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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Spannungsmessung bei der Impedanzspektroskopie


Autor: b033el (Gast)
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Hi,


Ich habe folgendes Problem. Ich möchte eine Impedanzmessgerät für eine 
Batterie bauen.

Die Impedanz soll beim Laden bzw. Entladen bei verschiedenen 
Ladezuständen gemessen werden.

Die Messung soll galvanostatisch durchgeführt weden und der 
Frequenzbereich soll von 10mHz bis 100kHz gehen.

Also Lade ich z.B. meine Batterie mit einem konstanten Strom von 1 A und 
überlagere diesem Strom einen Sinusförmigen Strom mit einer Amplitude 
von 10 mA.
Als Antwort bekomme ich eine Wechselspannung mit Offset. Um die Impedanz 
zu bestimmen muss ich nun Anregung und Antwort messen. Und genau da 
liegt mein Problem.

Wenn meine Batterie sehr gut ist (was ich hoffen will) dann ist ihr 
Widerstand sehr gering (10 mOhm Bereich).

Also ist die Antwort auf mein Wechselstrom eine Spannung mit einer 
Amplitude von 100 µV.

Diese Antwort möchte ich von meinem Gleichsignal trennen und danach 
verstärken bevor ich sie über eine IO-Karte in den Rechner einlese.

1. Gedanke: Ich nehme einen Filter und trenne den Gleich- und Wechsel- 
Anteil. Das Problem dabei ist, dass ich wenn ich meinen oben angegebenen 
Frequenzbereich abdenken will, eine rießige Zeitkonstante bei meinem 
Filter bekomme.

Hat einer eine Idee wie ich dies anders getrennt bekomme ohne eine 
Ewigkeit zu warten ?

Ich dachte an eine Art Offset-Kompensation oder so. Nur ist das 
praktisch machbar und wenn ja wie macht man dies dann am geschicktesten 
?.

Ich hoffe ich hab mein Problem verständlich erläutert und freue mich auf 
eure Anregungen

LG Michael

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Was du brauchst ist ein sogenannter Lock-In Verstaerker.

http://de.wikipedia.org/wiki/Lock-in-Verst%C3%A4rker

Damit kannst du auch kleine ueberlagerte Wechselspannungen messen die 
vom Rauschen verdeckt sind.

Autor: b033el (Gast)
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Aber für den Lock-In muss ich doch trotzdem mein Gleichanteil vorher 
wegbekommen. Sonnst bekomm ich als Ausganssignal Meine Gleichanteil + 
RMS meiner Wechselspannung oder seh ich das falsch ?

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Den Gleichanteil kriegt man weg indem man einen Hochpass am Eingang hat. 
Dh ueber einen Kondensator koppelt.

Autor: b033el (Gast)
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klar hochpass ist toll aber meine untere Frequenz liegt bei 10mHz. Da 
warte ich fast ne Stunde bis der Filter seinen Endwert errreicht. 
Desshalb suche ich ja nach einer Alternative

Lg Michael

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Der Gleichanteil faellt doch raus.

        +-------( x 1 )------+
        |                    |
        |                    |
        |                    |
Ue------+                    Umschalter --- R ---+--- Ua
        |                    |                   |
        |                    |                   C
        |                    |                   |
        +------( x -1)-------+                  GND

Wenn jetzt am Eingang z.B. 1V anliegt dann schaltet der Umschalter 
einmal +1V zum Ausgang danach -1V zum Ausgang. Und das integriert sich 
zu 0V im Filter auf.  Nur ein Signal das passend zur Umschaltfrequenz 
anliegt kann ein Ausgangsignal erzeugen. (also 0 Grad Phasenlage)

Autor: Wolfgang (Gast)
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Hallo!

Erstmal: Batterien werden nie geladen, da Gefahr durch Erwärmung! Du 
verwendest wahrscheinlich einen Akku. Wenn ja, so nutze den 
Sprachschatz. Dazu ist er schließlich da.

