All-in-One Messgerät für Eigenpotentialmessungen

Hallo liebe Community!

Das Messgerät soll für Eigenpotentialmessungen (self-potential) verwendet werden. Dabei handelt es sich um den natürlichen “Batterieeffekt” des Bodens, zur Detektion von Grundwasser, Erzkörpern, Halden etc. in Kombination mit anderen geophysikalischen Methoden.

Genereller Ablauf/Aufbau einer SP-Messung:
Die Verbindung mit dem Boden wird mittels unpolarisierbaren Elektroden hergestellt - sind im Prinzip Plastikrohre mit einem porösen Keramikspieß auf der Unterseite, die in den Boden gesteckt werden. Diese Rohre sind mit einer gesättigten Kupfersulfatlösung gefüllt in die ein Kupferstab eintaucht. Dieser Kupferstab wird meist mittel Bananen oder Krokodilstecker mit einem Kabel (100-1000m) mit Abstandmarkierungen verbunden und die beiden Elektroden in unterschiedlichen Abständen entlang eines Profiles gesteckt - 10 m zwischen Elektroden, 20m, 30, etc…eine Basiselektrode und die andere ist die Wanderelektrode, weil sich deren Abstand zur Basis laufend ändert. Anmerkung: Eigenwiderstand des Kabels + Elektroden + Stecker ist im Prinzip egal da immer gleich groß, weil sich die Kabellänge während der gesamten Messreihe nicht ändert. Zwischen diese Elektrode wird ein Multimeter gehängt, die abgelesenen Werte (Messwertschwankungen im Kopf gemittelt) werden auf einem Zettel notiert, ebenso wie die Koordinaten vom mitgeführten GPS, Uhrzeit, laufende Nr im Profil, Profilnummer und die Daten werden am Ende in ein Excel-file übertragen für die Auswertung.

Ziel dieser Übung:
Ein Gerät, welches alle benötigten Messwerte digital erfasst und abspeichert. Weiters sollen die Messwerte über einen vorher einstellbaren Interval gemittelt werden - in der Natur schwanken die Werte dann doch teils um +/- 10mV im 10 Millisekundentakt auf einem gewöhnlichen Multimeter. Das Messgerät sollte demnach Multimeter, Datalogger, GPS, Uhr und Datenspeicher in sich vereinen.

Prinzipielle Anforderungen:
Genauigkeit: ~1mV
Messbereich: -2V bis +2V
GPS: Genauigkeit von 10m ist ausreichend
Messbereichsabsicherung: -25V bis +25V (falls die im Feld arbeitende Person ihre Autobatterie oder sonstige
Batteriespannung misst - klingt jetzt vmlt. etwas blöd, aber ist leider nötig - man erlebt die interessantesten Dinge)
Temperaturschwankung: beträgt grob 1mV pro 10°C Differenz - wird einfach ignoriert => daher kein Thermometer in den Elektroden

Komponenten:

  • Arduino Mega 2560 (gerade zur Hand)
  • AZ-Delivery MT3608 oder LM2596S: DC-DC Wandler, 5V werden direkt eingespeist (je nach Enddesign mit 6 oder 3 NiMH Mignons)
  • MCP4725: DAC zum Softwareseitigen Einstellen der Offset Spannung, um positive und negative Werte zu messen und Messbereich zu skalieren
  • HW125 MicroSD Card Module: zum Speichern der Daten
  • ADS1115: Messung der Spannung
  • I2C Display: 20x4 Display für Menü, Status, etc…
  • GPS-Modul: noch keine Auswahl getroffen, für Koordinaten und Uhrzeit, vmtl. MakerHawk GPS-Modul um ca. 16€
  • 4x4 Keypad: Eingabe für Menü, Starten der Messung, etc.
  • Button: Arduino in Standby modus schicken zwischen den Messungen und dann aufwecken mittels Interrupt
  • Buzzer: Beepen nach Tastendruck und abspeichern des Messwertes
  • 2 Leds für Gerät On und ein anderes LED ob Messwert zwischen +/- 2.5 V oder darüber liegt bis +/- 25V

