Coulombmeter

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Ich mache einmal einen eigenen Beitrag auf. Es geht um den Bau eines 
Coulombmeters zum Nachweis/Messen von Ladungen.

Bei meiner Recherche im Internet bin ich auf diese Seite hier gestoßen: 
http://www.dicks-website.eu/coulombmeter/enindex.htm

Den dort veröffentlichten Schaltplan habe ich nachgebaut, leider mit 
unbefriedigenden Ergebnis. Mein Coulombmeter hält einfach nicht die 
Ladung und driftet auch ohne aufgebrachte Ladung sehr schnell gegen die 
negative Spannungsversorgung. Bei -4V sind dies etwa -2.1V.

Kann mir jemand dieses Verhalten erklären? Normalerweise müsste ja der 
OPV durch seinen extrem hohen Eingangswiderstand die Ladung auf dem 100 
nF Kondensator lange halten...

Laut Homepage sollte die Ausgangsspannung aber erst über Minuten um mV 
driften. Da ich aufgrund meines sehr starken Drifts auf mangelnde 
Isolation tippte, habe ich die Lötaugen um den 
Eingangspfad/Eingangskondensator herum entfernt. Dies führte zu keiner 
positiven Veränderung. Dann habe ich die Schaltung auf einer vollflächig 
kupferbeschichteten Platine gelötet mit dem IC verkehrt herum, also mit 
den Beinen nach oben und dann fliegend die anderen Bauteile damit 
verbunden. Auch dies fruchtete leider nicht.

Deshalb hier meine Frage, ob jemand von euch einen Tipp bzgl. der 
bereits vorhandenen Schaltung für mich hat bzw. einen komplett neuen 
Schaltvorschlag. Messen möchte ich Ladungen bis etwa +/- 200 nC, mehr 
geht aber natürlich auch.

Im Schulmittelhandel gibt es fertige und gar nicht so kostspielige 
Geräte zu kaufen. Von daher kann ich mir nicht vorstellen, dass diese 
allzu komplex aufgebaut sind.

Link: 
https://www.winlab.de/schule/physik-ntl/demonstrationsgeraete/elektrik-elektronik/elektrostatik/coulomb-meter-inno

Danke im voraus für eure Bemühungen...

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Kann man dazu auch eine "Feldmühle" benutzen? Die zerhackt das Feld mit 
einem Flügelrad, damit wird eine Temperaturdrift unterdrückt.

[H. H. (Gast)]

Kein FR2 nehmen, PP statt PET Kondensator, nach dem Löten penibel 
reinigen.

[Dergute W. (derguteweka)]

Moin,

Weiss nicht ob/wieviel es bringt, aber ich hab' im Hinterkopf, dass man 
bei sowas einen "Ring" aus Kupferleiterbahn um den gesamten 
Eingangsbereich legen sollte, der auf dem Ausgangspotential des OpAmp 
liegt.

Gruss
WK

[H. H. (Gast)]

Dergute W. schrieb:
> Weiss nicht ob/wieviel es bringt, aber ich hab' im Hinterkopf, dass man
> bei sowas einen "Ring" aus Kupferleiterbahn um den gesamten
> Eingangsbereich legen sollte,

Guard!


> der auf dem Ausgangspotential des OpAmp liegt.

Das nun ehr nicht.

[H. H. (Gast)]

Für einen Bastelaufbau kann man auch gut die "Dead Bug" Methode 
verwenden.

[Dergute W. (derguteweka)]

Moin,

H. H. schrieb:
> Guard!
Yepp!

>> der auf dem Ausgangspotential des OpAmp liegt.
> Das nun ehr nicht.
Auf welchem dann?

Gruss
WK

[H. H. (Gast)]

Dergute W. schrieb:
>>> der auf dem Ausgangspotential des OpAmp liegt.
>> Das nun ehr nicht.
> Auf welchem dann?

Ich nehms zurück, für diesen Fall (V=1).

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Das nennt sich wie schon geschrieben "guard ring" z.B. hier Fig.6
https://www.analog.com/en/technical-articles/layout-for-precision-op-amps.html

[Andrew T. (marsufant)]

Christoph E. schrieb:
> Ich mache einmal einen eigenen Beitrag auf. Es geht um den Bau eines
> Coulombmeters zum Nachweis/Messen von Ladungen.

Sorry das ich da mal wieder korrigere:
Ein Couloumbmeter/Columbmeter im elektronischen Sinn ist allerdings ein 
Messgerät, das die   geflossene    Ladung Coulomb, also "As" im Sinne 
von Amperesekunden misst.

