Hallo, Ich möchte eine chemische Spannungsquelle verstehen, um die Auswirkungen einer Belastung mit veränderlichem R abschätzen zu können. (chemischer Sensor) Diese Quelle reagiert anders, als ich es von Akkus und Batterien bisher kenne: Leerlaufspannung ist kein Problem, gemessen z.B. 1V 1. Versuch, den Innenwiderstand zu bestimmen, mit der Methode "halbe Spannung" + Messen des Last-R ist schon schwierig, weil die Spannung unter Last stark schwankt 2. Versuch, den Innenwiderstand über Spannungsdifferenz und Stromdifferenz zu ermitteln, ist ebenfalls schwierig, weil die Werte „weglaufen“ und stark von der Größenordnung der Lastwiderstände abhängen 3. der Versuch, den Innenwiderstand über Leerlaufspannung und Kurzschlußstrom zu ermitteln scheitert ebenfalls, weil der Strom beim Kurzschluß sinkt! Kann man an solch einer Spannungsquelle überhaupt einen Innenwiderstand ermitteln? Wie kann man sich die Ersatzschaltung vorstellen? Beispiel: Leerlaufspannung ca. 1V Kurzschlußstrom ca. 100mA im Augenblick des Kurzschlusses (sofern man so schnell kucken kannn). Der Kurzschluß-Strom nimmt zunächst sehr schnell ab, bei ca 10% verlangsamt sich die Abnahme des Stromes bis er nach einigen Minuten schließlich 0 ist - ohne die Quelle zu zerstören. Die Leerlaufspannung ist nach Öffnen des Kurzschlusses zu ca 80% wieder da und stellt sich über eine längere Zeit auf den Endwert ein. Das sieht aus wie ein Innenwiderstand gegen Unendlich. Eine Belastung dieser Quelle wird ihr sicher Energie entziehen, doch in welchem Maße? Vielleicht hilft ein Ausflug in die Elektrochemie weiter. Hat hier jemand einen Tip zu passender Fachliteratur?
Mir fällt dazu auf die Schnelle nur der (Such)Begriff Weston-Element ein.
Matthias K. schrieb: > Kurzschlußstrom ca. 100mA im Augenblick des Kurzschlusses (sofern man so > schnell kucken kannn). > Der Kurzschluß-Strom nimmt zunächst sehr schnell ab, bei ca 10% > verlangsamt sich die Abnahme des Stromes bis er nach einigen Minuten > schließlich 0 ist - ohne die Quelle zu zerstören. Kannst du uns etwas über den Aufbau und die Chemie dieser Spannungsquelle mitteilen? Ich habe da eine Vermutung und die lautet Gasblasen (Wassersoff) an der Anode. Diesen Effekt hat man ebenfalls beim Galvanisieren. Im Einschaltmoment hast du eine große aktive Anodenfläche, die sich nach und nach mit anhaftenden Wasserstoffbläschen bedeckt. Diese verringern die aktive Oberfläche. Sind sie ausgeperlt, dann steht wieder die gesamte Oberfläche zur Verfügung und das Spiel kann von Neuem beginnen. Bei Zink Kohle Batterien begegnet man dem durch eine Braunsteinummantelung der Anode, da Braunstein als Oxidationsmittel den Wasserstoff neutralisiert. Ist die Batterie leer, ist der Braunstein verbraucht und die Batterie geht entsprechend schnell in die Knie. Zink ist in Form des Bechers ja noch genug da :-)
Matthias K. schrieb: > 1. Versuch, den Innenwiderstand zu bestimmen, mit der Methode "halbe > Spannung" + Messen des Last-R ist schon schwierig, weil die Spannung > unter Last stark schwankt Du misst zu lange. Die Spannung unter Last schwankt nicht wild, sondern ändert sich systematisch entsprechend der sich neu einstellenden Verteilung der Ionen. Wenn du nur kurz misst (Millisekunden) kannst du den Konzentrationsverschiebungen, insbesondere an den Elektroden, weitgehend aus dem Weg gehen.