Umsetzung und Fragen:

  • Auf Display, SD-Card Reader, Buzzer, LED gehe ich jetzt nicht näher ein - funktioniert einwandfrei.
  • Die Idee des DAC ist es einen variablen Offset für die Messungen zu erzeugen, damit auch negative Werte als solche erfasst werden können. Werte am ADS1115 müssen auf jedem Kanal immer zwischen GND und VCC liegen → daher Offset. Falls die Werte doch einmal zwischen +/-2.5 und +/-5V liegen, dann wird der Offset vom Programm verändert je nach Vorzeichen der angelegten Spannung (siehe Punkt 3). → Standardeinstellung ist +2.5V.
  • Werte werden mittels ADS1115 im differentiellen Modus ausgelesen - 1. Kanal: Messwert, 2. Kanal die Offsetspannung vom DAC könnte theoretische die Messgenauigkeit verändern indem ich den Gain je nach Messwert zusammen mit dem Offset am DAC verändere (theoretisch, bin aber mit den aktuellen Ergebnissen bei dem default Gain von 2/3 absolut zufrieden)
  • Um die dynamische Anpassung unter Punkt 1 umsetzen zu können wird ein Spannungsteiler benötigt der den Messwert um den Faktor 10 reduziert. Dieser wird dann ausgewertet (anderen 2 Kanäle am ADS oder mit Arduino selbst, ist egal da keine Hohe Genauigkeit erforderlich) inkl. Offset von 2.5V und falls der Wert im Messbereich liegt wird die Messung mittels ADS1115 wie beschrieben durchgeführt. So kann ich mich auch gegen potentielle Anwenderfehler z.B. Messung von Autobatterie 24V, 9V Block/Akkupack, etc. bis 25V absichern
  • Hab schon probiert die gesamte Messung über den Spannungsteiler laufen zu lassen - aber möchte mir die Genauigkeit des Messwertes nicht künstlich verschlechtern, daher möchte ich die Spannung außerhalb des Intervals +/- 2.5 V seperat messen und sozusagen die detalierte Messung softwarseitig dazuschalten bzw. sperren.
    => Hab keine Idee wie ich diese Idee umsetzen soll. Bitte hierbei um Hilfe! - meine Elektrotechnikkenntnisse sind schon sehr eingerostet, daher bitte etwas ausführlicher beschreiben, Danke!
    => Meine bisherige Schaltung grob skiziert im Anhang
  • Hab die ausgegebenen Werte mit jenen eines Tacklife DM07 verglichen zb. 1300|1308; 1121|1129; 440|437; 446|449 - bei der Messung von Mignon Batterien, bin mir nur nicht sicher wie es dann bei realen Messungen aussieht.
  • Macht das so alles Sinn? Bitte um Ideen, Wünsche, Anregungen :slight_smile:

ralf1709:
Macht das so alles Sinn? Bitte um Ideen, Wünsche, Anregungen

Wenn Akku/Batterie als Energiequelle, dann einen anderen Display.
lcd 128x64 ist gut.

Ob das alles Sinn macht, kann ich nicht beantworten
Zwei Threads die ich Dir ans Herz lege:

Wenn Akku/Batterie als Energiequelle, dann einen anderen Display.
lcd 128x64 ist gut.

Wieso den das?
Grüße Uwe

1mV Genauigkeit auf einer 30m Leitung (und mehr) ist schon ganz schön sportlich. Ich würde alleine die Verkabelung mit einem passenden Meßgerät (Scope...) untersuchen, bevor ich eigene Elektronik dranhänge. Wie hochohmig wird denn die Strecke zwischen zwei Elektroden?

Eine "Genauigkeit von 1mV" ist wohl nicht gemeint, eher "Auflösung".

In der Natur schwanken die Werte dann doch teils um +/- 10mV im 10 Millisekundentakt

Im 10ms Takt (Netzfrequenz) bekommt man beliebig hohe Schwankungen, je nach Eingangsimpedanz.
Auf einer 1000m langen Einzelader wird sich bei hochohmigem Eingang einiges ansammeln. Könnte gut sein, dass die aktuelle Lage der losen Leitung im Gelände und/oder andere noch unklarere Effekte überhaupt einigermaßen reproduzierbare Mess-Werte verhindern.