Das was Du möchtest ist doch aber eher ein Elektrometer, also ein 
verlustfreies (zumindest extrem hochohmiges) Voltmeter.

Der CA3140 (leider sehr alt) sollte bei Dir eher ein
AD515 (alt) oder
einer der Nachfolgetypen von TI, Analog.com etc werden.

Dann klappt das auch, dead_bug bzw. Manhattan Style ist sehr geeignet.

Ich verwende Teflon Stützpunkte, weil das Ganze am Ende etwas 
professionell aussehen soll -- ist aber kein Muss da Teflonpunkte zu 
nehmen.


Hartpapier wie bei dir: vergiss es bitte ganz schnell, das ist zu 
niederohmig.

[H. H. (Gast)]

Andrew T. schrieb:
> Ich verwende Teflon Stützpunkte, weil das Ganze am Ende etwas
> professionell aussehen soll -- ist aber kein Muss da Teflonpunkte zu
> nehmen.

C0G SMD Kondensatoren im pF Bereich.

[Christoph E. (stoppi)]

Vielen Dank einmal für die zahlreichen und sehr konstruktiven 
Beiträge...

Zur Wahl des Kondensators: Bei meinem Lochrasteraufbau habe ich einen 
WIMA MKP10 verwendet, der müsste eigentlich aus Polypropylen sein oder?

Dead Bug Aufbau habe ich auch schon probiert eigentlich mit dem selben 
Resultat des sehr schnellen Drifts gegen die negative Versorgung.

Habe es gestern auch mit einer Elektrometerschaltung probiert, indem ich 
diese um einen Kondensator ergänzt habe. Funktioniert auch nicht. Nur in 
der originalen Variante reagiert es auf elektrostatisch geladenen Körper 
mit einem heftigen Ausschlag. Dauerhaft Ladungen anzeigen tut es wie 
gesagt auch mit einem Kondensator am Eingang nicht...

Ein funktionierendes "Coulombmeter" wäre halt eine schöne Ergänzung zu 
meinem Coulombgesetz-Versuch.

[Christoph E. (stoppi)]

Ich habe auch noch mit einem Mosfet herumexperimentiert, dessen Gate ich 
eben mit der zu messenden Ladung beaufschlage und dann den Drain-Strom 
messe. Die Ladung hält er eigentlich sehr gut nur ist die Stromstärke 
leider alles andere als direkt proportional zur aufgebrachten Ladung. 
Ich dachte mir eben, den Mosfet im linearen Bereich zu betreiben, wo ja 
I proportional zu U bzw. Q am Gate sein sollte...

Der Dead-Bug-Aufbau der Schaltung mit dem OPV funktioniert leider nicht 
besser als jener auf Lötrasterplatine.

Hat vielleicht jemand von euch noch eine Idee, woran ich bei der 
OPV-Schaltung feilen kann bzw. kennt einen komplett anderen Ansatz zur 
Messung der Ladung? Danke im voraus...

[Guido B. (guido-b)]

Christoph E. schrieb:
> Hat vielleicht jemand von euch noch eine Idee, woran ich bei der
> OPV-Schaltung feilen kann bzw. kennt einen komplett anderen Ansatz zur
> Messung der Ladung? Danke im voraus...

Imho kann die Schaltung garnicht funktionieren. Durch den 
unvermeidlichen
Offsetstrom am Eingang des OPV lädt sich die Eingangskapazität auf,
so dass die Ausgangsspannung gegen eine Rail läuft. Kannst du nicht
einen invertierenden Integrierer verwenden?

[Purzel H. (hacky)]

Die Gatekapazitaet eines Mosfet wuerde ich nicht grad so messen wollen. 
Da gibr es dann auch noch die Miller Kapazitaet, die spielt dynamische 
Streiche. Man koennte denn Strom kalibrieren, aber mit der Temperatur 
laeuft er weg.

[Wolfgang S. (wolfi0)]

hm, die Ladung soll doch bestimmt in eine messbare Spannung
umgesetzt werden - ?

Wie wäre es mit einem  'Ladungsverstärker' ?

(Prinzip-)Plan -> Bild oben:

Der Kondensator C 'übernimmt' die Ladung, die über
den Eingang 'hineinfliesst'. der Eingang bzw
die linke 'Platte' des Cs bleibt auf Massepotential.
Die Ausgangs-Spg  U = -Q/C.

Der gestrichelte Widerstand dient nur zum Schutz des OP's,
für den Fall, dass die 'Ladungsquelle' recht niederohmig ist :-)
Über den Schalter/Taster kann man den C für eine neue Messung
entladen.

