Gemeten – AartSite

DCF77 op de oscilloscoop

Naar aanleiding van een vraag op een elektronicaforum probeerde ik of het signaal uit een DCF77 ferriet antenne sterk genoeg is om direct op de scope te bekijken. De DCF77 tijdseinzender uit Mainflingen, Duitsland zend met ruw 35 kW uit op een lange golflengte van 77,5 kHz. Het signaal blijkt inderdaad direct meetbaar, hoewel ik een beetje vals speel met het type scope.

De gebruikte Tektronix 5A22N plug-in biedt misschien wel de gevoeligste scope ingang die er is: 10 µV/div. Om die gevoeligheid daadwerkelijk bruikbaar te maken kan om ruis te onderdrukken de bandbreedte verklein worden tot de noodzakelijke. De plug-in is samen met een 5B12N tijdbasis in een 5111A storage mainframe geplaatst.

Tektronix 5111A oscilloscope met 5A26, 5A22N, 5B12N plug-ins.

De antenne is een standaard ferriet antenne, met een condensator afgestemd op 77,5 kHz. Deze antenne hoorde bij een defect DCF ontvanger printje van het Klokkenproject.

De ingang van de scope is differentieel. Dat wil zeggen dat de gevoelige ingang stroomkring elektronisch gescheiden is van aarde. De onderdrukking van common-mode signalen die gelijk zijn op beide ingangen is goed, ik mat 75 dB onderdrukking bij 77 kHz met de ingangen aan elkaar. De signaal stroomkring wordt op de scope aangesloten op twee aparte BNC connectoren voor “+” en “-“. In mijn lab heb ik echter gestandaardiseerd op xlr kabels uit de audiotechniek voor dit soort verbindingen, dus werden voor de proef een paar verlopen gebruikt. De afscherming van de kabel is met een aparte draad en 4mm stekker verbonden met het cassis van de scope, en nergens mee bij de antenne.

De differentiële ingang is belangrijk, met dezelfde antenne single-ended aangesloten is het DCF signaal soms nog net zichtbaar boven de ruis.

Tektronix 5111A oscilloscope met 5A26, 5A22N, 5B12N plug-ins & xlr adapter.

De gebruikte instellingen van de scope zijn:

Tektronix 5111A met 5A22N plug-in.
AC, differentieel.
50 µV / div.
10 kHz HP
0,1 MHz LP
0,5 s /div
Analoge storage

Met deze opstelling is het signaal uit de antenne goed zichtbaar te maken. Het is amplitude gemoduleerd met 1 bit informatie per seconde. Een korte afname van de amplitude is een 0, een lange een 1. De 59e seconde wordt geen puls verzonden om de volgende minuut aan te duiden. Zo wordt iedere minuut onder andere de datum en de tijd overgebracht.

De gemeten amplitude is ongeveer 150 µVpp in de ingang, die een impedantie van 2 MΩ // 23 pF heeft. Spelen met de oriëntatie van de antenne en de led-verlichting hier maakt de invloed van storing en het richten van de antenne direct inzichtelijk. Het DCF signaal is zwak en verstoring is een bekend probleem. Het signaal is maximaal met de antenne haaks op de lijn tussen hier en Mainflingen gericht.

De Tektronix 5100-series scopes werden gemaakt tussen 1971 en 1991. Ze zijn in tegenstelling tot de bekendere 7000-series niet erg gewild, vooral omdat het met 2 MHz bandbreedte vermoedelijk de traagste “gewone” scopes zijn. Als meer bandbreedte niet nodig is zit die echter alleen maar in de weg in de vorm van extra ruis. Dan is dit een goed en comfortabel instrument, met een groot storage scherm en zonder lawaaierige ventilator. De 5A22N plug-in was ook toen al bijzonder gevoelig. Moderne scopes zijn gewoonlijk niet gevoeliger dan 1 mV/div, voor dit soort metingen worden nu aparte Differential Preamplifiers toegepast.

Netspanning sensor

Op Hackaday zag ik vandaag in het kader van de “2025 component abuse challenge” een geweldige thermische flipflop.

