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 dieses 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
(August 2011)

1.3 Urheberrechtsbestimmung

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

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.

Abbildung 1 - Messprinzip für Zweipolmessung

Z:

Referenzwiderstand R_Ref:

Generator G / SoundCard Output 1:

Spannungsmessung (V) / Soundcard Input 1/2:

Schalter S1:

Computer:

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

Abbildung 3 - Hauptfenster des Programmes LcMeas

Settings:

R_Ref:

Das Format soll anhand des folgenden Beispielprotokolls beschrieben werden:

          #capturing started y:m:d:h:m:s: 2010:03:14:12:20:19
          #Measurement Frequency:    5.000 kHz
          Ls; 12:20:19; 9.35825;     0.9 
          Ls; 12:20:19; 9.35823;     0.9
          Ls; 12:20:20; 9.35837;     0.9
          Ls; 12:20:20; 9.35652;     1.0 
          Ls; 12:20:20; 9.35857;     0.9
          Ls; 12:20:21; 9.35879;     0.9
          Ls; 12:20:21; 9.35851;     0.9 
          Ls; 12:20:22; 9.35859;     0.9 
          Ls; 12:20:22; 9.35868;     0.9 
          Ls; 12:20:23; 9.35873;     0.9
          Ls; 12:20:23; 9.35875;     0.9 
          Ls; 12:20:24; 9.35874;     0.9 
          Ls; 12:20:24; 9.35868;     0.9
          Ls; 12:20:25; 9.35875;     0.9
          Ls; 12:20:25; 9.35880;     0.9 
          Ls; 12:20:26; 9.35881;     0.9 
          Ls; 12:20:26; 9.35887;     0.9
          Ls; 12:20:27; 9.35880;     0.9 
          Ls; 12:20:27; 9.35859;     0.9 
          Ls; 12:20:28; 9.35874;     0.9
          Ls; 12:20:28; 9.35871;     0.9 
          Ls; 12:20:29; 9.35888;     0.9
          Ls; 12:20:29; 9.35888;     0.9
          Ls; 12:20:30; 9.35879;     0.9
          #capturing finished y:m:d:h:m:s: 2010:03:14:12:20:33

Die erste Zeile gibt an , wann die Protokollierung gestartet wurde.

Es folgt die Messfrequenz

Die darauf folgenden Zeilen sind Messergebisse, welche durch ";" voneinander getrennt sind.

Die letzte Zeile gibt an , wann die Protokollierung beendet wurde.

L-Short:

Coupling:

Überblick: Grundlage des Messverfahrens ist die synchrone, amplituden- und phasenrichtige Signalerfassung über zwei Kanäle. Theoretisch sollten die beiden Kanäle identisch sein. In der Praxis und insbesondere bei der Signalerfassung mittels Soundkarte ist dies jedoch nicht oder nur bedingt der Fall, was zu Einbußen in der Genauigkeit führt.
Die Unterschiede der Kanäle sind zum einen durch das System (Hardware, Messaufbau, Toleranzen) und zum anderen durch die Software bzw. deren fehlerhafte Einstellung verursacht.
Zunächst sollten die Einstellungen optimiert werden. Für die restlichen Ungenauigkeiten kommen spezielle Kalibrierroutinen zur Anwendung, welche die Größe vermessen und anschließend weitestgehend kompensieren.
Generell gilt die Aussage, dass die Genauigkeit bei der elektrischen Netzwerkanalyse stets auch eine Frage der Qualität der Kalibrierung ist. Je veränderlicher das Instrumentarium zur Messung ist, und dies betrifft Messungen mit der Soundkarte im besonderen Maße, desto mehr und öfter muss kalibriert werden.

Störsignale:

Gain Imbalance:

Phase Imbalance:

Einganswiderstand:

Induktivität und Klemmwiderstand:

Referenzwiderstand R_Ref:

Veränderung der Betriebspannung bzw. der Temperatur der Soundkarte:

Abbildung 6 - Impedanzwandler am Soundkarteneingang

Abbildung 7 – Praktischer Aufbau USB-Soundkarte und Eingangsverstärker