Die Temperaturschichtung im See selbst messen und verstehen

Bauanleitung für eine Temperatur-Messonde

1 Einführung

Im Folgenden wird eine Messsonde beschrieben, mit der die Temperaturschichtung in einem See oder Teich gemessen werden kann. Die Temperaturschichtung beeinflusst die Sauerstoffversorgung in tieferen Schichten (Hypolimnion) und die Nährstoffverteilung. Das Verständnis dieser Prozesse ist zentral für die Gewässerökologie.

Es handelt sich um einen Schulprojekt für die gymnasiale Oberstufe. Im Prinzip ähnelt der Versuchsaufbau einem digitalen Thermometer, wie es zum Beispiel in der Küche verwendet werden kann. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Temperatursensor mit einem längeren Kabel (3m, 10m oder länger) mit der Mess- und Anzeigeeinheit verbunden wird. Das Kabel wird mit wasserfestem Klebestreifen in 20 oder 50cm-Abständen markiert, so dass man direkt in verschiedenen Tiefen messen kann, ohne das Wasser mit einem Wasserschöpfer nach oben holen zu müssen.

Im Projekt sollen unterschiedliche Fähigkeiten geschult werden: Programmieren, etwas Elektronik, handwerkliches Geschick und am Ende natürlich die Gewässerökologie.

Das Messen der Temperatur gehört zu den Standardprojekten der Elektronikbastelszene mit einer unzähligen Menge Anleitungen und Videos. Trotzdem bietet das Projekt einige Herausforderungen, deshalb ist es bewusst möglichst einfach angelegt. Es werden nur wenige Bauteile benötigt, es sind nur sehr wenige Lötstellen und als Gehäuse nutzen wir ein Stück Plexiglasrohr. Natürlich kann man vieles besser machen.

Andererseits lassen sich nicht alle Klippen vermeiden, insbesondere das Einrichten der Entwicklungsumgebung, der Umgang mit dem Lötkolben und der Bau eines einfachen Gehäuses. Je nach Vorkenntnissen ist es sinnvoll, Rat und Kooperationen zu suchen, z.B. beim Informatiklehrer, einer Elektronik- und Robotik-Arbeitsgemeinschaft oder einem FabLab bzw. Makerspace.

Sicherheitshinweise

  • Achte beim Löten auf gute Belüftung.
  • Die Sonde darf nicht mit Netzspannung betrieben werden.
  • Beachte die Sicherheitsbestimmungen beim Arbeiten am Gewässer - Schwimmweste nutzen!
  • Die Sonde ist nicht für den Einsatz bei Gewitter geeignet.

2 Vorbereitung

2.1 Bauteile

  • Heltec 8266 WiFi Kit 8 oder vergleichbar
  • USB-Kabel für Stromversorgung und Programmierung
  • DS18B20 mit Kabel (z.B. 3m oder 10m)
  • Widerstand 4,7kΩ (Pull-up Widerstand für die Datenleitung)
  • Steckbrett und Verbindungsleitungen (Breadboard-Leitungen oder Klingeldraht 0,6mm Durchmesser)
  • Schrumpfschlauch, verschiedene Größen
  • Plexiglasrohr, Innendurchmesser 24, Länge 12cm
  • Material für Abschlussstopfen und Befestigung im Rohr, z.B. Plexiglas, PVC oder Holz
  • Silikon zur Abdichtung
  • Wasserfestes Klebeband, z.B. Duct Tape
  • optional: Steckverbinder 3polig

2.2 Werkzeuge

  • Elektroniklötkolben mit Ständer, Lötzinn 0.5mm, bleifrei
  • Lötkolbenreiniger (Schwamm oder Messingwolle), Haltehilfe (“3. Hand”)
  • Seitenschneider oder Kombizange
  • Feine Säge zum Schneiden des Plexiglasrohrs
  • Maßband für die Markierung des Kabels
  • optional: Multimeter
  • optional: 47Ω Widerstand (mindestens 0,5 W) für stabile Stromversorgung.

