Kennwerte eines Meßsystems

Die Eigenschaften der Meßsysteme werden durch ihre Kennwerte charakterisiert. In den Da-tenblättern kommerzieller Meßsysteme sind im allgemeinen die nutzbare Bandbreite, die Emp-findlichkeit und Dynamik, maximale Anisotropie, wie auch Angaben zu Gewicht, Abmessun-gen, Handhabung, Temperaturbereich, Spannungsversorgung etc. zu finden. Informationen zur Meßunsicherheit, Rückwirkung auf umgebende Systeme, Auflösungsvermögen etc. sucht man häufig vergeblich. Die genannten Eigenschaften lassen sich in drei übergreifende Gruppen unterteilen:

1. Grundlegende Kennwerte beschreiben die Ausstattung und Bedienung des Meßsystems:

• Messung nur der Amplituden oder der Amplituden und der Phaseninformation. Be-stimmung einer oder aller Ortskomponenten.

• Ausgabeoptionen (einzelne Ortskomponenten, Gesamtbetrag, Strahlungsdichte etc.).

Meßmodi (manuell, vollautomatisch zur Überwachung, gesteuert über einen Bus).

Speicherung von Meßdaten.

• Gewicht, Abmessungen, Spannungsversorgung, Halterungsmöglichkeiten etc.

2. Leistungskennwerte beziehen sich auf die Anwendung des Meßsystems:

• Als Bandbreite wird der nutzbare Frequenzbereich definiert, in dem die Lei-stungsfähigkeit hinsichtlich einer bestimmten Eigenschaft des Meßsystems einem gewissen Standard gehorcht. Sie wird als Verhältnis von oberer zu unterer Grenz-frequenz definiert [27].

Nutzbarer Frequenzbereich

gemessene Rauschfeldstärke E_R Mindeststörabstand

resultierende Ansprechschwelle geforderte Ansprechschwelle

Feldstärke

f

Abbildung 2.3: Definition der Bandbreite über die Ansprechschwelle einer Feldsonde.

Für die geschilderten Meßsysteme dient i.d.R. die Ansprechschwelle als Kriterium zur Bestimmung des nutzbaren Frequenzbereichs. Er wird aus dem Frequenzgang der Rauschfeldstärke im Vergleich zu einer geforderten Ansprechschwelle bestimmt. Wie in Abbildung 2.3 dargestellt wird, muß zusätzlich ein Mindeststörabstand berück-sichtigt werden, da nahe der ermittelten Rauschfeldstärke die Meßunsicherheit stark ansteigt.

• Die Ansprechschwelle wird durch das Umgebungsrauschen und das Eigenrauschen des Meßaufnehmers festgelegt. Bei Feldstärkemeßsystemen ist sie bei einer Band-breite 4f gleich der Rauschfeldstärke E_R, die am Meßausgang des Empfängers ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von eins erzeugt. Praktisch wird sie aus der Meßspan-nung u bestimmt, wenn sich die betreffende Antenne innerhalb eines geschirmten Raumes befindet [47]

E_R= u h_e =

s

4kT₀F_S4fR_S

h²_e . (2.1)

Dabei sind k =1,38·10⁻²³Ws/K die Boltzmann-Konstante, he die effektive Anten-nenhöhe des passiven Antennenteils, T₀=290K die Bezugstemperatur, R_S der Real-teil der Antenneneingangsimpedanz Z_A. F_S steht als Abkürzung für die Rauschzahl des gesamten Meßsystems und wird bei passiven Antennen durch die Rauschzahl

des Meßempfängers bestimmt. Eine Verringerung der Rauschfeldstärke ist nur über einen kleineren Strahlungswiderstand R_S oder mit Hilfe aktiver Sonden durch die Reduzierung der Rauschzahl F_S zu erzielen [47]. Für Stromzangen gelten prinzipiell dieselben Überlegungen.

• Die Empfindlichkeit eines Meßsystems wird durch die Änderung der Ausgangsgröße bezogen auf die sie verursachende Änderung des Wertes der Eingangsgröße beschrie-ben.

• Das Übertragungsverhalten beschreibt die Beziehung zwischen den Werten der Ein-gangsgröße und den zugehörigen Werten der AusEin-gangsgröße, also dem Anzeigewert.

Im Zeitbereich wird für die hier vorliegenden linearen, zeitinvarianten Systeme das Übertragungsverhalten durch die Impulsantwort dargestellt. Mit dieser kann über das Faltungsintegral die Systemantwort auf eine beliebige Erregung bestimmt wer-den. Die Impulsantwort ist über die Fourier-Transformierte eindeutig mit der Über-tragungsfunktion des Systems bzw. derem Frequenzgang verknüpft [45].

Bei aktiven Meßsystemen wird diese Funktion im allgemeinen nicht angegeben, da sie durch die interne Korrektion und die Kalibrierung des Systems im Idealfall gleich eins sein sollte. Hingegen entspricht der Frequenzgang der Übertragungfunktion passiver Meßsysteme der des Meßaufnehmers: bei Feldsonden also dem Antennen-faktor (Lastimpedanz Z_L =50Ω) oder der effektiven Antennenhöhe (Z_L =∞), und bei Stromzangen der Transferimpedanz. Die Meßaufgabe und der verwendete Meß-empfänger müssen auf den Verlauf der Übertragungsfunktion abgestimmt werden.

• Mit der Dynamik eines Meßsystems geben die Hersteller an, welche Signalamplituden durch das Meßsystem bestimmt werden können. Sie wird für kleine Signale durch die Ansprechschwelle und für Signale großer Amplituden durch den Detektor bzw.

den Meßempfänger begrenzt.

• Die Linearität wird bei aktiven wie auch passiven Sondensystemen nicht durch den Meßaufnehmer, sondern durch die folgenden Funktionseinheiten (ein Antennennetz-werk bzw. den Meßempfänger) beschränkt.

3. Kennwerte, die die Qualität der resultierenden Meßergebnisse betreffen:

• Das örtliche Auflösungsvermögen wird durch das integrale Verhalten der Meßantenne beschränkt. Insbesondere bei der Lokalisierung von Emissionsquellen stark inhomo-gener Felder ist durch die Sondengröße der Feldauflösung eine Grenze gesetzt, die sich in einer stark ansteigenden Meßabweichung auswirkt.

• Die Rückwirkung der Sonde auf die benachbarte Umgebung (Feldverzerrung, Ver-koppelung zu Streukörpern, Veränderung der Strombelegung etc.) kann zu einer un-erwünschten Beeinflussung von Daten- und Steuersignalen führen. Sie ist abhängig

von der Größe der Sonde im Verhältnis zur Wellenlänge, von ihren Materialeigen-schaften (Leitfähigkeit etc.) und dem Abstand zu benachbarten Strukturen.

• Die Meßunsicherheit und Meßabweichung von Feld- und Strommeßsystemen wird nicht nur durch das Meßsystem allein, sondern auch durch die umgebende Feld-verteilung und benachbarte Streustrukturen bestimmt. Genauer wird darauf im folgenden Abschnitt 2.3 eingegangen.

• Bei Feldsonden mit drei zueinander orthogonalen Sensorelementen kann aus den drei gemessenen Feldkomponenten die Gesamtfeldstärke bestimmt werden. Die Meßab-weichung in Abhängigkeit von der Sondenausrichtung gegenüber einem homogenen Wellenfeld kann meßtechnisch bestimmt werden und wird als Anisotropie der Feld-sonde bezeichnet.

Die Meßsysteme werden entsprechend der Meßaufgabe (z.B. im Personenschutz, Platinenscan-ner, breitbandige Feldsonden etc.) gezielt optimiert. Je nach Anwendungsgebiet liegt der Schwerpunkt auf ganz unterschiedlichen Aspekten der obigen Übersicht. Dabei stehen im all-gemeinen Gesichtspunkte aus den ersten beiden genannten Gruppen im Vordergrund: Verbes-serung der Ausstattung und der Leistungsdaten (Bandbreite und Dynamik). Eine Sondenopti-mierung mit dem Ziel einer MiniSondenopti-mierung von Meßabweichung, Meßunsicherheit und Rückwir-kung hat zu extrem teuren Meßsystemen geführt, die auf elektro- und magnetooptischen Meß-aufnehmern beruhen. Sollen aus Kostengründen die klassischen Feldsonden verwendet werden, so ist zu klären, unter welchen Bedingungen die Meßabweichung in einem vertretbaren Rahmen bleibt.