Der CA3140 lässt sich mit seinen hochohmigen Eingängen dafür
bestimmt gut verwenden.
(Achtung - pos- + neg. Betriebs-Spng nötig)

wolfi0

[Werner H. (werner45)]

...kann auch erweitert werden:
Nach dem OpV einen Komparator, den Schalter durch einen Entlade-Fet 
ersetzen, der vom Komparator getriggert wird. Die Anzahl der (gezählten) 
Entladepulse ist proportional zur Ladung.
Jetzt geht das auch für die richtige Coulomb-Messung (Ah): Den Eingang 
an einen Shunt für die Strommessung.

[Purzel H. (hacky)]

Leider wollte der Poster bisher noch nicht die Anwendung husten. Es gibt 
verschiedene Anwenungen...

1) Man moechte eine Ladung messen - die ist nachher aber weg, dh man 
misst einen Strom, und der Ladungstraeger hat ein Potential 
aufgedrueckt.

2) man moechte die Eigenschaften eines Ladungstraegers messen, zB die 
Leckstroeme. Dabei misst man aber die Spannung und die Ladung bleibt 
erhalten.

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Vielen Dank für die rege Beteiligung.

@hacky: Ich möchte zum Beispiel die Ladung einer Kugel, welche zuvor mit 
dem HV-Netzteil "geladen" wurde, bestimmen und mit der Theorie (Q = 
4*Pi*epsilon_0*r*U) vergleichen. Also Versuche rund um die 
Elektrostatik. Der geladene Körper wird durch die Messung im Idealfall 
seine gesamte Ladung los.

@Guido und Wolfgang: Danke für den Schaltungsvorschlag, ihr meint ja 
beide dasselbe. Den invertierenden Integrierer habe ich jetzt schnell 
einmal aufgebaut und getestet. Problem: Hier driftet mir der Ausgang hin 
zur positiven Spannungsversorgung weg. Die offset-Einstellung übers Poti 
habe ich dann abgehängt, weil eine Einstellung auf 0 durch den starken 
Drift damit nicht möglich war.

Das ist aber irgendwie auch verständlich, denn auch die 
input-offset-voltage wird ja integriert und wenn die dauerhaft anliegt, 
dann zischt mir der Ausgang eben in eine Richtung fort.

Wenn ich den Eingang zum Beispiel mit der postitiven Spannungsversorgung 
(waren 6V) verbinde, springt mir wie zu erwarten ist der Ausgang auf 
-6V. Um dann nach einigen Sekunden wieder zu wandern in Richtung +6V.

[Purzel H. (hacky)]

Elektrostatik wuerde ich vergessen. Damit kann man solche Messgeraete 
nur zerstoeren.

[Werner H. (werner45)]

Die Lochrasterplatte ist absolut ungeeignet!

Schau Dir mal (Innen-) Bilder von Elektrometer-Verstärkern an.
Da gibt es große Abstände zwischen den Bauteilen und der Eingang ist in 
Luft verdrahtet oder auf möglichst wenig Teflonstützen gelegt. Außerdem 
muß die Elektronik mit Alkohol gewaschen und getrocknet werden. Jeder 
Fingerabdruck macht Ärger. Alles in eine Blechschachtel zur Abschirmung.
Der CA3140 wird am unteren Limit betrieben (war für ± 15 V ausgelegt), 
wenigstens zwei 9-V-Batterien verwenden.

Mit einem richtig gebauten Elektrometer-Verstärker kann man sogar 
Triboelektrizität nachweisen, die beim einfachen Verbiegen von 
Koaxkabeln auftreten kann.

[Christoph E. (stoppi)]

@Werner: Danke für deine mit Sicherheit berechtigten Einwände. Aber der 
Drift etwa beim Integrierer ist ja der Schaltung geschuldet etwa eben 
durch die Input-offset-voltage oder?

Von daher wäre ich ja mit dieser Schaltung sowieso am Holzweg...

[Werner H. (werner45)]

Die Schaltung ist eine Grundschaltung. Die Drift ist aber der fehlenden 
oder falsch dimensionierten Kompensation geschuldet. In den 
Datenblättern und Apps gibt es viele Beispiele. Integratoren kann man 
auf minimale Drift abgleichen (mV/h out).
Bei FID-Verstärkern hatte man das schon vor 50 Jahren im Griff.
Der CA3140 kann aber auch eine Macke haben, kommt vor.

[Christoph E. (stoppi)]

> Der CA3140 kann aber auch eine Macke haben, kommt vor.