2.3 Anlöten der Stiftleisten

Je nach Vorkenntnissen empfiehlt es sich, Schaltung und Software zunächst in einer Experimentierumgebung zu testen, auf einem sogenannten Steckbrett (Breadboard). Wenn alles funktioniert, erfolgt der finale Aufbau üblicherweise auf einer Leiterplatte. Da im vorliegenden Fall nur drei Anschlüsse benötigt werden, kann auf eine Leiterplatte verzichtet werden.

Für das Projekt verwenden wir ein Mikrocontroller-Entwicklungsboard (MC-Board) mit USB-Anschluss und integriertem Display, das “Heltec WiFi Kit 8” mit dem in der Bastlerszene sehr verbreiteten ESP 8266 Chip.

Das Heltec WiFi Kit 8 wird unverlötet geliefert. Wir müssen deshalb zunächst die Stiftleisten anlöten. Hierzu findet man auf Youtube zahlreiche Video-Anleitungen. Die wichtigsten Pins sind GND, 3.3V und D1. Gegebenenfalls ist es sinnvoll, zunächst etwas mit einem Stück Lochrasterplatte zu üben oder sich von einem erfahrenen Bastler helfen zu lassen.

Da man für das Steckbrett ein Mikrocontroller mit Stiftleisten benötigt, für die endgültige Schaltung jedoch ohne, empfiehlt es sich, einen Dreierpack Mikrocontroller zu kaufen: einen für den Steckbrettaufbau, einen für die endgültige Schaltung und einen als Reserve.

Im Prinzip lassen sich auch andere Mikrocontroller verwenden, allerdings benötigt man dann noch ein separates Display und hat etwas mehr Lötarbeit.

2.4 Vorbereitung der Arduino-Umgebung

Zum Programmieren des MC werden zwei unterschiedliche Arten von Software benötigt:

  1. Ein Programm zum Erfassen der Daten und zur Ansteuerng des Displays, ein sogenanntes “Sketch”.
  2. Eine Programmierumgebung zur Erstellung dieses Programm und um es auf den MC zu schreiben.

Als Programmierumgebung verwenden wir die frei erhältliche Arduino IDE. Beim Arduino handelt es sich um eine Familie von MC-Boards, die besonders einsteigerfreundlich sind. Um die Arduino IDE auch für andere MC-Boards zu verwenden, z.B. das WiFi Kit 8, muss eine zusätzliche Boardverwalter-URL eintragen werden (Abbildung 1). Für das WiFi Kit 8 benötigt man einen Boardverwalter für die ESP 8266-Prozessorfamilie.

Wichtiger Hinweis zum USB-Treiber (CP2104)

Wenn dein Computer das Board beim Anschließen nicht als virtuellen COM-Port erkennt, musst Du den entsprechenden Treiber, den CP210x Driver (von Silicon Labs), manuell installieren. Den aktuellen Treiber für alle Betriebssysteme findest Du direkt beim Hersteller Silicon Labs.

Die Details dazu sind auf diversen Internetseiten zu finden. Bei manchen Online-Händlern ist für den Mikrocontroller eine passende Anleitung oder ein Ebook erhältlich.

Vorgehensweise

  1. Download und Installation der Arduino IDE von: https://www.arduino.cc/en/software/
  2. Setzen der Sprache auf deutsch über File – Preferences
  3. Neustart
  4. Hinzufügen der Bordverwalter-URL über Datei – Einstellungen in das Feld Zusätzliche Boardverwalter-URLs:
    • https://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
  5. Installieren zusätzlicher Bibliotheken: Öffne den Bibliotheksverwalter (Sketch → Bibliothek einbinden → Bibliotheken verwalten…) und suche nacheinander nach den folgenden Bibliotheken, um diese zu installieren:
    • OneWire
    • DallasTemperature
    • U8g2

Die optionale WiFi-Version benötigt zusätzlich die folgenden Bibliotheken:

  • ESPAsyncTCP
  • ESPAsyncWebServer

Sie können später nachinstalliert werden.

Abbildung 1: Installation der Boardverwalter-URL für ESP 8266-Boards. Anschließend muss man den Download in der Arduino IDE bestätigen.

