LC Messschaltung 'läuft weg'

[Florian (mfenton)]

Hallo zusammen!

Ich habe ein Projekt, bei dem ich eine variable Spule permanent 
vermessen muss, um den aktuellen Wert zu bestimmen. Genau ist es die 
Frequenzeinstellung bei einem Autoradio (ist eine Mechanik bei der ein 
metallstift in einen Spulenkörper eingeführt wird).

Zur Messung habe ich den üblichen LC Meter Aufbau hergenommen, 
allerdings mit einem LM393LVPWR. Das Relais zur Umschaltung ist nicht 
drauf, da ich im Betrieb nichts umschalten muss, die Auswahl zwischen 
L/C kann über Lötjumper gemacht werden. s. lc_meter.png

Eingesetzter uC ist ein ESP32, der mit einem Pulszähler die Frequenz 
bestimmt.
Der gezählte Wert wird mit der Zykluszeit normiert und die Frequenz 
berechnet.

Mich interessiert nicht der Spulenwert ansich, die Frequenz ist für die 
weitere Verarbeitung ausreichend.

Prinzipiell tut die Schaltung was sie soll, die Frequenz stimmt auch mit 
der berechneten (fast) überein. Die Abweichung schiebe ich einmal auf 
Bauteiltoleranzen, die stört mich aber nicht.

Was ich allerdings beobachte ist, dass die Frequenz über Zeit bzw 
steigt.
Geplottet kann man eine Aufladekurve erkennen, von daher gehe ich davon 
aus, dass sich etwas auflädt bzw. in Sättigung geht.
Der Verlauf in frequenzmessung_68uH.png ist über ca. 1h aufgenommen. Es 
war keine ext. Spule angehängt, es ist lediglich die Messung mit den 
verbauten Komponenten.

Für die Applikation ist das aber nicht OK und muss unterbunden werden. 
Hat jemand eine Idee wie?

[Dieter W. (dds5)]

X7R Keramik ist für frequenzbestimmende Bauteile wegen des relativ 
starken Temperaturkoeffizienten denkbar ungeeignet.
Versuche mal C603 mit C0G Keramik.
Auch die Spule bzw. ihr Kern hat einen TK. In rein analogen Radios mit 
Spulenabstimmumg (viele Autoradios) wurden deshalb teilweise 
Kondensatoren mit speziell ausgesuchtem TK eingesetzt, z.B. N150, N330 
oder N750.

[Wolf17 (wolf17)]

Dieter W. schrieb:
> Versuche mal C603 mit C0G Keramik.
Falls kein 1nF mit Kennzeichnung für C0G zu bekommen ist (TK +-30ppm/K, 
meist schwarze Markierung am Kopf), dann geht auch einer aus Styroflex. 
Die sind auch sehr temperaturstabil. Noch besser wäre Glimmer.
Selbst ein beliebiger Folienkondensator ist noch viel besser als X7R.

[Rainer W. (rawi)]

Florian schrieb:
> Geplottet kann man eine Aufladekurve erkennen, von daher gehe ich davon
> aus, dass sich etwas auflädt bzw. in Sättigung geht.

Du redest über 0,4 %. Eine Aufladekurve würde über 100% laufen.
Mit welcher Genauigkeit hast du bei deinem Aufbau die Temperatur 
kontrolliert?

[Florian (mfenton)]

Wolf17 schrieb:
> Dieter W. schrieb:
>> Versuche mal C603 mit C0G Keramik.
> Falls kein 1nF mit Kennzeichnung für C0G zu bekommen ist (TK +-30ppm/K,
> meist schwarze Markierung am Kopf), dann geht auch einer aus Styroflex.
> Die sind auch sehr temperaturstabil. Noch besser wäre Glimmer.
> Selbst ein beliebiger Folienkondensator ist noch viel besser als X7R.

Danke für den Hinweis. Ich habe in meinem Fundus erstmal nur so einen 
KerKo gefunden, der um die 1nF hatte.

Damit wird's aber eher noch schlimmer.

> Du redest über 0,4 %. Eine Aufladekurve würde über 100% laufen.
> Mit welcher Genauigkeit hast du bei deinem Aufbau die Temperatur kontrolliert?

Das ist korrekt, eine Abweichung über Temperatur ist eher vorstellbar.
Überwacht wir die Temperatur nicht. Der Aufbau rennt am Schreibtisch.

[Henrik V. (henrik_v)]

Wenn Du die alten Stationstasten verwenden möchtest incl der alten 
Dreheinsteller, warum nicht ein Spindelstrimmer an die Mechanik?

Oder, da ein µC verwendet wird, nur die Änderung ab einer Schwelle 
detektieren und als Frequenzänderung auswerten (war nicht eh immer eine 
Hysterese drin?), Stationsfrequenz dann in den Speicher?

Wenn es dumm läuft, landet man irgendwann am Anschlag, dann müsste man 
das Radio ausschalten , Spindel in die Mitte drehen , Radio einschalten 
..

Leichte Driften wurden ja mit AFC ausgeglichen ;)

[Thomas B. (thombde)]

Florian schrieb:
> Danke für den Hinweis. Ich habe in meinem Fundus erstmal nur so einen
> KerKo gefunden, der um die 1nF hatte.
>
> Damit wird's aber eher noch schlimmer.

Wie oben schon jemand schrieb.
Entweder Styroflex, oder noch besser Glimmer.

https://www.reichelt.de/de/de/shop/produkt/glimmer-kondensator_1_0nf_100v_-_1_-42441

[Florian (mfenton)]

Ich hab mal eine Auswahl an Glimmer/MICA und C0G Kondensatoren bestellt.
Sollte Anfang nächster Woche da sein.

[Gregor J. (Firma: Jasinski) (gregor_jasinski)]

Florian schrieb:
> Ich habe ein Projekt, bei dem ich eine variable Spule permanent
> vermessen muss, um den aktuellen Wert zu bestimmen. Genau ist es die
> Frequenzeinstellung bei einem Autoradio (ist eine Mechanik bei der ein
> metallstift in einen Spulenkörper eingeführt wird) (...)
> Was ich allerdings beobachte ist, dass die Frequenz über Zeit bzw
> steigt (...)

Ich habe diese Schaltung vor vielen Jahren verwendet, um mir ein 
Induktivitätsmessgerät zu bauen – verwendet habe ich die Schaltung, die 
A. Reinert inspiriert durch „Sprut” auf seiner Homepage präsentiert hat, 
bis auf den LM311 ist diese quasi gleich. Verwendet habe ich einen 
Folien- bzw. Kunstoffkondensator (rot WIMA MKS4) – eine ganz kleine 
Drift (im nH-Bereich und in beide Richtungen) ist aber trotzdem noch 
vorhanden, allerdings nicht so wie bei Dir hier dargestellt. Es gibt 
auch immer einen Offset, den ich aber mit einem Knopfdruck und 
kurzgeschlossenen Messleitungen sofort (wieder) nullen kann – für die 
Frequenzmessung habe ich einen ATMEGA168A-PU mit eigener 
Assemblerprogrammierung verwendet, mit dem ich den Offsetfehler 
jederzeit mit Knopfdruck herausrechnen kann, insofern spielt die Drift 
oder der Offset keine Rolle. Eine Langzeitdrift habe ich natürlich nicht 
gemessen, da eine Spulenmessung innerhalb von Sekunden erledigt ist – 
die wäre aber auch egal, wenn man es jederzeit nullen kann.

Ich werde von dem Ding irgendwann mal eine Neufassung machen – nicht 
mehr in Assembler und auch nicht mehr mit einem AVR, sondern mit einem 
STM32 und in C-Sprache, weil die Schreiberei samt Rechnerei damit viel 
bequemer wird. Es ist ja auch nicht so ganz simpel, es so zu schreiben, 
dass der Messbereich (nH, µH, mH) sich automatisch einstellt, egal 
welchen Induktivitätswert man messen möchte, wenn man es in 
AVR-Assembler mit 32- und 64-Bit-Integern macht.

