DE4221847A1 - Anordnung zur Strom-/Spannungsmessung für galvanische Elemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine massebezogene Anordnung zur Strom-/Spannungsmessung für galvanische Elemente und findet in der Meßtechnik der Elektrochemie Anwendung.

Allgemein ist bekannt, daß in der Elektrochemie zur Spannungsmessung Galvanostate und zur Strommessung Potentiostate bei galvanischen Elementen eingesetzt werden. Die Anordnung ist dabei wahlweise in ihrer Funktion umschaltbar ausgeführt.

Die Grundschaltung der Potentiostaten/Galvanostaten besteht aus einem Verstärker, an dessen Ausgang die Gegenelektrode des galvanischen Elementes angeschlossen ist. Die Arbeitselektrode des galvanischen Elementes liegt dabei über dem Meßwiderstand auf Massepotential. Je nach dem, ob die Spannung über dem Meßwiderstand oder über der Bezugselektrode des galvanischen Elementes abgegriffen und danach zum Eingang des Verstärkers gegengekoppelt ist, erfolgt der Soll- /Istwertvergleich. Wird die Spannung über den Meßwiderstand zum Soll-/Istwertvergleich benutzt, wirkt die Anordnung als spannungsgesteuerte Stromquelle. Die bisher bekannten Galvanostaten bzw. Potentiostaten besitzen jedoch den Nachteil, daß ihre Elektrodenanschlüsse masseunabhängig ausgestaltet und deshalb für Referenzmessungen nur bedingt geeignet sind. Die bekannten Anordnungen eignen sich somit auch nicht für die Messung von mehr als einem galvanischen Element im Multiplexbetrieb.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Anordnung zur Strom-/Spannungsmessung für galvanische Elemente zu schaffen, die den Referenzvergleich mit geringem schaltungstechnischen Aufwand, hoher Genauigkeit und ohne Abgleich gestattet. Erfindungsgemäß wir das durch eine massebezogene Strom- /Spannungsmeßanordnung für galvanische Elemente erreicht, die aus einem als Spannungsfolge geschalteten Endstufenverstärker, einem Meßwiderstand im Gegenkopplungszweig des Endstufenverstärkers, einem Instrumentationsverstärkers und einem Soll- /Istwertvergleichers, vorzugsweise durch einen Präzisions- Operationsverstärkers realisiert, besteht. Der Meßwiderstand ist parallel zu den beiden Eingängen des Instrumentationsverstärkers geschaltet, welcher den Spannungsabfall über den Meßwiderstand als massebezogenen Istwert an den invertierenden Eingang des Soll- /Istwertvergleichers bereitstellt, wenn die Anordnung mittels eines Umschalters zwischen Instrumentationsverstärker und Soll-/Istwertvergleicher als Potentiostat geschaltet ist. Der Ausgang des Soll-/Istwertvergleichers ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Endstufenverstärkers gekoppelt. An dem nichtinvertierenden Eingang des Soll- /Istwertvergleichers liegt die Sollwertspannung an. Der Gegenkopplungsstromkreis, in dem der Meßwiderstand angeordnet ist, ist vom Ausgang des Endstufenverstärkers auf den invertierenden Eingang des Endstufenverstärkers geschaltet. An diesem Eingang ist auch die Gegenelektrode des galvani­ schen Elementes, welches das Meßobjekt bildet, geführt. Die Arbeitselektrode des galvanischen Elementes liegt auf Massepotential. Bei galvanostatischer Messung des galvanischen Elementes legt der Umschalter die Bezugselektrode des galvanischen Elementes an den invertierenden Eingang des Soll-/Istwertvergleichers. Somit wirkt die Anordnung wahlweise als massebezogene Strom- bzw. Spannungsquelle und erfüllt erfindungsgemäß die Voraussetzung als Grundschaltung zur Referenzmessung von n galvanischen Elementen um Multiplexbetrieb.

Nachfolgend wird die Anordnung als Galvanostat mit massebezogener Stromquelle beschrieben. Der Ausgangsstrom des Endverstärkers, welcher entweder der Lade- oder der Entladestrom des galvanischen Elementes ist, erzeugt über den Meßwiderstand einen Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall wird über den Instrumentationsverstärker zu einer massebezogenen Spannung umgewandelt und dient danach als Istwert für den Strom beim Soll-/Istwertvergleich, den der nachgeschaltete Präzisions-Operationsverstärker realisiert. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung als Potentiostat wirkt nach Betätigung des Umschalters der Meßwiderstand als Reihenschaltung mit dem Innenwiderstand des Endstufenverstärkers und führt aufgrund der starken Gegenkopplung zu keinem Spannungsverlust.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 der Zeichnung die erfindungsgemäße massebezogene Strom-/Spannungs-Meßanordnung für n galvanische Elemente zum Referenzmessung im Multiplexbetrieb. Gemäß Fig. 1 besteht die Anordnung als mehrkanaliger Galvanostat/Potentiostat aus dem extern gesteuerten Soll-/Istwertvergleicher OV1 in Form eines Präzisions-Operationsverstärkers, dem Endstufenverstärker OV2 für jeden der n Kanäle, dem Meßwiderstand RM, dem Instrumentationsverstärker OV3, den Multiplexern MUX1 und MUX2, den Demultiplexern DEMUX1 und DEMUX2 und dem Umschalter S1. Der n-fach ausgeführte Endstufenverstärker OV2 ist als Spannungsfolger geschaltet und realisiert Abtast- und Haltefunktion. An jeden Ausgang der n Endstufenverstärker OV2 ist einer der n Eingänge des Multiplexers MUX2 und an den invertierenden Eingang der n Endstufenverstärker OV2 ist einer der n Ausgänge des Demultiplexers DEMUX2 angeschlossen. Zwischen dem Ausgang des Multiplexers MUX2 und dem Eingang des Demultiplexers DEMUX2 liegt der Meßwiderstand RM. Der Meßwiderstand RM wirkt in jedem aktiven Kanal als Bestandteil des Innenwiderstandes der n Endstufenverstärker OV2 und ist zu jedem der n Kanäle der Anordnung wahlweise zuschaltbar. In den Kanälen ohne den Meßwiderstand RM ist an dessen Stelle eine Verbindung mittels Schalters S2 zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Endstufenverstärkers OV2 gelegt, d. h., in allen nicht aktiven Kanälen ist der Schalter S2 jeweils geschlossen. Das Überbrücken hat keinen Einfluß auf die Ausgangsspannung des jeweiligen Endstufenverstärkers OV2, da dessen Ausgangsspannung direkt auf seinen invertierenden Eingang gegengekoppelt ist. Somit ist in diesem Fall bei dem Endstufenverstärker OV2 die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung. Am invertie­ renden Eingang jedes Endstufenverstärkers OV2 und am ihm zugeordneten Ausgang des n-fachen Demultiplexers DEMUX1 ist die Gegenelektrode GE eines der n galvanischen Elemente E angeschlossen. Die Arbeitselektrode AE jedes galvanischen Elementes liegt auf Massepotential.

Der durch den Ausgangsstrom des Endstufenverstärkers OV2 hervorgerufenen Spannungsabfall über dem Meßwiderstand RM im aktiven Kanal der Anordnung ist an die Eingänge des Instrumentationsverstärkers OV3 geführt, dessen Ausgangsspannung über den Umschalter S1 massebezogen auf den invertierenden Eingang das Soll-/Istwertvergleichers OV1 als Istwert rückgekoppelt ist, falls der Umschalter S1 auf Potentiostat-Betrieb geschaltet ist. Am nichtinvertierenden Eingang des Soll-/Istwertvergleichers OV1 liegt der Sollwert an. Der Ausgang des Soll-/Istwertvergleichers OV1 ist über den Demultiplexer DEMUX2 an den nichtinvertierenden Eingang jedes Endstufenverstärkers OV2 geschaltet. Diese mehrkanalige, steuerbare Stromquelle steuert bei geeignetem Refresh im Multiplexbetrieb quasi gleichzeitig alle n Kanäle an.

Soll die Anordnung als Galvanostat betrieben werden, wird die Bezugselektrode BE der n galvanischen Elemente E über den Multiplexer MUX2 mittels Umschalter S1 auf den invertierenden Eingang des Soll-/Istvergleichers OV1 gelegt. Beim Umschalten von einem Kanal zum anderen im Multiplexbetrieb werden die Multiplexer MUX1 und MUX2 sowie die Demultiplexer DEMUX1 und DEMUX2 mit Hilfe der Enable- Eingänge deaktiviert. In diesem Zustand werden der für den nächsten Kanal aktuelle Sollwert ausgegeben und der Kondensator CF am nichtinvertierenden Eingang des Soll- /Istwertvergleichers OV1 in der Frequenzkompensation entladen. Danach erfolgt die Aktivierung der neuen Adresse der Multiplexer MUX1 und MUX2 sowie der Demultiplexer DEMUX1 und DEMUX2. Es ist dadurch gewährleistet, daß der Einstellwert vom vorhergehenden Kanal nicht zeitweise im neuen Kanal anliegt. Mit dem Entladen des Kondensatars C am nichtinvertierenden Eingang des Endstufenverstärkers OV2 werden Einschwingspitzen weitestgehend vermieden. Durch MAXIM-Applications Handbook, 1990, S. 5-21, ist eine analoge Schaltung bekannt, welche mit einem Multiplexer, einem Demultiplexer, einem Präzisions-Operationsverstarker und einer Sample- and Hold-Stufe mittels eines DAC-Signals Spannungen auf mehrere Kanäle unabhängig voneinander ausgeben kann. Durch Umschalten des Umschalters S1 erfolgt die Wahl der Betriebsart potentiostatische oder galvanostatische Messung an den n galvanischen Elementen E. Der besondere Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß durch nur einen gemeinsamen Meßwiderstand RM für alle Kanäle ein höchstes Maß an Identität gewährleistet ist, so daß diese Anordnung besonders für Referenzmessungen an mehreren galvanischen Elementen E geeignet ist. Alle Präzisionsbauelemente sind nur einmal vorhanden, eine Ausnahme bildet der Endstufenverstärker OV2, dessen Anzahl von der erforderlichen Kanalzahl n bestimmt ist. Zudem gestattet die Anordnung eine gemeinsame Elektrode in allen Kanälen.

Claims (2)

1. Anordnung zur Strom-/Spannungsmessung für galvanische Elemente, dadurch gekennzeichnet, daß einem Soll- /Istwertvergleicher (OV1) ein als Spannungsfolger geschalteter Endstufenverstärker (OV2) nachgeordnet ist, daß ein Meßwiderstand (RM) in dem Gegenkopplungszweig des Endstufenverstärkers geschaltet ist, daß der Meßwiderstand parallel zu den Eingängen eines Instrumentationsverstärkers (OV3) gelegt ist, welcher bei der potentiostatischen Messung über einen Umschalter (S1) die dem Strom proportionale Spannung massebezogen als Istwert an den invertierenden Eingang des Soll-/Istwertvergleichers gibt und daß die Arbeitselektrode (AE) des galvanischen Elementes auf Massepotential liegt, die Gegenelektrode (GE) des galvanischen Elementes mit dem invertierenden Eingang des Endstufenverstärkers verbunden ist und bei galvanostatischer Messung die Bezugselektrode (BE) des galvanischen Elementes über den Umschalter an den invertierenden Eingang des Soll- /Istwertvergleichers geführt ist, an dessen nichtinvertierenden Eingang das Sollsignal anliegt.

2. Anordnung zur Strom-/Spannungsmessung für galvanische Elemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Multiplexmeßbetrieb an n galvanischen Elementen der Meßwiderstand zwischen einem n-fachen Multiplexer (MUX1) und einem n-fachen Demultiplexer (DEMUX1) im Gegenkopplungszweig von n Endstufenverstärkern (OV2) geschaltet ist, daß die n Endstufenverstärker über eine zweiten n-fachen Demultiplexer (DEMUX2) mit dem Ausgang des Soll-/Istwertvergleichers verbunden und als Abtast- und Halteschaltung ausgeführt ist und daß die Bezugselektrode der n galvanischen Elemente über einen zweiten Multiplexer (MUX2) über den Umschalter nur bei galvanostatischer Messung an den Sollwerteingang des Soll- /Istwertvergleichers (OV1) gelegt ist.