Bolometer/Pyroelektrischer Sensor

[Andi D. (daandi)]

Guten Tag,
ich bin mir nicht ganz sicher, ob ich mit meiner Frage hier richtig bin. 
Aber:
Ich würde gerne mit einer 9. Klasse das Thema Strahlung vertiefen und 
hatte überlegt mit Ihnen eine grobe Version einer Wärmebildkamera zu 
bauen. Grob die Idee: Man nutzt ein Thermoelement, wenn genug 
IR-Strahlung darauf trifft fließt etwas Strom, der über einen 
Operationsverstärker so verstärkt wird, dass eine LED leuchtet. Das 
Thermoelement/Bolometer oder wie auch immer es hier in diesem 
Zusammenhang heißt soll dabei selbst gebaut werden (möglichst klein).
Und wenn man dann (je nach größe und preis) 10-100 dieser Elemente zu 
einer Fläche zusammensetzt, Leuchten dann auch nur ein paar der 
angeschlossenen LEDs -> man hat ein sehr grob gerastertes Bild.

Bin ich mit diesem Anliegen hier richtig in diesem Forum?
Hat jemand eine Idee/Schaltskizze/Link?

Viele Grüße,
Daandi

[Der Zahn der Zeit (🦷⏳) (Gast)]

Ein interessantes Projekt. Vielleicht zu anspruchsvoll für eine 9. 
Klasse? Aber das soll hier nicht zur Diskussion stehen.

Zunächst die technischen Bedenken: Eine solche Anordnung braucht eine 
Optik, also eine Linse, die Wärmestrahlung durchlässt. Eine "Lochkamera" 
würde prinzipiell auch gehen, aber die Spannungen würden derart klein, 
dass sie wahrscheinlich nicht mehr sinnvoll messbar wären. Ok, wenn die 
Quelle ein auf mehrerer 100°C aufgeheizter Körper wäre - vielleicht 
doch.

Man kann Thermolemente fertig kaufen. Ich habe früher einmal selber 
NiCr-Ni-Thermolemente aus entsprechenden Leitungen hergestellt, d.h., 
die zwei Enden zu einer Kugel verschweißt. Das ist überhaupt nicht 
trivial, und ohne Spezialausrüstung eher nicht möglich. Aber vielleicht 
hat hier jemand einen Tipp - der wäre auch für mich interessant, weil 
ich das für vorhandene, sehr dünne Leitungen hin und wieder brauche.

Die entstehenden Spannungen zu verstärken ist kein zu großes Problem, 
glaube ich, zumal wenn der Versuch mit heißen Objekten durgeführt wird. 
Eher würden mir die vielen Kanäle sorgen machen. Da gäbe es mehrere 
Strategien: Z. B. alles zu Fuß einzeln, oder Multiplexen, wohlmöglich 
mit µC.

Erst wenn die anderen, m. E. größeren Hürden überwunden sind bzw. als 
gelöst gelten, würde ich mich der Schaltung zuwenden.

Eine Anordnung mit 10 billigen Multimetern könnte evtl. auch schon für 
einen Aha-Effekt reichen... (und die Multimeter wären hervorragend 
nachnutzbar.)

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Die Firma Heimann stellt solche Arrays her und bietet auch ein paar 
Fertigmodule an:
https://www.heimannsensor.com/thermopile-infrared-arrays

Die haben bereits eine Optik und es gibt sie in verschiedenen 
Auflösungen. Leider stehen da keine Preise.

[Der Zahn der Zeit (🦷⏳) (Gast)]

Ich denke, etwas weitgehend Fertiges zu kaufen ist nicht das Ziel. Für 
den Aufwand, der jetzt für das Lernen getrieben werden soll, bekommt man 
wahrscheinlich schon einfache, echte Wärmebildkameras - aber ohne 
nennenswerten Lerneffekt.

Ebenfalls halbfertig wäre auch das Modul MLX90640, beschrieben  bei
https://www.heise.de/news/Preiswerte-Thermokamera-fuer-Experimente-6363924.html
Als "Maker" kann man sich damit schnell und billig eine einfache, aber 
echte Thermokamera basteln. Alles nachmachen bzw. zusammenstöpseln, was 
Andere schon vorgekaut haben bzw. als fertigen Modul anbieten. Auch 
dabei lernt man zweifellos etwas - aber nicht das, was der Andi lehren 
will... oder?

[Hermann S. (diphtong)]

Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:
Ich habe früher einmal selber
> NiCr-Ni-Thermolemente aus entsprechenden Leitungen hergestellt, d.h.,
> die zwei Enden zu einer Kugel verschweißt. Das ist überhaupt nicht
> trivial, und ohne Spezialausrüstung eher nicht möglich. Aber vielleicht
> hat hier jemand einen Tipp - der wäre auch für mich interessant, weil
> ich das für vorhandene, sehr dünne Leitungen hin und wieder brauche.

quick and dirty...Eigentlich reichts, wenn die Ni und die Cr-Ni Drähte 
verdrillt werden...an den Kontaktstellen "entsteht" dann die 
Thermospannung. Man misst die Temperatur dann eher auf einer Linie, 
anstatt an einem Punkt wie beim Verschweissen. Funktionieren tuts...wenn 
nicht viel mechanische Beanspruchung drauf kommmt.

