RikamIno - Radon-Ionisationskammer Break-Out für den Arduino

[opengeiger.de]

@silfox : Wenn Du den PN4117A bestellt hättest, dann hättest Du nur 3.40Euro bezahlt, den SMP 4117A gibts sogar für 2.73Euro, drum hatte ich geschrieben, dass sich der Preis je nach Gehäusetyp 2N, PN und SMP unterscheidet. Nur der 2N4117A  kostet 15.77Euro netto. Aber der 2N4117A hat auch einen Vorteil, er ist in einem hermetisch dichten Gehäuse untergebracht und man bekommt einen Pin um das Gehäuse an Masse zur Schirmung anzuschliessen. Aber es freut mich dass Deine Konstruktion auf Anhieb funktioniert hat. Ich muss zugeben, da ich noch nicht wusste, wie das ganze rauskommt, habe ich meinen Prototypen-Ansatz äusserst pragmatisch gemacht. Man kann es sicher besser und solider machen. Dein Ansatz ist sicher robuster. Was bekommst Du als Zeit für eine Nullmessung?

@Radioquant98 : Ich will Dich gewiss nicht von Deiner Meinung abbringen. Es ist halt so, dass das Gate durch den Ionisationsstrom nicht ganz auf 5V geht, vermutlich weil sich der Ionisationsstrom und der Sperrstrom ins Gate vorher die Waage halten.Wenn nun der Mikrocontroller auf Ausgang schaltet und den Source-Pin "High" legt, dann entspricht das 5V, daher liegt der Source kurzfristg höher als das Gate und das polt den Gate-Kanal pn-Übergang um und dadurch fliesst die Gate Ladung ab. So interpretiete ich das Geschehen. Man sieht das auch in der Simulation mit LTSpice sehr gut, wenn man mit hoher zeitlicher Auflösung simuliert und sich den Gatestrom zu dem Zeitpunkt genau in dem Bereich anschaut, wo der Source-Anschluss auf 5V geht. Da sieht man einen mehrere Ampere hohen Spike, der nach ein paar ns exponentiell abklingt. Dass dieser Entladungsstom in der von mir gezeigten  Simulation so hoch ist, liegt daran, dass ich den Mikrocontroller Ausgang über einen niederohmigen Switch an den Source schalte. In Realität ist dieser Strom durch den Mikrocontroller IO auf wenige mA begrenzt. Das reicht jedoch um Gate zu entladen. Aber mich würde es auch interessieren, ob es mit einem MOSFET auch geht. Vielleicht geht das sogar noch besser, wer weiß? Ich bin nur dieser Veröffentlichung mit dem JFET einfach gefolgt und da ist es ja auch genauso beschrieben. Und DG0MG hat einen Vorschlg von Charles Wenzel bei techlib gefunden, der im Prinzip dasselbe Frontend beschreibt. Daher war zumindest die Wahrscheinlichkeit gross, dass der JFET Ansatz relativ sicher geht. Aber das muss nicht heissen, dass ein MOSFET nicht auch geht! Versuche das doch mal!

@Peter-1 : Ich kanns mal mit höherer Spannung versuchen. Aber die 20V haben halt den Charme, dass man das sehr einfach mit zwei 9V Blocks hinbekommt und da der Strom ja suuuper klein ist, halten die Batterien ja quasi ewig. Und ein altes Laptop Netzteil mit 19V geht genauso, das hat man oft vom letzten ausrangierten Laptop übrig.

[Radioquant98]

Hallo opengeiger,

danke für deine Aufklärung. Ich kenne mich zwar gut mit Elektronik aus, aber bei der "black box" genannt Prozessor ist schluß. Ich sehe dann nur noch die äußere Beschaltung, aber nicht mehr, was sich da tut

Mit Kammern habe ich mich praktisch noch garnicht befaßt - auch mit deiner Schaltung nicht - mich interessiert aber die eigentliche Funktion, denn ich bin kein sturer Nachbauer. Oft läßt sich gleiche Funktion auch anders erreichen.
In den Kammern von MKD wurden immer MOSFET ohne Gatschutzdioden eingesetzt. Deren konkrete Funktion habe ich aber auch noch nicht ergründet.
Aber diese MOSFET zum Beispiel der SMY60 und SMY62 sind äußerst hochohmig und der Vorteil - es sind gleich Zwei Gleiche drin, gut für Differenzverstärker.
Ich habe die Leckströme der SMY zu deinen SFET aber auch noch nicht verglichen(im Moment baue ich noch an der Szintisonde)
Aber so nebenbei befasse ich mich eben auch damit, gerade wenn ein Beitrag darüber erscheint.

Noch eine Bitte: könntest Du was wie ausgewertet wird mal etwas näher beschreiben ?

Viele Grüße
Bernd

[Samarskit]

Zu Nolis Antwort wegen Pu241 / Am241:

Ja, das ist richtig. In den ersten Jahren des Trinitit war Pu241 noch mit einer ziemlich hohen Aktivität unterwegs und hat
das Am241 dadurch aufgebaut. Inzwischen sind aber mehr als 5 Halbwertzeiten abgelaufen, so dass nur noch weniger als 3%
der Startaktivität vorhanden sind, und etwa seit 2018 hat das Am241 sein Maximum erreicht und baut seitdem wieder ab,
aber noch langsamer, als es seiner eigenen Halbwertzeit entspräche.

Gruß!

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@Samarskit : Schön, Dich hier mal wieder anzutreffen  . Du hast Dich doch vor längerer Zeit ausgiebigst mit Trinitit befasst. Was war denn letzten Endes Dein Fazit, welche Aktivität man da heute noch primär sieht, neben dem Cs137 und Am241? Ist es das Pu239, welches die Alpha-Aktivität dominiert? Hast Du einen Hinweis auf Sr90 gefunden? Laut Parekh et. al. ist ja davon auch viel entstanden ähnlich wie Cs137 tendentiell vielleicht etwas weniger. Aber mit nem LND7317 Pancake Zählrohr dürfte man das heute an so einem wenige Gramm schweren Trinitit Stückchen doch kaum noch sehen können. Daher wird es wohl eher das Pu239 sein was man da heute noch sehr gut nachweisen kann, was meinst Du?

[opengeiger.de]

So, nun kam ich endlich dazu nochmal einige Messungen an dem Stückchen Trinitit (20x17x10mm, ca. 1g) zu machen.

Zunächst muss ich aber meine Aussage zum Gammscout korrigieren. Er reagiert doch deutlich auf die Strahlung des Trinitit, vermutlich habe ich den Blendenwahlschalter falsch eingestellt oder auf der falschen Seite des Steinchens gemessen (die glatte, verglaste Seite strahlt deutlich stärker).

Mit dem LND712 Zählrohr des Gammascout in der Bleiburg habe ich nun direkt am Entrittsfenster 2.416cps gemessen, die Nullrate beträgt in der Bleiburg 0.134cps.

Mit dem Inspector (LND7317) habe ich jetzt 27.9cps mit dem Stückchen Trinitit ohne Bleiburg gemessen, bei einer Nullrate von 0.93cps.

Dann habe ich noch mit dem Radiacode das Spectrum in direktem Kontakt mit der Stirnfläche aufgenommen. Man sieht sehr schön den Cäsiumpeak bei 662keV und einen Doppelpeak ganz vorn, wovon der größere vermutlich aus den 59keV des Am241 und dem XRF des Bleis besteht und der kleinere aus der 26.2keV Linie des Am241 und dem XRF des Cs137 bei 32keV. Man sieht aber schnell, viel ist die Gammastrahlung nicht, die das Stückchen Trinitit noch abgibt, der RC-101 summiert die Bins zu einer Dosisleistung von nur 128nSv/h auf.

Auch mit dem Rikamino-Break Out habe ich nochmals gemessen. Ich habe mich nun aber dazu entschlossen, als die Größe, die zu den cps eines Geigerzählers am ehesten äquivalent ist, die Zahl der Sägezahn-Zyklen pro Stunde anzugeben, also den Kehrwert zur gemessenen Periodendauer in Stunden. Das ergibt eine handlichere und bessere Vorstellung für die registrierte Aktivität. Ich habe dieses Mal bei etwa 18°C gemessen, das reduziert den stark temperaturabhängigen Sperrstrom noch etwas. So komme ich zu einem Wert von 18 Zyklen/h mit dem Trinitit-Stückchen auf dem Netz der Kammer und auf 2.2 Zyklen/h als Nullrate (ohne Bleiburg).

