Präzises Messen macht Schule

Projektarbeit mit dem WT1800E
Schülerinnen und Schüler schon in der Sekundarstufe I für technisch anspruchsvolle Themen zu interessieren kann einfach sein – oder hochkomplex

In einer Arbeitsgemeinschaft von Schülern wurden kleine ferngesteuerte Luftkissengleiter gebaut. Aber die Reichweite einer Akkuladung enttäuschte die Schüler jedes Mal. Stärkere Zellen versprachen zwar längeren Fahrspaß, resultierten aber in unbeweglichen Gleitern mit armseligen Fahrleistungen. Es galt herauszufinden, wo die eigentlich vorhandene Energie blieb.

Die Suche nach einer Antwort führte bald zu einer Studie eines amerikanischen Forschungslabors. In den USA hatte man bereits im Jahr 2013 exakt diese kleinsten Antriebe mit Hilfe des Yokogawa WT3000 untersucht. Der Energieausnutzungsgrad der damaligen Kombinationen von Motoren und regelnder Elektronik sank unter höherer Belastung auf Werte um 33 %. In Kombination mit diesem Antriebsstrang war es besser, in einer alternativen Kombination wurde es hingegen schlechter. Die Studienergebnisse zeigten, dass gerade bei den kleinsten Antriebssträngen bis zu 80% auf dem Weg von der elektrischen Leistung des Akku bis zur mechanisch wirksamen Abgabeleistung verloren gehen können. Schnell erkannten die Schüler die Parallelen zu ihrem Projekt „Energieeffizienz", was sie im Unterricht am Beispiel von Glühlampen und ihren ressourcenschonenden Alternativen durchgeführt hatten.

Für Peter Maul – Lehrer der Henry Benrath Schule – zeigte sich schnell der Stellenwert technischer Themen für seine Schüler. Kleine Quadrocopter gewannen ebenso an Beliebtheit, wie die trendigen elektrischen Scooter. Noch dazu, wo diese bald auch für den Straßenverkehr zugelassen würden. In Zeiten von Elektromobilität waren Tretroller auf dem Vormarsch – mit intuitiven Steuerungen und Energierückgewinnung beim Bremsen. Allesamt technische Themen, die immens zum Verständnis des großen Ganzen beitragen würden. Einziges Problem: die Vielzahl elektrischer und mechanischer Komponenten überstieg in puncto Messung die Möglichkeiten des Schullabors.

Doch für nahezu jedes Problem gibt es bekanntlich eine Lösung. Im Fall der ambitionierten Schüler fand sie sich über eine Kontaktaufnahme mit den Mitarbeitern der Firma Yokogawa Herrsching, die den Nachwuchsforschern für ihre Messungen einen WT1800E zur Verfügung stellte. Dank des WT1800E konnten die Schüler bereits in der Projektvorbereitung ihre Messmöglichkeiten auf Basis von LEM Modulen erweitern.

Die Schüler hatten sich klare Ziele gesetzt: Herausgefunden werden sollte, welche Messgeräte wofür geeignet sind und mit welchen Aufbauten die physikalischen Größen am besten veranschaulicht werden könnten. Im Fokus dabei stand der Wunsch, durch die Experimente die Frage nach Effizienz und Güte von elektrischen Antrieben beantworten zu können. Und zwar für kleine Copter, wie auch für vergleichsweise große Elektroroller. Mit Hilfe des WT1800E wurden in einem ersten Schritt die elektrischen Größen isoliert voneinander gemessen und im Anschluss verglichen: Schulgerät gegen Referenzequipment. Lennard Mertens, Schüler der 10. Klasse: „Unsere Messungen der Wattzahlen mit dem Modellbaumessgerät vor Jahren in der Tech-AG waren einfach um ein Drittel zu niedrig: Kein Wunder dass die Akkus viel schneller leer waren als kalkuliert!"

Zudem erfolgte eine erste direkte dreiphasige Messung der elektrischen Leistung und der Vergleich mit dem Ergebnis von Drehmoment und Drehzahl – der realen mechanischen Leistung. Jan Alt über einen Aha-Effekt: „Drehmomente habe ich im Betriebspraktikum in der Uhrmacherwerkstatt vor einem halben Jahr auch elektronisch gemessen – jetzt verstehe ich, wie entscheidend diese Größe für jeden Antrieb ist." Ähnlich die Erkenntnisse von Teammitglied Felix Werlich: „Unglaublich, was diese kleinen Motoren an Leistung umsetzen. Einmal zu viel Beschleunigung und Drehmoment unter Last und der Zahnriemen aus dem Getriebe hat ein Drittel seiner Zähne verloren." Lehrer Peter Maul bestätigt: „Das wichtigste Ergebnis dieser Phase ist, dass mit Hilfe von Instrumenten wie dem WT1800E Sicherheit bei den Messergebnissen hergestellt werden kann. Nur mit dieser Präzision lässt sich nachweisen, wie genau beispielsweise die unabhängigen Entwickler der Regler aus dem Keep-it-Super-Simple Projekt und Regler von Benjamin Vedder Version 6 ihre angestrebten Wirkungsgrade treffen. Erst recht, wenn es um sechsphasig synchrone Messungen wie in einem Messkonzept bei Nagorny 2) geht. Jugendliche in diesem Alter können sehr schnell ein Gespür für verlässlich gewonnene Aussagen entwickeln – vor allem, wenn Unterschiede mit dem richtigen Instrument auch wirklich messbar sind und sichtbar bestätigt werden können."

Schulleiter Peter Schäfer und der Leiter des Gymnasialzweiges Lars Schnitzer unterstreichen die Wichtigkeit solcher Projekte: „Technische Themen und Arbeitsgruppen haben an der Henry Benrath Schule lange Tradition. Bei Projekten dieser Art sind wir immer auf besonderes Engagement der Pädagogen und die Unterstützung der Fachleute aus Institutionen und Unternehmen angewiesen und arbeiten hervorragend und zum Teil jetzt schon viele Jahre gut zusammen. Vielen Dank für Ihre Unterstützung!"

Henry-Benrath-Schule
Friedberg-Hessen-Deutschland
www.benrathschule.de

Download Yokogawa Test & Messtechnik Magazin - Heft 52