Hallo!
Ich habe hier folgende "Schaltung" (Bild im Anhang). Dabei handelt es
sich um eine Batterie (zwei Elektroden A und B), einen controller und
einen Kondensator.
Der controller erledigt folgende Aufgaben:
1. Er legt einen konstanten Strom zwischen den beiden Elektroden an und
hält diesen auch konstant.
2. Er misst die Spannung zwischen A und B.
3. Er misst die Ladung (Coulomb) die durch ihn fließen.
Leider ist das Spannungssignal etwas verrauscht, weshalb mir ein Kollege
den Tipp gab, einen Kondensator parallel zur Batterie zu schalten (Elko
1000 µF). Der Tipp hat wunderbar funktioniert und das Spannungssignal
sieht nun super aus. Leider sind mir da zwei Fragen gekommen, die mir
mein Kollege nicht so recht beantworten konnte und ich bin mich auch
nicht sicher:
1. Während der Messungen kommt irgendwann (keine Ahnung wann) der Punkt,
bei dem die Spannung zwischen A und B einen Nulldurchgang hat und somit
die Polarität wechselt. Dies mag der Elko nun nicht. Gibt es eine
Möglichkeit hier die Funktion des Elkos zu erhalten, auch wenn die
Polarität wechselt? Am besten ohne große nicht-Elkos zu verwenden. Die
1000 µF waren eine Schätzung. Aufgrund der Batterie ist es mir nicht
möglich da einen Wert auszurechnen (ich wüsste zumindest nicht wie).
2. Welchen Einfluss hat der Kondensator auf die Messung der Ladung? Bzw.
wie wird die gemessene Ladung von der real geflossenen Ladung, aufgrund
des Kondensators, abweichen? Meiner Überlegung nach, wird zunächst die
Nennkapazität des Kondensators als Fehler auftauchen. Mit veränderlicher
Spannung wird sich auch die Ladung ändern.
Angenommen ich starte mit 1 V und während des Betriebs sinkt die
Spannung auf -0,3 V. Dann sollte ich zu Beginn einen Fehler von ca.
0,001 C haben. Fällt nun die Spannung bis auf 0 V, dann gibt der
Kondensator seine gebundenen Ladung wieder ab und ich hätte zu diesem
Zeitpunkt keinen Fehler. Fällt die Spannung weiter auf -0,3 V (vom Frage
1 mal abgesehen), dann tritt erneut ein Fehler von ca. 0,0003 C auf,
allerdings mit anderem Vorzeichen. Stimmt das so?
Vielen Dank!
uboot
Stimmt alles, stellt sich die Frage, was da bei einer Batterie
eigentlich rauschen soll und ob es wirklich gleich 1000uF sein müssen.
Probiers doch einfach mal mit einem Foliencap und schaus dir an
Danke für die Antworten!
Es handelt sich nicht um eine Batterie wie man sie so kennt. Es ist eine
elektrochemische Versuchszelle die im Prinzip eine Batterie darstellt.
Da der controller einen Konstantstrom an die "Batterie" anlegt, kann die
Spannung durchaus negativ werden. Die Zelle ist hier keine
Energiequelle!
Das ist auch der Grund weshalb es rauschen kann: Versuchszelle -> evtl.
schlechter Kontakt, Einstreuungen, etc.
Die Fehler in der Ladung addieren sich über den Verlauf von 1 V zu -0,3
V nicht, oder? Die Ladung ist immer genau um den Wert falsch, der der
Ladung des Kondensators bei der aktuellen Spannung entspricht, richtig?
Zusatzfrage: Angenommen der Controller legt keinen Konstantstrom an,
sondern ein Rechtecksignal: z.B. 5 mA für 10 Min. dann 0 mA
(Leerlaufspannung messen) für 20 Min. und so weiter. Durch die
elektrische Belastung der Zelle bei Stromfluss wird die Spannung
abfallen und danach auf einen höheren Wert Relaxieren. D.h. bei
Stromfluss sinkt der Fehler ab und erhöht sich bei I=0 auf einen höheren
Wert. Über den gesamten Verlauf des Rechteck-Prozesses müsste sich der
Fehler doch ähnlich einem Konstantstrom verhalten, da sich der Fehler
der Pulse aufhebt, oder?
Danke!
5mA? 1000uF?
Irgendwie scheint mir dein (Filter-)Konzept komplett falsch.
Bei 5mA lädt sich ein 1000uF Kondensator um 5V pro Sekunde auf. Das kann
ja nicht Sinn der Sache sein.