Matthias K. schrieb: > Der Kurzschluß-Strom nimmt zunächst sehr schnell ab, bei ca 10% > verlangsamt sich die Abnahme des Stromes bis er nach einigen Minuten > schließlich 0 ist - ohne die Quelle zu zerstören. Zum Thema Reaktionskinetik gibt es viel Literatur. Einige Prozesses sind rein abhängig von den Konzentrationen und deren Gradienten. Jede Einzelreaktion dieses Typs ergibt einen exponentiellen Verlauf mit eigener Zeitkonstante. Und es gibt Reaktionen, deren Reaktionsrate unabhängig von den Konzentrationen ist (z.B. weil ein Katalysator nur begrenzt zur Verfügung steht). Der Gesamtverlauf ergibt sich dann aus der Kette der stattfindenden Reaktionen mit ihren Reaktionsgeschwindigkeiten. Dein 10%-Punkt könnte so ein Punkt sein, bis zu dem eine exponentiell abklingende Reaktion dominant war und im weiteren Verlauf durch eine langsamere Zeit-/oder Reaktionskonstante bestimmt wird. Vielleicht ist es aber auch nur eine falsch interpretierte exponentielle Abhängigkeit, wie z.B. man es oft bei der "Schwell"-spannung von Dioden hört.
Leider ist mir Aufbau und Chemie dieser Quelle nicht bekannt. Ich weiß nur, daß es sich um einen chemischen Gas-Sensor handelt. Der Kontakt zum Gas und dessen Konzentration änderte sich bei meinen Meßversuchen nicht. Ich möchte 1. einschätzen können, welche Auswirkungen Laständerungen langfristig haben würden z.B. was passiert, wenn die Last (Rgesamt) von z.B. 5kOhm auf 3kOhm geändert wird, wenn bei 5kOhm zwischen 10mV und 100mV am Lastwiderstand zur Verfügung stehen. (Es scheint mir so, daß bereits kleine Laständerungen einen erheblichen Einfluß auf die Spannungsquelle haben.) Welchen Einfluß wird die höhere Last auf die Lebensdauer haben? Welchen Einfluß wird die Temperatur auf die Spannung bei veränderter Last haben? Welche anderen Parameter sind bei veränderter Last zu berücksichtigen, weil z.B. chemische Prozesse gestört werden? Vielleicht gibt es Beispiele für Quellen mit dem beschriebenen Verhalten? 2. den Prozeß verstehen, der im Prinzip im Inneren der Spannungsquelle abläuft. Ich weiß, daß ich da viel Chemie nachholen muß ;-)
Wolfgang schrieb: > Matthias K. schrieb: >> 1. Versuch, den Innenwiderstand zu bestimmen, mit der Methode "halbe >> Spannung" + Messen des Last-R ist schon schwierig, weil die Spannung >> unter Last stark schwankt > > Du misst zu lange. Die Spannung unter Last schwankt nicht wild, sondern > ändert sich systematisch entsprechend der sich neu einstellenden > Verteilung der Ionen. Wenn du nur kurz misst (Millisekunden) kannst du > den Konzentrationsverschiebungen, insbesondere an den Elektroden, > weitgehend aus dem Weg gehen. Das bedeutet also, ich müßte dafür sorgen, daß definiert z.B. 1 Millisekunde gemessen wird - und müßte die Messung automatisch aufzeichnen (Max-Wert, Log) Den Widerstand für die halbe Spannung müßte ich also in mehreren Durchläufen ermitteln (Iteration). Ist es überhaupt sinnvoll bei solch einer Spannungsquelle den Innenwiderstand ermitteln zu wollen?