3 Steckbrettaufbau und Programmierung

3.1 Steckbrettaufbau

Für den Steckbrettaufbau benötigen wir den mit Pinleisten verlöteten MC, drei verschiedenfarbige Kabel, einen Temperatursensor und eine Widerstand.

Wichtig ist, dass die Stifte des MC eine gute elektrische Verbindung haben. Es ist zu empfehlen, die Stifte des MC nicht zu tief ins Steckbrett zu pressen. Gegebenenfalls misst man mit einem Multimeter nach, dass am Temperatursensor eine Spannung von 3,3V anliegt. Das USB-Kabel liefert 5V Spannung vom Rechner bzw. aus der Powerbank. Der interne Spannungsregler des Boards konvertiert diese zur Versorgungsspannung von 3,3V für das Board.

Als Temperatursensor verwendet man für den Steckbrettaufbau am besten einen DS18B20-Sensor ohne Kabel. Bei einem Sensor mit Kabel muss man zunächst eine Stiftleiste mit 3 Pins anlöten.

Wichtig

  • Der DS18B20 ist nicht vor Verpolung geschützt, deshalb unbedingt richtig herum einsetzen!
  • Wenn man Plus und Minus vertauscht, wird der Sensor heiß und kann beschädigt werden.

Die Kabel werden wie in Abbildung 2 geschaltet. Hierfür werden drei Verbindungsleitungen benötigt:

  • Minuspol (GND = Ground),
  • Pluspol (3.3V)
  • Signalleitung an Pin D1

Verbindungskabel sind mit Breadboards im Set erhältlich. Alternativ genügt Klingeldraht mit einem Durchmesser von ca. 0.32mm.

Damit die Signalleitung einen definierten Wert hat, wird zwischen Signalleitung und Pluspol ein sogenannter Pullup-Widerstand von standardmäßig 4,7 kΩ geschaltet. Das WiFi Kit besitzt auch interne Pullup-Widerstände, deshalb funktioniert es auf dem Steckbrett zuweilen auch ohne die 4,7k. Für den Tiefensensor ist der 4,7k-Widerstand unbedingt nötig, da sonst Messaussetzer auftreten können.

Schaltschema

Praktischer Versuchsaufbau
Abbildung 2: Versuchsaufbau auf einem Steckbrett, links mit der Fritzing-Software gezeichnet, rechts als praktischer Versuchsaufbau.

3.2 Hochladen des Programms und Test

Nun verbinden wir, falls noch nicht geschehen, das MC-Board über ein USB-Kabel mit dem Computer und laden das Messprogramm (Sketch) auf den Controller:

  1. Herunterladen des Sketches t-sensor-display.ino und Abspeichern auf dem Computer
  2. Öffnen des Sketches in der Arduino IDE
  3. Verbinden des Boards über USB mit dem Computer
  4. Einstellen des COM-Ports (der mit USB verbunden ist) und Auswahl des Boards (Generic ESP8266 Module)
  5. Hochladen des Messprogramms über: Sketch – Hochladen

Auch das Display sollte einen Temperaturwert anzeigen. Wenn es nichts oder “No Sensor” anzeigt, dann kurz das USB-Kabel trennen und noch einmal versuchen. Falls es dann noch immer “No Sensor” anzeigt, bitte die elektrischen Verbindungen nachprüfen und ggf. mit dem Multimeter nachmessen.

Zur Fehlersuche kann man die Messwerte auch im Seriellen Monitor (Terminal) der Arduino IDE überprüfen.

Vorgehensweise

  1. Stellen Sie sicher, dass das Heltec Board über das USB-Kabel mit Ihrem Computer verbunden ist.
  2. Klicken Sie in der Arduino IDE oben rechts auf das Lupen-Symbol (Serieller Monitor).
  3. Wählen Sie in der Dropdown-Liste des Seriellen Monitors die korrekte Baudrate aus. Sie muss mit der im Sketch festgelegten Rate übereinstimmen, aktuell 9600.
  4. Neustart des Mikrocontrollers: Drücke den Reset-Knopf auf dem Heltec-Board oder ziehe kurz das USB-Kabel ab und stecke es wieder ein. Dies ist nötig, um die Ausgabe im Terminal zu starten.
  5. Wenn alles korrekt läuft, sollten die fortlaufend gemessenen Temperaturwerte (z.B. Temperatur: 18.50 C) im Terminal angezeigt werden.