Üblicherweise setzt man vor einen ADC einen Filter (z.B. RC), der seine
Grenzfrequenz etwa (oder etwas unterhalb) der halben Samplingfrequenz
hat. Das sollte reichen.
Niederfrequentere Störungen kann man dann bequem in Software filtern.
Mit welcher Frequenz wird die Spannung denn gesampelt?
Du hast recht, so soll es natürlich nicht sein. Ich habe die Schaltung
vereinfacht, um es möglichst simpel zu halten und habe einen Fehler
eingebaut. Im Anhang ist das korrigierte Bild. Der Strom fließt zwischen
A und B. Die Spannung hingegen wird zwischen A und A' gemessen. Zwischen
A und A' fließt also kein von außen aufgeprägter Strom, sondern nur das,
was aus der Spannung und dem Kondensator resultiert.
Stimmen die Überlegungen zum Fehler bei der Ladungsmessung dann noch
immer? Das wichtige ist sozusagen die Menge an Ladung, die an B
ausgetauscht werden. Idealerweise ist dies exakt die Ladung, welche vom
controller gemessen wird. Allerdings wird dies vermutlich durch den
Kondensator (wie oben erwähnt) verfälscht.
Die Samplingrate ist adaptiv da müsste ich morgen mal genauer
nachgucken.
...und da man ja zur Spannungsmessung keinen großen Strom benötigt,
könntest du also locker noch zwischen A' und dem Kondensator einen
Widerstand setzen.
Je nach Samplingrate und verwendetem Widerstand kann der Kondensator
dann auf ein praktikables Maß "schrumpfen".
Mensch schrieb:> Stimmt alles,
Mmh, hast Du denn irgendwas verstanden oder zumindest ein Schaltbild des
Analogteils gesehen? Der Begriff Controller ist mir hier völlig unklar.
uboot schrieb:> Gibt es eine> Möglichkeit hier die Funktion des Elkos zu erhalten, auch wenn die> Polarität wechselt?
Es gibt nonpolare bzw. bipolare Elkos. Eine einfache Realisierung für
1000µ wäre, 2x 2200µ so in Serie zu legen, daß zwei gleichnamige Pole
verbunden sind, also + an + oder - an - und die anderen beiden freien
Enden gehen an Dein Apparat.
Und ich schätze, der Glättungseffekt funktioniert auch mit wesentlich
kleineren Werten z.B.100µ
Zozok schrieb:> so in Serie zu legen, daß zwei gleichnamige Pole verbunden sind, also +> an + oder - an - und die anderen beiden freien Enden gehen an Dein> Apparat.
Das ergibt keinen bipolaren Elko, sondern belastet den jeweils falsch
gepolten Elko nur mit der halben Spannung. Auf Dauer trotzdem nicht
wirklich gut...
Joe F. schrieb:> Das ergibt keinen bipolaren Elko,
Wichtig ist nicht wie das Gebilde heißt, sondern das es funktioniert.
Das ist die klassische bewährte Lösung für kleine Spannungen und im
LS-Audiobereich tausendfach und über Jahrzehnte bewährt.
Ein Bipolarer Elko ist im Prinzip nichts anderes als zwei Kondensatoren
in Reihe geschaltet - anstatt sinnlos zu meckern mach Dich schlau über
die Bauweise.
Ok, man sollte doch keine Beiträge schreiben, wenn man eigentlich keine
Zeit dafür hat :)
Nun nochmal langsam in aller Ausführlichkeit:
Ich beziehe mich im Folgenden auf das zweite Bild. Der Controller ist
ein Galvanostat, ein Schaltbild von seinem Aufbau habe ich nicht. Das
Gerät macht aber folgendes:
1. Es legt zwischen A und B eine Spannung so an, dass der Stromfluss
zwischen A und B konstant gehalten wird. Dies macht er mit einer sehr
hohen Regelgüte.
2. Er misst die Spannung zwischen A' und B. Dies ist eine
Drei-Elektroden-Schaltung und in der Elektrochemie Standard. Hierdurch
ist es möglich "Stromlos" die Spannung zu erfassen. Da bei konstantem
Stromfluss die B-Elektrode allerdings trotzdem belastet ist, wird das
ganze mit Strompulsen betrieben (oben erwähntes Rechtecksignal). Damit
kann die Spannung dann tatsächlich Stromlos gemessen werden. Die
A'-Elektrode wird noch für weitere Zwecke benötigt, die hier aber zu
weit führen würden und ist daher auch beim Puls-Betrieb nicht
überflüssig.