Ein niederohmiger Eingang sollte elektrostatische Störungen eher dämpfen als das zu messende Self Potential ?

Wenn Potentialdifferenzen von +- 2V zu erwarten sind, sollten die arduino-üblichen 10bit (0,1%) eigentlich reichlich "genau" sein, aber ein ADS1115 geht natürlich auch :slight_smile:

Vielen Dank für die Rückmeldungen!

uwefed:
Wieso den das?
Grüße Uwe

Warum ich dieses Display verwenden sollte erschließt sich mir auch nicht.

michael_x:
Eine "Genauigkeit von 1mV" ist wohl nicht gemeint, eher "Auflösung".

Auflösung macht in diesem Zusammenhang natürlich mehr Sinn, original Wortlaut: "2 non‐polarizable porous‐pot electrodes connected to a precision voltmeter capable of measuring to at least 1mV"

Mein Geophysikkurs an der Uni ist auch schon lange her und ich kann mich leider nicht mehr wirklich an die praktischen Feldmessungen erinnern, außer das es geregnet hat. Das Messgerät war ein ganz normales 0815 Voltmeter aus dem Baumarkt.

Im Anhang hab ich das Ergebnis einer dieser Messungen. Dabei handelt es sich um zwei unterschiedliche Profile aufgenommen über einem ehemaligen Blei-Zinkbergbau. Die niedrigsten Werte repräsentieren die Vererzungen. In der Theorie sind Werte im Bereich +/- 1 bis 2V möglich, jedoch bewegt man sich eher in dem Bereich +/- 1V (siehe Profile).

Falls jemand näheres Interesse an der Thematik hat, da gibt es ein gutes Video auf youtube - einfach "self potential measurments" suchen, heißt SP Tutorial und ist von 4scienceprod production.

DrDiettrich:
1mV Genauigkeit auf einer 30m Leitung (und mehr) ist schon ganz schön sportlich. Ich würde alleine die Verkabelung mit einem passenden Meßgerät (Scope...) untersuchen, bevor ich eigene Elektronik dranhänge. Wie hochohmig wird denn die Strecke zwischen zwei Elektroden?

Kann mir die Verkabelung im Prinzip nicht wurscht sein? - Der Eigenwiderstand der Messanordnung (Kabel und Elektroden) bleibt doch während der Messung konstant?
Am Beginn der Messungen schließt man die Elektroden kurz, um den Eigenwiderstand der Messanordnung zu kontrollieren, der Widerstand der Elektroden und Kabel sollte sich während der Messung natürlich nicht verändern - hat dann mit der Zeit Erfahrungswerte und kann bei Bedarf gegensteuern - reinigen der Kupferstäbe mit Schleifpapier, Anschlüsse überprüfen etc...

Die Kabellänge wird vmtl. 300 m betragen. Der Widerstand zwischen den Elektroden schwankt natürlich je nach Boden. Trockener Sand leitet z.B. überhaupt nicht, da ist eine Messung sinnlos oder auch wenn die Elektroden keinen ausreichenden Kontakt zum Boden haben. Ich werde das Messgerät wohl dahin erweitern müssen, dass auch der Widerstand bestimmt wird, um sinnlos Messungen/Interpretationen zu vermeiden. In dem oben erwähnten Video wird mit dem handelsüblichen Multimeter auch der Widerstand gemessen und der schwankt zwischen 3-143 kOhm, wobei der Schnitt so um die 20 kOhm liegen dürfte.

ralf1709:
In dem oben erwähnten Video wird mit dem handelsüblichen Multimeter auch der Widerstand gemessen und der schwankt zwischen 3-143 kOhm, wobei der Schnitt so um die 20 kOhm liegen dürfte.

Die 20k kommen mir bekannt vor. AFAIR ist das der Widerstand der Erde, aufintegriert zwischen beliebigen Punkten. Das entsprechende Skript ist mir nach 50 Jahren leider nicht mehr zugreifbar :frowning: