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Messung von Induktivität und Kapazität mit Soundkarte



1.1 Vorwort

Viele Freunde von Elektronikbasteleien, speziell aber im Zusammenhang mit Teslaspulen, stehen irgendwann vor Aufgabe, Kapazitäten oder Induktivitäten messen zu wollen.
Natürlich gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten bzw. im Handel erhältlichen Messgeräten, welche entweder recht ungenau oder aber sehr teuer sind. Dieses Problem soll mit diesem Artikel und dem zugehörigen Programm einer Lösung zugeführt werden.

Es ist Ziel diese Projektes ein sehr kostengünstiges, sehr einfaches und trotzdem recht genaues Messmittel für Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstände bereitzustellen.
Basis für dieses Messmittel soll eine Soundkarte mit minimaler äußerer Zusatzschaltung, sowie ein Softwareprogramm mit grafischer Nutzeroberfläche sein.


Hardy Scheidig
(April 2008)

1.2 Historie

  Version   Datum   Bemerkung
  1.0   20.04.2008   Grundversion
     





1.3 Urheberrechtsbestimmung

Der Inhalt dieses Werkes mit allen Texten und Abbildungen ist, soweit nicht anders gekennzeichnet, das geistige Eigentum von Hardy Scheidig.
Es unterliegt den deutschen und internationalen Urheberrechtsbestimmung.
Alle Rechte vorbehalten.

2 Einführung

Überblick:
Die Messung von Induktivität, Kapazität und Widerstand entspricht in der elektrotechnischen Netzwerkanalyse einer Zweipolmessung.
Als Basis für das Messprinzip soll die einfachste Methode, nämlich ein simpler Spannungsteiler, zur Anwendung kommen. Dieses Messprinzip macht es möglich, dass sich der Bauteilaufwand auf einen einzigen Widerstand plus Anschlusskabel zur Soundkarte reduziert.
Aber, trotz der Einfachheit des Prinzips lassen sich dank der Möglichkeiten eines Computers und mit geeigneten Signalverarbeitungsalgorithmen erstaunliche gute Ergebnisse erzielen.
Die Grundlagen basieren auf einem Verfahren aus dem Jahre 1985, welches nunmehr Stand der Technik ist:
"Verfahren zur Bestimmung von verlustbehafteten Induktivitäten und Kapazitäten";
Patentschrift DD 228 910 A1 , veröffentlicht am 23.10.1985

Messprinzip:
Die folgende Darstellung illustriert das Messprinzip. Die zugehörige Beschreibung gibt einen Überblick über die Funktionalität. Für theoretische Details siehe è 5.Theorie (kommt noch).

Abbildung 1 -  Messprinzip für Zweipolmessung
Abbildung 1 - Messprinzip für Zweipolmessung

Z:

  • "Z" ist das Messobjekt.
  • Aus theoretischer Sicht ist "Z" ein komplex-wertiger Widerstand
  • Z = Z_real + j*Z_imag
  • Die Zusammensetzung von Z , also welche Wirk- und Blindkomponente kombiniert sind, sein zuerst einmal nicht bekannt.
    Die Identifizierung der Komponenten sei neben der Bestimmung der Größe ebenfalls eine Zielsetzung
  • Wirkkomponente: Leistungsumsetzender Anteil
  • Blindkomponente: Speichernder Anteil, kapazitiv oder induktiv.
  • Z kann allgemein als Serien oder Parallelschaltung von Wirk- und Blindkomponente aufgefasst oder aber auch direkt verschaltet sein
  • Referenzwiderstand R_Ref:

  • R_Ref ist das einzige externe Bauteil.
  • Der Wert dieses Widerstands muss genau bekannt sein. Die Genauigkeit dieses Widerstandes ist im direkten Zusammenhang mit der relativen Genauigkeit der Messergebnisse.
  • Der Widerstand muss dabei keinen bestimmte Wert aufweisen, sondern der Wert eben nur möglichst genau bekannt sein
  • Wenn man es ganz genau haben will, muss man diesen Widerstand einmal mit einem guten Messgerät ausmessen.
  • In der Praxis reicht es allerdings aus, einen Widerstand mit einen Toleranzwert von 1% zu benutzen.
  • Der Wert des Widerstandes sollte im Bereich 10 Ohm...100 Ohm...1000 Ohm liegen
  • 10 Ohm, wenn man sehr kleine Induktivitäten oder sehr große Kapazitäten besonders genau messen will
  • 100 Ohm ist Standard.
  • 1000 Ohm, wenn man sehr kleine Kapazitäten oder sehr große Induktivitäten besonders genau messen will.
    Es ist zu beachten, dass der Einganswiderstand der Soundkarte für diesen Fall möglichst groß sein sollte.
  • Generator G / SoundCard Output 1:

  • "G" ist ein Signalgenerator.
  • In diesem Fall ist der Signalgenerator durch die Soundkarte realisiert.
  • Der Computer berechnet ein so genanntes "Multitonsignal" und gibt dieses über die Soundkarte aus.
  • Das Multitonsignal ist von Wichtigkeit für die automatische Bestimmung, ob es sich bei "Z" um einen Serien oder Parallelschaltung handelt.
  • Es ist möglich aus mehreren Sets von Signalen auszuwählen.
  • Damit kann man die Messgenauigkeit für sehr kleine bzw. große Kapazitäten/Induktivitäten optimieren.
  • Spannungsmessung (V) / Soundcard Input 1/2:

  • Es sind zwei synchrone Spannungsmessungen notwendig.
  • "synchron" bedeutet, dass es für dieses Verfahren auf das Betragsverhältnis und die Phasenbeziehung der Signale ankommt.
  • Die Messzeit, also die Dauer der Datenaufnahme für jeweils eine Messung, ist ebenfalls für die Genauigkeit von Bedeutung.
  • Es ist möglich verschiedenen Messzeiten auszuwählen.
  • Eine längere Messzeit reduziert die Standardabweichung (also die Schwankungsbreite der einzelner Messungen um den tatsächlichen Messwert) des Messergebnisses.
  • Computer:

  • Für die grafische Oberfläche und die Signalverarbeitungsalgorithmen ist ein Computer mit Stereo-Soundkarte erforderlich.
  • Die grafische Oberfläche und die Signalverarbeitungsalgorithmen sind im Programm "LCMeas" zusammengefasst.
    Siehe è 4. Programm Lc Meas (kommt nocht)
  • Eine wesentliche Eigenschaft der Signalverarbeitung sind die Kalibrieralgorithmen.
  • Nur unter der Benutzung der Kalibrieralgorithmen ist es möglich, die relative hohe Messgenauigkeit zu erzielen.
  • 3 Hardware und Verschaltung
    Wie bereits erwähnt, ist außer dem Anschlusskabel zur Soundkarte nur ein einziger Widerstand erforderlich.

    Die folgende Abbildung zeigt die Schaltung

    Abbildung 2 - Verschaltung der Soundkarte zur LC-Messung
    Abbildung 2 - Verschaltung der Soundkarte zur LC-Messung

    Achtung !!
    Vorsicht ist geboten, damit die Soundkarte nicht beschädigt wird.

  • Niemals geladene Kondensatoren anschließen !!
  • Bei Messung von grossen Induktivitäten, insbesondere bei Verwendung von kleinen R_Ref, sollte man besser Überspannungsschutzdioden D1/D2 verwenden.
  • D1 und D2 sollten eine möglichst kleine Eigenkapazität aufweisen.
  • SoundCard In 1/2 :

  • Es spielt keine Rolle, welcher der beiden Soundkarteneingänge mit den Punkten "A" oder "C" verbunden ist.
  • Ein AutoIdent-Algorithmus findet die Verschaltung automatisch heraus.
  • Falls die Soundkarte über verschieden Stereoeingänge (Line und Mikrofon) verfügt, sollte man den "Line- Eingang" verwenden.
  • Der Mikrofon- Eingang wird üblicherweise in der Soundkarte noch einem Verstärker zugeführt, welcher (für diese Messung ) unerwünschte Verzerrungen hervorrufen könnte.
  • SoundCard Out 1/2 :

  • Es spielt keine Rolle, welcher der beiden Ausgänge verwendet wird.
  • Es wird auf beiden Ausgängen das gleiche Testsignal generiert.
  • 4. Programm LC Meas

    Grafisches User Interface und Messalgorithmen sind im Programm "LCMeas" enthalten.

    GUI LC Meas

    4.1 Settings:

    R_Ref:

  • Hier wird die Größe des Referenzwiderstandes eingegeben
  • Range: 10 Ohm … 1000 Ohm
  • Kleine R_Ref eignen sich besser für kleine Induktivitäten oder große Kapazitäten.
  • Große R_Ref eignen sich besser für große Induktivitäten oder kleine Kapazitäten.
  • Default: 100 Ohm
  • hat sich als guter Kompromiss erwiesen.
  • Frequency Set:

  • Hier kann man zwischen verschiedenen Sets von Messfrequenzen wählen.
  • Höhere Messfrequenzen sind vorteilhaft bei der Messung von kleinen Kapazitäten oder Induktivitäten. Niedrigere Messfrequenzen hingegen eignen sich besser für große Induktivitäten/Kapazitäten.
  • Meas Time:

  • Hier kann man zwischen verschiedenen Messzeiten (Beobachtungszeiten) wählen.
  • 200ms, 500ms, 1s
  • Bei längeren Beobachtungszeiten erhöht sich die Messgenauigkeit.
  • Meas Type:

  • Hier kann man den erwarteten Typ der Impedanz direkt auswählen oder aber auch mittels "auto" - Modus den Messalgorithmus selbst den Impedanztyp bestimmen lassen.
  • Es wird unterschieden zwischen
  • Induktivität mit Serienwiderstand
    L - seriell
  • Induktivität mit Parallelwiderstand
    L - parallel
  • Kapazität mit Serienwiderstand
    C - seriell
  • Kapazität mit Parallelwiderstand
    C - parallel
  • 4.2 Action Buttons:

    Start /Stop:

  • Zum starten/stoppen der Messung
  • Die meisten Settings können nur im gestoppten Zustand verändert werden.
  • Die Kalibrierungen sind nur im gestarteten Zustand möglich.
  • Open-Cal:

  • Wenn der Button gedrückt wird, wird die Kalibrierung bei offenen Messanschlüssen durchgeführt. Das heißt an den Anschlüssen A,B gemäß Abbildung 2 ist nichts angeschlossen.
  • Diese Kalibrierung sollte nach jedem Neustart des Programms, sowie bei Veränderung an der Messleitung durchgeführt werden.
  • Bei sehr genauen Messungen (z.B. sehr kleine Kapazitäten von wenigen pF), ist es vorteilhaft diese Kalibrierung unmittelbar vor der gewünschten Messung zu wiederholen.
  • Short-Cal:

  • Wenn der Button gedrückt wird, wird die Kalibrierung bei kurzgeschlossenen Messanschlüssen durchgeführt. Das heißt die Anschlüsse A,B gemäß Abbildung 2 werden direkt miteinander verbunden.
  • Diese Kalibrierung sollte nach jedem Neustart des Programms, sowie bei Veränderung an der Messleitung durchgeführt werden.
  • Bei sehr genauen Messungen (z.B. sehr kleine Induktivitäten ), ist es vorteilhaft diese Kalibrierung unmittelbar vor der gewünschten Messung zu wiederholen.
  • Vor "Short-Cal" sollte stets "Open-Cal" durchgeführt werden.
  • LineIdent:

  • Beim Anschluss des Messfühlers ist es leicht möglich die beiden Soundeingänge (linker/ rechter Stereokanal) zu verwechseln. Dieses Problem wird durch die Lineident - Funktionalität gelöst.
  • Wenn das Programm das erste Mal gestartet wird, muss man die Lineident durchführen.
  • Dazu müssen die beiden Messanschlüsse, genau so wie bei "Short-Cal", kurzgeschlossen werden.
  • Anschließend wird der LineIdent - Button gedrückt und die Identifizierung ist abgeschlossen.
  • Bemerkung:
  • Während "Short-Cal" wird die Richtigkeit der Soundkarteneingänge ebenfalls geprüft. Wird ein Fehler festgestellt, ändert sich die Farbe des LineIdent - Buttons und man muss diesen bei kurzgeschlossenen Messanschlüssen erneut betätigen.
  • 4.3 Signal Level:

    Zur Optimierung der Genauigkeit ist es wichtig, dass die Soundkarteneingänge gut ausgesteuert sind.
    Die "Level-Anzeige" dient der Einstellung einer optimalen Aussteuerung.
    Am Soundkarteneingang sollte man den Line-Eingang (also nicht den Mikrofoneingang) benutzen und nur eine möglichst geringe Verstärkung einstellen.
    Die Balance muss mittig stehen. Siehe è Abbildung 3

    Abbildung 3  Einstellung Soundkarteneingang
    Abbildung 3 Einstellung Soundkarteneingang

    Dann kann man die Lautstärke für den Soundkartenausgang so einstellen, dass die Levelanzeige im "grünen Bereich" steht. Dies sollte sowohl bei "offenen Messanschlüssen" als auch bei "kurzgeschlossenen Messanschlüssen" der Fall sein.
    Eine gelbe Levelanzeige signalisiert nichtoptimale Aussteuerung. Die Messergebnisse sind noch immer richtig. Eine rote Levelanzeige signalisiert Über - oder Untersteuerung. Die Messergebnisse sind vermutlich verfälscht.

    Results:
    Als Ergebnis werden Impedanztyp und Werte für Widerstand und Induktivität bzw. Kapazität angezeigt. Die Software unterstützt anzeigemäßig folgende Messbereiche:

  • Induktivität:
  • 0 ... 100 H
  • Kapazität:
  • 0 ... 1mF
  • Widerstand
  • 0 ... 10000 kOhm
  • 5. Theorie

    Kommt noch