3. Er misst die Ladung, welche zwischen A und B fließt. Damit kann der
Massenumsatz an der B-Elektrode berechnet werden (Faraday'sches Gesetz).
Dieser Massenumsatz (zusammen mit der Spannung) ist das eigentlich
Interessante an dem ganzen Aufbau.
Da es sich, wie gesagt, um eine Versuchszelle handelt, bei der so
einiges schief gehen kann, besteht die Möglichkeit, dass die gemessene
Spannung zwischen A' und B verrauscht ist. Da mir Kapazitäten und
Widerstände der Zelle vollständig unbekannt sind (und sich auch jedes
mal ändern können), ist es mir nicht möglich eine korrekte
Dimensionierung des Kondensators vorzunehmen (dachte ich bisher
zumindest).
Die A'-Elektrode ist, bis auf ihre Fläche, mit der A-Alektrode
identisch.
Da der Massenumsatz das eigentlich wichtige ist, ist die gemessene
Ladung das primäre Signal und die Qualität hängt direkt von der
Stromausbeute ab. D.h. wie viel des Stroms/der Ladung, welche vom
Galvanostaten (Controller) geliefert wird, wird tatsächlich an B
umgesetzt.
Die Spannungsdifferenz zwischen A' und B wird von der Reaktion zwischen
A und B festgelegt. D.h. je nach "Ladezustand" der Zelle, messe ich
zwischen A' und B eine unterschiedliche Spannung, die durchaus auch
negativ werden kann.
Aufgrund des Rauschens in der gemessenen Spannung habe ich zwischen A'
und B den besagten Kondensator geklemmt. Dabei verhalten sich die beiden
Elektroden A' und B gegenüber dem Kondensator tatsächlich wie eine
Batterie. Also fließt ein Strom zwischen A' und B, bis der Kondensator
aufgeladen ist (auf die Spannung, die zwischen A' und B aufgrund des
Gesamtaufbaus anliegt). Dabei wird auch Elektrodenmaterial an A' und B
umgesetzt. bei A' ist das egal, bei B hingegen verfälscht es meinen
eigentlichen Massenumsatz. Nun wird aber nur so viel Masse umgesetzt,
bis der Kondensator "voll" ist.
Ändert sich nun die Spannung zwischen A' und B aufgrund des
Versuchsfortschrittes (Stromfluss zwischen A und B) wird der Kondensator
entsprechend der veränderten Spannung seine Ladung entweder erhöhen oder
verringern. Also entweder den Fehler noch größer machen oder den
Fehl-Massenumsatz rückgängig machen, also den Fehler wieder verringern.
Meine Frage bezieht sich nun auf den realen Einfluss des Kondensators
auf die an B ausgetauschte Ladung.
Ist das so nachvollziehbar? Wenn nein, dann bin ich sehr gerne bereit
zusätzliche Fragen zu beantworten.
Danke!
PS: Wie gesagt ist die Samplingrate nicht konstant, aber die
"schnellste" ist 0,1 Hz
Also so 100%ig verstehe ich das alles nicht, hier ein paar Gedanken:
Wenn A' eigentlich nur eine Messelektrode sein soll, und sich das
Material hauptsächlich (oder zum überwiegenden Teil) an B absetzen soll,
ist ein großer Kondensator zwischen A' und B sehr nachteilig.
Du schließt mit dem 1000uF Kondensator quasi A' und B kurz, so dass sich
auch viel Material an A' ablagern wird.
Daher Lösungsansatz: Samplingrate deutlich erhöhen (z.B. auf >= 10 Hz),
und A' mit B nur recht hochohmig verbinden.
Der Low-Pass Filter könnte dann z.B. auf 5 Hz ausgelegt werden (siehe
Anhang).
Alle weiteren Filterungen können dann in Software gemacht werden (z.B.
Mittelwertbildung über 100 Werte, die mit 10 Hz abgetastet wurden)
sollte einen sehr rauscharmen Wert für ein 0.1 Hz Messintervall
ergeben).
Joe F. schrieb:> Also so 100%ig verstehe ich das alles nicht, hier ein paar> Gedanken:>> Wenn A' eigentlich nur eine Messelektrode sein soll, und sich das> Material hauptsächlich (oder zum überwiegenden Teil) an B absetzen soll,> ist ein großer Kondensator zwischen A' und B sehr nachteilig.> Du schließt mit dem 1000uF Kondensator quasi A' und B kurz, so dass sich> auch viel Material an A' ablagern wird.