De challenge deed mij denken aan een netspanning sensor die ik in 2017 maakte om de spanning op de motoren van een groot ventilatie systeem in te lezen in een microcontroller. Deze spanning werd ingesteld met een autotransformator en een schakelaar.

De “schakeling” bestaat uit twee weerstanden van 56 kΩ, waarvan er ´één gevoed wordt met de te meten spanning. De andere is de referentie en niet aangesloten. Beiden zijn met lijm thermisch gekoppeld met ds18B20 1-wire temperatuur sensoren. Als de spanning toeneemt, neemt ook het temperatuurverschil tussen de weerstanden toe. Dit is evenredig met het aan de weerstand toegevoerde vermogen, en daarmee met het kwadraat van de aangelegde spanning. Dit is een bekend principe dat ook toegepast wordt in RMS converters, HF-vermogens meters etc. Door beide sensoren van een weerstand te voorzien zijn de thermische tijdconstanten zo veel mogelijk gelijk.

Eigenschappen van dit knutsel zijn:

Robuust en traag. Ongevoelig voor interferentie op het net.
Direct een toegankelijke digitale OneWire interface.
Behoorlijke isolatie van het net. Of het aan formele eisen voldoet is wat anders..
True RMS, werkt ook goed met verminkte golfvormen.
Nauwkeurigheid na kalibratie een paar %, vanaf 50 V.
Opgenomen vermogen 1W bij 230V.

Merk op dat een goede thermische isolatie tussen de weerstanden voor de werking niet nodig is, zie ook de referentie temperatuur in de grafiek. De enige eis is een stabiele thermische weerstand tussen de beide weerstanden en naar de omgeving. Een dicht kastje is belangrijk.

Bleeker weerstand decade

Dit weekeinde kocht ik bij een verkoopdag van overtollige materialen van het Omroep Zender Museum voor een verwaarloosbaar bedrag een decade gemaakt door Bleeker, ofwel Nedoptifa. Ik bezit een kleine collectie apparaten van Dr. Caroline Bleeker. De eenvoud en kwaliteit vind ik erg aantrekkelijk.

De 0,1 Ω tot 100 kΩ decade bemeten met een HP 3468B 5 1/2 digit multimeter. Het serienummer van de decade is 69394 S.

De decade was erg smerig en wat gebutst, dus heb ik hem de volgende dag schoongemaakt en gekalibreerd. Het is een uitvoering met aansluitingen tussen de schakelaars, ook inzetbaar als spanning deler. Er staat zoals, gebruikelijk bij Bleeker, geen nauwkeurigheid of type op aangegeven en de originele documentatie is zoek. Een bron op internet, de Stichting Historische Microscopie, noemt voor een serie decades van Bleeker 0,005 % ofwel 50 PPM. Als deze dat haalt zijn de meeste moderne apparaten niet in staat dat te controleren. Mijn multimeter met de hoogste resolutie, de HP op de foto, haalt dit (ruw) formeel enkel de eerste 24 uur na een kalibratie.

Het binnenwerk. Zes draaischakelaars, zestig draadweerstanden.

Bij het meten op de overigens niet gekalibreerde HP, met een vierdraad aansluiting op de terminals van de decade bleek echter dat de eerste twee decades behoorlijk afweken. Er werd steeds 1 decade tegelijk gemeten. De temperatuur was deze vroege lentedag 15 graden.

De eerste weerstand van 0,1 Ω, meet met 0,105 Ω zelfs bijna 5% te hoog. Daarna wordt het beter, als we de Y-as 50x vergroten zien we:

200 PPM afwijking is goed, hoewel groter dan de misschien gehoopte 50. Ik denk niet dat dit in de HP zit omdat deze steeds rond de “3” van bereik wisselt, en daar geen sprongen te zien zijn. De waarden in de decades van 100 Ω tot 1000 Ω en die van 10 kΩ tot 100 kΩ zitten netjes binnen 51 respectievelijk 54 PPM afwijking van elkaar. In de decade tussen 1 kΩ en 10 kΩ lijkt het effect zichtbaar van een beschadigde onderste weerstand. Zijn invloed neemt af naarmate er meer goede weerstanden mee in serie staan.

Wat er aan de hand is met de laagste decades laat zich raden: De maximale belasting van de weerstanden is zoals aangegeven op de decade slechts 250 mW. Aan de gebubbelde lak is al te zien dat dit vermogen royaal overschreden zal zijn. De weerstanden zijn niet kapot gegaan, maar ook niet meer binnen specificatie.

De weerstanden zijn overigens draadgewonden en vanaf 1 Ω voorzien van een Ayrton–Perry winding voor kleine parasitaire eigenschappen, dus weinig zelfinductie en capaciteit. Een deel is gelakt, twee hogere decades zijn bedekt met een wasachtige substantie.

Voor de zekerheid -en het plezier- is de onderste decade nog eens gemeten met mijn Bleeker 2181 Thomsonbrug. Deze brug heeft drie cijfers, vier als we schatten tussen twee schaaldelen, en een kleinste bereik van 100 µΩ (!). De gebruikte voeding is een Delta E030-3 op de voor de brug gebruikelijke 2 V. De meet stroom is in dit bereik ruw 1 A. Let niet op de draadkleuren, dat deed ik kennelijk ook niet 😉 De schaal van de grafieken is in hier meer gepaste procenten.

De meting met de Bleeker brug laat een gunstiger beeld zien, hoewel ook hier alle weerstanden omhoog afwijken. De HP werkt hier in zijn laagste bereik: 300,000 Ω, dus zijn er bij deze meting slechts drie cijfers. De specificatie van de HP in dit bereik (1 jr) is 0,017 % + 5 digits. Mijn gevoel is dat de brug het beter doet.

Hierbij kwam de vraag op of het mogelijk juist is om de nulweerstand, de weerstand met de knop op “0”, af te trekken van de op de overige standen gemeten waarde. Deze is voor deze eerste decade overigens 4 mΩ volgens de HP en 2,55 mΩ op de Bleeker.

Dit geeft in dit geval, omdat de weerstanden allen omhoog afwijken, een beter resultaat, maar het lijkt bij nader inzien een vreemde manier van het specificeren van een decade. De nulweerstand is onvermijdelijk, maar alle andere weerstanden kunnen zo ingesteld worden dat de tussen de klemmen gemeten weerstand de nominale waarde heeft.

Er is een zekere verleiding de al te grote afwijkingen te corrigeren door “moderne” weerstanden parallel of in serie te schakelen. Omdat de correctie klein is, is de hoop dat de goede eigenschappen zoals de stabiliteit van de Bleeker weerstanden hierbij in stand blijven. Het soldeerwerk is echter lastig, er moeten geen nieuwe fouten geïntroduceerd worden. Ook zouden eerst de metingen gecontroleerd moeten worden, bijvoorbeeld door te vergelijken met enige lage normaal weerstanden van onbesproken gedrag. Voorlopig dient een reparatiepoging geen doel, en laat ik de decade zoals hij is.

Ondanks de beschadiging is het een mooie aanwinst. De metingen tonen maar weer aan dat er duidelijk meer gemeten moet worden.

Update: De gebruiksaanwijzing van de 2181 brug is toegevoegd aan de manuals pagina.

Philips capaciteits decade

Onlangs kreeg ik een Philips capaciteits decade cadeau. Volgens de typeplaat is het een 3E93102 uit juni 1954 van Philips E.B.M. H.I.G.A. Verder is er niets over bekend en zag ik dit model ook niet eerder.

Antique Philips capacitance decade. 3E93102, juni 1954, Philips E.B.M. H.I.G.A. — Philips capaciteits decade, zo uit een stoffige garage.

Het instrument was in weinig fraaie staat. Het zat vol stickers en gaf een wild verspringende capaciteit. Na schoonmaken van de buitenkant en de schakelaars was dat gelukkig veel beter.

Inside an old Philips capacitor decade. — Het inwendige van de decade. Condensatoren en draaischakelaars.

De schaal is in micro-micro farad, wat we nu picofarad ofwel pF noemen. De decade heeft een bereik van 1000 micro-micro farad, dat is 1 nF, tot 1 µF.

