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
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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
Wie kann denn eine Batteriespannung von 1V auf -0.3V abfallen? Da müsste sich die Batterie ja umpolen, um dann aus dem nichts Strom zu erzeugen...?!
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?
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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.
arg... die Spannung wird zwischen A' und B gemessen...
...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.
und weil Lesen bildet eine Quelle zum Nachlesen: https://books.google.nl/books?id=rr6pBgAAQBAJ&pg=PA37&lpg=PA37&dq=Bipolare+Elkos&source=bl&ots=VOtXWXVccq&sig=#v=onepage&q=Bipolare%20Elkos&f=false und noch eine: https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/1011301.htm viel Erfolg beim Schlauwerden!
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
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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).
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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.
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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.
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