[Thomas B. (thombde)]

Die Widerstände sind hoffentlich Metallfilm 1%.
Sonst macht das ja alles keinen Sinn.

[Gregor J. (Firma: Jasinski) (gregor_jasinski)]

Thomas B. schrieb:
> Die Widerstände sind hoffentlich Metallfilm 1%.
> Sonst macht das ja alles keinen Sinn.

Die Toleranzen der Widerstände spielen hier kaum oder nur eine 
untergeordnete Rolle, wichtig sind primär nur die Bauteile des 
LC-Schwingkreises – die Referenzspule und der ominöse Kondensator, mit 
dem der Schwingkreis gebildet wird. Die Teile sollten vor allem 
temperaturstabil sein, deren absolute Werte sollte man aber auch kennen 
oder – wie in diesem Fall – zumindest den des Kondensators, weil der 
Wert der Spule ja herausgerechnet werden kann bzw. sogar soll, um an den 
Wert der gemessenen Spule zu gelangen. 1%-Widerstände sind aber 
heutzutage kaum teurer als 5%-Widerstände – die kann man dann für den 
Spannungsteiler der virtuellen Masse verwenden, weil das bei sehr großen 
Abweichungen und Wahl des OP-Amps bzw. Komparators zu neuen Problemen 
führen kann. Die Schaltung ist vermutlich auch für den alten LM311 
optimiert – mit der Wahl eines anderen Komparators kann man sich einen 
schwerauffindbaren Fehler einbauen, sofern man sich nicht vergewissert, 
indem z.B. Vergleiche mit dem Auge anhand der Oszilloskopbilder gemacht 
werden.

____________
Florian schrieb:
> Mich interessiert nicht der Spulenwert ansich, die Frequenz ist für die
> weitere Verarbeitung ausreichend.

Ohne die Berechnung des Spulenwertes kann man den Fehler nicht (richtig) 
subtrahieren – genau das ist ja auch der Witz an der Geschichte, denn 
man hat zwei Spulen bzw. Induktivitäten, die vermessen werden müssen, um 
an das bereinigte Ergebnis zu kommen – einmal die Referenzspule und ein 
anderes mal die Gesamtinduktivität, von der dann der (vorher gemessene) 
Referenzwert abgezogen werden kann. Außer der kleinen Drift gibt es ja 
noch die Zuleitungen (egal ob Leiterbahnen oder Kabel mit Krokoklemmen), 
die immer auch eine parasitäre Induktivität bedeuten und das Ergebnis 
signifikant verfälschen (können und auch werden). Wenn man sich stupide 
nur mit der Frequenzmessung befasst, wird man den Fehler nicht 
rausrechnen können. Ein spannungs- und temperaturstabiler Kondensator 
(ein X7R oder X5R sind es in diesem Fall nicht) und eine 
temperaturstabile Referenzspule sind aber Voraussetzung, damit die 
Rechnerei selbst nicht zum Fehler wird. Wenn man die Berechnungen 
richtig anstellt, kann man durchaus auch relativ kleine 
Induktivitätswerte, z.B. 20nH, messen, bzw. auch Änderungen über die 
Zeit feststellen – man muss dann aber auch ab und zu mal 'umschalten', 
um die „Referenzspule” zu messen und sich so wieder neuzukalibrieren. 
Bei so kleinen Werten, wie eben erwähnt worden ist, können aber auch 
schon die Lage der Zuleitungen zueinander, der Kontakt der Messleitungen 
zum Objekt oder elektromagnetische Einflüsse von außen (z.B. ein 
Schaltregler in der Nähe) darüber entscheiden, ob man ein Phantom messen 
wird oder nicht, denn der Fehler kann dann größer sein als die 
Induktivität, die es zu vermessen gilt. Ab 500 nH bis in den 
mehrstelligen µH-Bereich werden solche Aspekte dann immer weniger 
relevant – das Messergebnis oder den Messfehler kann man dann als 'gut 
genug' bzw. 'akzeptabel' bezeichnen.