Das hat mir keine Ruhe gelassen und ich habe dann anstelle des CA3140 
einmal einen AD820 ausprobiert und siehe da, damit klappt es um Welten 
besser.

Der Drift beträgt jetzt nur ca. 0.5 mV/s. Damit könnte ich völlig leben, 
denn ich brauche für die Messung ja nur wenige Sekunden. Wenn ich das 
Potentiometer für den offset wieder anlöte kann ich eventuell den Drift 
noch reduzieren.

Ein erster Test mit der geladenen Kugel verlief auch vielversprechend. 
Werde morgen noch einen Taster zum Entladen des Kondensators einlöten 
und dann eine Messreihe starten.

Eine Frage habe ich noch zur quantitativen Erfassung der Ladung: Die 
Ausgangsspannung bei dieser Integriererschaltung ist U = Q/C oder?

Vielen Dank für den Hinweis, Werner. Die C3140 habe ich über ebay 
unlängst gekauft. Vielleicht/scheinbar haben die einen Schaden oder sind 
wie nicht so selten fake...

[Guido B. (guido-b)]

Christoph E. schrieb:
> Eine Frage habe ich noch zur quantitativen Erfassung der Ladung: Die
> Ausgangsspannung bei dieser Integriererschaltung ist U = Q/C oder?

Genaugenommen ist U= Uk-Q/C, wobei Uk eine Gleichspannung ist.

Geht [math] nicht mehr?

[Jörg B. (joergb2)]

Der hier 
https://www.analog.com/en/products/ada4530-1.html#product-overview ist 
wahrscheinlich der ultimative OPV, wenn man allerkleinste Ströme und 
Ladungen messen will. Da ist der Guardring schon im Pinout vorgesehen.
Wenn man aber die Ladung von auf Hochspannung aufgeladenen Kugeln messen 
will, dann muss man den Eingangswiderstand so dimensionieren, das er die 
Spannung abkann und den Strom auf Werte begrenzt, die der OPV am Ausgang 
liefern kann (also etwa 15 mA). Und Transienten von 
Hochspannungsüberschlägen sollten auch nicht im geringsten auf den 
OPV-Eingang durchkoppeln können. Deshalb geschirmt aufbauen und mehrere 
Eingangswiderstände hintereinander.
Polypropylen wäre auch meine Wahl für den Integrationskondensator, auch 
hier muss man peinlich auf Leckströme achten.

[Christoph E. (stoppi)]

So, hier nun der finale Aufbau, welcher auch zufriedenstellend 
funktioniert. Wie sich herausstellte, war die Spannungsversorgung für 
den stärkeren Drift verantwortlich. Ich verwendete nämlich zwei 
Steckerschaltnetzteile. Mit zwei 18650 Liion-Akkus ist der Drift 
nochmals deutlich geringer (ca. 1 mV pro Minute).

Mit dem nun funktionierenden Coulombmeter konnte ich eine Messreihe 
durchführen. Hierfür lade ich die Kugelelektrode mittels HV-Netzteil auf 
eine Spannung U auf und bestimme dann mit dem Coulombmeter die Ladung Q. 
So kann ich sehr gut Theorie (Q = 4*Pi*epsilon_0*r*U) und Experiment 
gegenüberstellen. Fazit: Die Werte stimmen eigentlich recht gut überein. 
Mein Coulombmeter zeigt nur systematisch etwas zu viel an. 10 mV 
angezeigte Spannung entsprechen bei meinem Aufbau einer Ladung von 1 nC.

Ich möchte mich für die vielen wertvollen Tipps und Ratschläge bedanken, 
sie haben mir sehr geholfen...

[Christoph E. (stoppi)]

Um das Thema hier abzuschließen zeige ich euch das fertige Gerät. Ich 
habe auch noch eine Messung gemacht. Bei 2650 V Ladespannung zeigte das 
Coulombmeter eine Spannung von 27 mV = 2.7 nC an.

Laut Theorie müssten Q = 2.73 nC auf der Kugelelektrode gewesen sein. 
Also fast perfekte Übereinstimmung ;-)

[Dieter P. (low_pow)]

Es ist schön zu lesen, das es ein Erfolgserlebnis gibt.
Eine Ergänzung hätte ich noch.Die angezeigte Spannung
am Multimeter sollte noch besser aufgelöst werden
können, wenn einfach der Messbereich von Volt / DC auf
mV / DC umgeschaltet wird ( Bild Coulombmeter_73 ).
Die 0.027 V können genauer dann auch 26,8 mV sein,
oder auch 27,2 mV entsprechen.