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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Differenzstrommessung


Autor: CJ (Gast)
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Hallo,

ich habe folgendes Problem: ich betreibe ein Glühkathode, welche 
Elektronen emittiert. Die Glühkathode hat natürlich zwei Anschlüsse, 
über welche sie mit Energie versorgt wird (~0.5V, ~0,5A). Da der 
Glühdraht Elektronen emittert, liegt zwischen dem hinführenden und 
wegführenden Strompfad eine Stromdifferenz im der Größenordung ~100uA 
vor, diese Stromdifferenz will ich messen. Es ist jedoch meiner Meinung 
aufgrund der Messfehler sinnlos beide Ströme in der Größenordung ~100mA 
zu messen und zu subtrahieren und ein vernünftiges Resultat für den 
Emissionsstrom zu erhalten. Daher habe ich folgdene Überlegung: in jedem 
Strompfad ein Shunt und anschließend mit einem Differenzverstärker oder 
noch besser einem Instrumentenverstärker das Differenzsignal der 
Spannungen auszuwerten.

Ist dies euerer Meinung nach ein sinnvoller Ansatz oder gibt es andere 
einfachere Verfahren um Differenzströme zu messen?

Schon mal vielen Dank für Eure Hilfe!

Schöne Grüße

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Nee. Ich wuerd die Gluehkathode ueber einen Trafo heizen und an dessen 
Mittelabgriff den Strom gegen Masse oder sonstwohin messen.

Autor: Pedant (Gast)
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Physikalisch unglaublich, dass ein bereits ein Glühen Elektronen 
aussenden kann, die Bindungskräfte sind doch in diesem Zustand noch gar 
nicht überwunden, es wird also auch nichts emittiert, außer Photonen.

Autor: CJ (Gast)
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> Physikalisch unglaublich, dass ein bereits ein Glühen Elektronen
> aussenden kann, die Bindungskräfte sind doch in diesem Zustand noch gar
> nicht überwunden, es wird also auch nichts emittiert, außer Photonen.

Wieso physikalisch unglaublich? Wie funktioniert dann bitte die Röhre 
aus der klassischen Elektrotechnik, eine Bildröhre, 
Fluoreszenzanzeigen,...
Vgl. Edison-Richardson-Effekt. Bei yttriertem Iridium genügen wohl schon 
1500K um Emissionsströme im mA-Bereich zu emittieren. Bitte nachrechnen 
;)

Autor: CJ (Gast)
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> Nee. Ich wuerd die Gluehkathode ueber einen Trafo heizen und an dessen
> Mittelabgriff den Strom gegen Masse oder sonstwohin messen.

Ist eigentlich ein sehr interessanter Ansatz, leider steht keine 
Wechselspannung zur Verfügung. Außerdem würden Streueffekte des 
Transformators, sowie die Wechselspannung an sich die restliche 
hochempfindliche Auswerteelektronik negativ beeinflussen. Aber trotzdem 
Danke für den Vorschlag!

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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>Physikalisch unglaublich, dass ein bereits ein Glühen Elektronen
aussenden kann, die Bindungskräfte sind doch in diesem Zustand noch gar
nicht überwunden, es wird also auch nichts emittiert, außer Photonen.

Es geht ja gar nicht ums aussenden. Eine Gluehkathode stellt Elektroden 
zur Verfuegung, und die gehen raus mit ein paar hundert Volt angelegter 
Spannung.

Autor: CJ (Gast)
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>>Physikalisch unglaublich, dass ein bereits ein Glühen Elektronen
>>aussenden kann, die Bindungskräfte sind doch in diesem Zustand noch gar
>>nicht überwunden, es wird also auch nichts emittiert, außer Photonen.
>
>Es geht ja gar nicht ums aussenden. Eine Gluehkathode stellt Elektroden
>zur Verfuegung, und die gehen raus mit ein paar hundert Volt angelegter
>Spannung.

Dass die Elektronen natürlich über ein E-Feld abgesaugt werden versteht 
sich ja von selbst. Wobei hier durchaus 100-200V genügen, ich will je 
keine Röngtenstrahlung erzeugen ;) Aber das E-Feld hat (fast) nichts mit 
der Überwindung der Bindungskräfte der Elektronen zutun...
Der Elektronenstrom ist ja auch an der Anode deutlich messbar!

Aber im Prinzip geht es in diesem Thread ja um Möglichkeiten zur Messung 
von Differenzen zwischen Strömen, die sicherlich auch in anderen 
Gebieten interessant sind (Leckströme, parasitäre Effekte,...)

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Ohne Kathodenstrom und Anodenspannung gibt es an der Anode nichts.

Nun sollen der Kathodenstrom gemessen werden. Ich wuerd ein isoliertes 
Schaltnetzteil nehmen, und so die Gleichspannung fuer die Kathode 
erzeugen. dann kann man den emitierten Strom auch gleich messen. Das 
waer dann der Leckstrom zwischen Kathodensupply und irgendwas.