Wenn alles funktioniert, kann man etwas experimentieren, das Messprogramm (Sketch) weiter verbessern oder zum nächsten Schritt übergehen und eine Freilandsonde bauen.

4 Freilandversion und einfaches Gehäuse

Für eine kompakte Gestaltung und um den Löt- und Verdrahtungsaufwand zu minimieren, setzt dieser Bauvorschlag auf eine minimalistische Verdrahtung ohne Leiterplatte (PCB) und nutzt ein kurzes Plexiglasrohr als Gehäuse. Der finale Aufbau verzichtet bewusst auf zusätzliche Platinen, um die Anzahl der Lötstellen auf ein Minimum zu reduzieren und das Projekt dadurch maximal einsteigerfreundlich zu gestalten.

Die Mechanik wird dabei gezielt in die Elektronik integriert:

  • Der 4,7 kΩ Pull-up-Widerstand wird direkt zwischen dem Daten-Pin des Sensors und der 3,3 V Spannungsversorgung am Mikrocontroller verlötet. Er dient somit nicht nur der elektrischen Funktion, sondern gleichzeitig als Anschluss für den Sensor.

  • Sämtliche Lötstellen werden mit Schrumpfschlauch isoliert und stabilisiert. Dies gewährleistet eine robuste Verbindung direkt am MC-Board.

Alternativen für das Gehäuse

Obwohl das Plexiglasrohr eine einfache und transparente Lösung bietet, können bei Bedarf auch andere Gehäuse verwendet werden, z.B. eine durchsichtige Süßwarenverpackung, ein handelsübliches Elektronikgehäuse oder ein Gehäuse aus dem 3D-Drucker. 3D-Drucker.

Abbildung 3: Ansicht der Schaltung von oben. Der 4,7k Widerstand wird durch die Lötösen von 3,3V und D1 durchgeführt. An die Beinchen auf der Unterseite wird das Sensorkabel angelötet.

Ansicht von unten mit angelöteten Beinchen

Angelöteter Temperatursensor
Abbildung 4: Ansicht von unten. Man erkennt die etwas gekürzten Beinchen des Widerstands bei 3,3V und D1. Zusätzlich ist ein Stück Draht an den Minuspol (GND) angelötet. Hierfür kann man ein Stück eines Widerstandsbeinchens verwenden.

4.1 Zusammenbau der Elektronik

Für den Bauvorschlag sind nur 3 Lötpunkte erforderlich, deshalb wurde eine freie Verdrahtung gewählt. Hierbei dienen die Beinchen des 4,7k-Widerstands als Anschlussdrähte. Wichtig ist, alle elektrischen Verbindungen gut mit Schrumpfschlauch zu isolieren.

Vorgehensweise wie folgt (siehe Abbildung 4 und Abbildung 4):

  1. Beinchen des Widerstands zwischen 3,3V und D1 durchführen
  2. Widerstand von oben und unten verlöten
  3. Beinchen des Widerstands etwas kürzen
  4. Zusätzlichen Draht an GND (Minuspol) anlöten, z.B. Rest eines Widerstands-Beinchens
  5. Anschlussdrähte des Temperatursensors ca. 2-3cm zusätzlich abisolieren und Kabelenden auf eine Länge schneiden, die eine Verbindung mit den Anschlussdrähten ohne größere mechanische Spannung ermöglicht.
  6. Enden des Sensorkabels und Anschlussdrähte am MC verzinnen
  7. Schrumpfschlauch zurechtschneiden und über die Anschlüsse des Temperatursensors schieben.
    • Hierbei darauf achten, dass der Schlauch lang genug ist und andererseits weit genug von der Lötstelle entfernt, damit er sich nicht bereits beim Löten zusammenzieht.
    • Gegebenenfalls Anschlüsse am Temperatursensor noch etwas mehr freilegen
  8. Anlöten des Temperatursensor-Kabels an die Widerstands-Beinchen
  9. Hochladen des Sketches und Testen der Schaltung
  10. Schrumpfschlauch platzieren und mit einer Heißluftpistole oder einem Föhn schrumpfen
  11. Zugentlastung mit transparentem Schrumpfschlauch oder Isolierband anbringen