Ich habe aber auch noch interessehalber mal den 100Bq Sr90 Prüfstrahler, der im Schutzdeckel des Berthold LB1210 Kontaminationsmonitors aufgeklebt ist, vermessen (der aber sicher schon mehr als eine Halbwertszeit alt ist), damit komme ich auf 3.91 Zyklen/h mit dem Rikamino-Breakout. Das ist ein reiner Betastrahler. Man bekommt also schon das Gefühl, dass die Rikamino-Ionisationskammer deutlich stärker auf die Alpha-Strahlung des Trinitit reagiert.  Man kann das im Prinzip auch mit der ,,Collection-Efficiency" eines gasgefüllten Detektors begründen. Unterhalb des Geiger-Plateaus, im Proportionalbereich, spalten sich die Kurven für Alpha und Beta auf. Am stärksten ist dann der Unterschied, wenn der Ionisationsstrom gerade sättigt, also dort wo die Ionsisationskammern in der Regel betrieben werden. Dabei liefert eine Ionisations-Kammer eine deutlich höhere Sammel-Effizienz für Alpha-Partikel als für Beta-Partikel.

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Aus: Annika Busch, Inbetriebnahme eines Konverterteststandes für die PET, Bachelorarbeit 2012, Westfälische Wilhelms-Universität Münster

[Peter-1]

Das Thema hat mich neugierig gemacht.
Mein kleiner Trinitit kann sicher etwas Auskunft geben.
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1. Versuch mit der externen Sonde vom Berthold LB1200.
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Das eingebaute Zählrohr Valvo 18526 ist für alpha und beta angegeben. Also sollte, falls Trinitit ein Alphastrahler ist, ein Unterschied in der Zählrate bestehen, wenn das Zählrohr mit einem Blatt Papier abgeschirmt wird.
Ergebnis : kein Unterschied !
D.h. der Anteil an Alphastrahlung ist sehr gering.

2. Versuch mit der Halbleitersonde Siemens SFH 521
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Nach vielen Versuchen ist diese Sonde sehr gut für alpha, jedoch kaum für beta oder gamma geeignet.
Jetzt zeigt sich ein anderes Bild. Trinitit direkt vor der Sonde : 11,8 CPM
Mit einem Blatt Papier davor : 0,66 CPM.  Das Ergebnis ist eindeutig!

[opengeiger.de]

@Peter-1 : interessanter Versuch! Danke!

Was schließen wir nun draus? Ich denke mal, die SFH521 Halbleitersonde ist auf Alpha-Strahlung recht empfindlich. Da ist auf dem Halbleiter nur eine super-dünne SiO2 Passivierung zum Schutz aufgebracht. Rein theoretisch müsste der Halbleiter aber auch auf Soft-Betas empfindlich reagieren. Pu241 liegt mit der Betastrahlung nur bei 5keV im Mittel. Ich weiß nicht, wie schwer es ist, diese Strahlung mit zum Beispiel einem LND7317 nachzuweisen. Und ein Blatt Papier könnte auch auf solche Betas einen starken Einfluss haben. Da fehlt mir die Erfahrung. Allerdings müsste das Pu241 mit einer HWZ von 14Jahren im Trinitit bereits weitestgehend in Am241 zerfallen sein.

