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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Strommessung (pA-nA) / Spannungsmessung (µV-mV)


Autor: Meash (Gast)
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Guten Tag zusammen,


Ich habe mich heute schon einige Zeit mit dem Thema beschäftigt, bin 
aber noch nicht auf einen (richtigen) grünen Ast gekommen und wollte 
mich nun bei euch umhören. Es geht um folgendes:

Ich suche nach einer Möglichkeit Strom und Spannung einer Messzelle 
möglichst schnell hintereinander zu messen. Es handelt sich dabei um 
recht kleine Größenordnungen (Strom: ca. einige hundert pA - bis einige 
hundert nA; Spannung: µV - einige hundert mV). Wirklich interessant wird 
es wahrscheninlich erst im nA/mV-Bereich. Leider kann ich diese Größen 
nicht genauer einschätzen, da die gemessenen Werte immer von der 
aktuellen Probe (Korrosionsmessung) abhängen.

Ideal wäre es, wenn ich z.B. den Strom messe - umschalte - und dann die 
Spannung der Messzelle aufnehme. Die Geschwindigkeit ist hierbei nicht 
so wichtig. Die interessanten Frequenzen liegen bei ca. 1mHz - 10 Hz.
Ist es möglich die Strommessung mit Hilfe eines kleinen Shunts 
durchzuführen, "umzuschalten", und dann eine Spannungsmessung zu machen 
(z.B. mit einem Instrumentenverstärker)?

OPs mit guten Rauscheigenschaften (für niedrige Frequenzen) und kleinen 
Eingangsströmen wären:

LMC6001
OPA111


Mir ist bewusst, dass die Messung solch kleiner Ströme einige 
Herausforderungen für das Layout mit sich bringt (Material, Guarding, 
Air Wiring, GND etc).

Ich hoffe, dass ich mein Anliegen einigermaßen verständlich vortragen 
konnte. Sollte das nicht der Fall sein, stehe ich für Rückfragen zur 
Verfügung und bedanke mich schonmal für euren Input ;)

Autor: Arno H. (arno_h)
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Das hier kennst du?
https://www.keithley.com/servlet/Data?id=9538
Damit kann man schon einige Fallstricke vermeiden.

Was für eine Messzelle?
Wie misst du den Strom?
Hast du einen Abschlußwiderstand oder Kurzschluß?
Gibts schon ein Schaltungskonzept, Blockschaltbild, Geheimstempel?

Mehr Input!

Arno

Autor: Mehmet Kendi (mkmk)
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Suche mal unter dem Begriff Synchrongleichrichter.

Autor: Meash (Gast)
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@Arno:

Danke erstmal für das PDF. Ist mir bisher noch nicht in die Finger 
geraten. Da habe ich wohl erstmal ordentlich was zu lesen. Das ist auch 
gut so, da ich mit der Messung in diesen Regionen noch keine großartige 
Erfahrung gesammelt habe.

Bisher gibt es noch kein richtiges Schaltungskonzept, eher eine erste 
Idee, wie man die Sache angehen könnte. Mir kam zuerst ein 
OP/Instrumentenverstärker mit möglichst kleinem Eingangsstrom und guten 
Rauscheigenschaften in den Sinn. Dieser wird am Eingang abwechselnd 
zwischen Strom- und Spannungsmesung geschaltet (Strom über Shunt 
messen).

Bei der Messzelle handelt es sich um ein Elektrolyt mit zwei darin 
befindlichen Elektroden. Je nach Material der Elektroden kann es zu 
Korrosionsprozessen kommen, welche mit Ladungstransfer verbunden sind. 
Den daraus resultierenden Strom, aber auch die Spannung der Zelle würde 
ich gerne aufnehmen.


@Mehmet:

Schaue ich mir gleich mal an.

Autor: Karl (Gast)
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Wie oft soll das denn gebaut werden? Nimm ein gutes Multimeter (z.B. von 
HP/Agilent) und lies das aus. Ist billiger als dich da einige Tage 
hinzusetzten und was zu frickeln ;)

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Meash schrieb:
> Bisher gibt es noch kein richtiges Schaltungskonzept, eher eine erste
> Idee, wie man die Sache angehen könnte. Mir kam zuerst ein
> OP/Instrumentenverstärker mit möglichst kleinem Eingangsstrom und guten
> Rauscheigenschaften in den Sinn.

Hallo,

zur Strommmessung brauchst du einen kleinen Biasstrom 
(Elektrometer-Verstärker). Zur Spannungsmessung eine kleine 
Offsetspannung (Präzisions-OpAmp). Wahrscheinlich ist es in diesen 
Bereichen nicht sinnvoll, beides mit dem gleichen OpAmp durchzuführen, 
sondern für jede Messung den bestgeeigneten zu wählen.

Ausserdem ist es eigentlich eine verrückte Idee, pA und µV umzuschalten, 
da bräuchte man schon das Knowhow von Firmen wie Fluke, Keithley usw.

Gruss Reinhard

PS Multimeter geht auch nicht - ich habe ein Picoammeter von Keithley 
mit 1 pA Auflösung, aber das ist ein Spezialinstrument, mit einem 
normalen Multimeter ist das völlig illusorisch.

Autor: Meash (Gast)
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Reinhard schrieb:

>Ausserdem ist es eigentlich eine verrückte Idee, pA und µV umzuschalten,
>da bräuchte man schon das Knowhow von Firmen wie Fluke, Keithley usw.

Dann weiß ich schonmal woran ich bin. Es gibt nix schlimmeres als sich 
in
etwas hoffnungsloses zu verlaufen.
Gut, dann also eher der Ansatz mit zwei spezialisierten Komponenten. Das 
Umschalten bleibt mir aber dann dennoch nicht erspart, oder?


Die Messung im pA-Bereich ist wahrscheinlich auch etwas übertrieben. 
Interessante Vorgänge gibt es eher bei niedrigen nA.
Das Multimeter fällt wohl raus, da ich die aufgenommenen Werte später 
digitalisieren und an einen PC schicken will.


So, dann lese ich mal weiter und danke schonmal allen Beteiligten für 
das nützliche Feedback.

Autor: Hans Mayer (hansilein)
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Wieso denn nicht mit dem Multimeter, viele haben PC-Anschluss, das 
sollte doch kein Problem sein.
Schaumal ob die Genauigkeit und Auflösung passen könnte:
http://www.farnell.com/datasheets/27537.pdf

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Meash schrieb:
> Den daraus resultierenden Strom, aber auch die Spannung der Zelle würde
> ich gerne aufnehmen.

Hallo,

zur Ergänzung: das müsste erst mal genauer spezifiziert werden - meinst 
du Leerlauf-Spannung und Kurzschluss-Strom? oder eine Kennlinie? Das 
wird ungleich schwieriger.

Gruss Reinhard

Autor: Miraculix (Gast)
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Hallo Meash,

pA messen, mV messen, das kenne ich von anderen Sensoren,
das habe schon vor vielen Jahren (>20) recht einfach gelöst:

Stromessung mit OP-Amp als I/UWandler, löst pA locker auf.
Als OP nur einen sogenannten "Chopper-Op-Amp", gibt es von Linear 
Technology, (linear.com) in verschiedenen Ausführungen.
Für Spanungsmessung dito. Weil Du "langsame" Signale hast bieten sich
Chopper Op-Amps geradezu an, die haben eben "Zero-Drift".

Zum Umschalten der Signale auf Sensorseite nur hochwertige Reed-Relais
einsetzen, die Leckströme bei Analog-Fet-Schaltern sind viel zu groß.

Platinenmaterial ggf. Teflon, wg. Rückkoppel-R des I/U-Wandlers 
verwenden,
besonders wenn dieser Widerstand mehrere 100Mega-Ohm hat.
Geht aber einwandfrei! Und Feuchtigkeit sollte auch nicht an die 
Anschlüsse der Bauteile kommen, (z.B. hochohmige Widerstände)

Gruß

Miraculix

Autor: Meash (Gast)
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@Reinhard: LL-Spg und KS-Strom

@Miraculix: Von Chopper OpAmps habe ich irgendwo gelesen. Da hat mal 
wohl weniger Probleme mit Offset und Drifts. Gibts da für 
Strom-/Spannungsmessung jeweils bestimmt spezielle Kandidaten, oder?


@Hans: Da hast du natürlich Recht. Trotzdem würde mich eher eine eigene 
Lösung reizen. Zumal die sich wohl etwas günstiger gestalten würde.

Autor: oszi40 (Gast)
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Wenn Du die Werte dann über den PC weiterverarbeiten möchtest, werden 
wohl auch noch ein paar Störspannungs-/Potential-/Masseprobleme 
auftauchen, die Deine Meßwerte "etwas" verfälschen könnten...

Wahrscheinlich sollte man auch in der Medizintechnik etwas stöbern.

Autor: Miraculix (Gast)
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Hallo Meash,

schau Dir mal die LTC105x-Reihe oder LTC115x-Reihe bei linear.com an, zu 
Anfang hatte ich damals Intersil 7650 verwendet. Die gibt es heute von 
LT in den oben genannten Typen. Datenblätter lesen. Ich hatte damals 
keinen Kandidaten bevorzugt. (Gab nämlich keine anderen vor > 20 
Jahren). In der letzten Zeit wurde ausschließlich LT (wg. Qualität, 
Lieferfähigkeit etc.) verwendet. Würde für Strom und Spanungsmessung 
möglichst den gleich Typ hernehmen.
Ggf. auch "Rail to Rail" Output und "Single Supply" beachten.

Wichtig ist auf alle Fälle ein sauberer Aufbau. Belaste den Ausgang des 
Chopper-Op-Amp nicht zu sehr kapazitiv, könnte ggf. Ärger machen.
Wenn das Signal nach dem Chopper-OP "groß" und etwas "Last" benötigt 
wird noch einen guten OP-Amp spendieren.
Du kannst auch mehrere z.B. 10-fach verstärkende Chopper hintereinander 
hängen, die einzelnen Eingänge auf nen ADC und immer den günstigsten 
Meßbereich auslesen. Solange der ADC, die Op-Amps an der gleichen 
Versorgung hängen stört das überhaupt nicht. (mehrfach bewährt)

Vorteil wenn "nur" 10-fach verstärkt wird: Rückkoppel-Rs sind nicht so 
hochohmig, Nachteil mehrere Op-Amps.....

Gruß

Miraculix

Autor: Meash (Gast)
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@Oszi: Japp, das mit der Anbindung an den PC sollte man nicht auf die 
leichte Schulter nehmen.

@Miraculix: Danke für deine Anregungen. Nun habe ich doch schonmal einen 
ganz guten Leitfaden. Jetzt muss ich jedoch erstmal ein paar Sachen 
nachlesen. Werde sicherlich nochmal auf dich zurückkommen ;)

Autor: Meash (Gast)
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@Miraculix: Du hast von hochwertigen Reed-Relais gesprochen. Kannst mir 
welche ans Herz legen? Habe mit den Teilen noch keine Erfahrung 
gesammelt.

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