Thermosäule

Mit einer Thermosäule lasst die Leistung (Energie pro Sekunde) bzw. Intensität (Energie pro Sekunde und pro m²) von Wärmestrahlung bestimmen. Herzstück einer Thermosäule ist ein sog. Peltierelement. Dieses beruht auf der sog. thermo-elektrischen Spannung. Kombiniert man zwei Drahtstücke verschiedener Metalle und bringt die beiden Kontaktstellen auf unterschiedliche Temperatur, so misst man eine sog. Thermospannung. Beim Peltierelement sind viele solcher “Drahtstücke” hintereinander und abwechselnd angeordnet, um den Effekt zu verstärken.

Strahlt man nun zum Beispiel mit einem Laser auf eine mit Russ geschwärzte Seite des Peltierelements, so wird dessen Strahlung absorbiert und diese Seite erwärmt sich geringfügig. Dadurch kann an den beiden Kabeln des Peltierelements eine ebenfalls sehr kleine Thermospannung U gemessen werden. Diese ist ein Maß für die absorbierte Strahlungsleistung P.

Um den Zusammenhang U = U(P) zu ermitteln, werden auf eine Seite des Peltierelements mehrere SMD-Widerstände in Serie aufgeklebt. Danach legt man an diese Widerstandsreihe eine bestimmte Spannung an, berechnet die elektrisch zugeführte Leistung P und misst die Thermospannung U. In meinem Fall erhielt ich die lineare Beziehung U = (1/11.26) * P. Eine Leistung von z.B. 20 mW erzeugte eine Thermospannung von 1.776 mV. Umgekehrt entspricht eine Spannung von 1 mV einer Strahlungsleistung von 11.26 mW. Diese Beziehung wird für die Bestimmung der Strahlungsleistung P im Arduino-Programm benötigt.

Das Peltierelement besitzt eine Fläche von 40×40 mm² = 1600 mm². Um auf die Strahlungsintensität (Leistung pro m²) schließen zu können, muss die am Peltierelement auftreffende Leistung einfach mit dem Faktor (1000000/1600) = 625 multipliziert werden. Beträgt etwa die am Peltierelement auftreffende Leistung 5 mW, so würden auf 1 m² genau 5 * 625 = 3125 mW = 3.125 W auftreffen, was dann einer Intensität von 3.125 W/m² entspricht.

Auf diese Weise kann zum Beispiel die Solarkonstante überprüft werden. Dies ist die Strahlungsintensität, welche die Sonne am Ort der Erde erzeugt. Sie liegt bei rund 1500 W/m². Weiters kann mit einem sog. Lesliewürfel das Stefan-Boltzmann-Gesetz überprüft werden. Ein schwarzer Strahler mit der Temperatur T und der Fläche A strahlt eine Leistung von P = Sigma * A * T^ 4 ab. Sigma ist die sog. Stefan-Boltzmann-Konstante, wobei gilt: Sigma = 5.67 * 10^-8 W/K^ 4*m².

Ist er nicht schwarz, so kommt noch der Emissionskoeffizient epsilon zum Tragen. Es gilt daher abschließend:

P = Sigma * epsilon * A * T^ 4

Ein Lesliewürfel besitzt auf seinem Mantel 4 unterschiedliche Oberflächen, z.B. schwarz, spiegelnd weiß usw. Diese besitzen einen unterschiedlichen Emissionskoeffizienten epsilon. Füllt man nun den Lesliewürfel mit heißem Wasser der Temperatur T, so kann man mit der Thermosäule je nach Ausrichtung des Würfels eine zur Strahlungsleistung proportionale Spannung messen. Trägt man U bzw. P gegen T^ 4 – T0^ 4 auf, so müsste man Geraden mit unterschiedlichen Steigungen (entsprechend dem epsilon der Würfelseite) erhalten.

Auch kann man das 1/r ^ 2 Abstandsgesetz der Strahlungsintensität überprüfen, indem man etwa eine Glühbirne im Abstand r von der Thermosäule postiert und dann U bzw. P in Abhängigkeit von r ermittelt.

Da die Ausgangsspannungen der Thermosäule sehr gering sind (im µV-mV Bereich), werden sie zunächst mit einem Operationsverstärker vom Typ AD8551 10-fach verstärkt. Erst dann gelangen sie zum AD-Wandlermodul ADS1115. Schlussendlich wird am Display die Thermospannung (in µV), die auf das Peltierelement insgesamt auftreffende Strahlungsleistung (in mW) und die pro m² auftreffende Strahlungsintensität (= Strahlungsleistung * 625; in W/m²) angezeigt.

Mit einem Taster können die angezeigten Werte auf 0 gesetzt werden, falls eine Spannung/Leistung/Intensität OHNE Strahlungsquelle angezeigt wird (= offset).

Vom Verein AATiS wird eine solche Thermosäule (https://www.aatis.de/content/bausatz/AS516_Thermo%E2%80%90S%C3%A4ule) zu einem sehr günstigen Preis angeboten!

 

 

  

 


Arduino-Code: