Hallo liebe Mitglieder, meine Elektronikerfahrungen sind relativ mäßig, aber wir haben am Physikinstitut Potsdam ein technisches Problem, bei dem uns vielleicht jemand helfen kann. Wir experimentieren mit dielektrischen Elastomeren - einfach gesagt sind das "weiche Kondensatoren". Ein elastisches Dielektrikum mit ebenfalls elastischen leitfähigen Schichten darauf. Als Aktor eingesetzt legt man eine hohe Spannung an, die Ladungen ziehen sich an und der Kondensator dehnt sich in der Fläche aus. Und zwar nicht unerheblich, wir können durch die Spannung deutlich über 100%x100% dehnen. Da sich die Geometrie so drastisch ändert, würden wir gern auch bei angelegter Hochspannung die Kapazität wissen. Wir arbeiten mit Spannungen von mehreren hundert Volt bis in der Regel um 5kV. So, nun kann man ja nicht einfach mit dem LCR-Meter ran, da ja so hohe Spannungen anliegen. Mit irgendwelchen Spannungsteilern rangehen, würde ja auch Ladezeiten völlig verfälschen. Hatte schon einige Schaltungsüberlegungen durch, aber auf das Problem komm ich immer wieder. Einzige Methode, die mir bisher einfiel war über die Ladezeit per Hand. Ich hatte den Physikern dazu ein PDF gemacht, welches ich hier angehangen habe. Der Verstärker ist ein Trek Model 10/10B-HS. Das beschriebene Verfahren wirkt mir recht aufwändig, aber halbwegs präzise, wenn wir die Werte gut bestimmen können. 1. Frage: Gibt es in meinen Überlegungen Fehler oder Dinge, die ich nicht bedacht habe? 2. Frage: Gibt es eine einfachere Messmöglichkeit? Hochwertige LCR-Meter haben wir da (z.B. Agilent 4285A Precision LCR Meter)
da du das ja simuliert hast und auf eine genauigkeit von 0.01% kommst sollte doch alles ok sein fg in welchen größenordnungen liegen die zu erwartenden kapazitäten? eine idee: dein zu messende Kondensator kommt and deinen verstärker und ein zweiter HV kondensator kommt mit einem signalgenerator AC an die probe. aus dem spannungsverlauf und dem stromverlauf des signalgenerators sollte sich doch die kapazität errechnen lassen. (die parasitären kapazitäten kannst du ja bei 0V mit einem LCR meter bestimmen und den aufbau mit bekannten kondensatoren kalibrieren)
Die weiteren Größenordnungen wären auch noch wichtig: Cx max min? Welche Unsicherheit? Wie dynamisch ist den die Spannungsquelle? Spontan: Drei C (C1-Cx-C2) in Serie wobei C1,2 k(l)eine dC/U haben sollten . Ein C2 kann entfallen wenn einseitig auf GND. Diesen Serien-Kondensator dann mit Schutzdioden (also weitere C3...n) ans Meßgerät. Generator über Drossel und mit Hochfrequenz messen? Tettex baut schöne teure Luftkondensatoren ;)
Danke für deine Hilfe, Clemens! Also die Kapazitäten liegen so bei... naja maximal 10nF und minimal vielleich 500pF oder sogar nur 100pF. Ich selber arbeite eher mit großen Baugrößen, andere testen kleinere. Man könnte sich sicher anpassen. Aber 1-10nF wären ein sinnvoller Anwendungsbereich. Ja, wie gesagt, die Werte sind simuliert mit LTSpice. Dort halt schon mit bei uns üblichen Parallel- und Serienwiderständen des Messobjekts selbst. Die Genauigkeit hatte ich jetzt durch möglichst günstige eingefügte Serienwiderstände. Deinen Vorschlag versteh ich gerade noch nicht ganz, habe kein Bild vor Augen. Einen zweiten Kondensator an die Probe? Kriegst du ohne großen Aufwand ein Schaltbild dafür hin? Edit: @Henrik: Danke auch dir. Diese Möglichkeit mit 3 Cs in Reihe hab ich auch mal irgendwo gelesen. Aber ich versteh sie nicht. Simulationen ergeben keinen Sinn (vielleicht mach ich da auch was falsch). Aber baut sich denn dann noch die Volle Spannung am zu messenden Kondensator auf? Da lag immer mein Problem damit. Was bedeutet: k(l)eine dC/U? Beachtet meinen ersten Satz. Mir ist manche Fachfloskel wahrscheinlich nicht geläufig. :)
Martin Melzer schrieb: > 1. Frage: Gibt es in meinen Überlegungen Fehler oder Dinge, die ich > nicht bedacht habe? Vielleicht zur Fehlerbetrachtung einer parasitären Ladung. Ich weiß nicht, ob das jetzt wichtig wäre, und hier weiter hilft. Aber ich hatte in Bezug auf präzise ADC mit Dual-Slope-Verfahren es mal mit dem Phänomen "Dielektrisches Denkvermögen" zu tun. Der Dual-Slope-ADC ist noch einer der präzisesten, aber auch einer der langsamsten. Man muß da besondere teurere Folienkondensatoren einsetzen, vielleicht Styroflex. Ladungen bleiben auf den Folien des Dielektrikums teilweise erhalten, die den Meßwert verfälschen. In 99,9% Anwendungen mit Kondensatoren macht das alles nichts. Wenn ich völlig daneben liege: Meinen Beitrag einfach überlesen.
Das mit der Ladezeit ist doch ein recht guter Ansatz. Jetzt weiß ich aber nicht, ob Du nur das Aufladen und/oder auch das Entladen oder halt beides meinst. Über eine fest definierte Entladeschaltung ließe sich ebenfalls gut Tau und die Ladung bestimmen. Ein Oszibild über den Spannungsverlauf und damit die Spannung, wär bestimmt auch nicht schlecht. Es gibt Hochspannungstastköpfe. Auch wenn sich die Größe deines variablen C's während der Entladung wieder minimert, inwieweit sich die Dieelektrizitätszahl während der Entladung ändert weiß ich ja nicht, hat aber bestimmt auch einen Einfluß auf die Zeitkonstante. Durch Vergleichsmessung im Vorfeld läßt sich auch mit dem Anstieg in einem kürzeren Zeitfenster eine Messaussage treffen. Wobei, müsste man vorher genau austesten ... Als weitere Option würd ich mal aus dem Stehgreif an "Current Transformer" von zum Beispiel Talema denken. Bei kleinen Strömen aber wohl kritisch. Wichtig ist halt spannungslos zu messen, siehe Ladungsverstärker. Der käme dann auch ohne Entladeschaltung aus und kann hochspannungsfest gestaltet werden, in dem Fall aber über Spannungsteiler ... Vielleicht hilfts weiter ... gruß mk
Eine Kapazitaet unter Hochspannung misst man ueblicherweise mit AC. Also per anderem Kondenser Wechsespannung auf die Platte geben und den AC Strom dazu messen. Die Amplitude der AC kann beliebig klein sein, denn man kann den Strom dazu per Lock-in messen. Ich wuerd mal mit 1MHz und 100mVpp beginnen.
Die Kapazität verändert sich ja auch noch zusätzlich wärend des Ladeprozesses durch mechanische verformung (Elektrodenfläche und Abstand). Oder möchtest du nur die Kapazität im Voll geladenen Zusatnd wissen ?
Is' ja'n Ding. Sozusagen ein elektrischer (luft)ballon. Vielleicht läßt sich die Kapazirät auch ganz einfach über die Spannung unnd die transportierte Ladungsmenge errechnen.
Hallo, danke für all die Infos. Das nimmt ja richtig Fahrt auf. :) Ich geh mal durch: Frank schrieb: > Hallo, > > schon mal an eine Schering-Messbrücke gedacht? > > http://de.wikipedia.org/wiki/Schering-Brücke Das klingt sehr interessant. Ich muss mich noch weiter einlesen. Bei Wikipedia (jaja, erste Anlaufstelle...) versteh ich den Satz "Mit R3 wird auf die Kapazität des Prüflings abgeglichen." noch nicht. Was genau passiert bei diesem "abgleichen"? Gustav G. schrieb: > http://de.rs-online.com/web/c/?searchTerm=hochspannungstastkopf&cm_mmc=DE-PPC-0411-_-google-_-1_Test%20%26%20Measurement-_-hochspannungstastkopf_Phrase&gclid=CPvAtpGYwLYCFXTMtAodQX4Aeg Mess ich damit auch Kapazitäten? Für eine Kapazität muss ich ja erstmal eine Spannung anlegen. Aber es liegt ja schon eine an. Oder steh ich völlig auf dem Schlauch? Wilhelm Ferkes schrieb: > Martin Melzer schrieb: > >> 1. Frage: Gibt es in meinen Überlegungen Fehler oder Dinge, die ich >> nicht bedacht habe? > > Vielleicht zur Fehlerbetrachtung einer parasitären Ladung. > > Ich weiß nicht, ob das jetzt wichtig wäre, und hier weiter hilft. Aber > ich hatte in Bezug auf präzise ADC mit Dual-Slope-Verfahren es mal mit > dem Phänomen "Dielektrisches Denkvermögen" zu tun. Der Dual-Slope-ADC > ist noch einer der präzisesten, aber auch einer der langsamsten. Man muß > da besondere teurere Folienkondensatoren einsetzen, vielleicht > Styroflex. Ladungen bleiben auf den Folien des Dielektrikums teilweise > erhalten, die den Meßwert verfälschen. > > In 99,9% Anwendungen mit Kondensatoren macht das alles nichts. > > Wenn ich völlig daneben liege: Meinen Beitrag einfach überlesen. Na da schau ich dann mal, wenn ich weiß, dass ich grundlegend auf dem richtigen Weg bin. Danke! mattkookoo schrieb: > Das mit der Ladezeit ist doch ein recht guter Ansatz. > Jetzt weiß ich aber nicht, ob Du nur das Aufladen und/oder auch das > Entladen oder halt beides meinst. Wäre erstmal egal. Ich dachte daran, einfach ein Rechteck anzulegen. Der HV-Amp hat einen Signaleingang. Wenn ich, sagen wir mal 1000V DC (=1V im Eingang) anlege, würd ich beispielsweise 1V Rechteck (1mV im Eingang) aufmodulieren. So in der Größenordnung > Über eine fest definierte Entladeschaltung ließe sich ebenfalls gut Tau > und die Ladung bestimmen. Ein Oszibild über den Spannungsverlauf und > damit die Spannung, wär bestimmt auch nicht schlecht. Es gibt > Hochspannungstastköpfe. Ja, kann ich mal schauen, ob die da sowas haben. Aber der Monitorausgang für Strom und Spannung scheint mir recht präzise zu sein. Von daher vielleicht einfach gar nicht nötig. Durch den kam mir ja überhaupt erst die Hoffnung, dass ich was messen kann. > Auch wenn sich die Größe deines variablen C's während der Entladung > wieder minimert, inwieweit sich die Dieelektrizitätszahl während der > Entladung ändert weiß ich ja nicht, hat aber bestimmt auch einen Einfluß > auf die Zeitkonstante. Das hängt vom Material ab. Es gibt Materialien, da ändert sie die Permittivität um vielleicht 20% bei der Auslenkung, andere ändern sich quasi gar nicht. Aber deswegen will ich ja auch ein kleines Signal aufmodulieren. Bei 1V sind mechanische und materialtechnische Änderungen gut vernachlässigbar. > Durch Vergleichsmessung im Vorfeld läßt sich auch mit dem Anstieg in > einem kürzeren Zeitfenster eine Messaussage treffen. Wobei, müsste man > vorher genau austesten ... > Als weitere Option würd ich mal aus dem Stehgreif an "Current > Transformer" von zum Beispiel Talema denken. Bei kleinen Strömen aber > wohl kritisch. Müsst ich mich erstmal umhören, was das ist. Ströme dürfen maximal bis 10mA fließen, mehr macht der Amp nicht. Eher sogar 5 oder 1mA als Maximum rechnen, wenn wir noch mit anderen Amps arbeiten wollen. Dafür machen manche eben bis 35kV, da sollten die nicht zu viel Strom liefern, sonst wird's gefährlich. Besonders in einem Labor wo sich wie gesagt keiner so richtig mir Elektrotechnik auskennt. :) Viktor N. schrieb: > Eine Kapazitaet unter Hochspannung misst man ueblicherweise mit AC. Also > per anderem Kondenser Wechsespannung auf die Platte geben und den AC > Strom dazu messen. Die Amplitude der AC kann beliebig klein sein, denn > man kann den Strom dazu per Lock-in messen. > Ich wuerd mal mit 1MHz und 100mVpp beginnen. Versteh ich das richtig, dass damit auch diese Schering-Brücke gemeint ist? Uwe schrieb: > Die Kapazität verändert sich ja auch noch zusätzlich wärend des > Ladeprozesses durch mechanische verformung (Elektrodenfläche und > Abstand). > Oder möchtest du nur die Kapazität im Voll geladenen Zusatnd wissen ? Wie schon gerade geschrieben ändert sich die Kapazität wesentlich durch die statische Aufladung mit Hochspannung. Ein AC-Signal in der Größenordnung von 1V bringt vernachlässigbare Verformung mit sich. Wie ich im PDF im Prinzip auch schrieb: Klar, Ideal wäre eine minimale AC-Spannung, aber man will am Ende auch kein verrauschtes Signal messen. Die exakte Bestimmung von tau (nach meinem Verfahren) könnte schwierig werden. siggi schrieb: > Is' ja'n Ding. Sozusagen ein elektrischer (luft)ballon. > Vielleicht läßt sich die Kapazirät auch ganz einfach über die Spannung > unnd die transportierte Ladungsmenge errechnen. Ja, das ist eine Anwendung. Wobei diese zur Zeit nicht so sehr verfolgt wird. Ich forsche an dem Ding in der elektroakustischen Anwendung. Der "atmende Ballon" war auch so eine Idee, aber die Konstruktion ist nicht so leicht. Aber grundsätzlich ist genau dieser damit möglich. Wenn man ihn dann noch zum schweben bekommt, ist das die idealste Punktschallquelle, die wir uns vorstellen können (neben einer thermisch abstrahlenden Metallkugel). Aber Praxisrelevant sind eher andere Bauformen. Wobei da bisher viel Unfug publiziert wurde. Eigentlich fast nur...
Martin Melzer schrieb: > Deinen Vorschlag versteh ich gerade noch nicht ganz, habe kein Bild vor > Augen. Einen zweiten Kondensator an die Probe? Kriegst du ohne großen > Aufwand ein Schaltbild dafür hin? Ich ziehe den vorschlag bis auf weiteres zurück;) (hendrik denkt in die gleiceh richtung, so wie ich das sehe) folgendes Problem: wenn ich den Kondensator mit der kapazität (Plattenkondensator) A:) C(d)=k1*A/d die Kraft zwischen den Platten mit (wieder plattenkondensator) B:) F(d)=k2*U²/d² und den abstand mit (lineare feder) C:) d(F)=d0-F*k3 nach C(U) löse steigt mir spice aus ;) (hast du ein realistisches C(U)Modell für deinen C, das würde mich schwer interessieren, oder eine annäherung mit der man arbeiten kann?) Martin Melzer schrieb: > Was bedeutet: k(l)eine dC/U? das die beiden anderen Cs genau NICHT so arbeiten wie dein zu messender Kondensator sondern möglichst gleiche kapazität bei unterschiedlichen spannungen haben. und bei "k von l" musste ich selber nachdenken ;) Martin Melzer schrieb: > Das klingt sehr interessant. ja, dann liegt dein C aber auf Wechselspannung und wabert ein und aus und du bekommst nur eine mittlere C.