Matthias K. schrieb: > Den Widerstand für die halbe Spannung müßte ich also in mehreren > Durchläufen ermitteln (Iteration). Naja, um den Innenwiderstand zu bestimmen, muss man nicht zwangsweise auf Leistunganpassung gehen. Man kann auch ein halbwegs passenden Lastwiderstand dranhängen, den Spannungsabfall messen und rechnen. > Ist es überhaupt sinnvoll bei solch einer Spannungsquelle den > Innenwiderstand ermitteln zu wollen? Ich würde auf das Datenblatt vertrauen. Warum willst du die Quelle überhaupt so stark belasten, dass sich der Innenwiderstand störend auswirkt?
Für welches Gas ist der Sensor? Für Sauerstoff heißt das Clark-Sensor. So viele Gassensoren gibt es gar nicht, der Aufbau ist folglich zu finden. Dann kann man auch ein Datenblatt finden.
Matthias K. schrieb: > Hallo, Ich möchte eine chemische Spannungsquelle verstehen, um die > Auswirkungen einer Belastung mit veränderlichem R abschätzen zu können. > (chemischer Sensor) > > Diese Quelle reagiert anders, als ich es von Akkus und Batterien bisher > kenne: Impedanzspektrum.
Wenn das Datenblatt nichts anderes sagt, würde ich analog zu einer pH-Sonde vorgehen und so hochohmig, wie möglich ankoppeln. Je weniger Materialtransport durch Ionen da drin stattfindet, um so langlebiger wird das Ding voraussichtlich sein.
Werner H. schrieb: … > Für Sauerstoff heißt das Clark-Sensor. … Das ist ein gutes Stichwort. Ein Datenblatt gibt es nicht. Aber vielleicht finde ich trotzdem Hinweise in Datenblättern ähnlicher Sensoren.
Wolfgang schrieb: … > Naja, um den Innenwiderstand zu bestimmen, muss man nicht zwangsweise > auf Leistunganpassung gehen. Man kann auch ein halbwegs passenden > Lastwiderstand dranhängen, den Spannungsabfall messen und rechnen. Da ich mit meinen wackeligen Messungen im Schnitt auf ca 50kOhm gekommen bin, werde ich den Wert mal als Basis betrachten und sehr kurzzeitig messen. Dann habe ich erstmal einen Wert, der für einen Zustand gilt. Ich kann aber immernoch nicht abschätzen, was eine Laständerung über den gesamten Konzentrationsbereich bewirken wird. Die Konzentration kann ich mit Haushaltsmitteln nicht verändern, also muß die Theorie ran - die interessiert mich sowieso. Wolfgang schrieb: … > Ich würde auf das Datenblatt vertrauen. Warum willst du die Quelle > überhaupt so stark belasten, dass sich der Innenwiderstand störend > auswirkt? Ich möchte das "seltsame" Verhalten verstehen und auf Elektronik wie OpAmp verzichten.
Wenn es sich um einen Clark-Sensor handelt, ist zu überlegen, wie alt der ist. Meist ist es die Kombination Gold-Blei in Kalilauge mit Teflonmembran (Abgas-O2-Messung). Die Sensoren leben nur wenige Jahre, weil die KOH allmählich CO2 absorbiert und der Elektrolyt versaut und die Elektrochemie verändert wird. Ich würde keinerlei Zeit mit der Eigenschaftsermittlung eines verbrauchten Sensors verbringen, sondern eher versuchen, die Kalilauge auszutauschen. Ganz alte Konstruktionen sind zerlegbar und reparierbar, bei neuen weiß ich es nicht. Gruß - Werner
Korrektur: verwechselt mit anderem Sensor. Kalilauge ist falsch, Elektrolyt ist KCl wie bei der pH-Elektrode. Der Verbrauch äußert sich bei der Clark-Elektrode durch einen Belag auf der Anode. Diese muß mechanisch gereinigt werden. T´schuldigung - Werner
Matthias K. schrieb: > ielleicht hilft ein Ausflug in die Elektrochemie weiter. > Hat hier jemand einen Tip zu passender Fachliteratur? Die Grundlagen stehen in jedem Lehrbuch der physikalischen Chemie.
