Complexe impedantie

Hoi allen,

Voor een van mijn hersenkronkels te bevredigen ben ik op zoek naar een methode om de complexe impedantie van een bijna isolator te bepalen. (ttz een stof met een zeer hoge weerstand in de orde MOhm, neem bv een deel mens, een hand of dergelijke).

Nu weet ik uit mijn (mini) opzoekwerk dat meestal om de complexe impedantie te meten in de antenne techniek hiervoor een VNA gebruikt word. Aangezien in mijn (fictief) voorbeeld de weerstand hoog is vrees ik dat een VNA methode hier waardeloos is (tenzij er VNA's bestaan die hoogspanning of hoge stromen kunnen leveren).

Hoe zouden jullie dit (fictieve) probleem oplossen ?

Ik ben infeite opzoek naar de complexe impedantie van aangezuurd water (zoals bv in een auto batterij), voor een experiment maar zit even 'stuck' bij het meten/of te weten komen van de complexe impedantie hiervan :s

complexe impedantie bestaat uit een stuk echte ohmse weerstand en een stuk imaginaire weerstand. Deze laatste is zover ik weet alleen inductief of capacitief maar best mogelijk dat er meer varianten bestaan. Ik denk zelf dat water alleen ohms is en dat je hiervoor iets in de geest van een isolatietester (in de volksmond : megger) moet gebruiken. Bij vloeistof wordt dacht ik meestal het omgekeerde gemeten: de geleiding in siemens

Misschien dat de reden 'waarom' meer licht op de vraag laat schijnen : ik ben geïntresseerd hoe de ULF uitzendingen naar duikboten onder water (dus door water) werken ...

Dat is interessante materie, maar waarom begin je dan over bijna-isolatoren?
Het water in de meeste internationale vaarwateren is juist een tamelijk goede geleider. 5 S/m is heel normaal.

Als je, bij wijze van spreken, een kubus van glas zou nemen, en die aan weerszijden bekleden met een metaalfolie, dan zou je er water in kunnen gieten en de weerstand tussen de twee platen kunnen meten.
Voor zeewater in een kubus van een liter zou dat ongeveer 2 ohm worden. Dat is vrij eenvoudig te meten - uiteraard op de frequentie waarbij je de gegevens nodig hebt.
Door ook de fase tussen spanning en stroom te meten, weet je dan verder alles.

De bestaande "accubakken" (die vroeger, gevuld met kerstballen oid. vaak als decoratie gebruikt werden) lijken bruikbaar.

Dat is best leuke materie, dat staat nog steeds op mijn lijstje sinds ik een keer een duikboot ontvanger heb gerestaureerd. Ik denk alleen niet dat het iets met de complexe impedantie van zeewater te doen heeft. Dat is ook niet aangezuurd water lijkt me maar zout water en dat geleid wel goed . Je kunt denk ik beter zoeken op dingen als radiogolven, propagatie, voortplantingsnelheid, geleidbaarheid enzo

Fet was me voor maar hij heeft meestal gelijk

Ik denk dat de goede geleiding van het water nou ook juist een groot probleem is voor die communicatie. De zee vormt een soort kooi van Faraday. En ik vraag me af hoe je verder gaat met redeneren als je deze gegevens eenmaal hebt. Maw hoe vertaal je een experiment van een glas water met twee electrodes erin naar hoe een radiogolf zich voortplant van zender naar duikboot, door het wateroppervlak en daaronder? Ik vermoed dat je de vergelijkingen van Maxwell hier erg nuttig kan inzetten.

Waarom ik over een bijna isolator en aangezuurd begon heeft te maken met m'n warhoofdigheid ,) ... ik had beter eerst gevraagd naar zeewater (water met zout in, wat in ionen splitst), in m'n hoofd zat ik al verder met aangezuurd water zoals in een accu (wat ook in ionen splitst), en nog verder vroeg ik me af hoe het dan zat met gedemineraliseerd water (wat vrijwel als isolator kan beschouwd worden).

Veel vragen dus, misschien had ik ze beter in deze volgorde gezet

Geleiding is een ding, maar polariseerbaarheid zal ook wel invloed hebben. Water heeft een heel andere dielectrische constante dan lucht.

Vandaar de eerste vraag ,) ik vermoed dat de weerstand niet enkel ohms is maar complex is, om deze te meten heeft fet er een antwoord opgegeven, even op zoek naar een glazen bokaaltje. (om toch even iets praktisch uit te voeren ,)

Ik heb een VNA dus ik zou wat kunnen meten maar hij begint pas bij 100KHz en de duikboten zaten lager volgens mij. Die murphy begon al bij 10KHz maar ik heb ook wel eens iets gelezen over communicatie op nog lagere frequenties.

Inderdaad, deze werken vanaf 300 Hz
http://en.wikipedia.org/wiki/Ultra_low_frequency
tot
http://en.wikipedia.org/wiki/Very_low_frequency
pakweg 30 kHz

Plots merk ik ook op dat als men nog lager dan VLF gaat (vandaar dat ik er ook ULF bijzet) dat radiogolven door aarde gaan (in het geval van communicatie in mijnen zoals in dat wikipedia artikel gerefereerd wordt)

Heeft iemand hierover meer informatie ?
Ik merk dat tegenwoordig de lage frequenties commercieel niet veel meer gebruikt worden, men gebruikt tegenwoordig veel meer digitale technieken zoals time division multiplexing etc om de bandreedte zo effectief mogelijk te gebruiken, of heb ik het mis ?

(Niet dat wikipedia dé nauwkeurigste infobron is, maar het geeft wel een indicatie)

[Bericht gewijzigd door HermanDP op 30 juni 2009 00:17:19 (49%)]

Die lage frequenties zijn altijd digitaal geweest (CW of FSK enzo). Op 300Hz of lager in phone moduleren wordt wat lastig dus commercieel niet interessant denk ik.

[Bericht gewijzigd door fred101 op 30 juni 2009 00:38:33 (22%)]

Als je met een experiment iets zinnigs wil zeggen over zulke lage frequenties dan ga je er denk ik niet komen met een glaasje water. Denk aan de golflengte.
Misschien dat je juist wel meer leert door in een glaasje water naar hogere frequenties te kijken, en dan te extrapoleren naar lage frequenties/grotere schaal.

Zou ik niet doen, zo'n extrapolatie levert onzin op.

Bij gelijkspanning is de diëlectrische constante ε_r van water iets van 70 à 90 (hangt af van de temperatuur).

Bij de frequenties van zichtbaar licht is het duidelijk minder. De brekingscoëfficiënt van water is immers maar 1.33, dat duidt op een ε_r van 1.78.

Naar hogere frequenties neemt die constante dus af. Maar waar ligt het kantelpunt?
Wel, pas boven de 1GHz (voor de geleiding) à 2GHz (voor ε_r) begin je pas langzamerhand verschil te merken.

Dus voor gelijkstroom, lange, midden, korte golf, vhf en uhf mag je nog gewoon met de dezelfde (gelijkstroom-) waarden rekenen zonder een merkbare fout te maken.

Een magnetronschaal met water, ongeveer een liter met een theelepel zout. Aan weerskanten een strook aluminiumfolie in het water. Weerstand met ohmmeter van strook tot strook niet te doen, loopt vanaf 600 ohm terug. C-meter geeft 24uF aan. Leuke condensator zo.

Alleen de alu flappen zonder het water:
100KHz tot 11MHz: -80dB tot -40dB tov 50 ohm referentie
fase verloopt +90 graden

De flappen in het water: +2,4dB tov 50 ohm en lineair van 0 graden bij 100KHz tot -10 graden bij 11MHz
Bij 0,1-1MHz sweep geen fase verandering.

Flappen buiten het glas met water er tussen in:
-70dB tot -48dB van 0,1-1MHz, fase +90
-70dB tot -26dB bij 0,1-11MHz, fase +90 tot +60

500KHz meetzender en scoop: 50 ohm meting 1:10 sniffer probe, meetzender aan alu strook, probe in water: Meet de zelfde spanning als direct aan de meetzender. Als ik de probe naast de kom hou tegenover de flap dan meet ik nog steeds bijna de halve amplitude. Hou ik hem naast de bak ongeveer even ver dan meet ik bijna niets meer. Het water geleid dus goed.
Bij 10Hz meet ik 10Vtt aan de meetzender, 10Vtt in het water en 1Vtt buiten het water. De 10Hz wordt sterker gedempt dan de 100KHz

Zo weer een uurtje leuk gespeelt

voor duikboten maak(te) men gebruik van elf (tussen 3 en 30 Hz)

Ja; alleen de frequentie was 72..80Hz. Ook laag, maar toch weer enkele orden van grootte "makkelijker".

@Fred: hoe had je die bak nu aangesloten in de meting?
Wel leuk, om er zo meteen mee aan de slag te gaan.

Ik had "antennes" gemaakt van stroken aluminiumfolie. Toen mijn DUT houder voorzien van krokodillen en aan elke krokodil een strookje aluminium. Dus een ontvangst en een zend antenne. Daarom ook de eerste metig zonder water als referentie.

Er is gemeten met de "antennes"beide tegen over elkaar in het water en de antennes tegen over elkaar maar dan tegen de buitenkant van het glas.

Heeft zo'n meting ook nog enige zin ?(behalve leuk tijdverdrijf,Nu weet ik in ieder geval hoe ik een elco kan maken )

eigenlijk zou de waterbak groot moeten zijn en de antenne voor zenden buiten de bak en de ontvangstantenne in de bak. Ik meet bij deze frequenties nogal in het nabije veld en de verhouding electrisch en magnetisch veld nog niet in evenwicht is. De meting in het water zelf zegt natuurlijk wel iets over de geleiding en complexe impedantie en dat was de bedoeling. Nu is dat capacitief maar dat komt omdat de platen dus eigenlijk te dicht bij elkaar staan. Eigenlijk zou de afstand zo groot moeten zijn dat de platen elkaar niet meer opmerken. Maar misschien dat die invloed dan door de eerste meting te neutraliseren is.

Aha, ik dacht het al die kant op te zien gaan.
Maar de oorspronkelijke vraag was, denk ik, eenvoudiger; die ging om de soortelijke geleiding en de soortelijke capaciteit van water (+toevoegingen), bij verschillende frequenties - vooral lage.
Kun je ook gewoon eens de impedantie meten van je blok water? Bij, zeg 1 kHz om te beginnen.

Hoe doe ik dat dan precies ?

Gewoon, spanning erop en stroom meten. En fase.

OK 230V erin, multimeter erbij

Mijn VNA kan niet tot 1KHz. Ik zat te denken aan een signaal generator op de ene electrode. Gewoon een staafje ivm capaciteit.
Dan de ene scoop probe op de generator, de andere op de ontvangstkant ivm het fase verschil. De probes 1:10

De stroom is wat lastiger. Aan de generator kant kan ik een 1 ohm serie weerstand opnemen en de spanningsval met een RMS meter meten maar aan de ontvangstkant wordt dat wat lastig. Ik kan natuurlijk het staafje aan de ontvangstkant via 47 en 3 ohm naar massa leggen. Dan kan ik over die 3 ohm en die 1 ohm de spanning meten.

Ik kan dat op verschillende frequenties doen en bij gewoon water en zout water. Ik zal de inhoud ook precies meten. De hoeveelheid zout wordt wat lastig want ik heb geen brievenweger.

eigenlijk zou de waterbak groot moeten zijn en de antenne voor zenden buiten de bak en de ontvangstantenne in de bak

Iemand een plonsbadje ?

Kan je als 1kHz bron bv geen auto audioversterker gebruiken met 1kHz van een signaalgenerator aan de input derin ?

De redenering is als volgt, meeste van die dingen kunnen tegen een belasting van 2 ohm (sommige zelfs 1 ohm). Volgens fet zou de ohmse waarde van de kom rond de 2 ohm zijn. Sommige rijdende disco kar versterkers hebben een zeer laag bereik tot soms 10Hz.

Ik zou het gewoon zo doen:

Waterbak aan de ene kant aan massa (punt 0)
De andere kant (punt 1) via 10 ohm aan toongenerator (punt 2).

Scoop Y1 op punt 1. Scoop Y2 op punt 2

Nu de Y waarden (piek-piek) noteren, en het faseverschil. De rest rekenen we daarna wel uit.

De toongenerator zal zelf wel 600 ohm zijn, maar dat maakt niet uit. Je kunt ook een audioversterker tussenschakelen, zoals Herman voorstelt. Hangt een beetje van de gevoeligheid van de scoop af, en of er veel ruis meekomt. Met meer spanning heb je van de ruis/troep geen last.

En ook meten zonder vloeistof, zodat je weet wat de capaciteit is zonder medium.