Meßsysteme zur Ermittlung elektromagnetischer Felder oder hochfrequenter Leitungsströme sind aus mehreren Einzelkomponenten zusammengesetzt, die insgesamt die Qualität der Meß-ergebnisse bestimmen. Im zweiten Kapitel wird auf den grundsätzlichen Aufbau dieser Systeme eingegangen. Sie werden durch typische Kennwerte wie Bandbreite, Dynamik, Empfindlichkeit und Meßabweichung charakterisiert. Die unterschiedlichen Einflußfaktoren auf das Meßergeb-nis werden zunächst qualitativ unterschieden, um deutlich zu machen, welche von ihnen im folgenden mit Hilfe der numerischen Feldsimulation untersucht werden.Insbesondere wird in diesem Kapitel auf grundlegende Begriffe der Meßtechnik eingegangen, wie sie durch die DIN 1319 definiert werden.
Die Untersuchung der Meßabweichung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wie dies im dritten Kapitel dargestellt wird. Analytische Rechnungen sind aufwendig und erlauben ei-ne Analyse nur spezieller Strukturen. In der vorliegenden Arbeit wird über die numerische Feldsimulation die notwendige Flexibilität in der Beschreibung der zu untersuchenden Struk-turen erreicht. Nur in kurzer Form soll auf den theoretischen Hintergrund des verwendeten Programmpakets eingegangen werden, ebenso auf praktische Aspekte, die bei der numerischen Simulation zu beachten sind. Abschließend wird in diesem Abschnitt auf die Beurteilungskrite-rien (Meßabweichung, Feldverzerrung, Rückwirkung etc.) eingegangen, die zu einer Bewertung der verschiedenen Sondentypen in den unterschiedlichen Umgebungsbedingungen verwendet wurden.
In den darauf folgenden beiden Kapiteln werden nacheinander die Eigenschaften elektrischer und magnetischer Feldsonden untersucht. Die Vorgehensweise ist in beiden Fällen identisch:
Nach der Schilderung des Wirkungsprinzips und dem daraus resultierenden Ersatzschaltbild wird das Verhalten zunächst im homogenen Feld des Freiraums beschrieben. Dies führt zum Antennenfaktor als Transferfunktion der Sonde und dem Verlauf der Eingangsimpedanz. Es
können bereits unter diesen idealen Bedingungen die physikalischen Grenzen der verschiedenen Sondenausführungen und deren Ursachen in Abhängigkeit der Designparameter charakterisiert werden. In einem zweiten Schritt wird das Verhalten der unterschiedlichen Sondentypen in Verbindung mit Streukörpern behandelt. An Hand signifikanter Beispiele werden wesentliche Einflußfaktoren (Feldinhomogenität, Bandbegrenzung und Koppelimpedanzen) auf das Meßer-gebnis aufgezeigt und Grenzen für die Einhaltung einer gewissen maximalen Meßabweichung angegeben. In Abhängigkeit der unterschiedlichen Wirkungsprinzipien von elektrischen und magnetischen Feldsonden dominieren verschiedene Faktoren die Meßabweichung, so daß in den beiden Abschnitten mit verschiedenen Schwerpunkten auf die Schwächen der beiden Sondenty-pen eingegangen wird.
Auch bei der darauf folgenden Untersuchung der Stromzange wird ähnlich wie bei den Feld-sonden vorgegangen: Nach einer Darstellung des üblichen Ersatzschaltbildes wird bei einer Anregung durch einen konstanten Strom die Transferfunktion der Sonde bestimmt. Daraufhin werden an vier exemplarischen Anregungen Meßabweichung und Rückwirkung geschildert und ein Optimierungsansatz zur Reduzierung der Rückwirkungen auf den Originalstrom vorgestellt.
Im siebten Kapitel werden die charakterisierten Einflüsse der verschiedenen Sonden an typischen Beispielen demonstriert. Abschließend werden die zu Vergleichszwecken durchgeführten prakti-schen Messungen vorgestellt. Auch bei komplexen Modellen kann eine gute Übereinstimmung von Simulationsergebnissen und Meßwerten erzielt werden. Dadurch wird bestätigt, daß die Verwendung numerischer Werkzeuge zur systematischen Untersuchung von feldtheoretischen Problemen gerechtfertigt ist.
Kapitel 2
Meßsysteme für elektromagnetische Felder und hochfrequente Leitungsströme
Die Bestimmung elektromagnetischer Felder und hochfrequenter Leitungsströme kann auf Basis unterschiedlicher physikalischer Wirkmechanismen erfolgen. Für die angestrebte Analyse des Meßverhaltens und der Abweichung wird in diesem Kapitel zunächst der grundsätzliche Aufbau solcher Meßsysteme geschildert. Deren Eigenschaften werden durch typische Kennwerte, wie Bandbreite, Empfindlichkeit und Dynamik beschrieben. Die Meßqualität betreffende Kennwer-te, wie mögliche Meßabweichungien und allgemeine Meßunsicherheitsangaben, sind sowohl bei den technischen Daten kommerzieller Meßsysteme als auch in der entsprechenden Fachliteratur selten zu finden. Sie werden im letzten Teil dieses Kapitels erläutert.
