DE102014011397A1 - Verfahren zum Kalibrieren einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung und Impedanznormal - Google Patents

Verfahren zum Kalibrieren einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung und Impedanznormal Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung (10) mit den Schritten: mittels der Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung (10) Abgeben eines elektrischen Eingangs-Wechselstroms (Iin) an ein Impedanznormal (20), das ein ohmsches Wechselstrom-Strommesswiderstandselement (22) aufweist, sodass an dem Wechselstrom-Strommesswiderstandselement (22) eine Arbeitsspannung (US) abfällt, wobei der ohmsche Wechselstrom-Strommesswiderstand (RS) des Wechselstrom-Strommesswiderstandselements (22) höchstens 0,2 Ohm beträgt, mittels der Arbeitsspannung (US) Erzeugen einer elektrischen Ausgangs-Wechselspannung (UA), die derjenigen Spannung entspricht, die über ein Netzwerk einer vorgegebenen Soll-Impedanz (Zsoll) abfallen würde, und Anlegen der Ausgangs-Wechselspannung (UA) an die Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung und ein zugehöriges Impedanznormal. Bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie wird an ein zu untersuchendes Objekt ein Wechselstrom angelegt und die daraus resultierende Spannung erfasst. Es ergibt sich so eine Impedanz, also ein komplexwertiger Widerstand, der Rückschlüsse auf die Eigenschaft des Objekts zulässt. Beispielsweise kann ein Akkumulator mittels Impedanzspektroskopie auf Alterung und Versagensrisiko untersucht werden.
  • Bei großen Akkumulatoren, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, kann mittels der elektrochemischen Impedanzspektroskopie eine Aussage über den Alterungszustand des Akkumulators gemacht werden. Es stellt sich das Problem, dass derartige Akkumulatoren eine hohe Kapazität und einen kleinen Innenwiderstand haben. Zum Kalibrieren eines Messgeräts sollte ein Normal eingesetzt werden, dessen maßgebliche Eigenschaften in der gleichen Größenordnung liegen wie das zu untersuchende Objekt. Es ist bislang nicht gelungen, ein derartiges Normal zu schaffen, sodass für die elektrochemische Impedanzspektroskopie verwendete Messvorrichtungen bislang nicht mit hoher Genauigkeit zu kalibrieren sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Messgenauigkeit bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie zu verbessern.
  • Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung mit den Schritten (a) mittels der Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung Abgeben eines elektrischen Eingangs-Wechselstroms an ein Impedanznormal, das ein ohmsches Wechselstrom-Strommesswiderstandselement aufweist, so dass an dem Wechselstrom-Strommesswiderstandselement eine Arbeitsspannung abfällt, wobei (b) der ohmsche Wechselstrom-Strommesswiderstand des Wechselstrom-Strommesswiderstandselements höchstens 0,2 Ohm beträgt, (c) mittels der Arbeitsspannung Erzeugen einer elektrischen Ausgangs-Wechselspannung, die derjenigen Spannung entspricht, die über ein Netzwerk einer vorgegebenen Soll-Impedanz abfallen würde, und (d) Anlegen der Ausgangs-Wechselspannung an die Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Impedanznormal zum Kalibrieren einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung, das (a) ein ohmsches Wechselstrom-Strommesswiderstandselement aufweist, über das beim Anlegen eines Eingangs-Wechselstroms eine Arbeitsspannung abfällt und das einen ohmschen Wechselstrom-Strommesswiderstand von höchstens 0,2 Ohm hat, und (b) einer Umsetzvorrichtung, mittels der aus der Arbeitsspannung eine elektrische Ausgangsspannung erzeugbar ist, die derjenigen Spannung entspricht, die über ein Netzwerk einer vorgegebenen Soll-Impedanz beim Anlegen des Eingangs-Wechselstroms abfallen würde.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine wichtige Quelle von Messunsicherheit beim Kalibrieren eines Impedanzspektroskopie-Messgeräts von der Änderung elektrischer Eigenschaften des Impedanznormals bei sich ändernder Temperatur herrührt. Durch den kleinen ohmschen Widerstand, den das Impedanznormal aufweisen muss, kommt es zu großen elektrischen Strömen und damit einer großen elektrischen Leistung. Diese bedingt eine signifikante Erwärmung der beteiligten elektrischen Bauteile. Elektrische Bauteile, die in den Eigenschaften nur wenig temperaturabhängig sind, sind aber aufwändig in der Realisierung.