4.2 Mechanischer Zusammenbau

Der elektronische Aufbau (Mikrocontroller und Display) wird in das Plexiglasrohr eingeführt und im Inneren gegen Verrutschen und Wackeln gesichert (interne Stabilisierung). Im Bauvorschlag wurde dazu ein passendes Stück Plexiglas zugeschnitten, das eng im Rohr sitzt. Für die Stabilisierung sind auch andere Materialien geeignet, beispielsweise PVC-Platten, Holz oder feste Pappe. Wichtig ist, dass die Konstruktion fest sitzt, bevor die Enden verschlossen werden.

Zum Verschließen der Enden des Plexiglasrohrs werden Endstopfen benötigt. Diese können aus Plexiglasscheiben angefertigt werden, oder es werden passende Stopfen aus PVC/Gummi verwendet. Für die Durchführung des Kabels der Stromversorgung (USB) müssen Schlitze eingesägt werden, da der Stecker dicker ist als das Kabel selbst. Das dünnere Sensorkabel (DS18B20) kann idealerweise vor dem Anlöten durch ein eng bemessenes Bohrloch im Stopfen gefädelt werden.

Nachdem der Elektronikaufbau erfolgreich getestet und im Rohr fixiert wurde, erfolgt die endgültige und wasserdichte Versiegelung. Hierzu werden die Plexiglasscheiben sowie alle Kabeldurchführungen mit Silikon eingeklebt und abgedichtet, wobei das Silikon hier sowohl als Kleber als auch als Dichtmittel fungiert und vollständig aushärten muss, um die wasserdichte Durchführung zu gewährleisten. Alternativ zu Plexiglasscheiben und Silikon können auch passende Stopfen oder andere Materialien, z.B. aushärtbare Modelliermasse, verwendet werden.

Als optionale Verbesserung für mehr Vielseitigkeit können dreipolige Steckverbinder mit angegossenem Anschlusskabel, beispielsweise aus dem PKW-Zubehör, in die Schaltung integriert werden. Dazu wird das Kabel der Steckbuchse direkt anstelle des Sensors mit dem MC-Board verlötet. Das Kabel des Steckers wird mit dem Kabel des Temperatursensors verlötet. Alle drei Adern sowie die gesamte Lötstelle der Kabelübergänge sollten dabei sorgfältig mit Schrumpfschlauch abgedichtet und isoliert werden. Diese Methode ermöglicht es, Sensoren mit unterschiedlicher Kabellänge schnell anzuschließen und zu trennen.

Abbildung 5: Fertige Temperatursonde mit Powerbank zur Stromversorgung und Stahlkarabiner zur Befestigung eines Gewichts.

muss das Sensorkabel entsprechend markiert werden. Dazu kann wasserfestes Klebeband, wie beispielsweise Duct Tape, verwendet werden. Wir markieren das Kabel beispielswiese alle 20 cm für die ersten 2 Meter und anschließend in 50-cm-Schritten. Um die Ablesung zu erleichtern, kann es sinnvoll sein, verschiedene Farben zu nutzen, zum Beispiel weiß für 20, 40, 60 und 80 cm, rot für die vollen Meter und zusätzlich alle 5 Meter in einer auffälligen Farbe wie Silber.

Damit das Kabel im Wasser senkrecht hängt und die Tiefe exakt erreicht wird, befestigen wir am Ende des Sensorkabels ein ausreichend schweres Gewicht, wofür sich ein Edelstahlkarabiner gut eignet.