Clemens S. schrieb: > folgendes Problem: > wenn ich den Kondensator mit der kapazität (Plattenkondensator) > > A:) C(d)=k1*A/d > > die Kraft zwischen den Platten mit (wieder plattenkondensator) > > B:) F(d)=k2*U²/d² > > und den abstand mit (lineare feder) > > C:) d(F)=d0-F*k3 > > nach C(U) löse steigt mir spice aus ;) (hast du ein realistisches > C(U)Modell für deinen C, das würde mich schwer interessieren, oder eine > annäherung mit der man arbeiten kann?) Nein, ich lass die Tatsache, dass C durch eine Spannung verändert wird, in der Simulation weg. Das ist ja nicht entscheidend. Wenn eine statische Hochspannung anliegt hat er eine bestimmte Kapazität. Die Signalspannung für die Messung muss einfach viel geringer sein, dann würde ich die mechanischen Auswirkungen vernachlässigen. In Spice ist mein Aktuator ein ganz normales C mit 1-10nF, Serienwiderstand von 1-2kOhm und Parallelwiderstand von einigen MOhm. Fertig. Clemens S. schrieb: > Martin Melzer schrieb: >> Das klingt sehr interessant. > > ja, dann liegt dein C aber auf Wechselspannung und wabert ein und aus > und du bekommst nur eine mittlere C. Nein, wie gesagt, die Hochspannung liegt statisch an und mooduliere eine Wechselspannung (Rechteck, Sprung, was auch immer) im Verhältnis 1/1000 - möglichst noch geringer - auf. Sicherlich gibt's dann noch immer eine leichte Mittelung, aber die würde ich, wie gesagt, akzeptieren. Ich steh immer noch auf dem Schlauch, was dieses "abgleichen" bei der Schering-Brücke bedeutet. Was genau tu ich da?
Ah, ok, abgleichen... jetzt hab ich das. Querspannung = 0. Jetzt muss ich noch die Größenordnungen der benötigten Bauteile herausfinden. Wo ist dafür der Ansatz?
Martin Melzer schrieb: > Jetzt muss ich noch die Größenordnungen der benötigten Bauteile > herausfinden. Wo ist dafür der Ansatz? 1/Cges = 1/C1 + 1/C2 + 1/(Cx0+dCx) Du willst Cx0 und dCx , wenn C1,2 >> Cx wird Cges nur von Cx 'dominiert', der Generator sieht aber C1||C2||Cx (nur falls das ein Problem ist ;) Schöne Fragestellungen sind auch Hysterese des dC und 'Capacitor soakage' deiner Dielektrika...
Hi Martin! Irgendwie hast Du mich wohl falsch verstanden. Vielleicht solltest Du dir mal hier den Abschnitt über die Funktionsweise eines Kondensators durchlesen: http://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator_(Elektrotechnik) Da steht im Prinzip, daß die Kapazität eines Kondensators durch die Ladungsmenge (Amperesekunden) und die anliegende Spannung definiert ist. Wenn Du also den Ladestrom integrierst, ergibt sich mit der Spannung am Kondensator jederzeit die Kapazität des Kondensators. Im Gegensatz dazu kannst Du dir durch eine Messung mit Wechselspannung bei so einem - äh - "Gebilde" eine Menge unvorhersehbarer Probleme einhandeln. z.B.: Resonanzen, Mikrofoneffekt, und was weiß ich noch alles. Zu der Sache mit dem Luftballon: Dieses "Gebilde" verhält sich doch wie ein Ballon, je mehr Luft(Strom) man hineinpumt umso größer wird sein Volumen(Kapazität). Wobei im gegensatz zu einem festen Behälter der Druck(Spannung) nicht linear mit der hineingepumpten Luftmenge steigt.
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