  • Durch die Verwendung des Wechselstrom-Strommesswiderstandselements fällt der weit überwiegende Teil der Leistung, die im Impedanznormal umgesetzt wird, an diesem Wechselstrom-Strommesswiderstandselement an. Es ist daher ausreichend, sicherzustellen, dass das Wechselstrom-Strommesswiderstandselement auch bei großen Strömen seinen ohmschen Widerstand nur wenig ändert. Die übrigen Komponenten des Impedanznormals hingegen können mit kleinen Spannungen und Strömen betrieben werden, so dass thermisch bedingte Messunsicherheiten auf einfache Weise deutlich reduziert werden können.
  • Vorteilhaft an der Erfindung ist auch, dass parasitäre Induktivitäten klein sind, da ein großer elektrischer Strom lediglich über das Wechselstrom-Strommesswiderstandselement fließt und in den übrigen Komponenten des Impedanznormals kleine elektrische Ströme fließen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Impedanznormal eine Maßverkörperung für eine Impedanz von zumindest fünf Farad bei einem ohmschen Innenwiderstand von höchstens 1 Ohm, insbesondere höchstens 0,2 Ohm, verstanden. Jedes Normal besitzt einen Kalibrierschein, in dem die Eigenschaften der Maßverkörperung beschrieben sind.
  • Vorzugsweise ist die relativetemperaturabhängigkeit des Wechselstrom-Strommesswiderstandselements kleiner als 2·10–4 pro Kelvin.
  • Unter dem Merkmal, dass Wechselstrom-Strommesswiderstandselement einen ohmschen Wechselstrom-Strommesswiderstand hat, wird verstanden, dass dieses vorzugsweise ein rein ohmscher Widerstand ist.
  • Unter dem Merkmal, dass eine elektrische Ausgangs-Wechselspannung erzeugt wird, wird insbesondere Verstanden, dass eine Spannung erzeugt wird, deren Wechselspannungsanteil die genannte Eigenschaft hat. Es ist möglich, dass eine Spannung an die Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung angelegt wird, die zusätzlich zur Ausgangs-Wechselspannung einen Gleichspannungsanteil enthält.
  • Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt eines Vergleichens der von der Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung ermittelten Mess-Impedanz mit der Soll-Impedanz.
  • Gemäß seiner Art und Ausführungsform umfasst der Schritt des Erzeugens der elektrischen Ausgangs-Wechselspannung die folgenden Teilschritte: (i) Erzeugen eines Arbeitsstroms aus der Arbeitsspannung, wobei das insbesondere mittels eines ohmschen Teiler-Widerstandselements erfolgt, (ii) Leiten des Arbeitsstroms durch ein Test-Impedanzelement, so dass ein Spannungsabfall entsteht, wobei der Quotient aus der Test-Impedanz des Test-Impedanzelements als Zähler und der Soll-Impedanz als Nenner zumindest 103, insbesondere zumindest 105, beträgt, und (iii) aus dem Spannungsabfall Erzeugen der Ausgangs-Wechselspannung. Das Erzeugen erfolgt vorzugsweise durch Invertieren der Ausgangsspannung, insbesondere mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz. Insbesondere liegt die Ausgangsimpedanz bei höchstens 1 Ohm.
  • Vorzugsweise hat das Teiler-Widerstandselement einen ohmschen Teiler-Widerstand und einen Quotienten aus dem Wechselstrom-Strommesswiderstand als Zähler und den Teiler-Widerstand als Nenner höchstens 10–3, insbesondere 10–6, beträgt. Dadurch fließt ein großer Strom durch das Wechselstrom-Strommesswiderstandselement und nur ein kleiner Strom durch den Teiler-Widerstand. Die Änderung des ohmschen Widerstands aufgrund thermischer Effekte kann dadurch beim Teiler-Widerstand vernachlässigt werden. Die Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung kann so mit einer hohen Genauigkeit kalibriert werden.
