Möglichst genaue Zeitmessung

Hallo!

Ich bin gerade dabei ein Projekt zu planen, bei dem ich eine möglichst genaue Zeitmessung für die Ermittlung von Rundenzeiten brauche.

Mich würde daher interessieren, welche Genauigkeit ich erreichen könnte bei Messungen zwischen 5 und 20 min Dauer.

Wenn ich mir die Oszillatoren bei Reichelt ansehe, haben sie alle ca. 100ppm Frequenztoleranz. Dies würde nach meiner Rechnung einer Genauigkeit von ca 0,0001% entsprechen, wenn ich richtig gerechnet habe. Das würde bei den erwähnten 5 Minuten einer Abweichung von 0,03 Sekunden entsprechen. Ich würde aber gerne im Millisekundenbereich messen können. (Habe ich hier einen Denk/Rechenfehler?)

Wie kann ich dies, wenn überhaupt erreichen bzw. habt ihr Tipps wie ich die Zeitmessung evt über andere Bauteile realisieren und mit dem uC auswerten kann?

Was sind eure Erfahrungen in Beziehung mit solchen Messungen?

Grüße
BlueFox

Die Genauigkeit einer Zeitmessung hängt, wie Du richtig erkannt hast, von der Präzision der Taktquelle ab.
Um hier gute Ergebnisse zu erzielen sollte die Taktquelle an einer geeigneten Referenz abgeglichen werden.

Für den Hobbybereich brauchbare Ergebnisse sollten sich mit einem Quarz erreichen lassen, der mittels Drehkondensator nachstimmbar ist.

Da die Quarzfrequenz auch von der Umgebungstemperatur abhängig ist, kann man sich auch den Einsatz einer Quarzheizung vorstellen, da Du die Schaltung mit Sicherheit im Freien benutzen willst.

Quarze unterliegen auch einer Alterung, die die Frequenz beeinflusst.
Also sollte die Taktquelle von Zeit zu Zeit nachkalibriert werden.

Eine Möglichkeit wäre eventuell auch ein Taktgenerator der mit einem DCF77 oder GPS Signal nachgestimmt wird. Aber das ist auch nicht ganz einfach zu realisieren (Empfangsprobleme, Jitter, Fading ?).

Hallo!

Danke für deine Antwort!

Das mit der Kalibrierung des Quarzes hört sich gut an. Brauche ich dafür aber nicht eigentlich eine möglichst exakte Taktquelle? Damit wäre ich ja wieder bei dem Problem, dass handelsübliche Quarze oder Oszillatoren eine Ungenauigkeit von 100ppm haben.

Ich habe da noch eine Grundfrage zum Thema Quarze: Ist die Freuquenztoleranz von Quarzen auf die Dauer gesehen immer gleich, oder pendelt diese bei den Quarzen im Betrieb innerhalb dieser Grenzen?

Mir geht es eigentlich darum, dass ich weiß wie genau ich die Rundenzeit angeben ohne, dass ich damit rechnen muss, dass das Ergebniss aufgrund der Toleranzen verzerrt wird.

Nach meiner Beispielrechnung könnte ich ja höchstens auf die Zentelsekunde genau die Zeiten angeben.

Grüße
BlueFox

Zitat:

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Wenn ich mir die Oszillatoren bei Reichelt ansehe, haben sie alle ca. 100ppm Frequenztoleranz. Dies würde nach meiner Rechnung einer Genauigkeit von ca 0,0001% entsprechen, wenn ich richtig gerechnet habe.

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Das ist so nicht ganz korrekt. 100ppm = 100/1Mio = 0,0001 = 0,01%

Zitat:

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Das würde bei den erwähnten 5 Minuten einer Abweichung von 0,03 Sekunden entsprechen. Ich würde aber gerne im Millisekundenbereich messen können. (Habe ich hier einen Denk/Rechenfehler?)

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Das ist sicher nicht verkehrt. In der Praxis wirds aber auch häufig anders gemacht.
Da zeigt man das Messergebnis einfach mit unsinnig vielen Stellen hinterm Komma an und gibt dann irgendwo klein die Messgenauigkeit an.

Das kommt im Endeffekt zwar aufs selbe raus, bei Leuten die nicht so gerne rechnen machen viele Stellen hinterm Komma aber mächtig Eindruck ;-)

Wenn es um Rundenzeiten geht, sollte man vielleicht auch ein Auge drauf haben, welche Faktoren einen direkten Einfluss auf die Rundenzeit selber haben.
Bei vielen Rennen werden Randbedingungen wie Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit usw. wahrscheinlich einen wesentlich höheren Einfluss auf die Läufer, Fahrer, Autos oder was auch immer haben als auf den Quarz der Uhr.