Er zijn vier condensatoren per decade. In bijvoorbeeld de 1 nF decade zijn waarden van 1, 2, 3 en 4 nF aanwezig, waarmee door parralelschakelen dan ook 5 (4+1), 6 (4+2), 7 (4+3), 8 (4+3+1), 9 (4+3+2) en 10 (1+2+3+4) nF gemaakt kan worden. De grootste condensator bestaat uit twee condensatoren van 200 nF parallel. Alles lijkt speciaal gemaakt te zijn, met een constructie gericht op zo min mogelijk restcapaciteit.

Maar hoe goed is zo een bijna 70 jaar oude decade nog? De condensatoren zijn voor zover zichtbaar 0,5% mica (opschrift van de 1 nF) condensatoren van 500V, en voor hun capaciteit behoorlijk groot en zwaar.

Om dit te testen zocht ik (bijna) alles in huis wat redelijk capaciteit kan meten bij elkaar, en voerde drie complete sets metingen uit.

Agilent U1253B, Peak LCR45, ESI 250DE Impedance bridge used for testing. — Agilent U1253B multimeter, Peak LCR45 LCR meter en de ESI 250DE Impedance bridge

De volledige meetresultaten kunt u hier zien.

Het meten met de meetbrug, dertig keer met twee handen het minimum zoeken terwijl men intussen de versterking opdraait, was een prettig meditatief klusje. Wat niet aangetekend is, is dat de condensatoren op de meetbrug een uitstekende, lage, verliesfactor D hadden.

De onvermijdelijke offset werd gemeten met de decade op 0 en afgetrokken van de metingen. Door delen door de verwachte waarde werden alle metingen genormeerd naar 1. Tot slot werd van iedere set de standaarddeviatie berekend. Deze zal kleiner zijn als de decade en het betreffende meetinstrument het beter met elkaar eens zijn, afgezien van een schaalfactor waar we door deze manier van rekenen niet gevoelig voor zijn.

We weten hierbij niet wie er gelijk heeft, maar de kans dat de decade en een meetinstrument op precies dezelfde manier afwijken lijkt verwaarloosbaar. Als ze goed overeen komen bouwt dat dus vertrouwen in zowel de meter als de condensatoren.

In de tabel is te zien dat de ESI meetbrug de laagste standaarddeviatie haalt. De Peak LCR meter geeft ongeveer 1,5 keer zo veel “ruis”, en de Agilent multimeter ruim 10x.

Graph of deviation to capacity. — Met excuses voor de ontbrekende x-as met daarop de 30 verwachte waarden, er ging iets mis met de punt-en-komma settings in Google Drive.

In de grafiek van de genormeerde waarden zien we dat de ESI en de Peak lijnen een zelfde vorm hebben. Vermoedelijk ontstaan de gezamelijke hobbels daarom door afwijkingen van de decade. Ook lijkt het er op dat het meten van grotere capaciteiten gemakkelijker nauwkeurig verloopt dan dat van kleine.

Gekrast, maar schoon en behoorlijk werkend.

Tot slot is nog even gekeken of we met de kennis over de opbouw van de decade de voorspelling dat bijvoorbeeld 5 gelijk moet zijn aan 4+1 kunnen bevestigen. Hoe goed dit gaat is vooral een indicatie van de kwaliteit van de instrumenten. De waarde van de condensatoren doet er hier niet meer toe, parasitaire capaciteiten en dergelijke in de decade nog wel.

Hier zien we in de standaard deviaties eenzelfde beeld verschijnen. De ESI voorspelt het beste, gevolgd door de Peak en, op ruime afstand, de Agilent.

De specificaties van de nauwkeurigheid van de meetinstrumenten zijn kort door de bocht 0,2% voor de ESI meetbrug, 1,5% voor de Peak en 1% voor de Agilent. Dat maakt deze wat oudere multimeter niet meer waar. De decade is vermoedelijk nog binnen 1% juist.

Temperatuur logger

Om, uit nieuwsgierigheid, te onderzoeken hoe mijn koelkast regelt en reageert op zijn omgevingstemperatuur bouwde ik een simpele temperatuur logger op basis van een Arduino Uno en ingegoten Dallas 1-Wire temperatuursensoren uit China.

De data logger en de omgevingstemperatuur sensor.