An dieser Stelle soll auf die im folgenden gewählte Sprachregelung eingegangen werden: Es werden die meßtechnischen Begriffe gemäß den Definitionen der zur Zeit gültigen DIN 1319
”Grundlagen der Meßtechnik” verwendet. Der in den letzten Jahren zunehmend verbreite-te ”Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen” (GUM) [56], mit zum Teil davon abweichenden Darstellungen, wird hier um die Einheitlichkeit zu wahren nicht benutzt.
2.1 Komponenten eines Meßsystems
Die DIN 1319 ”Grundlagen der Meßtechnik” definiert den Meßaufnehmer als erstes Glied in der Meßkette: Bei der Messung elektromagnetischer Felder ist der Meßaufnehmer gleichbedeutend mit dem Feldsensor (auch Feldsonde genannt) und entspricht einer einfachen passiven Emp-fangsantenne. Die Kombination von Feldsonde und einer aktiven Funktionseinheit zur Signal-verarbeitung wird als Feldmeßsystem bezeichnet. Bei der Messung der Leitungsströme besteht
die Meßkette einzig aus dem passiven Meßaufnehmer, der Stromzange oder auch Stromsonde.
Der Meßaufnehmer wandelt die gesuchte Größe in ein Signal um, welches sich für die Ab-leitung oder Weiterverarbeitung besser eignet als die Meßgröße selbst. Bei der Bestimmung elektromagnetischer Felder können dabei unterschiedliche Wirkungsprinzipien genutzt werden:
Neben der Wechselwirkung metallischer Antennen mit dem elektromagnetischen Feld können z.B. auch der Kerr-, Pockels-, Hall- ode. magnetoresistive Effekt im elektrischen bzw. magne-tischen Feld genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit sollen die zur Zeit gebräuchlichsten Feldsonden untersucht werden, deren Wirkungsprinzip, wie das der klassischen Antennen, auf der Einkoppelung des elektrodynamischen Feldes in eine metallische Struktur beruht.
Die Ermittlung eines hochfrequenten Leitungsstroms kann durch Auftrennung des Strompfads und Abgriff einer Meßspannung an einem niederohmigen Meßwiderstand erfolgen. Alterna-tiv kann der Strom berührungslos mit Hilfe einer Stromzange gemessen werden. Dabei wird das magnetische Feld des Primärleiters durch einen Ferritkern gebündelt, so daß durch eine Meßwicklung ein Signal proportional dem magnetischen Fluß bzw. dem anregenden Strom abgegriffen werden kann.
Meßsysteme zur Ermittlung elektromagnetischer Felder oder hochfrequenter Leitungsströme bestehen im allgemeinen aus verschiedenen Einzelkomponenten. Während die hier untersuchten Stromzangen einzig als passives System vorliegen, muß bei Feldsonden zwischen aktiven und passiven Typen unterschieden werden:
• Aktive Feldsonden bestehen neben dem passiven Meßaufnehmer aus einem aktiven Netz-werk, welches das Signal detektiert, vorverarbeitet und verstärkt. Die Anzeige ist je nach Meßsystem mit der Signalverarbeitung in ein Gehäuse integriert oder erfolgt nach Übertragung des Meßsignals erst in größerer Entfernung, siehe Abbildung 2.1.
Feldsensor Signalwandlung Detektor +
Ableitung elektronik
Auswerte-Anzeige
Meßsystem
Abbildung 2.1: Komponenten eines aktiven Feldmeßsystems.
Im wesentlichen sind zwei unterschiedliche Verfahren zur Detektion und Ableitung des Meßsignals üblich. Entweder kann über einen Diodendetektor ein Gleichspannungspegel erzeugt werden, der über eine hochohmige Leitung abgeführt wird [25], [54], [80]. Oder es wird nach einer Konvertierung das resultierende optische Signal mit Hilfe eines Licht-wellenleiters übertragen, z.B. [42], [66], [68]. Allein letzteres liefert sowohl Amplituden-wie auch Phaseninformation des gesuchten Feldwertes.
• Passive Sonden bestehen allein aus dem eigentlichen Meßaufnehmer, der einen Spannungs-abfall über der Leitungseingangsimpedanz der abführenden Koaxialleitung verursacht, siehe Abbildung 2.2.
Feldsensor HF-Signal
Ableitung
Meßempfänger Meßsystem
Abbildung 2.2: Komponenten eines passiven Feld- oder Strommeßsystems.
Der auswertende Meßempfänger wird nicht mehr zum eigentlichen Meßsystem gezählt.
Es sind sowohl einfache skalare Messung allein der Amplitudeninformation durch einen Spektrumanalysator als auch vektorielle Messungen mit Hilfe eines Netzwerkanalysators möglich.
Das Anwendungsgebiet und der mögliche Investitionsrahmen bestimmen die Auswahl, welche Art von Meßsystem verwendet wird. Dafür müssen die von der Meßaufgabe vorgegebenen Randbedingungen mit den Kennwerten der Meßsysteme verglichen werden.