[Hermann W. (hermannw)]

Vor 10 Jahren habe ich auch so ein LC-Messgerät gebaut.
Mich wundert, dass bei allen Beispielen, die ich sehe, der Kollektor des 
LM311 als Ausgang genommen wird. Das ist für hohe Frequenzen (kleine 
Messwerte) sehr ungünstig. Der Emitter als Ausgang hat eine 200-fach 
höhere Flankensteilheit (siehe Datenblatt von Texas). Ich komme damit 
auf einen Messbereich bis herunter auf 1pF und 1µH (ca. 510kHz). Der 
Messbereich ist jetzt 1pF...4,7µF und 1µH...500mH.

Als Kondensator C0 habe ich einen 1nF Glimmer mit 0,25% genommen. Damit 
bestimme ich bei jedem Einschalten die Induktivität L0, da sie nicht 
temperaturstabil ist. Das geschieht bei L-Messung mit geschlossenen und 
bei C-Messung mit offenen Klemmen.

[Gregor J. (Firma: Jasinski) (gregor_jasinski)]

Hermann W. schrieb:
> Mich wundert, dass bei allen Beispielen, die ich sehe, der Kollektor des
> LM311 als Ausgang genommen wird. Das ist für hohe Frequenzen (kleine
> Messwerte) sehr ungünstig (...)
> Ich komme damit auf einen Messbereich bis herunter auf 1pF und 1µH
> (ca.510kHz). Der Messbereich ist jetzt 1pF...4,7µF und 1µH...500mH.
> Als Kondensator C0 habe ich einen 1nF Glimmer mit 0,25% genommen.

Der LM311 schafft die 500 KHz eigentlich problemlos – Foto im Anhang mit 
geschlossenen Klemmen, also der höchsten Arbeitsfrequenz bei mir mit 
L=10µH und C=10nF (Kunststoff). Ich komme damit in den einstelligen 
nH-Bereich, um auch solche Spulen zu messen – in meinem Fall habe ich 
mich aber primär weitgehend auf Spulen im Bereich zwischen 500 nH bis 
500 µH konzentriert, weil ich hier die meisten Spulen vermessen muss; 
für die Kapazitätsmessung werde ich mir ein separates Gerät bauen.

Die Grenzfrequenz des LM311 ist aber auch gar nicht das Problem hier im 
Thread, denn einerseits ist es der falsche Kondensator, den man 
verwendet, andererseits wird anscheinend einfach nur die 
Gesamtinduktivität (eine oder zwei Spulen samt Leitungen) gemessen, ohne 
dass die Fehler herausgenommen werden, weil man einfach nur stupide die 
Frequenz misst. Hat die Autoradio-Spule beispielsweise eine relativ 
kleine Induktivität, z.B. 450nH, dann überwiegt bei jeder solchen 
falschen Messmethode mehr der Anteil der 68µH-Spule und der Zuleitungen, 
denn die 450nH sind nur ein Bruchteil dessen, d.h. man misst dann 
eigentlich gar nicht die kleine Spule, sondern eher die große 
Induktivität (68µH) des Systems mit dessen ganzen Fehlern, die aus 
Erwärmung und Drift entstehen. Der Hauptfehler ist halt, dass man – aus 
Unwissenheit, Bequemlichkeit, Faulheit etc. – einfach nur die Frequenz 
misst, ohne dabei die eigentliche Umrechnung, Kalibrierung und 
Fehlerbereinigung zu machen. Hinzukommt noch die Unstabilität des 
Kondensators – möglicherweise hilft am Ende des Tages der richtige 
Kondensator etwas, um das Driften abzumildern, vom Ansatz her ist das 
aber trotzdem alles falsch.