibt es keine Möglichkeit die Akkus in der Interfacebox selbst zu laden und es ist auch kein Ladenetzteil dafür vorgesehen oder gar im Lieferumfang dabei.
Man muss die Akkus also mit einem handelsüblichen Ladegerät aufladen und sie dazu jedes Mal ausbauen. Zwar lassen sich die Interfaceboxen an ihrem Ende durch zwei eingeklickbare Laschen relativ einfach öffnen, andererseits fragt man sich, wie lange die Kunststofflaschen dies wohl mitmachen, bevor sie brechen.

b) Typen von Sensoren

Zu den Interfaces gibt es zahlreiche Sensor-Units. Ein Schwerpunkt liegt dabei offensichtlich auf Sensoren für Größen der Chemie: So werden verschiedene Sensoren zur Messung von Leitfähigkeit, Temperatur, pH-Wert etc. angeboten. Eine Trennung zwischen Messplatz und Auswertstation über ein Funknetz ist in Chemie sicher bedeutsamer als in Physik (s.o.)

Für den Bereich NwT bietet PHYWE auch einen "Wetter-Sensor" an, der Luftdruck, Luftfeuchte, Lufttemperatur, Helligkeit und Höhe messen kann. Allerdings hat dieser Kombisensor mit fast 300 Euro auch seinen Preis.

Speziell für den Bereich der Physik werden Beschleunigungssensoren und Kraftsensoren angeboten, die auch relativ erschwinglich sind.
Natürlich darf im Angebot auch eine Sensorbox für Stromstärke und Spannung nicht fehlen, wobei diese für 6 A und 30 V sehr praxisgerecht ausgelegt ist.

Wenn es auch gerade der Zeitströmung entspricht, im Technologiebereich alle Begriffe auf Englisch zu benennen, so muss man doch bedenken, dass die Produkte in Schülerhände kommen. Dass - in Analogie zur Beschleunigungsbox (Cobra 4 acceleration) die Sensor-Unit für Spannung / Stromstärke "Cobra 4 electricity" genannt wird, kann man noch verstehen. Warum muss man dann aber auch noch "voltage" statt "Spannung" und "current" statt "Stromstärke" auf die Box drucken? Viele Schülerinnen und Schüler haben schon im Deutschen Probleme die beiden Größen und ihre Messung sauber auseinander zu halten. Hier beschert man diesen Schülern (und ihren Lehrkräften!) durch die englischsprachige Benennung (bei auch noch gleich aussehenden Buchsen!) noch zusätzliche Probleme. Das muss nun wirklich nicht sein!

Für viele Versuche der Physik wäre auch noch eine Box für zwei Spannungen schön. Die gibt es bei PHYWE derzeit leider ebenso wenig wie Sensor-Units zur Messung der magnetischen Feldstärke, Ladungen, Lichtintensität usw. Vielleicht kommen solche Sensoren aber später noch heraus, das System ist ja noch sehr neu.

PHYWE bietet dabei auch Kombinationsboxen aus Sensoren und Interfaces an, die preislich interessant sind.
Weitere Informationen dazu finden Sie auf der Webseite des Herstellers:  http://www.phywe.de

3. Software

Die Installation der Software in einer Testumgebung eines IBM T40 Laptops unter Windows 2000 gestaltete sich völlig problemlos. Die Software gliedert sich in zwei Anteile - Cobra 4, das für das Messen zuständig ist, und Measure, das die Auswertung übernimmt.
Beide Programmteile laufen aber ineinander. Umgeschaltet wird mit dem Symbol des jeweiligen Programmteils in der Leiste mit den Befehlssymbolen.

Cobra 4

Die PHYWE-Messsoftware besticht durch eine klare Struktur, mit der man sofort und ohne langes Wälzen von Anleitungen erste Messerfolge erzielt. PHYWEs Anspruch, in 40 Sekunden eine Messung zu starten, ist so gesehen durchaus richtig.
Sind Interfaces angeschlossen, zeigt Cobra 4 diese beim Programmstart in einer Art Struktogramm in einem Fenster - genannt Navigator - sofort an. Hier kann man auch die gemessenen Werte in einer Tabelle anzeigen lassen und die Messeinstellungen (Messrate, Messstart und Messstopp) festlegen.
Die Messung kann manuell per Tastendruck gestartet werden, getriggert - falls eine bestimmte Größe einen Wert über- oder unterschreitet, oder zu einer bestimmten Uhrzeit (das ist für Langzeitmessungen interessant). Der Programmstopp kann durch die gleichen Parameter erfolgen.

Weiterhin werden in kleinen Fenstern die aktuellen Messwerte angezeigt. Diese können groß geklickt werden, so dass man das System als Demonstrationsgerät einsetzen kann. Die Anzeige kann dabei wahlweise digital oder in einer analogen Form (Simulation eines Zeigerinstruments) erfolgen. Man kann die Messwerte hier bereits auch als Messkurven darstellen lassen.

Für viele Messeinsätze würde diese Funktionalität von Cobra 4 bereits genügen.

Bei meiner Testumgebung und in Measure 4.6 (aber vielleicht auch nicht nur dort) stürzte Cobra 4 regelmäßig ab, wenn das Wireless-Link ausgeschaltet wurde. Dann ließen sich noch nicht einmal mehr die erfassten Messdaten sichern!
Hier wird PHYWE sicher noch nachbessern müssen, denn so etwas wird - vor allem im einer Umgebung mit mehreren Wireless-Link - ziemlich sicher passieren.

Measure

Auch mit Measure kommt man intuitiv recht schnell zurecht.
Dabei ist dieses Programm ein sehr mächtiges Werkzeug, das bei der Auswertung von Kurvenverläufen wahrscheinlich sogar mehr beherrscht, als man in der Schule benötigen wird.
Extremwert- und Mittelwertbestimmung sind ebenso möglich wie eine Integralbildung oder sogar eine Fourieranalyse der Messwerte. Die Kurven lassen sich auch glätten und an vermutete Funktionen annähern (Kurvenfitting). Natürlich lassen sich die Achsen anpassen und bestimmte Bereiche der Messung zoomen.

Leider gibt es zu Measure keine kostenlose "Light-Version", wie andere Hersteller dies als Bestandteil der Hardware anbieten. Measure kostet als Einzel- und Schullizenz mit MwSt. fast 500 Euro.

Der Autor hat sich zum Einsatz von Funkübertragung bei Messwerterfassung prinzipielle Gedanken gemacht. Wie Sie daran interessiert sind, dann folgen Sie diesem Link:  Nachgedacht: Messwerterfassung mit Funk - Spielerei oder Vorteil?

Testbericht: Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver
Januar 2009

  Systeme zur Messwerterfassung