Die Frage ist, wie genau da nun die Stromflüsse sind. Tritt dies nur
einmalig am Anfang auf oder kontinuierlich? Mir sind bisher vier
verschiedene Möglichkeiten eingefallen. Ich werde diese in den nächsten
Tagen mal posten.
> Daher Lösungsansatz: Samplingrate deutlich erhöhen (z.B. auf >= 10 Hz),> und A' mit B nur recht hochohmig verbinden.> Der Low-Pass Filter könnte dann z.B. auf 5 Hz ausgelegt werden (siehe> Anhang).> Alle weiteren Filterungen können dann in Software gemacht werden (z.B.> Mittelwertbildung über 100 Werte, die mit 10 Hz abgetastet wurden)> sollte einen sehr rauscharmen Wert für ein 0.1 Hz Messintervall> ergeben).
Die Samplingrate kann ich leider nicht erhöhen, da die Messungen länger
als zwei Monate dauern und damit sehr große Dateien entstehen.
Nur zum Verständnis: Der zusätzliche Widerstand verfälscht doch
theoretisch die Spannungsmessung oder? Der Eingangswiderstand des
Galvanostaten liegt im Terraohm-Bereich und daher sollte der Fehler
verschwindend klein werden, oder?
Danke!
...hier fehlt aber die Referenzelektrode für das Bezugspotential
(Kalomel oder Silber). Alle anderen Elektroden verunsichern den
Galvanostaten wegen Polarisation u.a.
Da steht aber bestimmt etwas in der Bedienungsanleitung.
Ein dicker Elko ist keine konstante Größe bei Spannungen um 1 V. Da
findet auch Polarisation statt.
Elektrochemie ist nicht so ganz einfach, wie man glaubt. Ein Lehrbuch zu
Rate zu ziehen wäre empfehlenswert.
Gruß - Werner
uboot schrieb:> Die Samplingrate kann ich leider nicht erhöhen, da die Messungen länger> als zwei Monate dauern und damit sehr große Dateien entstehen.
Du kannst trotzdem mit 10 Hz oder mehr abtasten, Mittelwerte über 100
Werte bilden, und nur dieses Ergebnis in die Datei abspeichern (=
rauscharmer Wert mit 0.1 Hz erfasst).
uboot schrieb:> Nur zum Verständnis: Der zusätzliche Widerstand verfälscht doch> theoretisch die Spannungsmessung oder?
Solange in den ADC Eingang kein wesentlicher Strom fließt, hat der
Widerstand des RC Filters kaum einen Einfluss.
Man muss das Gerät ja eh kalibrieren.
> Der Eingangswiderstand des> Galvanostaten liegt im Terraohm-Bereich und daher sollte der Fehler> verschwindend klein werden, oder?
Eben. Je hochohmiger der ADC Eingang, desto weniger macht der
Filter-Widerstand aus.
Werner H. schrieb:> ...hier fehlt aber die Referenzelektrode für das Bezugspotential> (Kalomel oder Silber). Alle anderen Elektroden verunsichern den> Galvanostaten wegen Polarisation u.a.> Da steht aber bestimmt etwas in der Bedienungsanleitung.> Ein dicker Elko ist keine konstante Größe bei Spannungen um 1 V. Da> findet auch Polarisation statt.> Elektrochemie ist nicht so ganz einfach, wie man glaubt. Ein Lehrbuch zu> Rate zu ziehen wäre empfehlenswert.>> Gruß - Werner
A' ist die Referenzelektrode (und die muss nicht aus den von dir
genannten Materialien bestehen). Es gibt hier auch keine
Bedienungsanleitung und in der Dokumentation des Galvanostaten steht das
(leider) nicht drin.
Das Elektrochemie nicht so ganz einfach ist, ist mir durchaus bewusst,
mein Problem ist eher die Elektrotechnik. In Lehrbüchern wird diese
Thematik auch nicht thematisiert... ich habe hier sechs Stück
herumliegen ;)
Was meinst du mit "ein dicker Elko ist auch keine konstante Größe"?
Bezogen auf seine Kapazität?
Im Anhang ist eine erweiterte Skizze. Ich möchte zur Verbesserung meines
Verständnisses noch mal ein paar Schritte zurück gehen: (Ich beziehe
mich auf die Flussrichtung der Elektronen, die ja der technischen
Stromrichtung entgegengesetzt ist!)