Das 18526 wiederum ist ja ein betagtes, universelles Endfenster-Zählrohr mit Glimmerfenster. Ich habe ein altes Philips Datenblatt gefunden (siehe Anhang). Eine gewisse Alpha-Empfindlichkeit müsste es demnach schon haben. Daher wundert mich Dein Versuchsergebnis etwas. Dass Du mit dem Papier keinerlei Änderung gesehen hast, deutet darauf hin, dass die Zählrate nicht durch registrierte Alphas bestimmt war. War denn überhaupt ein Unterschied zur Nullrate erkennbar mit dem Trinitit? Geht man vom Pu239 aus, wären das etwa 5MeV (beim Am241 ganz ähnlich). Das müsste das 18526 eigentlich sehen. Es könnte aber sein, dass vom Trinitit einfach zu wenig emittiert wird, als dass Du mit diesem Zählrohr groß etwas merkst. Das würde aber im Gegensatz bedeuten, dass der Rikamino-Kammer superempfindlich wäre, denn da ist die Reaktion ja schon sehr deutlich. Oder Deine LB1200 Sonde funktioniert nicht mehr so wie es soll. Könnte das sein?     

[Peter-1]

Hallo Bernd,

natürlich ist das LB1200 mit dem ext. Rohr 18526 schon sehr alt, aber bisher noch nicht als def. aufgefallen. Ich prüfe es nochmal. Anbei noch das Datenblatt der SFH521 Sonde.
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/45685/SIEMENS/SFH521.html

Jetzt geht es erst mal nach Großherrischwand  , das Wetter ist nicht so 
In einigen Tagen kann ich dann meine 70031A nochmal besser beurteilen.
Peter

[opengeiger.de]

Jetzt geht es erst mal nach Großherrischwand  , das Wetter ist nicht so 
In einigen Tagen kann ich dann meine 70031A nochmal besser beurteilen.

Und auf dem Rückweg fährst Du in Stuttgart in der Kapelle vorbei, oder? Hier ist das Wetter (noch) gut und die Kapelle hat ein Dach !     

[opengeiger.de]

Mich würde noch interessieren, welchen Einfluss die Kammerspannung hat. Mir erscheinen 20 Volt etwas wenig. Ich meine, in den kommerziellen Geräten mit Ionisationskammer ist ein Transverter drin, der eine erheblich höhere Spannung erzeugt?

Es kam der Wunsch auf, die Empfindlichkeit der Rikamino-Ionisationskammer auf die Spannung an der Kammer zu untersuchen. Das habe ich nun mal an dem Stückchen Trinitit gemacht, bei dem ich davon ausgehe, dass es ein schwacher Alpha-Strahler aus dem im glasartigen Material noch vorhandenen Pu239 ist. Als Spannungsquelle habe ich ein einstellbares Hochspannungsmodul 0-500V von Advanced Energy verwendet.  (https://www.advancedenergy.com/getmedia/24758fcd-8974-4bdc-88fd-8db172dde906/en-hv-us-series-data-sheet.pdf)   

Hier das Ergebnis:
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Was hier vermessen ist, ist im Anhang gezeigten, generellen Verhalten eines Gasdetektors der magenta eingekringelte Bereich. Es erstaunt mich selbst, wie schnell das Sensor-Signal, das zum Ionisationsstrom proportional ist und beim Rikamino-Prinzip am besten gemessen in Zyklen pro Stunde, aus der Rekombination in den Sättigungsbereich übergeht. Der in der ursprünglichen Veröffentlichung genannte Spannungswert von 18V liefert nur einen unwesentlich niedrigeren Wert als eine Spannung von 56V. Gut, wenn man das Maxium rausholen will an Empfindlichkeit, ist es sicher nicht falsch 50 oder 100V an die Kammer anzulegen. Aber das hat halt auch gleich so seinen Preis. Man muss sich dann eine passende Hochspannungsquelle basteln oder kaufen. Zwei oder drei 9V Blocks sind dagegen eine deutlich billigere Alternative und da so gut wie kein nennenswerter Strom fließt, ist das sicher die günstigere Lösung und man verliert dadurch offensichtlich nicht viel.