Het gebruikte shield is een merkloos “Arduino data logger shield” met daarop een ds1307 I2C real time klok en een SD-kaart slot. Hierop bouwde ik de 1-Wire interface voor ds18b20 sensoren, feitelijk een header en een enkele pull-up weerstand op pin 8. Verder zijn er een kleine groene led om de cpu belasting te tonen en een grotere rode om een waarschuwing te geven dat er geschreven wordt naar de sd kaart, en het te melden als dat onverhoopt mislukt.

Het geheel is op een plaatje aluminium met daar onder een harddisk magneet met plakfluweel geschroeft, zodat het zonder schade als een koelkastmagneet op de deur geplakt kan worden. De verbindingen naar de sensoren in de koelkast en het vriesvak gebruijken flatcables voor een zo goed mogelijke afsluiting van de deuren.

Voordat de datalogger code geladen wordt moet de klok gestart en gelijk gezet worden door middel van bijvoorbeeld het ds1307-voorbeeld dat met de Adafruit RTClib bibliotheek mee komt. Dit programma neemt de tijd van compileren mee als tijd om de klok gelijk te zetten, wat in de Arduino omgeving goed werkt omdat er weinig tijd zit tussen het compileren en de daaropvolgende eerste start van de firmware. De klokt loopt overigens keurig, hij blijft binnen een minuut afwijking per maand.

Ook moeten de unieke 64-bit OneWire adressen van de individuele temperatuursensoren bekend zijn. Deze zijn eenvoudig uit te lezen met het DS18x20_Temperature-voorbeeld van de OneWire bibliotheek. Hierbij worden ze één voor één aan de logger hardware aangesloten en wordt het adres gekopieerd naar de code van de logger.

1-Wire adressen in de code. Deze zijn voor mijn sensoren, en met zekerheid anders dan die van alle andere 1-Wire sensoren.

Als een sensor door de logger vanwegen slecht contact of interferentie een periode niet uitgelezen kan worden is zijn waarde in de log “nan”, van “Not A Number”. Om de sensoren eenvoudig uit elkaar te kunnen houden zijn ze gemerkt met gekleurd PVC tape.

De logging firmware, te vinden op mijn Github, kent systeemtikken van 100 ms. De sensoren worden door een non-blocking routine in twee stappen uitgelezen omdat hier een conversie-wachttijd van 800 ms bij inbegrepen zit. Deze routine heb ik ooit geschreven voor gebruik op de ESP8266. Efficient gebruik van de CPU tijd is hier niet meer dan elegant, het is echter van levensbelang als er nog meer moet gebeuren dan het lezen van de sensoren, zoals het onderhouden van de Wifi verbinding op de ESP.

De gekozen instellingen zijn: 1x per 2s uitlezen, 1x per minuut een gemiddelde temperatuur berekenen en loggen en tot slot deze log 1x per tien minuten naar de kaart schrijven. Er is op de Atmega 328 microcontroller 2 kB RAM, waarvan zo een paar honderd bytes in gebruik zullen zijn voor de verzamelde data voordat deze op de kaart opgeslagen wordt. Dat lijkt nog veilig gezien er bij het compileren 606 bytes voor lokale variabelen over blijven, en werkt in de praktijk goed.

In zowel het vriesvak als de koelkast zijn twee sensoren geplaatst, ´één in een blikje met water en één gewoon los. Dit om tegelijk eens te kijken hoe deze bekende methode voor een betere meting van de temperatuur van een koelkast uitpakt.

Het eerste resultaat is een fraaie grafiek:

Temperatuur in koelkast gemeten met Arduino datalogger. — De temperatuur in de koelkast en het vriesvak over twee dagen.

Hier is te zien dat de duty cycle van het koelen vrij sterk afhankelijk lijkt van de temperatuur. Om een uur of vijf de tweede dag werd de instelling van de mechanische thermostaat omlaag aangepast. Het bevriezen van het water in het vriesvak is in de gele lijn fraai te zien. Later bleek dat hierbij het blik is geknapt door de druk van het ijs! Ook is te zien dat de temperatuur in het blikje met water altijd onder die in de koelkast lijkt te liggen. Komt dit door verdamping? Of wijkt deze sensor af? In het viesvak is de amplitude in het blikje met ijs nog aanzienlijk. Zat de sensor te veel aan de buitenkant in het blik?

Hier is duidelijk ruimte voor nader onderzoek. De logger werkt prima, hij logt weken lang zonder problemen. Ik had nog geen ervaring met loggers. De eenvoud van het gebruik van een SD kaartje in vergelijking met het direct loggen naar de cloud of een eigen server bevalt goed.

Geknapt blikje door het ijs in het vriesvak. Het lijkt er op dat de sensor te zien is, en dus helemaal aan de buitenkant zat.

Een meting met de field mill

Een paar weken terug, op zondag 5 juni, was er onstuimig weer met mogelijk onweer voorspeld. Op het laatste moment besloot ik deze gelegenheid aan te grijpen om met de field mill een meting te doen.

Field mill graph, june 05, 2022 Haarlem The Netherlands. — Meting van half tien ’s ochtends tot elf uur ’s avonds. Na drie uur ’s middags kwam de dikkere bewolking en wisselde het veld sterk.

Er was hier uiteindelijk geen onweer, wel periodes met regen. Het blijkt dat ook niet-onweerswolken al sterk negatief geladen zijn, en de gaten daartussen een positief veld geven. Mijn achtertuin is vrij afgeschermd en het instrument keek hier vanaf 1m60 omlaag, tegen de regen. Dit maakt dat de kalibratie niet zal kloppen, de aangegeven waarde van een paar kilovolt per meter zal echter eerder te laag dan te hoog zijn.

Field mill in the garden. — De meetopstelling. De field mill kijkt omlaag en was ingepakt in dun aluminium, afgeplakt met alu tape. De blauwe/zwarte draad gaat naar de aardpen, de Macbook gebruikt voor het loggen was niet geaard.

Buienradar screenshot. — De buienradar van die dag rond 15:00 uur. De buien schoven van uit het zuiden binnen. Er werd gemeten in Haarlem.

Al met al een inspirerende meting.

Field mill

Onlangs maakte ik een field mill, een meetinstrument voor elektrostatische velden. Hiermee kan men potentiaalverschil meten zonder dat er stroom loopt. De elektrische veldsterkte wordt gemeten in volt per meter.

De molen werkt door twee sets elektroden beurtelings af te dekken met een ronddraaiende, via een sleepcontact geaarde sluiter. Het verschijnen en verdwijnen van het elektrische veld voor de elektroden resulteert een wisselstroom in de ingangen van de voorversterkers. Beide signalen worden omgezet in een spanning, aangeboden aan twee adc kanalen van een Arduino en door synchrone detectie in de firmware omgezet in een meetwaarde.

Het synchroon samplen van twee kanalen in tegenfase zorgt voor een goede onderdrukking van ongewenste common-mode signalen zoals die van het lichtnet.

Oudere ontwerpen gebruiken na de voorversterker gewoonlijk een analoge synchrone detector, opgebouwd rond bijvoorbeeld een CD4066. De hier gekozen ‘moderne’ opzet lijkt goed te werken en kost wat minder hardware. Het geheel wordt gevoed uit de USB. De TL072 opamp wordt gevoed met + en – 10V door een kleine DC/DC converter.

Circuit diagram of the field mill. — Schema van de field mill. Het meeste gebeurd in een Arduino.

De schakeling is opgebouwd als spin, onder op het PCB materiaal waar de molen zelf van gemaakt is. De motor is een vierdraads CPU fan. De tacho uitgang bleek direct juiste timing te hebben voor de synchrone demodulatie, mits de sluiter juist geplaatst wordt. De montage van de sluiter op de motor en voor de motor zijn 3D geprint.

De PWM ingang van de fan wordt continu laag gehouden, wat bij de 5 V voeding bij deze fan resulteerde in de minimale snelheid en een meetsignaal van ongeveer 15 Hz. De meetwaarden worden over 11 periodes gemiddeld.

Rear of field mill. — De elektronica, die aan de onderzijde geplakt is.

De Arduino firmware is gedeeld op mijn Github.

Calibrating a field mill. — Kalibratie opstelling voor de field mill.

De kalibratie vond plaats met een metalen plaat op een vaste afstand welke op een instelbare potentiaal gebracht werd door een 300 V labvoeding. Dit resulteerde na instellen in de firmware in onderstaand trapje. Hiebij was de molen steeds geaard via de aarde op de labvoeding. Omdat de Macbook geen aarde heeft en dus op 115 VAC zweeft is er in deze opstelling zonder aparte aarding alsnog vrij veel interferentie van het lichtnet.

Calibration of a field mill. — Kalibratie trap in de Arduino plotter. De treden zijn 1430 V/m.

De firmware beschikt als compile optie over een ‘scope’ modus voor gebruik met de Arduino plotter. Hierin wordt niet gemeten, maar worden enkel beide ingangssignalen en de tacho ingang (hier ‘rotor’ genoemd) tegelijk getoond.

Dit geeft gelijk een duidelijk beeld van de werking van de synchrone detectie:

Scope function of the field mill. — De scope uitgang bij een iets toenemend veld. Er werd hier een geladen PVC buis boven de mill gehouden.

Monochromator als spectrometer

Hoewel dit project al weer een tijd geleden gerealiseerd is heb ik er hier door drukte, verhuizing en corona nooit over geschreven: Een opstelling rond een monochromator om optische spectra te meten.

De gehele opstelling. Links de spectrometer, rechts de voeding en meters voor de te onderzoeken led.

Op de monochromator zijn een stappenmotor en een eindschakelaar gemaakt, zodat hij door een Arduino ingesteld kan worden. Er achter zit een grote bijbehorende fotocel, welke het signaal via een zelfgebouwde voorversterker aanbiedt aan dezelfde Arduino.

De monochromator met zijn motor rechtsboven, de fotocel daar links op aangesloten. Vooraan de voorversterker. In het zwarte kastje zit de Arduino die het geheel aanstuurd.

Voor het testen en wat de golflengte betreft kalibreren van de opstelling gebruik ik een kwiklamp. Als alles ongeveer goed is ingesteld ziet het spectrum daarvan er zo uit:

De code van de Arduino voorziet in een simpele command interface en is hier te vinden: https://github.com/AartSchipper/Monochromator_controller/blob/master/Sturing.ino

De fotodiode voorversterker is opgebouwd rond de klassieke TL072, hij zal besproken worden in een aparte post.

Met deze opstelling heb ik in een samenwerking met Eluke gezellig een middag gemeten aan blauw-achtige leds voor in zijn jongleerballen.

Reparatie JFW 50R-029 verzwakker

Na een jaar waarin, zowel in de wereld als privé, werkelijk vanalles gebeurde lijkt de tijd gekomen te zijn om weer eens iets te schrijven.

Onlangs kreeg ik een defecte omschakelbare verzwakker cadeau, een JFW 50R-029 (datasheet) met een bereik van 0 tot -70 dB. Hij is bruikbaar van DC tot 2 GHz. Ik doe thuis niet veel HF, maar gelukkig valt ook het audio gebied hier binnen. Ik maakte XLR naar BNC kabels zodat op de Neutrik A1 getest kon worden.

Testing a JFW 50R-029 on a Neutrik A1 Audio test & service system.

Het bleek al snel dat er twee problemen zijn: de verzwakker wil geen contact maken op de mechanische klikken, maar soms wel daar net tussenin. Tevens klopten de beloofde verzwakkingen niet goed.

Het laatste zal een gevolg zijn van het niet aansturen en afsluiten met de gespecificeerde impedantie van 50 Ω. De A1 heeft als audio apparaat een lage uitgangsimpedantie van < 0,2 Ω en een hoge ingangsimpedantie van 100kΩ. De afwijking zat behalve bij de grootste verzwakking rond de 6 dB en is nu verder niet onderzocht.

Bij openen bleek dat het gehele binnenwerk met daarop de diverse verzwakkers ronddraait, waarbij dit draaiende gedeelte via verzilverde verende strips rondom contact maakt met de behuizing. Zo ontstaan drie compartimenten. Een goede elektrische afsluiting is erg belangrijk om nauwkeurig een diepe verzwakking te kunnen halen.

De carrousel met de weerstanden. Links de beide verende contactstrips welke los in de groeven in de metalen delen liggen.

