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導致實驗出現噪音幹擾的原因是什麼?

時間:2019-05-16閱讀:2581

Q:  What can cause my experiment to appear "noisy"?

導致實驗出現噪音幹擾的原因是什麼?

A:  很多情況下我們會收到關於在實際測試中資料出現噪音幹擾或電流波動的問題反饋,造成這種現象的原因通常來自於:1) 參比電極,2)  裝置沒有正常接地, 3)  所測試的電解池具有高電容特性, 4)  環境幹擾。

Reference Electrode

參比電極原因

應該說大多數的噪音或波動問題都緣於參比電極。普林斯頓恆電位儀是採用差分靜電計來測量電位的,它需要同時測量參比電極與工作電極的輸入端來獲得精確的電極電位。  使用差分靜電計測量的優勢之一是當測試過程中電流出現過載時可以確保電解池電位的恆定控制,而差分靜電計的缺點是當參比的阻抗特別大時(如50,000 Ω or more)會導致與參比電路上寄生電容相關的偶合阻抗增大 ,從而降低了靜電計放大器的負反饋端的穩定作用,而我們知道靜電計的正反饋端是會破壞穩定性的並且發生的很快,這樣就導致了恆電位儀結果的波動。

大多數情況下透過測試參比電極就可以找到問題所在,如電極多孔陶瓷頭堵塞,電極內有氣泡,使用了雙鹽橋連線(也就是魯金毛細管),鹽橋內溶液的阻抗高也是造成參比阻抗過高的原因之一。辨別參比電極好壞的簡單快捷的方法是將參比電極端斷開然後將參比電極連線夾子與對電極連線夾一起連線至對電極上形成兩電極體系,此時對電極同時作為輔助電極和模擬參比電極使用。如果透過此方式測試時噪音消失則需要更換參比電極或按照如下方法檢測參比電極:

推薦使用如下方法檢測/處理參比電極的故障:

  • 降低參比電極的阻抗,確定參比電極頭是正常的,如果有問題立即更換。在鹽橋或魯金毛細管內避免使用任何高阻抗溶液。
  • 透過使用系統的E/I濾波功能提高E/I的穩定性,當然這需要您的裝置支援此功能。系統在電流靈敏度測量裝置上並聯了一個10nF的電容以降低I/E轉換器的頻寬從而大大減小了相位漂移及電位波動。
  • 如果問題是因為溶液阻抗過高造成的則需要在體系的對電極與參比電極之間連線一個100nF的電容,這對於降低電位控制運算放大器的速度有一定的效果並且這不會允許出現與反饋響應不同步的電位控制現象。
  • 如果進行的是腐蝕實驗,請嘗試在工作電極與地線之間串接一個0.1-1µF的電容,以使不太穩定的高頻交流訊號不被測量到,這樣就有助於降低恆電位儀的電流測量並且能消除波動。注:此方法不適用於阻抗測量實驗。
  • 對於阻抗測量方法可使用一根鉑金絲並將它與正在使用的參比電極並聯連線,鉑金絲的一端須靠近參比電極頭或鹽橋頭,另一端在與一個0.1 - 1 µF電容連線後串連至參比電極線。這樣在測試時會在參比線路中濾掉交流訊號中的高頻部分(如果使用的是1 µF的電容,2KHz以上的訊號將被分流掉)而只檢測直流部分。

Improper Grounding

不完美的接地

當儀器間相互連線及與其操作電腦相互連線時將他們的外殼連線至同一地線介面是相當重要的,不管你信不信大多數的地線介面都會由於牆體中電線的長度不同而不處於同一樣的電位狀態並且同一個房間內的兩個電源插座間的地線電位差通常會有幾百個毫伏。如果兩個儀器透過一根訊號傳輸線連線在一起而每個儀器分別連到不同的電源插口,這時在兩個儀器間可能會由於電位差和連線線的遮蔽層阻抗而產生電流流動。而產生的交流電壓和電流*終會影響到你正在測量的訊號,這應該怎樣避免呢?

首先所有用於實驗的儀器的電源線都必須連線到同一個電源插座上,包括恆電位儀,電腦及其它的電腦附件(如:要確認印表機是否會有幹擾,因為這一類的裝置通常會被忽略),旋轉圓盤電極等等。如果需要可使用一個工業用的多插孔插排,將相關儀器的電源全部依次插在上面即可。所有儀器的電源線應該被歸整在一起並儘可能的遠離一切有可能對它造成幹擾的訊號及不屬於同一個系統內的儀器。另一個方法是透過提供其它路徑來減少分支電路中的電流量,這常被稱作"strap-them-together approach",*簡單的方法是使用一根較粗的銅線(#10或更大)將實驗時所用到的所有儀器的外殼直接連在一起以形成*短的雜流消除路徑。

Highly Capacitive Cells

高電容性體系
當測試一個電容性體系時所有的恆電位儀將變的不穩定,恆電位儀的反應越快就會有越多的問題。例如:普林斯頓的恆電位儀283在進行日常的腐蝕測試時資料就會出現波動。透過方法ASTM G5 (430不鏽鋼在硫酸溶液中的測試)可知,當測試樣品到達“鈍化”區時就會形成一種比較穩定的氧化層,此氧化層會產生電容特性,這樣就使得已經產生相位偏移反饋訊號的恆電位儀發生更大的相位偏移而沒有辦法去消除噪聲幹擾。或者說具有諸如跟283一樣頻寬的系統在鈍化區時曲線都可能會產生波動。

幸運的是解決這種特殊問題的方法很簡單,就是啟用軟體中的I/E濾波功能(具體見上方參比電極部分)來降低I/E轉換器的頻寬。也可以在參比電極和對電極之間串接一個電容器 (100 nF,詳見上面參比電極部分),這樣降低電位控制運算放大器的速度有很好的效果並且不會允許電位控制與反饋響應不同步的情況出現。

Environmental Pick-Up

環境幹擾

電源線,電腦顯示器,攪拌器以及熒光燈都會是造成幹擾的因素,特別是在做小電流測試時。大多數比較實際的方法是用一個細金屬線編織的足夠大的法拉第遮蔽箱去遮蔽你的實驗體系。接縫處必須被很好的焊接並且電極線只能從一個大小合適的圓孔裡進出,遮蔽箱必須跟測試系統一起接地,也就是說,必須與所使用的電極線上面的黑色夾子連線或與恆電位儀連線。當然,已經接地的金屬通風廚也能起到不錯的遮蔽作用可以嘗試使用。

近年來出現了一個新比較特殊的問題,就是新的強制性的節能照明燈也會導致恆電位儀系統產生一些電流噪音,目前新的標準是使用T-8型燈,此燈更節省能源更靜內部也沒有PCB板,可提供更真實的彩色照明並且是透過電子鎮流器控制。電子鎮流器能在一個比較高的頻率範圍內執行(20-25KHz)而T-12型的鎮流器的電磁設計只能在60Hz執行。這種高頻可以在比較小的電子能量時獲得與T-12一樣的照片效果,但不幸的是這種電子鎮流器很可能會使我們的系統出現噪音幹擾h。判斷噪音問題是否是來自於你的燈光的*簡單的方法是在實驗過程中關掉那些燈光然後看一下噪音是否減少或消失。

除消除幹擾源頭之外,你可以使用I/E和低通濾波功能去減少來自於環境的影響。

上壹個:為什麼在電流靈敏度改變時有時會有電流尖峰出現?

下壹個: 在“PowerSuite”軟體中如何不透過新方法建立程式而直接快速的執行另一個新的測試?

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