Nun zur Aufgabenstellung: Man könnte erstmal einen Differenzverstärker 
nehmen, dessen invertierender Eingang von einem DAC angesteuert wird. Da 
programmierst Du Dir erstmal Deine angenommene Akkuspannung drauf und 
mißt mit einem ADC, ob Du im Aussteuerungsbereich Deines ADCs bist.

Wenn nicht, aktualisiere den DAC und mach das solange, bis Dein 
Arbeitspunkt stimmt. Dann kannst Du Deine Meßwerte aus dem ADC in einem 
Speicherbereich schreiben und z.B. nebenläufig auf einem LCD ausgewertet 
ausgeben.

Gruß - Wolfgang

Autor: b033el (Gast)
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Sorry Denkfehler meinerseits.

Ok dann ein Lock-In.

Das Signal für meinen Umschalter kann ich ja dann aus meinem 
Anregungssignal generieren. Dann brauche ich noch eine 
Phasenverschiebung des "Umschalter_Signals". Die benötigte 
Phasenverschiebung ist aber bei jeder Frequenz anders. Gibt es ein 
Baustein der mir meine Phase verschiebt und bei dem ich die 
Phasenverschiebung nicht manuell einstellen muss ?

Ich möchte eine automatisierte Impedanzspektroskopie durchführen.
Also Eingabe der Amplitude des Anregungssignals und Frequenzbereichs.

Dann soll die Frequenz in vorgegebener Schrittweite durchgestimmt werden 
und bei jedem Schritt Amplitude von Stom und Spannung und deren 
Verschiebung zueinander bestimmt werden.

Das heißt, dass die Phasenverschiebung des "Umschalter-Signals" auch 
automatisiert durchgestimmt werden muss. Und Die Signalhöhe des Ausgangs 
des Lock-Ins wird gemessen. Bei der Phasenverschiebung mit dem höchsten 
Ausgangssiganls des Lock-Ins habe ich dann mein "Umschalter-Signal" um 
die Phase verschoben die der Phasenverschiebung zwischen Strom und 
Spannung entspricht. richtig ?.

Wenn ja, wie kann ich die Phasenverschiebung automatiesirt durchstimmen 
?

LG Michael

Autor: b033el (Gast)
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Sorry natürlich ist es ein Akku :)


Wolfgang schrieb:
> Nun zur Aufgabenstellung: Man könnte erstmal einen Differenzverstärker
>
> nehmen, dessen invertierender Eingang von einem DAC angesteuert wird. Da
>
> programmierst Du Dir erstmal Deine angenommene Akkuspannung drauf und
>
> mißt mit einem ADC, ob Du im Aussteuerungsbereich Deines ADCs bist.

Ich werden das mal versuchen das hört sich gut an. so bekomm ich meinen 
Offset weg ihne auf meinen Filter zu warten.

Ich mache mal eine Spice Simulation und poste die gleich mal.

LG Michael

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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b033el schrieb:
> Das Signal für meinen Umschalter kann ich ja dann aus meinem
> Anregungssignal generieren.

Richtig

Dann brauche ich noch eine
> Phasenverschiebung des "Umschalter_Signals". Die benötigte
> Phasenverschiebung ist aber bei jeder Frequenz anders. Gibt es ein
> Baustein der mir meine Phase verschiebt und bei dem ich die
> Phasenverschiebung nicht manuell einstellen muss ?

Dazu gibt es den Doppel Lock In Verstaerker.

Der erste Schalter wird mit 0Grad angesteuert (I-Komponente) der zweite 
mit 90 Grad (Q-Komponente).

Dann werden die beiden Signal quadriert , addiert und die Wurzel 
gezogen.

B = sqrt( I^2 + Q^2 )

Damit ist das Ausgangssignal nicht mehr von der Phasenverschiebung 
abhaengig.

Die noetig 90 Grad fuer den 2. Schalter kannst du mit 2 D-FlipFlops aus 
deinem Originalsignal erzeugen.