Het probleem liet zich raden, de veer op de middenpin van de bovenste BNC connector zat niet helemaal op de goede plaats waardoor slecht contact gemaakt werd. Dit is gerepareerd door de veer bij te buigen.

Het is lastig te zien, maar het PTFE binnenwerk van de linker, bovenste BNC connector zat iets scheef waardoor ook het contact niet goed uitkwam. Dit binnenwerk leek nu wel vast te zitten, dus is alleen de veer iets bij gebogen.

Hiermee lijkt de verzwakker weer te werken. Interessant is nog dat individuele verzwakkers behoorlijk van elkaar verschillen. Voor zover dat zonder demontage ging nam ik het schema op:

Een schets van het schema van de verzwakkers.

Geen enkele waarde komt uit een standaard E-reeks, dus zijn het allemaal speciaal gemaakte weerstanden. Bij de grotere verzwakkingen zijn enige kleine condensatortjes geplaatst. Alle verzwakkers lijken op de condensatortjes na symmetrisch opgebouwd te zijn. De fabrikant vermeld dan ook geen in- en uitgang.

Het was interressant om te zien hoe een in theorie eenvoudige functie in de praktijk goed uitgevoerd kan worden.

Uurwerken op de Sterrewacht

Op de Sterrewacht zijn drie publieke nevenuurwerken aanwezig welke werken op een impulsgever of 50 Hz generator. Deze lopen nu niet goed op tijd en zijn lastig bij te stellen. Daarom was het tijd voor een onderzoekje om uit te zoeken wat hier aan de hand is.

Hiertoe werd de afgelopen weken bij iedere gelegenheid een foto genomen, welke vandaag afgelezen en nabewerkt werden in een spreadsheet. Alle tijdstippen zijn ten opzichte van die van de tijdstempels op de foto’s uit de telefoon, dat is CET. Hier wordt enkel de gang van de klokken bekeken, niet de absolute afwijking.

In de hal

De klokken in de hal wijzen niet de juiste tijd aan en de wijzers zitten niet goed op de as, zodat er “onzin” aangegeven wordt. De wijzers werden afgelezen naar de voorgaande streep, waarna in de spreadsheet gecorrigeerd werd voor de wijzer offsets. Hierbij werd de offset voor alle afgelezen tijden gelijk, en zo ingesteld dat het gemeten tijdverschil, de afwijking, geen hele uren of minuten versprong. Dit kan hier omdat de gang onderzocht werd, niet de absolute afwijking welke zich betrekkelijk eenvoudig laat corrigeren door de klok gelijk te zetten.

UTC klok

Als eerste de UTC klok. De gekozen offset van de minutenwijzer was hier 38 m, die van de secondenwijzer 4 s. Er zijn nog steeds sprongen van 1 m zichtbaar welke niet weg te werken waren met offsets, een wild idee is dat dit veroorzaakt wordt door speling van de wijzers. Conclusie: Dit uurwerk loopt goed.

Sterrentijd klok

De sterrentijdklok geeft een ander beeld, hij loopt inderdaad op Sterretijd en dus ongeveer vier minuten per dag sneller dan de referentietijd ! Dit geeft de dalende trend. Wijzer offsets waren: 24m, 0s. Uitdaging was hier dat de spreadsheet afhankelijk van het moment van aflezen soms een negatief tijdverschil gaf, hetgeen opgelost werd door er in die gevallen een dag bij op te tellen. Conclusie: Ook deze klok loopt goed. hij schijnt mechanisch gekoppeld te zijn met de UTC klok, ik ben nieuwsgierig hoe dit werkt.

De buitenklok

De klok boven de hoofsingang van de Oude Sterrewacht in Leiden.

De wijzers op deze klok zitten goed op de as, hetgeen de nabewerking van de data vereenvoudigde. Er zijn wat minder metingen over een langere periode:

Deze klok lijkt op basis hiervan onregelmatig te lopen. Dit wijst op een defect van de (DCF-) impulsgever. Bij een mechanisch defect van het nevenuurwerk zou de verwachting zijn dat er pulsen gemist worden waardoor de klok enkel steeds verder achter gaat lopen.