Die elektrochemische Zelle wird am günstigsten rechts neben dem Gerät aufgestellt. Sie ist damit entfernt von den Netztransformatoren im Gerät. Wenn möglich, verlängern Sie bitte die Zellenkabel nicht. Die Zellenstecker des Kabels (Bananenstecker) sind farbig gekennzeichnet:
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Elektrode (Kabel) |
Farbe (Bananenstecker) | |
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Referenz |
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grün |
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Gegenelektrode |
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gelb |
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Arbeitselektrode Potential |
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schwarz |
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Arbeitselektrode Strom |
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schwarz |
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Abschirmung Referenzelektrode |
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kein Zugriff |
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Erde |
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grau |
Trotz abgeschirmter Zellenkabel müssen Sie beim Betrieb einer elektrochemischen Zelle mit Störungen von außen rechnen. Die Zelle selbst und vor allem die Referenzelektrode fangen elektromagnetische Felder auf. Warum ist es so wichtig, Brummeinstreuungen zu vermeiden? Selbst wenn Sie langsame Datenaufnahme betreiben und das Messsignal durch "Oversampling", d.h. durch schnelle Abtastung über eine oder mehrere Perioden der Netzspannung mitteln, kann es zu Messfehlern kommen. Leichte Fehler stellen sich durch die Nichtlinearität üblicher Strom-Spannungsverläufe an Elektroden ein. Massive Fehler bis hin zur Unbrauchbarkeit ganzer Messungen ergeben sich jedoch, wenn der Brumm die Eingangsverstärker in die Sättigung treibt: dann können Sie durch Oversampling zwar immer noch einen Mittelwert bilden, der jedoch keinerlei Aussagekraft hat.
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Vermeiden von Einstreuungen ist besser als nachträgliches Filtern! |
Welche Störfelder wirken? Man kann grob nach niederfrequenten Störungen (NF) und hochfrequenten Störungen (HF) unterscheiden:
Vor allem wirkt hier der allgegenwärtige Einfluß der Netzleitungen. Achten Sie darauf, daß keine Netzkabel in der Nähe der Zelle liegen. Oft sind es die Kabel in Kabelschächten, oder unter Putz verlegte Leitungen, die als nicht wahrnehmbare Störquellen zuweilen Nervenkrisen verursachen. Im Zweifelsfall können Sie hier einen billigen Kabelsucher zum Aufspüren der Störquellen benutzen: Achten Sie darauf, dass seine Anzeige zwischen stromlosen und stromführenden Kabeln unterscheiden kann.
Als weitere häufige Störquelle treten Magnetrührer auf: Die rotierenden Magnetfelder ihrer Antriebe stellen Störquellen dar, allerdings haben sie nur eine kurze Reichweite. Magnetrührer unter Zellen stören im allgemeinen nur dann, wenn die Arbeitselektrode aus einem ferromagnetischen Material besteht.
In Labors werden manchmal Niederfrequenzgeneratoren verwendet, die erhebliche Leistung umsetzen. Dazu zählen Frequenzumrichter für Asynchronmotoren, Schmelzöfen etc. Wenn in deren unmittelbarer Umgebung abgeschirmt werden muß, ist guter Rat so teuer wie die entsprechende Menge Mu - Metall. In diesem Fall können aber auch dicke Aluminiumbleche Abhilfe schaffen, denn mittelfrequente Magnetfelder ab einigen hundert Hertz und darüber kann man sehr gut abschwächen, indem man sie über Wirbelstromstrecken "totlaufen" läßt.
Als man noch mechanische Schreiber zur Meßwertaufzeichnung verwendete, hörte man den Netzbrumm - die Schreibernadel schwang im gleichen Takt mit. Heute verwenden wir A/D-Wandler. Kein nerviges Geräusch macht uns auf aufmerksam .... Statt dessen zeichnet das Messgerät eine sehr langsame niederfrequente Schwingung auf, in der Regel unter einem Herz.
Ursache ist die Unterabtastung. Wenn die Sinuswelle mit genau 50,000 Hz schwingen würde und der A/D-Wandler griffe exakt alle 1,0000 Sekunden einmal auf das Signal zu, dann wäre das Resultat eine relativ glatte Linie, folgend nur dem Trend des Messsignals. Tatsächlich ist es in der Regel so, daß der A/D-Wandler eben nicht genau nach 1,0000 s zugreift, sondern alle 0,998 oder alle 1,005 s. Auch das Netzsignal ist nicht gerade quarzgenau: Je nach Auslastung des Netzes driftet es leicht. Greift nun der A/D-Wandler mit leicht verschobenem Takt auf die Sinuswelle zu, trifft er jedesmal um einen Fehlbetrag auf die Sinuswelle, d.h. die Messpunkte ergeben selbst wieder eine mehr oder weniger genaue Sinusform.
Dazu zählen, wenn auch selten störend, Impulse, die beim Abschalten induktiver Verbraucher entstehen (auch Leuchtstoffröhren gehören dazu). Sie verursachen jedoch nur einzelne Störspitzen während der Meßwertaufnahme, die leicht zu eliminieren sind.
Störender sind äußere Einflüsse, die durch starke HF - Felder wie z.B. Rundfunksender, Telefondienste etc. verursacht werden. Ich erinnere mich mit Grauen an meine Zeit in einem Institut, das in 8 Kilometer Entfernung zu einer Tiefflugradarstation stand. Die Keule kam im Abstand von etwa drei Sekunden durch das Labor gefegt und produzierte kräftige Antworten in den Zellen, sofern sie nicht doppelt abgeschirmt waren.
Eine metallische Abschirmung der Zelle wird notwendig, wenn sehr kleine Ströme (Bereich µA) gemessen werden sollen, wenn der Elektrolyt schlecht leitet bzw. die Elektrolytbrücke aus technischen Gründen lang sein muß, oder wenn die Referenzelektrode einen sehr hohen Innenwiderstand hat.
Gegen niederfrequente Störfelder müssen Sie ferromagnetische Abschirmungen einsetzen, oberhalb einiger hundert Hertz genügen ALuminiumabschirmungen. Für ferromagnetisches Material ist die relative Suszeptibilität µ_r das Maß der Abschirmung. Mit steigendem µ steigt die Abschirmwirkung.
Hier einige Zahlen:
Chromstahl 1.4016 ca. 100
Baustahl St 37 ca. 500 bis 1000
Reineisen bis 5000
Mu-Metall 50 000 bis 150 000
Normaler ferritischer Stahl wirkt recht gut, austenitischer Edelstahl ("V2A") und vergleichbare Qualitäten sind nicht ferromagnetisch und haben aber auch keine gute elektrische Leitfähigkeit. Sie bringen also unter Abschirmaspekten nichts. Aluminiumkäfige wirken sehr gut, wenn die Bleche einige Millimeter Wandstärke aufweisen. Wenn die Richtung, aus der die Störfeuer kommen, bekannt ist, genügen meist Blechwinkel, die in entsprechender Richtung um die Zelle herum aufgebaut werden und die - immer! - geerdet sein müssen. Eine mittelmäßig wirksame, jedoch recht vornehme Lösung besteht aus einem 19" - Systemschrank mit Tür, der von einigen Gehäuseherstellern angeboten wird. Hat die Tür ein Glasfenster, muß man das Fenster mit einem Gitter abschirmen: Als HF-Abschirmung genügt ein Maschendrahtgewebe mit 10 - 20 mm Maschenweite.
Achten Sie beim Erdanschluß des Käfigs darauf, daß keine Ringerden entstehen.
Benutzen Sie nicht die Abschirmung des Referenzelektrodenkabels, um den Käfig zu erden (diese Abschirmung wurde aus diesem Grund am Kabelende ohne Stecker abgeschnitten). Diese Schirmung liegt auf virtueller Erde. Eine Verbindung dieser virtuellen Erde mit Meßerde kann zu Fehlfunktionen des Potentiostaten führen!
Wenn ein Rechner an den Potentiostaten angeschlossen ist, stellen Sie ihn mindestens 1 m entfernt vom Potentiostaten, den anderen Analoginstrumenten und der Zelle auf.
Legen Sie die Zellenkabel und andere Steuerleitungen (z.B. vom Sollspannungsgebern) parallel zu Netzleitungen oder in unmittelbarer Nähe von solchen.
Alle ungeerdeten Metallteile in der Umgebung der Zelle sollten geerdet werden. Besonders Metallgestelle (Racks, Stahlregale etc.) sollten mit dem grauen Erdungsstecker des Zellenkabels verbunden werden. Achten Sie dabei auf guten elektrischen Kontakt zu den entsprechenden Metallteilen. Vermeiden Sie dabei auf jeden Fall, Ringerden zu bilden (siehe Abschnitt Erdung). Ringerden sind sehr effektive Antennen für Brummeinstreuungen...
Stellen Sie die Zelle nie in der Nähe von elektrischen Schalttafeln oder Starkstromleitungen auf. Magnetstabilisatoren, die in schlechten Stromnetzen zur Vorstabilisierung verwendet werden, Vorschaltgeräte für andere Apparaturen, Umformer usw. sollten entfernt von der Apparatur aufgestellt werden. Metallteile, insbesondere Eisenteile, konzentrieren magnetische Streufelder in ihrer Umgebung. Sie sollten geerdet sein. Die Abschirmung der Zelle gegen elektrische Streufelder ist einfach, gegen magnetische Streufelder hilft nur ein passendes Arrangement der Baugruppen. Wenn Referenzelektroden (einschließlich der Elektrolytbrücke) hochohmig sind (über 10 kOhm), sollte die Zelle samt Referenzelektrode abgeschirmt werden. Fehlerquellen entstehen in diesem Bereich durch aussalzende Referenzelektroden bzw. Zwischengefäße - KCl ist extrem hygroskopisch und kriecht gern alle Wände entlang: häufige Reinigung wird empfohlen. Unter Beachtung aller anderen Vorsichtsmaßnahmen genügt dann anstelle eines Faraday'schen Käfigs ein abgekantetes U-Profil aus Aluminiumblech, das die Zelle abschirmt. Dieses Blech, zusammen mit allen anderen Metallteilen in der Umgebung der Zelle, wird dann mit dem weißen Stecker des Zellenkabels verbunden.
Schlecht: eine Ringerde wird entlang der gestrichelten Linie produziert
Gut: Das Fremdgerät hat ein (ungeerdetes) Kunststoffgehäuse
Gut: Die Erdungsbrücke ist nur an einem Gerät eingesetzt.
Achten Sie darauf, daß beide schwarze Stecker des Zellenkabels für die Arbeitselektrode zusammengesteckt sind. Dies ist sehr wichtig: Die stromführende Leitung und die Potentialmeßleitung der Arbeitselektrode sind getrennt geführt, sie müssen so dicht wie möglich an der Zelle zusammengeführt werden, um Meß- bzw. Regelfehler durch Spannungsabfälle in der Arbeitselektrodenleitung zu vermeiden, insbesondere bei Strömen oberhalb 1 mA.
Dazu aus aktuellem Anlaß folgendes Beispiel: Ein Benutzer arbeitete mit Platinelektroden in einer Salzschmelze (im Tammanofen: NF-Einstreuungen s. o.!). Die Ergebnisse waren weder reproduzierbar noch überhaupt erklärbar. Eine Durchsicht seiner Anlage ergab folgende Verhältnisse:
Als Zuführungen zu den Elektroden, die im Ofen über 1 m von der Zuführung entfernt positioniert waren, mußten Platindrähte verwendetet werden. Die beiden Arbeitselektrodenkabel (Potential- und Stromleitung) wurden am Ende mit ihren Banansteckern zusammengesteckt, von dort aus war die Arbeitselektrode über einen 0,2 mm Pt - Draht angeschlossen. Der Drahtwiderstand betrug je nach Versuch (verschiedene Drähte im Einsatz) 20 bis 40 Ohm. Im Voltammogramm traten Peakströme um 50 mA auf.
Die einfache Rechnung zeigt: Das Potential der Arbeitselektrode (das wirklich an der Elektrode anliegt) und dem "Arbeitselektrodenpotential", das der Potentiostat an seinem Meßeingang "sieht", beträgt im Peakstrom nach dem Ohmschen Gesetz U = R * I = 1 bis 2 Volt! In solchen Fällen muß die Arbeitselektrode bis zu ihrem Anschlußpunkt am Rand der Zelle mit zwei Leitungen, getrennt für Potential und Strom, angeschlossen werden.
Arbeitselektrodenkabel und Gegenelektrodenkabel sollten so dicht wie möglich beieinandergeführt werden. Dies vermindert induktive Einstreuungen in diese Kabelschleife. Das Referenzelektrodenkabel muß abgeschirmt sein, die Schirmung wird gemäß Steckerbelegung angeschlossen. Erdleitungen sollten keine Schleifen bilden und möglichst dicht parallel zur Meßelektrode geführt sein. Je länger das Zellenkabel, um so größer werden Kabelkapazitäten und -induktivitäten, die die Regelwirkung des Potentiostaten bei hochfrequenten Signalen (dazu gehören auch steilflankige Rechtecksignale) beeinträchtigen. Außerdem nehmen Brumm- und HF - Einstreuungen mit der Kabellänge zu
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