Matthias K. schrieb: > 3. der Versuch, den Innenwiderstand über Leerlaufspannung und > Kurzschlußstrom zu ermitteln scheitert ebenfalls, weil der Strom beim > Kurzschluß sinkt! Vielleicht bist du überhaupt auf dem Holzweg und im völlig falschen Meßbereich. Ich kenne solche Zellen, mit denen Spuren von Sauerstoff gemessen werden. Der Kurzschlußstrom, der durch die Diffussionsgeschwindigkeit des Messgases und dessen O2-Gehalt bestimmt wird liegt dann im Bereich weniger µA und der Innenwiderstand von ein paar kOhm spielt dann keine Rolle mehr.
Hp M. schrieb: > Vielleicht bist du überhaupt auf dem Holzweg und im völlig falschen > Meßbereich. … > Der Kurzschlußstrom, der durch die Diffussionsgeschwindigkeit des > Messgases und dessen O2-Gehalt bestimmt wird liegt dann im Bereich > weniger µA und der Innenwiderstand von ein paar kOhm spielt dann keine > Rolle mehr. Daß ich mit meinen Versuchen, den Innenwiderstand zu messen, nicht weiterkomme, hatte ich schon befürchtet. Ich werde mal ein bißchen im µA-Bereich „spielen“. Danke.
Werner H. schrieb: … > Ich würde keinerlei Zeit mit der Eigenschaftsermittlung eines > verbrauchten Sensors verbringen, sondern eher versuchen, die Kalilauge > auszutauschen. Ganz alte Konstruktionen sind zerlegbar und reparierbar, > bei neuen weiß ich es nicht. … Unabhängig von der verwendeten Lauge - der Sensor ist solide verschlossen, für Reparatur nicht vorgesehen. Danke.
Matthias K. schrieb: > Ein Datenblatt gibt es nicht. Matthias K. schrieb: > Ich möchte das "seltsame" Verhalten verstehen und auf Elektronik wie > OpAmp verzichten. Was willst du eigentlich erreichen?
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Antoni Stolenkov schrieb: … >> Diese Quelle reagiert anders, als ich es von Akkus und Batterien bisher >> kenne: > > Impedanzspektrum. Ich hatte mich mal für Geräte interessiert, die spektrale Impedanzmessung nutzen, z.B. diese hier https://www.brs-messtechnik.de/deutsch/beispiele.html So wie ich die Funktion verstanden habe, läuft das Auswerten dieser Messungen auf Vergleiche mit Kuven hinaus, von denen bekannt ist, für welchen Zustand sie stehen. Diese Kurven zu ermitteln, soll nicht leicht sein.
Matthias K. schrieb: > Unabhängig von der verwendeten Lauge - der Sensor ist solide > verschlossen, für Reparatur nicht vorgesehen. Falls überhaupt eine Lauge drin ist, denn die würde z.B. durch CO2 im Messgas neutralisiert werden. An den Zellen, die ich meine, gibt es auch nichts zu reparieren. Sie haben ein Stahlblechgehäuse, etwa die Größe einer Baybyzelle, einen durchlöcherten Deckel, und irrc verwenden sie Bleikathoden in einem sauren Elektrolyten. Die Zellenspannung ist unwichtig, denn sie werden quasi im Kurzschluss betrieben, so dass die Ausgangsspannung nur einige mV beträgt. Nicht die EMK der Zelle, sondern der Strom (der an einem relativ niederohmigen Lastwiderstand eine nur geringe Spannung erzeugt) wird ausgewertet. Wenn man damit O2 im ppm-Bereich misst, halten sie einige Jahre. Wenn solche Zellen der Luft ausgesetzt werden und dann erst kurzgeschlossen werden, können sie für kurze Zeit relativ hohe Ströme liefern, bis der zwischenzeitlich eingedrungene Sauerstoff verbraucht ist. Vielleicht solltest du mal ein Foto deiner Zelle einstellen.
