Stromdichtesimulator

Setz mal vor Strom- bzw. Spannungsquelle das Wort "Konstant", dann ist der Unterschied vielleicht einfacher zu erkennen

Eine Konstant-Spannungsquelle, die auf 10 Volt eingestellt ist, wird die Spannung - in den Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit - auf 10 Volt halten. Schließt du einen 10 Ohm Widerstand an fließt ein Strom vom 1 Ampere, schließt du einen 100 Ohm Widerstand an fließen 0,1 Ampere und die Spannung bleibt bei 10 Volt.

Eine Konstant-Stromquelle, die auf 1 Ampere eingestellt wird wird versuchen immer - in den Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit - 1 Ampere einzuprägen. Schließt du einen 10 Ohm Widerstand an wird sich die Spannung der Stromquelle auf 10 Volt erhöhen, damit 1 Ampere fließen kann. Schließt du einen 100 Ohm Widerstand an wird sich die Spannung - zumindest theoretisch - auf 100 Volt erhöhen, damit der Strom vom 1 Ampere fließen kann.

Für eine Strom-Messung mit einem Shunt ist es erst mal egal ob der Strum durch den Shunt von einer Strom- oder eine Spannungsquelle geliefert wird, da man ja nur den Spannungs-Abfall über den Shunt misst und dann gemäß dem Ohmschen Gesetz auf den Strom zurückrechnet der geflossen sein muss ... (darum ist es auch so wichtig, dass Shunts möglichst "genau" sind ...)

viele Grüße
cb

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ja so dachte ich auch,daher spielt es wirklich keine Rolle, ob ich eine (konstant)Strom- [Galvanostat] oder eine (konstant)Spannungsquelle [Potentiostat] nehme.
wichtiger ist, dass ich mitkriege,wenn sich der Widerstand aufgrund der Temperatur ändert; bzw den Widerstand genau weiß

U=R*I

Stromquelle:

I = konstant
; bei Bestromung (Temp.anstieg); R wird größer, da Metalle in der Regel kaltleiter sind ?
das heißt über den Shunt würde eine größere Messspannung abfallen -> die Messelektronik misst einen größeren Strom (ohne Temp.korrektur des Widerstands) als real vorhanden

Spannungsquelle:

U = konstant
; bei Bestromung (Temp.anstieg); R wird größer, da Metalle in der Regel kaltleiter sind ?
das heißt durch den Shunt fließt als weniger Strom, als die Messelektronik (ohne Temp.korrektur) misst

(08.03.2014 10:51 )erik.sonnenschein schrieb:  ja so dachte ich auch,daher spielt es wirklich keine Rolle, ob ich eine (konstant)Strom- [Galvanostat] oder eine (konstant)Spannungsquelle [Potentiostat] nehme.
wichtiger ist, dass ich mitkriege,wenn sich der Widerstand aufgrund der Temperatur ändert; bzw den Widerstand genau weiß

Wenn der Widerstand temperaturabhängig ist, dann müsste das im Datenblatt des Shunts spezifiziert sein, sonst ist der als Sensor ungeeignet. Ich würde in dem Fall mal im Datenblatt schauen welche Abweichungen sich durch die Temperaturen überhaupt ergeben: sind diese kleiner als die typische Genauigkeit der übrigen Messkette kann man den Effekt vernachlässigen. Ist er zu groß um vernachlässigt zu werden muss man halt die Temperatur am Shunt messen und den Strom aus einem temperaturabhängigen Widerstand berechnen.

Blöd gefragt: wie warm oder heiß wird denn deine Mess-Vorrichtung?

viele Grüße
cb

Also der Shunt hat 150 mOhm auf einen Gesamtwiderstand der Messkette von vllt 162 mOhm, [Messwiderstand + Leitungswiderstand + Kupfersegmentwiderstand + Durchkontaktierungen + Kontaktwiderstand] [Dazu würde noch der Widerstand von den Relais (vom Teststand) kommen]

150 mOhm + 6,7...12 ,5 mOhm + 10,4 nOhm + 221 µOhm + 1,12 mOhm + Relaiswiderstand

Der a Wert gibt die Temperaturabhängigkeit an / Tempkoeffizient.

Messwiderstand:
Typ VMS
Widerstandswert[mΩ]
68/150
Toleranz [%] 1
α [ppm/K] 20
Belastbarkeit [W] 3
Langzeitkonstanz
0,5%/2000h
(70°C)
Höhe [mm] 0,40
Bauform 2512

in jedem Segment sind neben den Shunts auch pt1000 zur Temperaturmessung.
Es handelt sich um eine PEM Brennstoffzelle. Da wird unter Normdruck bis max. 100 Grad (eher noch etwas weniger) gearbeitet, da sonst das flüssige Wasser gasförmig wird...
mfG

Hallo erik,

Zitat:Also der Shunt hat 150 mOhm auf einen Gesamtwiderstand der Messkette von vllt 162 mOhm, [Messwiderstand + Leitungswiderstand + Kupfersegmentwiderstand + Durchkontaktierungen + Kontaktwiderstand] [Dazu würde noch der Widerstand von den Relais (vom Teststand) kommen]

150 mOhm + 6,7...12 ,5 mOhm + 10,4 nOhm + 221 µOhm + 1,12 mOhm + Relaiswiderstand

Mal rechnen:
zu messender Widerstand:

Code:

(10.4e-9 + 221e-6 + 1.12e-3) Ohm = 1.3410104 mOhm

Shunts + Rest:

Code:

(150 + 6.7-12.5) mOhm + Relais = 156.7-162.5+x mOhm mit Nebenbedingung ±1%=±1.5mOhm auf die 150mOhm Messwiderstand

- Du brauchst für die Bestimmung des zu messenden Widerstands auf 8 Stellen Genauigkeit rechnerisch mindestens 26bit Auflösung. Mit billiger Messtechnik hat das nichts zu tun…
- Der zu messende Widerstand liegt in der gleichen Größenordnung wie die Toleranz deines Shunts und ist deutlich kleiner als der noch deutlich stärker schwankende Leitungswiderstand. Hast du schon einmal eine Fehlerrechnung gemacht?

Was mir bisher noch unklar ist:
- Hast du jetzt eine einzige Stromquelle oder eine pro Messsegment in deiner Matrix?
- Bei mehreren Stromquellen: Wozu willst du den Strom noch über einen Shunt messen?

moin moin

also zunächst einmal hab ich die Reihenfolge in der Summe nicht eingehalten:
Messwiderstand:150 mOhm
Kontaktwiderstand: 6,7...12 ,5 mOhm
Kupfersegment: 10,4 nOhm
Durchkontaktierung der Leiterplatte: 221 µOhm
Leitungswiderstand: 1,12 mOhm
+ Relaiswiderstand

Code:
(150 + 6.7-12.5) mOhm + Relais = 156.7-162.5+x mOhm mit Nebenbedingung ±1%=±1.5mOhm auf die 150mOhm Messwiderstand

- Du brauchst für die Bestimmung des zu messenden Widerstands auf 8 Stellen Genauigkeit rechnerisch mindestens 26bit Auflösung. Mit billiger Messtechnik hat das nichts zu tun…

Die Messtechnik für die Stromdichtemessung ist ja schon fertig. Baubedingt treten bei der Messung im worst case mehr als 10 - 15 % Fehler auf, da über den Messshunts eine Bipolarplatte geklemmt ist. Man nimmt an, dass diese nur in Querrichtung leitet. Im realen Fall leitet sie natürlich auch in Längsrichtung. Dh: fällt theoretisch nur über einem Segment der Strom ab, kann man in den Nachbarsegmenten auch Strom messen. Die Ausgleichsströme nennt man Lateralströme. Der Sinn der Arbeit soll sein: wenn ich die Messplatine in den Simulator/Teststand einspanne und auf einem Segment nur Strom gebe, wieviel kann ich auf den Nachbarsegmenten messen. Also ich möchte zB die Lateralströme messen.
Außerdem soll es aber auch möglich sein, die Messplatine ohne Bipolarplatte einzuspannen und so jedes Segment mal relativ genau anzusprechen.

- Der zu messende Widerstand liegt in der gleichen Größenordnung wie die Toleranz deines Shunts und ist deutlich kleiner als der noch deutlich stärker schwankende Leitungswiderstand. Hast du schon einmal eine Fehlerrechnung gemacht?

Mit dem MEsssystem habe ich ja nichts mehr zu tun. Dafür gibt es allerdings Fehlerrechnungen. Zb wurde der Widerstand der Shunts nochmal genau bestimmt und die Abweichungen sind mit in die Kalibrierung des MEsssystems eingeflossen.
Auf die gesamte Messkette gibt es folgende wahrscheinliche Abweichungen (hier wurde mit den wahrscheinlichen/ nicht maximalen gerechnet):

Für die gesamte Messkette der SDM (Sensor + ADC) ergibt sich eine wahrscheinliche Abweichung von 1,005 % bei 1,2 A Segmentstrom.
Für die Messkette der Temperaturmessung (Sensor + Stromquelle + ADC) ergibt sich eine wahrscheinliche Abweichung von 5,665 % bei 80 °C.

Die Abweichungen sind jetzt nur für das Messsystem, ohne Teststand/Simulator und ohne Lateralströme.