Das linke Teilbild (1) zeigt den Zustand ganz zu Beginn, wenn noch nie
Strom zwischen A und B geflossen ist. Zwischen A' und B liegt eine
Spannung an (Abschnitt 1 im Diagramm). Wird nun der Kondensator
angeschlossen beginnt zwischen A' und B ein Stromfluss, bis sich der
Kondensator auf das Spannungsniveau A'-B aufgeladen hat. Dabei wandern
Ionen von A' zu B (Massentransport). Ist der Kondensator voll, fließen
auch keine Ionen mehr. Dieser Teil ist relativ simpel.
Nun zum rechten Teilbild (2). Wie bereits erwähnt, wird der Strom in
Pulsen angelegt. D.h. im zweiten Abschnitt (Diagramm) fließt ein Strom.
Dabei reduziert sich die Spannung zwischen A' und B gemäß der blauen
Kurve. Meiner Überlegung nach, muss nun sich die Spannung des
Kondensators, der Spannung der beiden Elektroden anpassen und absinken.
Aufgrund seiner Zeitkonstanten wird die Spannungskurve des Kondensators
etwas nachlaufen (rot-gestrichelte Kurve). Jetzt stellt sich die
eigentlich interessante Frage: Was passiert mit der, im Kondensator
gespeicherten Überschussladung?
1. Sie fließt über den Galvanostaten und beeinflusst die Elektroden
nicht weiter. -> Halte ich für sehr unwahrscheinlich, da der
Eingangswiderstand des Galvanostaten im Terraohm-Bereich liegt... da
sollte so gut wie gar nix fließen.
2. Es fließt ein zweiter Elektronenstrom von B über d zu C. Dadurch
wandern Elektronen von C nach A'. Zum Ausgleich müssten Ionen von B
zurück zu A' wandern. Damit würde der initiale Massentransport zum Teil
kompensiert werden. Wäre zwar schön aber auch dies halte ich für
unwahrscheinlich. Warum sollten in einem Leiter (von B nach d)
Elektronen gleichzeitig in zwei unterschiedliche Richtungen fließen? Des
Weiteren kommt hier noch die Kinetik der Elektroden ins Spiel, Stichwort
Überspannung (der Umgekehrte Weg läuft freiwillig, wie bei einer
Batterie (linkes Teilbild)).
3. Die vom controller kommenden Elektronen teilen sich am Punkt d auf.
Ein Teil fließt nach B und ist für den normalen Ablauf verantwortlich.
Der zweite Teil verringert die Ladung des Kondensators. Dadurch müssen
ebenfalls Elektronen von C nach A' fließen. Auch hier müssen zur
Kompensation Ionen ausgetauscht werden. Die Frage ist, wo diese
herkommen. Entweder sie kommen von B, dann würde auch hier der
anfängliche Fehler reduziert oder
4. sie kommen von A. Dann würden sich die Fehler in der Ladungsmessung
mit jedem Puls addieren (zumindest teilweise).
Bei den Fällen 2-4 spielt die Kinetik der Elektroden mit Sicherheit eine
Rolle, ich weiß leider nicht welche und wie groß diese ist. Am
wahrscheinlichsten erscheint mir Fall 4, leider ist das auch der
ungünstigste.
Was meint ihr dazu?
Danke und guten Rutsch!
uboot schrieb:> Was meint ihr dazu?
Schließe A' so hochohmig wie möglich an, und mache den Kondensator so
klein wie möglich.
Um dies zu ermöglichen ist wie gesagt eine höhere Samplingfrequenz sehr
hilfreich.
Der Mess-Eingang ist ja genau deswegen so ultra-hochohmig, damit so gut
wie gar kein Strom an der Messelektrode fließt und sich an der
Messelektrode so gut wie gar kein Material ablagern kann.
Evtl. ist der Kondensator / Filter auch komplett überflüssig, wenn man
einfach nur mit kräftigem Oversampling arbeitet (10 Hz, 100 Hz oder
evtl. sogar 1000 Hz, je nach dem was der Wandler hergibt).
Für die Größe deines Logfiles hat das wie gesagt keine Auswirkungen, da
die zusätzlichen Messwerte ja nur temporär im RAM gehalten werden müssen
bis genügend Samples für eine Mittelwertbildung / Tiefpass-Berechnung
zur Verfügung stehen um einen Wert für das Logfile zu bilden.
Ladung.png
(35 KB)