Aber Eines muss ich vielleicht noch erwähnen. In der Literatur ist mir aufgefallen, dass es konstruktiv gesehen einen großen Unterschied bei den Ionisationskammern gibt, der möglicherweise genau diese Charakteristik stark beeinflusst. Es gibt Kammern mit parallelen Platten als Elektroden, welche die Ionen sammeln und es gibt zylindrische (koaxiale) Anordnungen. Bei der koaxialen Anordnung erreicht man natürlich eine deutlich höhere Feldstärke an der einen Elektrode, dem Kammerdraht. Je dünner dieser ist, desto höher wird da die Feldstärke. Aus dem Grund habe ich auch einen sehr dünnen Draht verwendet. Wenn man nun einen sehr dicken Stab als Innenelektrode verwendet, könnte sich diese Charakteristik deutlich verändern. Getestet habe ich diese Abhängigkeit bisher jedoch nicht. Ich könnte mir aber denken, dass man dann eventuell eine höhere Kammerspannung für eine vergleichbare Effizienz benötigt.

[DG0MG]

Danke für den Versuch, das hätte ich so nicht erwartet, dass eine Erhöhung über 30 Volt hinaus quasi nichts mehr bringt.

Du meinst, dass der Bereich der "Sättigung", also der Abflachung der Kurve, von der Elektrodenform abhängig ist? Man also bei einem weniger "schlanken" Innenleiter eine höhere Spannung braucht?

[Peter-1]

Guter Versuch mit der Kammerspannung !

Eine ganz andere Frage.
Wieso gibt es in Dänemark eine Stelle mit so extrem geringer DL ?
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Ein Meßfehler wird es sicher nicht sein. Selbst die Forschungsplattform in der Nordsee zeigt höhere Werte. Hoher Bleianteil in der Erde 

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Danke für den Versuch, das hätte ich so nicht erwartet, dass eine Erhöhung über 30 Volt hinaus quasi nichts mehr bringt.

Du meinst, dass der Bereich der "Sättigung", also der Abflachung der Kurve, von der Elektrodenform abhängig ist? Man also bei einem weniger "schlanken" Innenleiter eine höhere Spannung braucht?

Ich habe in der Literatur bisher keine klaren Hinweise bzw. Erklärungen gefunden, welchen Einfluss die Feldstärkeverteilung auf die Collection Efficiency einer Ionisationskammer hat.

Bisher kann ich mir es nur so erklären: Rekombination bedeutet ja, dass Ionen nach der Trennung wieder zusammenfinden. Das passiert um so häufiger, je geringer die Weglänge ist, die sie nach der Trennung zurückgelegt haben. Nun ist die Feldstärke ja über die Kraft auf eine Ladung definiert. Das heißt aber, dass Ionen im Bereich der hohen Feldstärke, also in der Nähe des dünnen Kammerdrahts, durch die hohe Kraft stark auseinander beschleunigt werden. Diese Ionen stehen dann für eine Rekombination nicht mehr zur Verfügung, sondern können nur noch zum Detektor-Signal beitragen, weil ihre Ladung vom Kammerdraht eingesammelt wird. Man muss sich aber im Klaren sein, dass diese starke Trennung nur in der Nähe des Drahts einer koaxialen Ionisationskammer passiert, da die Feldstärke gemäß E(r) = U0/(r*ln(Ra/Ri)) mit dem Abstand r von der Mittelachse abnimmt (Ri Radius des Kammerdrahts, Ra Radius Außenelektrode, U0 Kammerspannung). Bei einer Parallelplatten-Ionisationskammer ist die Feldstärke dagegen konstant E = U0/d , wenn d der Plattenabstand ist. Wenn der groß ist, dann ist die Feldstärke bei niedriger Spannung eben nirgendwo so groß, dass Ionenpaare wirklich dauerhaft getrennt werden. Daher ist bei niedriger Spannung überall im Kammervolumen die Rekombinationsrate hoch und man braucht deutlich mehr Spannung, um überhaupt Ladungen einzusammeln.

Dies ist aber erstmal eine Annahme von mir. Literatur-Belege dafür habe ich noch nicht gefunden.

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Guter Versuch mit der Kammerspannung !

Eine ganz andere Frage.
Wieso gibt es in Dänemark eine Stelle mit so extrem geringer DL ?

Defekte Sonde? 
Oder ein Spaßvogel hat der Sonde einen Überzieher aus Blei verpasst? 