Vll. taugt für die Anwendung ein Thermosäule besser, ist ja auch nix 
anderes als viele Thermoelemente in Reihe in einem Gehäuse.

Die sind ja erschwinglich:
https://www.reichelt.de/thermopile-detektor-tpd-1t-0214-tpd-1t-0214-p47516.html?PROVID=2788&gclid=EAIaIQobChMIt8HV5qil9gIVReh3Ch0SkQUdEAQYASABEgKSa_D_BwE

[Hermann S. (diphtong)]

Man weiß leider nicht in welchem Temperaturbereich sich das Ganze 
bewegen soll...ab einer gewissen Temperatur werden auch Silizium 
Sensoren wieder empfindlich für Temperaturstrahlung...sprich ein 
handelsüblicher Kamerasensor, am besten ohne IR-cut-Filter.
Stichwort: Farbtemperatur schwarzer Körper, Planksches Strahlungsgesetz

Für so ein abrasterndes System hab ich einen Link für Dich:
https://www.instructables.com/DIY-thermal-imaging-infrared-camera/

[Wolfgang (Gast)]

Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:
> Zunächst die technischen Bedenken: Eine solche Anordnung braucht eine
> Optik, also eine Linse, die Wärmestrahlung durchlässt.

Dieser Schluss ist eindeutig so nicht haltbar. Eine refraktive Optik ist 
nicht die einzige Möglichkeit.

> Eine "Lochkamera" würde prinzipiell auch gehen, aber die Spannungen würden
> derart klein, dass sie wahrscheinlich nicht mehr sinnvoll messbar wären.

Was spricht gegen ein Facettenauge?
Dafür reicht es, jedes Sensorelement durch eine Röhre gucken zu lassen, 
so dass es nur einen eng begrenzten Raumwinkel sieht. Die Röhren müssen 
dann igelförmig in verschiedene Richtungen gucken. Das lässt sich in der 
9. Klasse gut graphisch konstruieren und dann basteln.
Das Verhältnis von Röhrendurchmesser zu Sensorelementdurchmesser 
bestimmt das Auflösungsvermögen.

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Der instructables-Link führt zu meinem Projekt ;-)

Hier einige hoffentlich anregende Links zum Thema 
Wärmestrahlung/Wärmekamera:

https://stoppi-homemade-physics.de/thermosaeule/

https://stoppi-homemade-physics.de/waermebildkamera/

https://stoppi-homemade-physics.de/plancksches-strahlungsgesetz/

Beim letzteren wäre der Lerneffekt gar nicht mal so gering. Immerhin 
könnten sich die Schüler auch mit dem Ansteuern der Servos/dem Rastern 
auseinandersetzen und der IR-Sensor kostet auch nicht die Welt im 
Gegensatz zum MLX90640. Bei diesem wird es wohl daraus hinauslaufen, fix 
und fertige Lösungen zu übernehmen, da selbst die Bilddarstellung schon 
recht komplex ist. Ich habe aber beides umgesetzt...

[Andi D. (daandi)]

Wolfgang schrieb:
> Dafür reicht es, jedes Sensorelement durch eine Röhre gucken zu lassen,
> so dass es nur einen eng begrenzten Raumwinkel sieht.

Die igelförmige-Idee find ich ganz gut.

Hermann S. schrieb:
> Man weiß leider nicht in welchem Temperaturbereich sich das Ganze
> bewegen soll

Es sollte ein realisierbarer Bereich sein, vielleicht ein Bunsenbrenner.

Hermann S. schrieb:
> quick and dirty...Eigentlich reichts, wenn die Ni und die Cr-Ni Drähte
> verdrillt werden...an den Kontaktstellen "entsteht" dann die
> Thermospannung. Man misst die Temperatur dann eher auf einer Linie,
> anstatt an einem Punkt wie beim Verschweissen. Funktionieren tuts...wenn
> nicht viel mechanische Beanspruchung drauf kommmt

Das würde dann auch zu der Igelidee passen.

Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:
> Auch
> dabei lernt man zweifellos etwas - aber nicht das, was der Andi lehren
> will... oder?

Das Hauptaugenmerk sollte hier nicht auf dem Aufbau des Geräts liegen. 
Die Halbleiter müssten hier schon recht runter-gebrochen werden, damit 
sie für die 9. Klässler verständlich sind. Es sollte eine Erweiterung 
zum Themenbereich "Wärmestrahlung" sein. Da könnte man dann vielleicht 
mit der gebauten Kamera die Reflektion von Strahlung an verschiedenen 
Oberflächen "messen" (vgl. von schwarzer und glänzender Oberfläche).

@All Danke für die Antworten.

[Carypt C. (carypt)]

Aus Wachs soll man eine Linse für Wärmestrahlung machen können.