Wenn ein Läufer seine Runden bei 20 Grad im Schatten dreht und der andere bei 40 Grad in der Mittagssonne und anschliessend die Rundenzeiten verglichen werden, hat letzterer schlechte Karten.
Ob man ihm da noch ein paar ms Messfehler schenkt oder klaut, macht den Braten eigentlich auch nicht mehr fett.

Hallo BlueFox,

zu Deiner Beruhigung, natürlich kannst Du bis in den ms-Bereich messen. Bei Deinen Berechnungen wirfst Du Absoluten und Relativen Fehler durcheinander.

Der Quartz oder Zeitgeber arbeit mit einer Abweichung von 100ppm, d.h. wenn Du daraus eine Torzeit von z.B. 1ms ableitest hat diese auch diese relative Abweichung.

Du darfst die Abweichung dabei nicht auf die Grundgröße beziehen.

Andersherum wenn Du eine genaue Zeit über sagen wir 20min messen willst, so kannst Du diese 20min auch nur mit der Abweichung von 100ppm erfassen.

Zitat:

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Das mit der Kalibrierung des Quarzes hört sich gut an. Brauche ich dafür aber nicht eigentlich eine möglichst exakte Taktquelle?

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Genau so ist es.
Man kann aber auch eine genaue Taktquelle, z.B. den Träger des 77,5kHz Senders von DCF 77 mittels PLL auf die gewünschte Frequenz hochrechnen und diese dann als Referenz zum Abgleichen der Taktquelle verwenden.

Üblicherweise werden auch digitale Telefon (Primärmultiplex-) Anschlüsse mit einer genauen 2048kHz Quelle gespeist.

Im äussersten Notfall kann man auch noch die PAL Frequenz ca. 4,43 MHz oder die Zeilenfrequenz ca. 16KHz aus einem Fernseher während er einen Sender empfängt als Referenz heranziehen.

Das Problem bei allen diesen Methoden ist, das die Aufbereitung der Signale nicht ganz einfach ist.

Eventuell hast Du aber auch Zugriff auf einen sehr genauen kalibrierten Frequenzzähler mit dem Du deine Stoppuhr abgleichen kannst ?

Eine Frage stellt sich sowieso.
Wie genau ist eigentlich deine Start / Stopp Einrichtung ?

Die Teile die ich kenne verwenden dazu Relais als Impulsauslöser und da sind 5...10ms Toleranz mal ganz schnell erreicht.
Ganz zu schweigen von dem Zeitfehler den die Lichtschranken selber erzeugen.

Was ich damit sagen will, was hilft Dir eine Stoppuhr die auf 1/1000 s genau ist, wenn das restliche Zeiterfassungssystem nur 3/100 s Tolerenz hat ?

Ich denke die Sache mit dem kalibrierbaren Quarz sollte für deine Zwecke ausreichend sein. Du musst jetzt nur noch eine passende Referenzfrequenzquelle finden.

Zitat:

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Ist die Freuquenztoleranz von Quarzen auf die Dauer gesehen immer gleich, oder pendelt diese bei den Quarzen im Betrieb innerhalb dieser Grenzen?

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Die Frequenz driftet Altersbedingt weg. Deshalb werden manche Quarze künstlich gealtert, weil die Drift am Anfang am höchsten ist.
Durch die Temperatur ändert sich die Quarzfrequenz temperaturabhängig.

Die genauen Werte sollten sich aus dem Datenblatt des entsprechenden Quarzes herauslesen lassen.

Die Zeilefrequenz 15,... kHz ist eine recht gute Referenz (besonders beim ZDF). Von einem älteren Fernseher kann sie recht leicht über einen Schwingkreis der sich in der Nähe des Fernsehers ist abgenommen werden. Hab im Web mal ne Schaltung gesehen um daraus eine sehr genaue (besser 0,1 ppm) 10 MHz Frequenz zu generieren.

Wenn es nicht um offizielle Weltrekorde oder ähnliches geht, ist die absolute Frequenz/Zeit auch gar nicht so wichtig. Es kommte dann nur auf die Stabilität zwischen den Messungen an. Die Genauigkeit der normalen Quarze ist meisten noch besser als die der typischen Runden- oder Bahnlägen.

also ich schlage vor:

nimm dir etwas genaues wie zb eine Armbanduhr

dann synchronisiere deine Zeit jede Sekunde damit

so hast du deinen Fehler auf einen Messbereich von 1 Sekunde eingegrenzt

Das geht sicher genauer zb indem du den 32768 Hz Quarz der Uhr direkt anzapfst, aber ob der stabiler läuft (Temperatur) als einer mit paar Megahertz, weiß ich auch nicht.