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Nach der kleinen Exkursion über das Trinitit will ich die Entwicklung der Rikamino low-cost Ionisationskammer wieder etwas mehr in Richtung der Radonmessungen bringen, das war ja die ursprüngliche Absicht. Und es hat sich ja auch bei den Trinititversuchen ebenfalls gezeigt, dass die Alpha-Empfindlichkeit des Rikamino-Breakouts beachtlich ist, trotz des geringen Elektronikaufwands bisher und der sehr einfachen Konstruktion. Wenn man mit der Apparatur jedoch ernsthafte Radonmessungen machen möchte, erscheint es mir unerlässlich, doch noch einen Datenlogger zu spendieren, denn solche Messungen ziehen sich ja meist über längere Zeiträume hin und man will nicht ständig einen PC oder Laptop daneben stellen.

Nun gibt es solche Datenlogger zusammen mit einer Real Time Clock als fertige Aufsteckplatinen (Shields) für den Arduino. Wie schon oft habe ich mich für ein Adafruit Data Logger Shield zu diesem Zweck entschieden (https://learn.adafruit.com/adafruit-data-logger-shield/overview), mit ihm habe ich bisher gute Erfahrungen gemacht. Das kostet bei Reichelt 17.50Euro, bei Mouser 15.34Euro inkl. MwSt). Wenn man sogenannte Stackable Headers anstelle der normalerweise mitgelieferten Stiftleisten einlötet (z.B. Conrad Bestell-Nr. 1516613 - VQ oder Mouser-Nr.: 782-C000118), dann kann man das Shield einfach auf das Arduino Board aufstecken und hat dann auch auf dem Data Logger Shield wieder dieselben Buchsenleisten wie auf dem Arduino Board. Dort kann man den Rikamino-Breakout wie bisher auf dem Arduino Board einstecken aber auch zusätzlich noch weitere Sensorik oder ein LCD-Display, wenn gewünscht. Das ist zumindest für die Prototypen-Entwicklung recht geschickt.

Das Adafruit Data Logger Shield (siehe auch https://cdn-learn.adafruit.com/downloads/pdf/adafruit-data-logger-shield.pdf) enthält eine Real Time Clock (PCF8523), die das aktuelle Datum und die Uhrzeit liefert, aber diese nur dann nicht vergisst, wenn man auch die CR1220 3V Lithium-Stützbatterie installiert. Man sollte diese Batterie also mit dem Data Logger Shield auch gleich mitbestellen. Für ein Data Logging schreibt man nun die Datums-/Uhrzeit-Info zusammen mit den Messdaten auf die SD-Karte und bekommt so den richtigen Zeitbezug zu den Messdaten.

Hat man die Hardware beieinander, kann man für das Logging der Rikamino-Messdaten den angehängten Code (Sketch) verwenden. Dieser schreibt den Datums-/Zeit-String gefolgt vom Messwert für jede Messung in eine Zeile einer Datei auf der SD-Karte mit dem Namen ,,DATALOG.TXT". Ein Beispiel ist angehängt. Dabei wird die Formatierung der Datums-/Zeit-Info in den String so gemacht, dass man die Datei ohne viel Aufwand in ein Excel Arbeitsblatt einlesen kann (Tab getrennt). Danach steht die Datums-/Zeit-Info in einer Spalte gefolgt vom Messwert (Periodendauer einer Messung bis zum Erreichen der 3V Schwelle) in der nächsten Spalte. Im Excel kann man davon wiederum den Kehrwert nehmen und mit 3600 multiplizieren, dann bekommt man die Zahl der Zyklen pro Stunde was einer Zählrate entspricht.

Ich habe das einfach mal für eine Nacht ohne eine Strahlungsquelle laufen lassen und denke, dass die Radon-Aktivitätskonzentration im Raum so klein war, dass man das Ergebnis guten Gewissens als Nullmessung werten kann. Das kam dann so raus:

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Bevor ich aber damit nun nochmal in das Radon Messvolumen z.B. mit etwas Flossenbürger Granit gehe, werde ich noch einen Temperatursensor hinzufügen, und die Temperaturdaten in eine weitere Spalte schreiben, damit man eventuell eine Temperaturkompensation machen kann. Denn es sieht schon so aus, dass eine deutliche Abhängigkeit der Messwerte von der Temperatur besteht.