Analoge Sensoren

Stimmen die Parameter?

Klassenstufe

11-13

Zeitaufwand

2 Doppelstunden (erweiterbar bis zu 3 DS)

Schwierigkeitsgrad

Modell: leicht, Programmierung: leicht

Modelle

Tischmodell mit analogen Sensoren

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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) planen und realisieren einen Versuchsaufbau für die Experimente mit analogen Sensoren. Ausgehend von der einfachen Widerstandsanzeige im Schnittstellentest entwickeln sie eine eigene grafische Anzeige auf dem Display des TXT 4.0 Controllers und messen Widerstand und Temperatur.

Die Programmierung wird um die Berechnung und Anzeige von Farbcodes (drei- oder vierstellig, Differenzierung 1 und 2) für Schichtwiderstände erweitert.

ALLTAGSBEZUG

Die Messung von Widerständen und Temperaturen ist den SuS aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht bzw. ihrem Alltag bekannt.
Insbesondere die Einbettung in einen realitätsnahen Anwendungskontext weist einen hohen motivationalen Wert auf.

Eine Integration der Thematik in die vorberufliche Orientierung könnte im Hinblick auf informationstechnische Berufsfelder erfolgen. Hier wird das automatisierte Erfassen physikalischer Größen in vielen Bereichen
genutzt. In besonderer Weise wird die automatisierte Erwärmung und/oder Befüllung nicht nur in der Industrie genutzt, sondern auch verstärkt im häuslichen Umfeld.

Leitfragen

Wie kann man mithilfe der Sensoren Widerstände, Temperatur
und Abstände messen? (Kommunikation und Information)
Mit welchen Sensoren lässt sich die Produktion sinnvoll überwachen? (Kollaboration)
Unter welchen Bedingungen soll das System über Abweichungen von der Norm
informieren? (kritisches Denken)
Was ist zu berücksichtigen, damit die Sensorik für verschiedene Anwendungsszenarien genutzt werden kann und das System möglichst robust funktioniert? (Kreativität)

Fächerbezug

Informatik

Fortgeschrittene Programmierung, Bedingungsschleifen, Funktionen, grafische Anzeigen

Physik

Widerstand im Stromkreis, Temperaturen, Messungen von Strecken

Technik

Stabiles Bauen, Konstruktionstechnik

Mathematik

Berechnung von Termen, Rechnen mit Einheiten

Unterrichtsverlauf

Unterrichtsgespräch

Bekanntgeben des Themas, ggf. Video „Befüllvorgang eines Additivgebindes“ zeigen: → www.youtube.com/watch?v=k5pr1E8ihe4
Abfragen, was die wesentlichen Merkmale der Qualitätssicherung bei der Abfüllung/Produktion von Additiven sind.
• Messgrößen und Szenarien abfragen, in denen automatisch
messende Befüllsysteme eingesetzt werden.
• Einsatzmöglichkeiten der gesammelten Szenarien diskutieren
(z. B. Kaffeemaschine, Küchenmaschine, Spülmaschine).
• Anforderungen an den Versuchsaufbau ermitteln.

ggf. Hilfestellung

Sensoren, Aktoren und Bauteile aus dem Baukasten zeigen, wenn nötig Präsentationsmedien einsetzen.

Unterrichtsgespräch

Die Vorgehensweise zum Bau des Modells und die zu erzielende Funktion werden gemeinsam erarbeitet.
Die Arbeitsschritte der App werden vorgegeben bzw. besprochen.

Partner- oder Einzelarbeit

Die SuS machen sich mit der App vertraut und laden die entsprechende Aufgabe.
Die SuS definieren sinnvolle Funktionen einer Messung mithilfe der an den TXT 4.0 Controller angeschlossenen Sensoren.
Die SuS erstellen mittels App die Anforderungsliste für den zu bauenden Versuch.

Optional: Partner- oder Einzelarbeit

Die SuS skizzieren die möglichen Aufbauten der Messung mit den Sensoren (Widerstände, Ultraschallsensor).
Die SuS diskutieren die Ergebnisse in der Gruppe und legen sich auf ein Design fest

Optional: Vorstellung

Für die Differenzierung infrage kommende SuS werden ggf. durch die Lehrperson angesprochen. Dabei wird die grafische Darstellung der Farbcodierung von Widerständen vorgestellt.
Die App bietet konkrete Ideen für die interessierten SuS, darunter die Anzeige von drei- oder vierstelligen Farbcodes auf dem Display des TXT 4.0 Controllers.

Diskussion im Plenum

Nachbesprechung des Projekts im Klassenverbund
Klärung von zukünftigen Einsatzmöglichkeiten im Alltag

Informationen und Hinweise

Methodisch-didaktische Hinweise

Differenzierungsmöglichkeiten

Je nach Dauer der Unterrichtsreihe und der Stärke der SuS kann

das Ergebnis der Widerstandsmessung nicht nur als Zahl, sondern auch auf einer
Skalenanzeige sowie als drei- oder vierstelliger Farbcode ausgegeben werden,
der Versuchsaufbau verändert werden, um Temperaturmessungen an gewählten
Objekten durchführen zu können,
der Versuchsaufbau geändert werden, um Füllstände von Trinkgefäßen bei der Befüllung messen und anzeigen zu können.

Motivationale Aspekte

Die Themen „automatische Befüllung“ und „Qualitätsüberwachung“ sind allen SuS aus dem Alltag bekannt. In vielen Haushalten gehören Kaffee- und Waschmaschinen neben vielen weiteren smarten Anwendungen längst zum Alltag. Teilautonom kochende Küchenmaschinen finden immer häufiger
Anwendung bei der Zubereitung von Gerichten.

Zusatzmaterialien

Wenn vorhanden, könnte für die Einführungsphase in das Thema ein Video genutzt werden.
Zeichenmedien (Papier, Whiteboard oder Projektionsfläche).

Bauanleitung

Stromlaufplan Analoge Sensoren

Funktionen des Modells und deren technische Lösungen

Funktion der Sensoren/Aktoren	Technische Lösung
Messung von Widerständen	Messen der Leitfähigkeit (Qualitätskriterium) des Additivs
Messung von Temperaturen	Überwachung der Befülltemperatur
Messung von Abständen	Überwachung der Befüllmengen
Differenzierungsmöglichkeiten für weiterführenden Unterricht	Ergänzen der Ziffernanzeige durch eine Skalenanzeige Einbindung von Farbcodes und/oder anderen Widerstandstypen Ausgabe eines Alarms bei Unter- oder Übertemperatur Messung von Abständen und Berechnung der Differenz (Minimum – Maximum)

Materialliste

Sensoren	Funktion
1 On/Off-Taster am TXT 4.0 Controller	Einschalten / Start der Messung / Stopp der Messung
1 NTC-Widerstand	Widerstandsmessung, Temperaturbestimmung
1 Ultraschallsensor	Abstandsmessung

Aktoren	Funktion
1 Display des TXT 4.0 Controllers	Visualisierung der Messergebnisse (in Form von Ziffern oder als Grafik)