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使用延長線的風(fēng)險(xiǎn)

來源:美國Gamry電化學(xué)   2020年04月28日 13:56  

介紹

電極線是電化學(xué)工作站*的一部分,并且可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的完整測(cè)量功能產(chǎn)生重大影響。電極線連接電化學(xué)工作站和測(cè)試體系。Gamry電極線是經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)和制造的,可大程度減小和消除噪聲對(duì)測(cè)試的影響。這些電極線具有可復(fù)制的屏蔽層,以減少測(cè)試體系附近其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的外部電噪聲。此外,Gamry電極線也通過絞合以減少和消除互感的影響。

 很多時(shí)候,我們看到客戶在電極線的末端使用延長線,卻不了解這樣的操作可能產(chǎn)生的不良影響。本篇應(yīng)用報(bào)告將說明為什么添加延長線會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中的大量噪聲和失真。

什么時(shí)候缺少屏蔽會(huì)成為一個(gè)嚴(yán)重的問題?

有關(guān)整體系統(tǒng)限制的更多信息,請(qǐng)參考“低阻抗EIS極限:Gamry Reference 30k Booster的應(yīng)用”和“精確度等高圖”。本篇應(yīng)用報(bào)告僅涉及電極線本身。

 電極線連接電化學(xué)工作站和測(cè)試體系,電流流經(jīng)電極線時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),這一磁場(chǎng)會(huì)被電壓線檢測(cè)到。這種效應(yīng)稱為互感,是一種頻率的函數(shù)?;ジ姓`差在低頻時(shí)通常不明顯,而在高頻下*占主導(dǎo)電位。互感的阻抗誤差在等效電路模型中表示為與真實(shí)電池串聯(lián)的電感。移動(dòng)電極線會(huì)引起這種互感的變化。

 外部變化的磁場(chǎng)和電場(chǎng),例如由電動(dòng)機(jī)設(shè)備,電腦內(nèi)部冷卻風(fēng)扇甚至電源線產(chǎn)生的磁場(chǎng),都可能嚴(yán)重影響本地電線,包括電化學(xué)工作站和測(cè)試體系之間的連接線。電極線充當(dāng)天線,在測(cè)試電路中引入變化的電壓和電流。

 在進(jìn)行交流測(cè)試(如EIS測(cè)試)時(shí),互感現(xiàn)象會(huì)變成一個(gè)很大的問題。直流測(cè)試受到外部變化的磁場(chǎng)和電場(chǎng)(例如其他科學(xué)儀器和電腦中的電動(dòng)機(jī))影響要小得多。

解決方法

實(shí)際上我們?cè)趯?dǎo)體周圍使用微型法拉第籠以消除外部噪聲。也就是說,編織屏蔽層環(huán)繞每一根電纜線。電纜線也要絞合在一起,以盡可能減小互感影響。我們還將電極線和電化學(xué)工作站一起校準(zhǔn),并允許您根據(jù)需要重做此校準(zhǔn)。

…但是隨后您自己添加了延長線…

添加帶有鱷魚夾的延長線會(huì)使電化學(xué)工作站和測(cè)試體系之間連接更加方便。但是,這些線就像是天線,能夠拾取電動(dòng)機(jī)引起的噪聲,也會(huì)為互感提供路徑。下面我們展示一個(gè)實(shí)際的例子。

我們使用Gamry Interface™ 1010電化學(xué)工作站以及標(biāo)配的60cm標(biāo)準(zhǔn)電極線和一根1m的延長線。在5F電容器上進(jìn)行控制電流模式的EIS測(cè)試(見圖1),結(jié)果如圖2所示。

Setup with unshielded cables

 圖1 電化學(xué)工作站及其標(biāo)準(zhǔn)60cm電極線加上1m延長線,連接在電容器上

Unshielded vs Shielded EIS of supercap

圖2 5F電容器使用標(biāo)準(zhǔn)電極線(藍(lán))和添加了延長線(紅)的EIS數(shù)據(jù)對(duì)比

可以看到添加了延長線的EIS(紅)與標(biāo)準(zhǔn)電極線的EIS(藍(lán))之間有明顯的差異。由磁場(chǎng)引起的干擾會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)結(jié)果和分析。如上文所述,延長線會(huì)加強(qiáng)互感的影響,同時(shí)會(huì)降低測(cè)量的有效帶寬。注意,高頻至1kHz,相角有很大的偏移。

接下來,我們?cè)黾恿司哂醒h(huán)和加熱功能的Julabo® F25溫度控制浴槽,來對(duì)測(cè)試體系(帶有和不帶未屏蔽延長線)提供環(huán)境電噪聲來源。圖3說明了兩種情況之間明顯的差異。在這里,不僅互感增加,減小了有效帶寬,而且整個(gè)阻抗連低頻也有差異。
Noise with unshielded cables2

圖3 附近有電噪聲干擾下的,帶有(藍(lán))和不帶(紅)未屏蔽延長線的EIS對(duì)比

我們看到的是哪種噪聲?

我們將電化學(xué)工作站連接在2 k?校準(zhǔn)電解池上,用Gamry ESA410軟件捕獲實(shí)時(shí)電流和電壓信號(hào)并進(jìn)行傅里葉功率譜分析(PSD)。圖4比較了帶和不帶電動(dòng)機(jī)設(shè)備和屏蔽和未屏蔽電線的結(jié)果。

Fourier transform of noise

圖4 不同實(shí)驗(yàn)條件下的傅里葉功率譜分析:藍(lán)色,標(biāo)準(zhǔn)屏蔽電極線線,沒有電動(dòng)機(jī);紅線,標(biāo)準(zhǔn)屏蔽電極線,有電動(dòng)機(jī);淺藍(lán),添加未屏蔽的延長線,沒有電動(dòng)機(jī);綠色,添加未屏蔽的延長線,有電動(dòng)機(jī)由上是阻抗功率譜圖

觀察到明顯的差異是,在恒溫水浴運(yùn)行時(shí),非屏蔽延長線中存在60Hz(電源線)干擾,以及二次諧波(120Hz)和三次諧波(180Hz)噪聲。不僅如此,即使沒有附近的電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn),使用非屏蔽延長線時(shí),總體的噪聲水平也偏高。

總結(jié)

本篇應(yīng)用報(bào)告介紹了對(duì)于許多電化學(xué)測(cè)試應(yīng)用,必須使用屏蔽的電極線。我們不建議您使用延長線加在標(biāo)準(zhǔn)電極線上。如果想使用更長的屏蔽電極線,請(qǐng)與我們聯(lián)系。

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