5 Weitere Möglichkeiten und Hinweise

Hinweis zur Stromversorgung

Die Sonde benötigt nur sehr wenig Strom (weniger als 25mA). Daher gehen manche Powerbanks nach kurzer Zeit in den Stromsparmodus. Viele moderne Powerbanks (insbesondere Modelle mit USB-C-Unterstützung) verfügen über einen “Niedrigstrommodus”. Dieser Modus kann oft durch zweimaliges Drücken der Power-Taste aktiviert werden.

Falls die Powerbank diesen Modus nicht unterstützt, kann man den Sketch t-sensor-display-wifi.ino benutzen. Diese Version benötigt ca. 80mA. Mit der WiFi-Version kann man die Temperaturdaten auch zusätzlich auf einem Handydisplay anzeigen lassen.

Eine weitere Möglichkeit ist die Stromversorgung aus dem USB-C-Anschluss des Mobiltelefons, statt einer Powerbank. Wird die Sonde direkt über das Mobiltelefon mit Strom versorgt, bietet sich der weitere Vorteil, dass man die Ausgaben des Sketches (z.B. die Temperaturwerte) mit einer Terminal-App (wie dem Serial USB Terminal) direkt am Handy lesen und aufzeichnen kann.

Als robuste Hardware-Lösung kann man zwischen 3.3 V und Minuspol einen Widerstand als “künstlichen Verbraucher” einfügen. Mit einem Widerstand von 47Ω wurde eine Gesamtstromstärke von 85mA gemessen (davon 70mA durch den Widerstand). Wichtig ist hierbei die ausreichende Dimensionierung des Widerstands für die Verlustleistung. Da der Widerstand allein ≈0.232W ableiten muss, ist der für einfache Widerstände typische Standard von 0.25 W sehr knapp bemessen. Für eine langlebige Schaltung wird ein Widerstand der Klasse 0.5W (oder mehr) empfohlen, oder man schaltet zwei Widerstände mit je 100 Ω parallel1

Zusatzoptionen

  • Verdrehsicherer dreipoliger Steckverbinder zwischen Mikrocontroller und Temperatursensor (erlaubt Anschluss von Sensoren mit unterschiedlicher Kabellänge)
  • Gehäuse aus dem 3D-Drucker (professionelleres Aussehen)
  • Datenausgabe auf den PC oder Laptop über das Arduino-Terminal (Standardmethode zur Überprüfung)
  • Nutzung eines Smartphones zur Stromversorgung und zur Datenaufzeichnung (benötigt geeigneten USB-C-Adapter und die App “Serial USB Terminal” von Kai Morich)

Erweiterte Sketches

  • WLAN-Accesspoint-Betrieb zur Datenausgabe: Der Mikrocontroller stellt ein eigenes WLAN-Netzwerk bereit, um die Daten an andere Geräte zu senden (t-sensor-display-wifi.ino)
  • Interne Datenloggerfunktion des Mikrocontrollers (falls dazu Bedarf besteht, kontaktieren Sie uns bitte für weitere Informationen).

Kontakt

Wir hoffen dass das Projekt helfen kann, die physikalische Struktur von Seen Unterricht oder in Forschungsprojekten besser zu verstehen. Sollten Sie Fragen, Anmerkungen oder Vorschläge zum Bauvorschlag haben, zögern Sie bitte nicht, uns zu kontaktieren. Wir freuen uns über Erfahrungsberichte und Anregungen aus Ihrer Schule.

Homepage des Autors: https://tu-dresden.de/Members/thomas.petzoldt

Fußnoten

  1. Anmerkung zur Messung: Die gemessene Gesamtstromstärke von 85 mA ist geringer als die Summe der Einzelströme (25 mA der Schaltung + 70 mA des Widerstands ≈95 mA). Dies ist typisch für Messungen im Serienschaltkreis: Jedes reale Amperemeter besitzt einen geringen Innenwiderstand. Dieser reduziert die Betriebsspannung der Schaltung und so den Gesamtstrom. Strommessungen sind messtechnisch anspruchsvoller als Spannungsmessungen↩︎