Autor: b033el (Gast)
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Die Sache mit dem Subrahierer scheint zu gehen. Ich versuche jetzt noch 
die Geschichte mit dem Doppel-lockin denke dass dies die bessere 
Variante ist da ich da das evtl. Rauschen besser unterdrückt bekomme.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Weshalb muss die Phase durchgestimmt werden. Das muss man nur mit 
Systemen, die eine Phasenverschiebung zwischen Ursache und Wirkung 
aufweisen.
10mHz als untere Grenzfrequenz ist natuerlich Quatsch. Sowas macht man 
allenfalls mit Bruecken, oder Tuermen, aber nicht mit Batterien.

Autor: B033el (Gast)
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Eine Batterie bzw Akku weist eine Phasenverschiebung zwischen Ursache 
und Wirkung auf. Diese ist auch Frequenzabhängig. Stichwort 
Doppelschicht Kapazität.

Ich habe mittlerweile einen Software  Doppel-Lock-In mit Labview 
geschrieben geschrieben. Dieser Funktioniert sehr gut.

LG Michael

Autor: Roland P. (puddle-jumper)
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Hallo,

ich bin gerade auf diesen Thread gestoßen, da ich auch dabei bin ein 
Messgerät für die Akku-Impedanzspektroskopie aufzubauen.
Ich würde gerne wissen, wie deine Messschaltung nun aussieht?! Ich 
brauch noch ein Paar inspirationen. ;-)

Den Offsetspannungsanteil, hast du den nun mit dem DAC erzeugt? Dafür 
hatte ich eigendlich den DS4305 gefunden, aber leider bekommt man den 
nirgens.

Und, hast du das nun mit den Lock-In-Verstärkern umgesetzt? Oder wie 
misst du den Strom und die Spannungsantwort?

LG dizzel

Autor: Wolfgang Horn (Firma: AknF) (wolfgang_horn)
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Hi, Roland,

Dann schau Dir doch mal den AD5933 an.
Der müsste das Wesentliche schon erschlagen.

Ciao
Wolfgang Horn

Autor: Roland P. (puddle-jumper)
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Danke für den Hinweis. Ist bestimmt brauchbar, aber für mich glaube ich 
nicht.

Ich hätte dazu noch sagen sollen, dass eine Schaltung schon in einer 
gewissen weise vorhanden ist, und die um die Impedanzspektroskopie 
erweitert werden soll.
Also es geht um ein Akku-Stack, da existiert eine Balancing-Schaltung, 
die mit 150kHz balanced. Diese Balancing Ströme und Spannungsantworten 
sollen für die Impedanzspektroskopie genutzt werden. Das soll geschehen, 
in dem die Balancing Schaltung für die gewünchten Frequenzen 
(1mHz-200Hz) ab- und zugeschaltet wird. D.h., das die Anregungssignale 
schon vorhanden sind. Und der AD5933 generiert ja seine signale selbst. 
DIe er auch für die Auswertung benötigt.

Gruß,
Roland

Autor: Michael (Gast)
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Hallo,

Ich möchte ebenfalls eine Impedanzspektroskopie bei Akkus durchführen 
und bin deswegen auf diesen Thread hier gestoßen. Besitzt jemand eine 
Schaltung bzw. ein Schaltbild dafür? Die angegebenen ICs sind zwar sehr
interessant, aber nicht für Widerstandsmessungen im sehr niederohmigen 
Bereich geeignet laut Datenblatt. Vielen Dank für die Hilfe.
LG

Autor: i-Troll (Gast)
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Natuerlich sind diese Chips geeignet. Auch wenn sie den Strom nicht 
bringen. Dann muss eben ein Booster hinten dran. Und wenn der Shunt 
zuwenig Spanung bringt, muss man eben verstaerken.

Autor: Ralf Spill (ralfspill1978)
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Hallo b033el,

habe mal ne Frage zu deiner Impedanzmessung, Kann ich dich irgendwie 
anders erreichen?

Gruß Ralf

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