- Was mir bisher noch unklar ist:
- Hast du jetzt eine einzige Stromquelle oder eine pro Messsegment in deiner Matrix?
- Bei mehreren Stromquellen: Wozu willst du den Strom noch über einen Shunt messen?

Es soll eine Konzeptarbeit sein. Ich will zeigen, welche Möglichkeiten es gibt, den Strom über einer Segmentierten FLäche [mit Labview] zu steuern.
1. Möglichkeit: kontinuierliche Steuerung für jedes einzelne Segment (dafür würde ich OPVs nehmen -> sprich ein Vielkanalpotentiostat/galavanostat)
Steuerung: die OPVs müssten eine relativ genaue Spannung als Eingangssignal bekommen oder? dafür würde sich ein gefiltertes PWM Signal anbieten?

2. Möglichkeit: diskrete Steuerung (ich stelle vorher variabel aber fest EIN Potentiostat/Galvanostat für ALLE Segmente ein); Segment wird über Relais zu oder abgeschaltet
Steuerung: jedes Relais wird über einen digitalen Eingang gesteuert

(Oder gibt es noch andere Möglichkeiten?)

Nun soll die Arbeit nicht nur theoretischer Natur sein. Ich möchte gerne noch Messwerte dazu gewinnen. Dazu will ich testhalber so einen Teststand als einfachste Variante aufbauen. Daher überlege ich mir eine 3*3 Matrix. Ich spanne 9 Segmente meines MEsssystems ein und schließe an alle das gleiche Potentiostat/Galvanostat. Davor sind für alle 9 Segmente Relais. Diese könnte man zum Beispiel seriell über einen Arduino (oder anderen µC) [oder NI DAQ HW] steuern. Das müsste sich doch relativ einfach realisieren lassen?. Nun schalte ich zum Beispiel nur das mittlere Segment ein (worst case für einen Stromgradienten) und messe den Strom in den Nachbarsegmenten.
mfG

ps: bei den OPVs müsste ich mir dann aussuchen, was ich haben will. wahrscheinlich wären Spannungseingänge sinnvoll und entweder ein Strom oder ein Spannungsausgang [je nachdem, ob ich Galvanostat oder ein Potentiostat haben will]

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Hallo erik,

Zitat:Ich will zeigen, welche Möglichkeiten es gibt, den Strom über einer Segmentierten FLäche [mit Labview] zu steuern.
1. Möglichkeit: kontinuierliche Steuerung für jedes einzelne Segment
2. Möglichkeit: diskrete Steuerung (ich stelle vorher variabel aber fest EIN Potentiostat/Galvanostat für ALLE Segmente ein)

Damit dürfte die "Konzeptarbeit" ja erledigt sein…

Zitat:Steuerung: die OPVs müssten eine relativ genaue Spannung als Eingangssignal bekommen oder?

Ja.

Zitat:dafür würde sich ein gefiltertes PWM Signal anbieten?

??? Wie stark willst du das filtern, bis der Ripple klein genug wird?
Nach dem, was du bisher geschrieben hast, willst du doch einen DC-Strom einstellen…
Warum nicht einfach eine DC-Spannung als Steuersignal verwenden?

Zitat:also zunächst einmal hab ich die Reihenfolge in der Summe nicht eingehalten

Ich fühle mich ehrlich gesagt "verarscht", wenn ich erst Informationen detailliert präsentiert bekomme und hinterher hören muss: ich habe mal die Reihenfolge durcheinander gebracht - bei einer Masterarbeit!

sorry, ich hatte beim ersten Mal schreiben einfach die Werte der Widerstände rauskopiert und dann gesagt, wie die sich zusammensetzen. Ich dachte dabei nicht daran, dass jemand den Wert einer Widerstandsart zurechnen würde. Ich wollte auch in der Korrektur lediglich darauf hinweisen, dass der Kontaktwiderstand der schwankende ist, da dieser ja zB auch vom Anpressdruck abhängt.

okay, das mit dem gefilterten PWM ist vllt nicht ganz so doll; die OPVs reagieren ja sehr schnell, daher müsste das schon ein echt glattes Signal sein?
(da fehlt mir halt wieder die praktische Erfahrung)
bisher hatte ich am µC zur Erzeugung eines analogen Spannungssignals meist ein PWM mit Kondensator [Tiefpass] verwendet
wie würde man denn sonst eine konstante gesteuerte Spannung erzeugen können?
mfG

Hallo erik,

man nehme einen Analog-Ausgang! sowas gibt es auch bei µC, man muss nur den passenden wählen.

Oder eine dieser tollen Widerstands-Parallel-/Serienschaltung, mit denen man z.B. den Stellwiderstand eines klassischen LM317 variabel über mehrere DOs schaltet…