Widerstände analysieren: Elektrische Impedanz und was dahinter steckt
Fortsetzung des Artikels von Teil 5
Widerstände analysieren: Elektrische Impedanz und was dahinter steckt
Eine relativ einfache Technik besteht darin, ein gemessenes Impedanzprofil mit einem vorbestimmten Profil zu vergleichen und daraus Erkenntnisse abzuleiten. Ein Beispiel wäre ein Sensor zum Aufspüren von Metallen, der mit Wirbelströmen arbeitet. Ein AC-Signal mit hoher Frequenz wird in einer Spule im Sensorgehäuse erzeugt. Das von der Spule erzeugte elektromagnetische Feld induziert Wirbelströme in einem leitfähigen Zielobjekt. Dies wiederum interagiert mit der Sensorspule und ändert dadurch ihre Impedanz.
Die Fähigkeit, die Impedanz der Spule über die Frequenz zu untersuchen, bietet eine Reihe von Vorteilen. Da die Permeabilität des Materials die Impedanz der Spule beeinträchtigt, ist es möglich, empirische Impedanz-Signaturen zu verwenden, um Aufschlüsse über die Art des Metalls zu erhalten. Dieses Prinzip kann auch verwendet werden, um mit einem Sensor Metalle mit unterschiedlicher Permeabilität aufzuspüren. Permeabilitätsänderungen können ferner verwendet werden, um mechanische Spannungen in Metallen zu messen. Dies ist möglich, weil sich durch Änderungen der Spannungen die Permeabilität und damit die Impedanz ändert. Bode- und Nyquist-Diagramme sind nützlich bei der Untersuchung des Frequenzverlaufs des Sensors. Die Untersuchung der Impedanz über mehrere Frequenzen liefert ein genaueres Ergebnis als eine Messung an nur einem Punkt, weil so das Rauschen gemittelt wird. Sie erlaubt auch, den optimalen Betriebspunkt zu ermitteln, indem man den Frequenzverlauf der kapazitiven und induktiven Komponenten unter bestimmten Bedingungen untersucht.
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Ein Vergleich von gemessenen mit erwarteten Impedanzprofilen kann bei vielen verschiedenen Sensortechnologien auf Impedanzbasis verwendet werden, bei denen ohmsche, kapazitive oder induktive Widerstandsänderungen entstehen. Gebräuchliche Anwendungen reichen von der Aufspürung von Gasen mit chemischen Sensoren über kapazitive Feuchtesensoren und Sensoren zum Erkennen von Metallstücken in der Spiele- und Lebensmittelindustrie bis hin zur Überwachung von Erde im Agrarbereich.
Mehr als nur ein Sensor
Die Impedanzanalyse kann mehr enthalten als lediglich den Vergleich eines Impedanzverlaufs mit einem erwarteten Profil. Die Impedanz-Spektroskopie (IS) wird oft auch verwendet, um Systeme zu charakterisieren und nützliche Informationen über ein System zu gewinnen. In diesem Beitrag wird ein System als ein Element oder Material in elektrischem Kontakt mit Elektroden definiert. Dies kann eine aus zwei festen (bei vielen chemischen Sensoren) oder einem festen und einem flüssigen Material (bei der Untersuchung der Konzentration eines Stoffes in einer Flüssigkeit) bestehende Schnittstelle sein. Die Impedanz-Spektroskopie kann verwendet werden, um Informationen über das Element selbst und die Schnittstelle zwischen dem Element und der Elektrode zu erhalten.
Die Impedanz-Spektroskopie nutzt die Tatsache, dass beim Anlegen eines kleinen Spannungspotentials an die Schnittstelle eine Polarisierung stattfindet. Die Art und Weise, wie die Schnittstelle polarisiert, kombiniert mit der Geschwindigkeit, mit der die Änderung bei der Umkehrung des angelegten Potentials erfolgt, charakterisiert die Schnittstelle. Für die System-Schnittstelle können Informationen wie Adsorption/Reaktionsgeschwindigkeits-Konstanten, Diffusionskoeffizienten und Kapazität gewonnen werden. Für das Element selbst können Informationen wie Dielektrizitätskonstante, Leitfähigkeit, Verschiebung des Ladungsgleichgewichts, Bestandteile von Konzentrationen und Rekombinationsgeschwindigkeiten ermittelt werden.
Als Bestandteil der Daten-Analyse ist es üblich, Ortskurven der Impedanz gegenüber der Frequenz zu generieren. Ein Nyquist-Diagramm ist eine Ortskurve, welche die Real- und Imaginärteile der Übertragungsfunktion in der komplexen Ebene und beim Durchlaufen eines bestimmten Frequenzbereichs darstellt. Wird der Realteil auf der x-Achse und der Imaginärteil auf der y-Achse aufgetragen (die y-Achse ist negativ), erhält man eine Darstellung der Impedanz bei jeder Frequenz. Mit anderen Worten: Jeder Punkt der Ortskurve der Impedanz entspricht einer bestimmten Frequenz. Die Impedanz kann berechnet werden aus der Vektorlänge |Z| und dem Winkel zwischen diesem Vektor und der x-Achse, Ø. Bild 1 zeigt ein typisches Nyquist-Diagramm für einen parallelgeschalteten Widerstand und Kondensator.
Obwohl sie häufig verwendet werden, liefern Nyquist-Diagramme keine Informationen über Frequenzen. So ist es für eine bestimmte Impedanz nicht möglich, zu sagen, welche Frequenz verwendet wurde. Deshalb werden Nyquist-Diagramme normalerweise mit anderen Ortskurven ergänzt.
Eine weitere beliebte Darstellung ist das Bode-Diagramm. In diesem Fall wird der Logarithmus der Frequenz auf der x-Achse aufgetragen. Der Betrag der Impedanz |Z| und die Phasenverschiebung werden auf der y-Achse dargestellt. Das Bode-Diagramm stellt deshalb Betrag und Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz dar (Bild 2). Normalerweise werden Nyquist- und Bode-Diagramme zusammen verwendet, um die Übertragungsfunktion eines Sensorelements zu erklären.
Impedanzbasierte Sensoren
Man stelle sich einen Sensor vor, der unter normalen Bedingungen eine bestimmte Impedanz-Signatur aufweist, welche sich aus der Kombination seiner kapazitiven, induktiven und ohmschen Anteile ergibt. Falls eine Änderung in der Umgebung des Sensors dazu führt, dass sich einer dieser Anteile ändert, wird als Resultat eine Impedanzänderung entstehen. Indem man das Sensorelement über die Frequenz untersucht, wird sich als Konsequenz dieser Änderung ein neues Impedanzprofil ergeben.
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