Matthias K. schrieb: > Diese Kurven zu ermitteln, soll nicht leicht sein. Müßte auch mit einem Oszilloskop gehen. Rechteck, FFT und Du erhältst ein wunderschönes Spektrum (hoffentlich). Könnte auch generell für die Messung interessant sein.
Udo S. schrieb: > Was willst du eigentlich erreichen? - die Funktion dieses galvanischen Elemetes wenigstens grob verstehen. Was passiert, wenn man es belastet? Meine Vorstellung von einer üblichen Spannungsquelle war offensichtlich falsch. Die Beiträge hier haben mich auf Amperometrie gestoßen. ' bin am Lesen.
Hp M. schrieb: … > > Die Zellenspannung ist unwichtig, denn sie werden quasi im Kurzschluss > betrieben, so dass die Ausgangsspannung nur einige mV beträgt. > Nicht die EMK der Zelle, sondern der Strom (der an einem relativ > niederohmigen Lastwiderstand eine nur geringe Spannung erzeugt) wird > ausgewertet. … So wird es sein. Wenn ich die Zelle als Stromquelle betrachte, wird mir das „seltsame“ Verhalten klar. Ich bin ja bereits auf das Stichwort Amperometrie gestoßen worden. Danke
Antoni Stolenkov schrieb: > Matthias K. schrieb: >> Diese Kurven zu ermitteln, soll nicht leicht sein. > > Müßte auch mit einem Oszilloskop gehen. Rechteck, FFT und Du erhältst > ein wunderschönes Spektrum (hoffentlich). Könnte auch generell für die > Messung interessant sein. Diesen Tip kann ich wahrscheinlich noch gebrauchen. :-)
Matthias K. schrieb: > Diesen Tip kann ich wahrscheinlich noch gebrauchen. :-) Kannst Du auch eine Brummfehlerteufelfalle gebrauchen? Hab ich grade im Angebot.
Ups, das muß wieder mein Knallschaden gewesen sein. Also kein Grund zur Besorgnis. ;-)
Matthias K. schrieb: > Diese Kurven zu ermitteln, soll nicht leicht > sein. Sehe ich auch so. Die Messtechnik ist mit modernen ICs, wie dem AD5933, wohl noch einigermaßen leicht in den Griff zu bekommen, aber die Interpretation der Zusammenhänge, die sich hinter den Meßwerten verbergen, dürfte recht anspruchsvoll sein. Falls du beim Basteln deine O2-Meßzelle schonen willst, solltest du mal die preiswerten Knopfzellen für Hörgeräte ausprobieren. z.B.: https://www.conrad.de/de/p/ecopack-eco10-knopfzelle-za-10-zink-luft-95-mah-1-4-v-6-st-1558393.html Dort hat man nämlich den üblichen Braunstein-Depolarisator durch Aktivkohle und Luftsauerstoff ersetzt. Das Ergebnis ist eine viel höhere Kapazität aber eine geringere Stromlieferfähigkeit als bei den üblichen Knopfzellen, die natürlich von der Menge des zur Verfügung stehenden Sauerstoffs abhängt. Diese Luftsauerstoffzellen müssen vor der ersten Benutzung aktiviert werden, indem man den Klebefilm abzieht, der das Luftloch verschliesst. https://de.wikipedia.org/wiki/Zink-Luft-Batterie
nachtmix schrieb: … > Falls du beim Basteln deine O2-Meßzelle schonen willst, solltest du mal > die preiswerten Knopfzellen für Hörgeräte ausprobieren. z.B.: > https://www.conrad.de/de/p/ecopack-eco10-knopfzelle-za-10-zink-luft-95-mah-1-4-v-6-st-1558393.html Ich meine, daß u.a. ein Hersteller von Hörgeräte-Zellen als Referenz für die spektrale Impedanzmessung mit BRS-Geräten genannt worden ist. Solche Zellen kenne ich aus dem Bekanntenkreis. Die O2-Zelle hat sich bisher immer wieder erholt. Trotzdem werde ich auch mal so eine Hörgertäte-Batterie testen. Danke.
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