Feldinhomogenität

Abbildung 5.23: Relative Abweichung der kugelförmigen Feldsonde mit sechs Schleifen in Abhängigkeit von der Ausrichtung gegenüber der einfallenden Welle.

Im Gegensatz zu Feldsonden zur Messung der elektrischen Feldstärke führt der unvermeidli-che Versatz der einzelnen Sensoren bei dem Aufbau einer isotropen Sondenstruktur zu keiner weiteren Abweichung. Die Bandbegrenzung auf - im Vergleich zur Wellenlänge - sehr kleine Strukturen (kleiner 0,1λ) verhindert eine Beeinflussung auf diese Art.

5.5.3 Feldinhomogenität

Für einzelne Schleifensensoren hat die Feldinhomogenität entlang der Schleifenfläche keinen si-gnifikanten Einfluß auf die Meßabweichung, da die Sensoren auf Frequenzbereiche begrenzt sind, in denen von einer homogenen Feldverteilung über der Apertur ausgegangen werden kann. Dies ist bei räumlich großen Sondenstrukturen anders. Am Beispiel der abstrahlenden Leiterstruk-tur über einer leitenden Ebene aus Abbildung 5.24 soll dies mit der Kugelsonde beschrieben werden.

Auf dem Sondenkörper in Abbildung 5.24 sind für eine bessere Übersichtlichkeit nur zwei Halb-kreisschleifen von insgesamt sechs dargestellt. Die Lastimpedanzen werden durch zwei Schlitze im koaxialen Mantel oberhalb der Ebene gebildet, so daß zwei Signalspannungen zur Verfügung stehen. Aus der Montage der Schleifen auf dem Sondenrumpf resultiert ein Versatz, der sich bei diesem Beispiel in einer von der Ausrichtung abhängigen Meßabweichung niederschlägt:

Werden die beiden Schleifenelemente mit dem Sondenrumpf parallel zur Leiterstruktur ausge-richtet, wie in Abbildung a), entspricht die resultierende Abweichung den bisher beschriebenen Grenzen. Bei der Auswertung der beiden Einzelsignale jeder Schleife ist die nutzbare Bandbreite auf ≈ 0,02λ ^{( f}max ≈42 MHz) begrenzt, während durch die Mittelung die nutzbare Bandbreite bei 0,13λ ^{( f}max≈278 MHz) liegt.

In Abbildung b) wird deutlich, daß der Sondenkörper auch durch seine endliche Ausdehnung

-100 a) Relative Abweichung / %

Relative Abweichung / %

Abbildung 5.24: Meßabweichung von Kugelschleifensonden (Radius Kugelrumpf R = 5 cm, Schleifenradius r=2 cm): Verhalten einzelner Schleifensignale und gemittelter Signale bei zwei verschiedenen Ausrichtungen.

eine Abweichung verursacht, wenn nämlich die Feldvariation über dem Sondenquerschnitt bzw. den beiden Schleifenflächen zu groß wird. In der Nähe des abstrahlenden Leiters ist der Feldverlauf der H_y-Komponente in z-Richtung nicht linear. Beide Schleifen messen im Vergleich zum Sondenmittelpunkt entweder einen zu großen oder zu geringen Feldwert, deren Mittelung nicht dem wahren Wert am Meßpunkt entspricht. Aufgrund dieses Effekts muß bei Feldsonden mit räumlich versetzten einzelnen Schleifenelementen ein Mindestabstand zu benachbarten Strukturen eingehalten werden. Als Richtwert sollte ein Abstand vom Sensorrand zur Umgebungsstruktur gewählt werden, der mindestens den Sondenabmessungen entspricht. Die Simulationen zeigten, daß die resultierende Meßabweichung dann unterhalb von 5% liegt.

Der Sensorkörper der oben geschilderten Magnetfeldsonden beeinflußt die Meßabweichung

auf-grund der gegenüber den einzelnen Schleifen zunehmenden Größe: Die nutzbare Bandbreite wird durch die Gesamtausdehnung der isotropen Sonde bestimmt, nicht durch die Größe der Schleifenelemente. Der Versatz der Schleifen führt zwar zu keiner Anisotropie und weiteren Meßabweichung, kann jedoch nahe von Streustrukturen in inhomogenen Feldern auch inner-halb der nutzbaren Bandbreite zu Meßabweichungen führen. Aus diesem Grund sollte ein Sicherheitsabstand entsprechend der Sondengröße eingehalten werden.

5.6 Zusammenfassung

Bei der Bestimmung magnetischer Felder ist der Einfluß der elektrischen Feldkomponenten im Vergleich zu allen anderen Einflußfaktoren der, der am stärksten zu Meßabweichungen beiträgt.

Die Strombelegung und damit auch das Meßsignal sind nur im Frequenzbereich bis 0,01λ allein vom magnetischen Feld abhängig und werden für darüber hinausgehende Frequenzen auch vom elektrischen Feld bestimmt. Die resultierende Meßabweichung ist von der Bauform der Schleife abhängig. Für eine Beurteilung wurde eine Signaldämpfung ξ definiert, die es gestattet, für jede Sonde im homogenen Feld eine obere Grenzfrequenz anzugeben, bei welcher der Einfluß des elektrischen Feldes auf das Meßsignal zu einer Abweichung von maximal -20 dB führt. Die nutzbare Bandbreite kann unter dem Aspekt einer gewissen Meßabweichung nicht aus dem Verlauf der Antennenimpedanz oder dem Antennenfaktor bestimmt werden. Die Empfindlichkeit gegenüber dem elektrischen Feld kann über die Bestimmung der Strombelegung oder die Signalabhängigkeit bei unterschiedlichen Ausrichtungen überprüft werden.

Es existieren verschiedene Ansätze, um die Meßabweichung bei höheren Frequenzen zu redu-zieren. Dies ist möglich durch eine geeignete Formgebung der Schleife, die doppelt belastete Schleife oder die Kompensationsschleife. Die verringerte Meßabweichung führt zu einer höheren nutzbaren Bandbreite. Eine entsprechende Gegenüberstellung der verschiedenen Sondentypen ist in Tabelle 5.1 zu finden. Bezogen auf den Schleifendurchmesser kann ein maximal nutzbarer Frequenzbereich bis≈0,14λ erzielt werden. Darüber hinaus ist eine Messung des magnetischen Feldes durch eine Schleifensonde nicht möglich.

Neben der nutzbaren Bandbreite ist die Empfindlichkeit der Schleifensonde bei einer Beurtei-lung zu beachten. Eine Optimierung der Sondenempfindlichkeit führt auf Typen wie den der Moebiusschleife oder zylindrische Schleifen.

Die Signaldämpfung ξ im homogenen Feld gibt die nutzbare Bandbreite bei einer Feldwel-lenimpedanz von 377Ω wieder. Während diese auch im Niederimpedanzfeld ihre Gültigkeit behält, kann im Hochimpedanzfeld die elektrische Feldkomponente gegenüber der magneti-schen Feldkomponente überwiegen und so auch innerhalb der bestimmten Nutzbandbreite der Sonde zu einer Meßabweichung führen. Dies ist insbesondere zu beobachten, wenn eine Null-stelle des magnetischen Feldes am Meßpunkt vorliegt und die elektrische Feldkomponente in

der Schleifenebene liegt. Prinzipiell ist aus diesem Grund im inhomogenen Feld jede Messung durch Drehung der Schleife um ihre Flächenormale zu wiederholen und zu bestätigen. Sind die Meßwerte (innerhalb der Bandbreite) nicht identisch, liegt ein Hochimpedanzfeld vor, dessen magnetische Feldkomponente auf diese Weise nicht bestimmt werden kann.

Isotrope Freiraumsonden werden häufig durch Montage der einzelnen Schleifenelemente auf einem Sondenrumpf realisiert. Die nutzbare Bandbreite dieser Sonden wird durch die Ge-samtausdehnung bestimmt, nicht durch den Radius der deutlich kleineren Schleifenelemente.

Der Versatz der Schleifenelemente führt innerhalb der nutzbaren Bandbreite zwar zu keiner Anisotropie der Sonde, kann jedoch in inhomogenen Feldern zu einer Meßabweichung führen.

Nahe von Streustrukturen ist aus diesem Grund ein Abstand von mindestens einer Sondengröße einzuhalten.

Schleifensonden werden vielfach mit Hilfe koaxialer Leitungssysteme ausgeführt. Auf diese Weise kann der Einfluß störender Kabelmantelströme verhindert werden, indem bei der einfach belasteten Schleife der Spalt auf der gegenüberliegenden Seite und bei der doppelt belasteten Schleife symmetrisch zum abführenden Kabel angeordnet wird. Die praktische Ausführung des Spaltes ist insbesondere bei kleinen Schleifenradien nicht immer mit der gewünschten Präzision möglich. Spaltbreite oder Versatz entsprechen einer Verlagerung der Lastimpedanz entlang des Schleifenumfangs. Sie führen zu einer Meßabweichung und einer Reduzierung der nutzbaren Bandbreite entsprechend Abbildung 5.15.

Kabelmantelströme können bei der doppelt belasteten Schleife die Bestimmung der magneti-schen Feldstärke verhindern, wenn die Dynamik der Koppler zur Addition der beiden Last-signale nicht ausreicht. Grundsätzlich ist auch die Bestimmung der elektrischen Feldstärke dann nicht möglich. Brückenschleifen verhindern den Einfluß der Kabelmantelströme, indem die Leitungsführung normal zur Schleifenfläche erfolgt. Sie tragen nicht zu einer Erhöhung von Schleifenempfindlichkeit oder nutzbarer Bandbreite bei.

Kapitel 6

Stromzangen zur Messung

hochfrequenter Leitungsströme

In den beiden vorhergehenden Kapiteln wurden Meßabweichungen unterschiedlicher Sondenty-pen zur Messung elektromagnetischer Feldverteilungen behandelt. In diesem Abschnitt liegt der Schwerpunkt auf den Eigenschaften von Meßsonden zur Bestimmung hochfrequenter Leitungs-ströme, sogenannten Stromzangen. Entsprechend ihrer Anwendung im Bereich der elektrischen Energieversorgung, der Antriebstechnik oder EMV-Meßtechnik werden die Zangen bezüglich ihrer nutzbaren Bandbreiten (bzw. Anstiegszeit) und der möglichen Amplitudendynamik un-terschieden. Während im Bereich der Energietechnik eher niederfrequente Signale hoher Am-plituden ( f < 10 kHz und I < 10 kA) gemessen werden, sollen bei einer EMV-Prüfung auch höherfrequente Signale geringerer Amplitude ( f <1 GHz und I>10µA) untersucht werden.

Die Eigenschaften von Stromsonden sind bisher nur in wenigen Veröffentlichungen untersucht und beschrieben worden, z.B. von White [17], Morgan [61] oder Millanta [74]. In diesen Arbeiten wird bei ihrer Herleitung von dem Wirkmechanismus eines Übertragers ausgegangen. Ergänzt werden diese Ergebnisse durch meßtechnische Untersuchungen. Sie beschränken sich auf einen Frequenzbereich, in dem das Sondenverhalten durch ein einfaches Ersatzschaltbild beschrieben werden kann.

Bei der Anwendung können verschiedenartige Faktoren die Ergebnisse beeinflussen: Auch bei Wahl der ”richtigen” Zange (Frequenzbereich, Dynamik etc.) führt die Verkoppelung zur Meß-umgebung wie auch die Rückwirkung der Zange auf den Originalstrom zu einer Meßabweichung der gesuchten Werte. Aufgrund der vergleichsweise komplexen Sondenstruktur (Kernmaterial, Meßwicklung etc.) und der ausgeprägten Verkoppelung zur Meßumgebung ist eine Untersu-chung dieses Themas nur auf Basis einer Feldsimulation möglich. Dafür wird die im Kapitel 3.1.1 beschriebene Momentenmethode verwendet.

Nach einleitender Erklärung des Wirkmechanismus und typischer Zangenkennwerte

(Trans-ferimpedanz und Einfügungsimpedanz) werden die Variationen der modellierten Zangentypen geschildert. Es wird gezeigt, auf welche Weise die resultierende Meßabweichung und die Rück-wirkung von Struktur und Konstruktion der Zange abhängig sind. Weitere Fragen nach Einfluß der Strombelegung des zu vermessenden Leiterstromes und Höhe der Rückwirkung werden in diesem Kapitel beantwortet. Schließlich wird ein Ansatz vorgestellt, mit dem eine Reduzierung von Meßabweichung und Rückwirkung realisiert werden kann.

6.1 Wirkungsweise von Stromzangen

Bevor auf die Untersuchung von Meßabweichung und Rückwirkung der Stromzangen einge-gangen wird, soll in diesem Abschnitt ihre Wirkungsweise erklärt werden. Aus dem Ersatz-schaltbild bei niedrigen Frequenzen können charakteristische Kenngrößen hergeleitet werden:

die Transfer- und die Einfügungsimpedanz. Sie dienen in den darauffolgenden Kapiteln der Beurteilung der verschiedenen Zangenmodelle.