Autor: Alexander D. (alexander_d)
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CJ schrieb:

> Daher habe ich folgdene Überlegung: in jedem
> Strompfad ein Shunt und anschließend mit einem Differenzverstärker oder
> noch besser einem Instrumentenverstärker das Differenzsignal der
> Spannungen auszuwerten.

das wird so nichts, weil dein Emissionsstrom verschwindend klein gegen 
den Heizstrom ist. Die Messfehler überwiegen und die Messung wird 
unbrauchbar.

Wie soll denn der Heizstrom erzegt werden? Eine gute Möglichkeit mit 
Transformator mit Mittelabgriff wurde bereits genannt.
Eine andere Möglichkeit wäre ein Spannungsteiler 1:1 parallel zum 
Heizfaden. Der Mittelpunkt des Spannungsteilers wird dann über eine 
Strommessschaltung mit Masse verbunden. In diesem Fall kannst du den 
Emissionsstrom direkt messen. Allerdings wird eine potentialfreie 
Heizfadenversorgung benötigt.

Gruß,
Alexander

Autor: CJ (Gast)
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Alexander Dörr schrieb:
> das wird so nichts, weil dein Emissionsstrom verschwindend klein gegen
> den Heizstrom ist. Die Messfehler überwiegen und die Messung wird
> unbrauchbar.

Deshalb eben der Gedanke mit der differentiellen Messung über einen 
Instrumentenverstärker. Ich will ja daher nicht die absoluten Ströme 
messen und anschließend subtrahieren, sondern lediglich die Differenz.

> Wie soll denn der Heizstrom erzegt werden? Eine gute Möglichkeit mit
> Transformator mit Mittelabgriff wurde bereits genannt.
> Eine andere Möglichkeit wäre ein Spannungsteiler 1:1 parallel zum
> Heizfaden. Der Mittelpunkt des Spannungsteilers wird dann über eine
> Strommessschaltung mit Masse verbunden. In diesem Fall kannst du den
> Emissionsstrom direkt messen. Allerdings wird eine potentialfreie
> Heizfadenversorgung benötigt.

Ich hab diesen Ansatz gerade eben durchsimuliert, funktioniert sehr gut 
und ist auch recht einfach aufzubauen, eben bis auf die potentialfreie 
Versorgung des Glühdrahts. Ansonsten sollte über den Mittelpunkt des 
Spannungsteilers ja auch der gesamte Glühdraht auf einen definierten 
Potenial im Vergleich zur Anodenspannung sein.
Vielen Dank für den Vorschlag.

Schöne Grüße

Autor: OR (Gast)
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Ich würde eine LEM-Durchsteckwandler nehmen und beide Drähte 
durchziehen. Dann dieht man die vorzeichenrichtige Summe im Messstrom.

Autor: Alexander D. (alexander_d)
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OR schrieb:
> Ich würde eine LEM-Durchsteckwandler nehmen und beide Drähte
> durchziehen. Dann dieht man die vorzeichenrichtige Summe im Messstrom.

die Idee, die Differenzbildung bereits im Magnetfeld zu machen, gefallt 
mir. Ich befürchte aber, dass auf diese Weise Differenzströme im 
Mikroamperebereich nicht gemessen werden können, da kleinste 
Abweichungen in der Symmetrie die Gleichtaktunterdrückung 
verschlechtern. Soll die Messung auf 1uA genau sein, muss bei 500mA 
immerhin ein Verhältnis von 1:500000 erreicht werden.

Wie stark rauschen diese LEM-Wandler eigentlich?

Gruß,
Alexander

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Nein, ein LEM ist da falsch. Denn er regelt mit einer in den 
magnetischen Kreis eingefuegten Hallprobe das Feld auf Null. Das 
bedeutet Offset probleme bei der Hall Probe. Man koennte sich einen LEM 
selber bauen, und als Stromuebersetzer wickeln. Dh den Messdraht mit 
1000 oder 10'000 Windungen versehen. Auf einem Ferrit E-Kern. Dann 
wuerden aus 100uA 100mA, oder 1A.

Was spricht gegen ein isoliertes Supply fuer die Heizung ? Es geht dabei 
im wesentlichen um einen Trafo, Eisen oder Ferrit, je nach Frequenz.

Autor: CJ (Gast)
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Mini Nilp schrieb:
> Was spricht gegen ein isoliertes Supply fuer die Heizung ? Es geht dabei
> im wesentlichen um einen Trafo, Eisen oder Ferrit, je nach Frequenz.

Ein potentialfreies Supply (DC) bedeutet mehr schaltungstechnischen 
Aufwand, zudem soll die Spannungsquelle mit der der Glühdraht betrieben 
wird regelbar sein. Für einen Versuchsaufbau ist dies wohl eine sehr 
sinnvolle Lösung.
Mit Wechselspannung und Trafo möchte ich den Glühdraht aufgrund der 
Empfindlichkeit der restlichen Schaltung (EMV) nicht unbedingt 
betreiben.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Mir scheint ein kleiner 3W 50Hz Trafo, Gleichrichter, Cap, LM317 mit 
Poti zur Einstellung schneller, und sicherer wie ein 
Differenzverstaerker, der weniger wie 10uA/500mA = 20ppm 
Differenzgleichlauf haben sollte.

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