  • Günstig ist es, wenn das Erzeugen des Arbeitsstroms mittels eines Operationsverstärkers erfolgt, der so mit dem Wechselstrom-Strommesswiderstand und dem Teiler-Widerstand verbunden ist, dass der Arbeitsstrom stets dem Quotienten aus Arbeitsspannung als Zähler und Teiler-Widerstand als Nenner entspricht. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Test-Impedanz stets von einem elektrischen Strom durchflossen wird, der sich zu
    Figure DE102014011397A1_0002
    berechnet.
  • Vorzugsweise sind das Wechselstrom-Strommesswiderstandselement und das Teiler-Widerstandselement so gewählt, dass der Quotient
    Figure DE102014011397A1_0003
    für alle im Betrieb auftretenden Temperaturen mit einer relativen Genauigkeit von zumindest 10–4 bekannt ist.
  • In anderen Worten ist der Strom durch das Test-Impedanzelement ein kleiner Bruchteil des Eingangs-Wechselstroms, wobei dieser kleine Anteil mit hoher Genauigkeit bekannt ist. Es ist daher möglich, die Test-Impedanz des Test-Impedanzelements sehr klein im Verglich zur Soll-Impedanz zu wählen und somit in einen für die praktische Realisierung günstigen Wertebereich zu gelangen.
  • Besonders günstig ist es, wenn dazu die Operationsverstärker-Ausgangsspannung des Operationsverstärkers gleich dem Spannungsabfall an dem Test-Impedanzelement wird. Die Operationsverstärker-Ausgangsspannung wird dabei zu dem Eingang gemessen, der nicht mit dem Test-Impedanzelement verbunden ist. Dieser Anschluss des Operationsverstärkers liegt vorzugsweise auf Nullpotential. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass es sich bei diesem Nullpotential, das auch als Masse bezeichnet werden könnte, um eine geerdete Masse handelt. Insbesondere kann es sich auch um ein erdfreies Nullpotential handeln.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt eines Erzeugens der Ausgangs-Wechselspannung aus der Operationsverstärker-Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers mittels eines zweiten Operationsverstärkers, der invertierend in Bezug auf den ersten Operationsverstärker geschaltet ist, wobei ein invertierender Eingang des zweiten Operationsverstärkers in einen elektrischen Pfad zwischen einem ersten Widerstandselement, das einen ersten ohmschen Widerstand (R1) hat, und einem zweiten Widerstandselement, das einen zweiten ohmschen Widerstand (R2) hat, eschaltet ist. Der Quotient
    Figure DE102014011397A1_0004
    berechnet sich dann zu
    Figure DE102014011397A1_0005
    und ist vorgzugsweise beispielsweise kleiner als 10–3, insbesondere 10–5. Es ist dann möglich, kleine Soll-Impedanzen durch Test-Impedanzelemente mit größeren Test-Impedanzen zu simulieren. Das führt zu einer besseren Modellierung eines realen Akkumulators, da parasitäre Induktivitäten vermieden werden, die ansonsten aus der Verkabelung einzelner Test-Impedanzelemente resultieren würden. Derartige Verkabelungen sind notwendig, um eine so geartete Impedanz darzustellen, wie sie Akkumulatoren haben, die in Elektroautos verwendet werden. Vorzugsweise sind die Widerstandselemente so gewählt, dass der Quotient
    Figure DE102014011397A1_0006
    für alle im Betrieb auftretenden Temperaturen mit einer relativen Genauigkeit von zumindest 10–4 bekannt ist.
  • Günstig ist es, wenn der nicht-invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers auf Nullpotential liegt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ausgangs-Wechselspannung ein Gleichspannungsanteil hinzuaddiert. Es existieren elektrochemische Impedanzspektroskopie-Messvorrichtungen, die nur dann einen Messwert liefern, wenn eine Gleichspannung anliegt. Derartige Messgeräte können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kalibriert werden, wenn der Gleichspannungsanteil hinzuaddiert wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: (i) Umsetzen der Arbeitsspannung in einen digitalen Wert, (ii) Errechnen eines Werts der Ausgangsspannung und (iii) Umsetzen des Werts der Ausgangsspannung in die Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung entspricht der Ausgangs-Wechselspannung, die gegebenenfalls einen Gleichspannungsanteil enthält.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise für Wechselströme verschiedener Frequenzen wiederholt, so dass ein Impedanzverlauf zwischen einer Maximalfrequenz und einer Minimalfrequenz erhalten wird. Ein Quotient aus Maximalfrequenz als Zähler und Minimalfrequenz als Nenner beträgt vorzugsweise zumindest 10000, insbesondere zumindest 20.000. Besonders günstig ist es, wenn die Maximalfrequenz größer ist als 10 Kilohertz und die Minimalfrequenz höchstens 2 Hertz, insbesondere höchstens 0,5 Hertz, beispielsweise höchstens 0,5 Millihertz, beträgt. Aus einem derartigen Impedanzverlauf lassen sich weit gehende Rückschlüsse über den Alterungszustand eines Akkumulators, insbesondere eines Lithium-Akkumulators herleiten. Es ist daher vorteilhaft, die Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung auch in diesem Frequenzbereich zu kalibrieren.
  • Bei einem bevorzugten Impedanznormal weist die Umsetzvorrichtung vorzugsweise ein ohmsches Teiler-Widerstandselement, das einen ohmschen Teiler-Widerstand hat, und ein Test-Impedanzelement, dass eine Test-Impedanz hat, auf, wobei das Impedanznormal eine Soll-Impedanz in Form des Quotienten aus der Ausgangsspannung und einer Eingangs-Wechselstromstärke des Eingangs-Wechselstroms besitzt und wobei ein Quotient aus der Test-Impedanz als Zähler und der Soll-Impedanz mindestens 103, insbesondere mindestens 106, beträgt.
  • Günstig ist es, wenn die Umsetzvorrichtung einen Operationsverstärker besitzt, der so mit dem Wechselstrom-Strommesswiderstand und dem Teiler-Widerstand verbunden ist, dass der Arbeitsstrom stets dem Quotienten aus Arbeitsspannung als Zähler und Teiler-Widerstand als Nenner entspricht. Das hat den Vorteil, dass ein relativ großes Test-Impedanzelement es ermöglicht, um eine sehr kleine Soll-Impedanz zu simulieren.
  • Günstig ist es, wenn die Umsetzvorrichtung ein zweites Test-Impedanzelement mit einer zweiten Testimpedanz hat und eine Umschaltvorrichtung aufweist, mittels der das zweite Test-Impedanzelement so mit dem Operationsverstärker verbindbar ist, dass die Soll-Impedanz veränderbar ist. Vorteilhaft sind auch weitere umschaltbare Test-Impedanzelemente zur Simulation weiterer Soll-Impedanzen.
  • Günstig ist es, wenn eine Eingangsoffsetspannung des Operationsverstärkers kleiner ist als 100 Mikrovolt, insbesondere kleiner als 50 Mikrovolt. Das vermindert einen systematischen Messfehler.
  • Vorzugsweise beträgt ein Eingangs-Ruhestrom des Operationsverstärkers höchsten fünf Pikoampere. Die offene Schleifverstärkung des Operationsverstärkers beträgt vorzugsweise zumindest 110 dB. Das Verstärkungs-Bandbreitenprodukt des Operationsverstärkers beträgt vorzugsweise zumindest 15 Megahertz.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigt
  • 1 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Impedanznormals, das mit einer zu kalibrierenden Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens verbunden ist, und
  • 2 ein Schaltbild eines Impedanznormals gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt schematisch eine Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung 10, die mit einem ersten Stromanschluss 12 und einem zweiten Stromanschluss 14 sowie einem ersten Spannungsanschluss 16 und einem zweiten Spannungsanschluss 18 eines Impedanznormals 20 verbunden ist. Die Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung 10 gibt einen Eingangs-Wechselstrom Iin an das Impedanznormal 20 ab, der durch ein Wechselstrom-Strommesswiderstandselement 22 fließt. Dieses hat einen ohmschen Wechselstrom-Strommesswiderstand RS, so dass über diesem eine Arbeitsspannung US abfällt.
  • Mittels einer Umsetzvorrichtung 23 wird aus der Arbeitsspannung US eine elektrische Ausgangsspannung UA erzeugt, die derjenigen Spannung entspricht, die über ein Netzwerk einer vorgegebenen Soll-Impedanz ZSoll beim Anlegen des Eingangs-Wechselstroms Iin abfallen würde. Die Umsetzvorrichtung 23 umfasst zumindest ein Teiler-Widerstandselement 24. Das Wechselstrom-Strommesswiderstandselement 22 ist mit dem Teiler-Widerstandselement 24 verbunden, das einen Teiler-Widerstand Rd hat. Mit seiner anderen Seite ist das Wechselstrom-Strommesswiderstandselement 22 mit einem nicht-invertierenden Eingang 26 eines ersten Operationsverstärkers OP1 verbunden.
  • Der Teiler-Widerstand ist zudem an ein Test-Impedanzelement 28 angeschlossen.
  • Zwischen dem Teiler-Widerstandselement 24 und dem Test-Impedanzelement 28 ist der Operationsverstärker OP1 mit seinem invertierenden Eingang 30 angeschlossen. Der nicht-invertierende Eingang 26 liegt auf Nullniveau.
  • An seinem Ausgang 32 ist der Operationsverstärker OP1 mit dem Test-Impedanzelement 28 verbunden. Dadurch fließt durch das Test-Impedanzelement 28 der elektrische Strom
    Figure DE102014011397A1_0007
  • An dem Test-Impedanzelement 28 entsteht dadurch der Spannungsabfall von
    Figure DE102014011397A1_0008
    Dieser Spannungsabfall entspricht dem Spannungsabfall, der von der Stromstärke IS an der mit dem Faktor RS/Rd multiplizierten Test-Impedanz hervorgerufenen Spannungsabfall und liegt am Ausgang 32 des Operationsverstärkers OP1 gegen Nullniveau an.
  • Aufgrund der invertierenden Schaltung des Operationsverstärkers OP1 ist das Vorzeichen invertiert. Mit dem Ausgang 32 ist ein erstes Widerstandselement 34 angeschlossen, das mit einem zweiten Widerstandselement 36 verbunden ist. In die Verbindung zwischen beiden Widerstandselementen 34, 36 ist ein invertierender Eingang 38 eines zweiten Operationsverstärkers OP2. Der nicht-invertierende Eingang 40 liegt auf dem gleichen Potential wie der nicht-invertierende Eingang 26 des ersten Operationsverstärkers OP1. Der Ausgang 42 des zweiten Operationsverstärkers OP2 ist mit dem Ende des zweiten Widerstandselements 36 verbunden, das nicht mit dem ersten Widerstandselement 34 elektrisch kontaktiert ist.
  • Am Ausgang 42 des zweiten Operationsverstärkers OP2 tritt relativ zum Nullniveau die Ausgangs-Wechselspannung UA auf, die Spannungseingänge der Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung 10 zugeführt wird. Die beschriebene Schaltung des Impedanznormals 20 verhält sich wie ein Vierleiter-Impedanzelement mit den Stromanschlüssen 12, 14 und den Spannungs-Anschlüssen 16, 18. die Impedanz berechnet sich zu
    Figure DE102014011397A1_0009
  • Alle Bauteile bis auf das Wechselstrom-Strommesswiderstandselement 22 arbeiten bei kleiner Verlustleistung und sind somit zeitlich und thermisch hoch stabil. Der Wertebereich der Bauteile, die für die Realisierung des Test-Impedanzelements 28 notwendig sind, ist so gewählt, dass sowohl Zuleitungs-Impedanzen als auch andere parasitäre Beläge und induktive Verkopplungen vernachlässigbar klein sind.
  • Das Impedanznormal 20 kann eine Gleichspannungsquelle 44 zum Abgeben einer Gleichspannung UOCV aufweisen, deren einer Pol auf Nullniveau liegt und deren anderer Pol über einen Zwischenwiderstand 46 mit dem invertierenden Eingang 38 des zweiten Operationsverstärkers OP2 verbunden ist. Es ist dadurch möglich, der Ausgangs-Wechselspannung UA einen Gleichspannungsanteil aufzuaddieren. Der Gleichspannungs-Anteil ist vorteilhaft, um Impedanzspektroskopie-Messvorrichtungen 10 kalibrieren zu können, die einen derartigen Gleichanteil voraussetzen, um eine Messung durchzuführen.
  • 1 zeigt, dass das Impedanznormal 20 eine Umschaltvorrichtung 48 aufweist, mittels der ein zweites Test-Impedanzelement 50 mit dem invertierenden Eingang 30 des Operationsverstärkers OP1 sowie mit dem Ausgang 32 verbunden werden kann. Auf diese Weise können zumindest zwei Soll-Impedanzen simuliert werden. Eine Erweiterung auf n Soll-Impedanzen erfolgt beispielsweise wie zuvor beschrieben durch eine erweiterte Umschaltvorrichtung mit n Stellungen und n Test-Impedanzen
  • 2 zeigt einen alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Impedanznormals 20. Die Arbeitsspannung US, die über das Wechselstrom-Strommesswiderstandselement 22 abfällt, wird zunächst in einem Verstärker 52 verstärkt, beispielsweise um den Faktor 10. Die verstärkte Ausgangsspannung wird von einem Analog-Digital-Umsetzer in ein digitales Signal umgesetzt und einen digitalen Signalprozessor DSP zugeführt. Dieser errechnet anhand einer digital vorgegebenen Soll-Impedanz den zugehörigen Wert der Ausgangs-Wechselspannung UA. Dieser digitale Wert wird an einen Digital-Analog-Umsetzer vergeben, der daraus die Ausgangs-Wechselspannung UA oder eine Ausgangsspannung erzeugt, die zusätzlich zur Ausgangs-Wechselspannung einen Gleichspannungsanteil hat.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 1 beträgt die Eingangsoffsetspannung der Operationsverstärker weniger als 100 Mikrovolt. Der Eingangs-Ruhestrom der Operationsverstärker beträgt weniger als 5 Pikoampere. Eine offene Schleifenverstärkung der Operationsverstärker beträgt mehr als 110 Dezibel. Das Verstärkungsbandbreitenprodukt beträgt mehr als 15 Megahertz.
  • In den Figuren ist der galvanostatische Betrieb gezeigt, bei dem die Stromstärke in das Impedanznormal 20 eingeprägt wird. Alternativ kann das Impedanznormal 20 auch potentiostatisch betrieben werden, indem die Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung 10 eine Spannung abgibt und die resultierende, am ersten Stromanschluss 14 und am zweiten Stromanschluss 16 abgreifbare Stromstärke misst.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung
    12
    erster Stromanschluss (high)
    14
    zweiter Stromanschluss (low)
    16
    erster Spannungsanschluss (high)
    18
    zweiter Spannungsanschluss (low)
    20
    Impedanznormal
    22
    Wechselstrom-Strommesswiderstandselement
    24
    Teiler-Widerstandselement
    26
    nicht-invertierender Eingang
    28
    Test-Impedanzelement
    30
    invertierender Eingang
    32
    Ausgang
    34
    Widerstandselement
    36
    zweites Widerstandselement
    38
    invertierender Eingang
    40
    nicht-invertierender Eingang
    42
    Ausgang
    44
    Gleichspannungsquelle
    46
    Zwischenwiderstand
    48
    Umschaltvorrichtung
    50
    zweites Test-Impedanzelement
    52
    Verstärker
    54
    Analog-Digital-Umsetzer
    56
    digitaler Signalprozessor
    58
    Digital-Analog-Umsetzer
    Rs
    Wechselstrom-Strommesswiderstand
    Us
    Arbeitsspannung
    Rd
    Teiler-Widerstand
    OP
    Operationsverstärker
    UA
    Ausgangs-Wechselspannung

Claims (10)

  1. Verfahren zum Kalibrieren einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung (10) mit den Schritten: (a) mittels der Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung (10) Abgeben eines elektrischen Eingangs-Wechselstroms (Iin) an ein Impedanznormal (20), das ein ohmsches Wechselstrom-Strommesswiderstandselement (22) aufweist, sodass an dem Wechselstrom-Strommesswiderstandselement (22) eine Arbeitsspannung (US) abfällt, (b) wobei der ohmsche Wechselstrom-Strommesswiderstand (RS) des Wechselstrom-Strommesswiderstandselements (22) höchstens 0,2 Ohm beträgt, (c) mittels der Arbeitsspannung (US) Erzeugen einer elektrischen Ausgangs-Wechselspannung (UA), die derjenigen Spannung entspricht, die über ein Netzwerk einer vorgegebenen Soll-Impedanz (Zsoll) abfallen würde, und (d) Anlegen der Ausgangs-Wechselspannung (UA) an die Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung (10).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (c) die folgenden Schritte umfasst: (c1) Erzeugen eines Arbeitsstroms (IS) aus der Arbeitsspannung (US), insbesondere mittels eines ohmschen Teiler-Widerstandselements (24), (c2) Leiten des Arbeitsstroms (IS) durch ein Test-Impedanzelement (28), sodass ein Spannungsabfall entsteht, wobei der Quotient (Z'/Zsoll) aus der Test-Impedanz (Z') des Test-Impedanzelements als Zähler und der Soll-Impedanz (Zsoll) als Nenner zumindest 103, insbesondere zumindest 105, beträgt, und (c3) aus dem Spannungsabfall Erzeugen der Ausgangs-Wechselspannung (UA).
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Ausgangs-Wechselspannung (UA) ein Gleichspannungsanteil (UOCV) hinzuaddiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (c) die folgenden Schritte umfasst: (i) Umsetzen der Arbeitsspannung (US) in einen digitalen Wert, (ii) Errechnen eines Werts der Ausgangsspannung (UA) und (iii) Umsetzen des Werts der Ausgangsspannung (UA) in die Ausgangsspannung (UA).
  5. Impedanznormal (20) zum Kalibrieren einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie-Messvorrichtung (10), das (a) ein ohmsches Wechselstrom-Strommesswiderstandselement (22), – über das beim Anlegen eines Eingangs-Wechselstroms (Iin) eine Arbeitsspannung (US) abfällt und – das einen ohmschen Wechselstrom-Strommesswiderstand (RS) von höchstens 0,2 Ohm hat, und (b) eine Umsetzvorrichtung (23), mittels der aus der Arbeitsspannung (US) eine elektrische Ausgangsspannung (UA) erzeugbar ist, die derjenigen Spannung entspricht, die über ein Netzwerk einer vorgegebenen Soll-Impedanz (Z) beim Anlegen des Eingangs-Wechselstroms (Iin) abfallen würde, aufweist.
  6. Impedanznormal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzvorrichtung (23) (i) ein ohmsches Teiler-Widerstandselement (24), das einen ohmschen Teiler-Widerstand (Rd) hat, und (ii) ein Test-Impedanzelement (28), das eine Test-Impedanz (Z') hat, aufweist, (iii) wobei das impedanznormal (20) eine Soll-Impedanz (Zsoll) in Form des Quotienten (UA/Iin) aus der Ausgangsspannung (UA) und einer Eingangs-Wechselstromstärke (Iin) des Eingangs-Wechselstroms (Iin) besitzt und (iv) wobei ein Quotient (Z'/Zsoll) aus der Test-Impedanz als Zähler und der Soll-Impedanz zumindest 103, insbesondere zumindest 105, beträgt.
  7. Impedanznormal nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzvorrichtung (23) einen Operationsverstärker (OP) besitzt, der so mit dem Wechselstrom-Strommesswiderstand (RS) und dem Teiler-Widerstand (Rd) verbunden ist, dass der Arbeitsstrom (IS) stets dem Quotienten (US/Rd) aus Arbeitsspannung (US) als Zähler und Teiler-Widerstand (Rd) als Nenner entspricht.
  8. Impedanznormal nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzvorrichtung (23) – ein zweites Test-Impedanzelement (50), das eine zweite Test-Impedanz (Z'') hat, und – eine Umschaltvorrichtung (48), mittels der das zweite Test-Impedanzelement (50) so mit dem Operationsverstärker (OP) verbindbar ist, dass die Soll-Impedanz veränderbar ist, umfasst.
  9. Impedanznormal nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Gleichspannungsquelle, die zum Hinzuaddieren eines Gleichspannungsanteils zu der Ausgangs-Wechselspannung (UA) verschaltet ist.
  10. Impedanznormal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzvorrichtung (23) – einen Analog-Digital-Umsetzer (54), der mit dem Wechselstrom-Strommesswiderstandselement (22) verschaltet ist zum automatischen Umwandeln der Arbeitsspannung (US) in einen digitalen Wert, – einen digitalen Signalprozessor (56), der mit dem Analog-Digital-Umsetzer (54) elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist zum automatischen Errechnen der Ausgangsspannung (UA) aus dem digitalen Wert, und – einen Digital-Analog-Umsetzer (58), der mit dem digitalen Signalprozessor (56) zum automatischen Erzeugen der Ausgangsspannung (UA) aus dem digitalen Wert verbunden ist, umfasst.
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