Feldmessung

Blitzmessstation Hoher Peißenberg

Messtechnik zur Blitzfeldmessung

Die Feldmesskabine befindet sich in einer Entfernung von etwa 200 m vom Fernmeldeturm entfernt auf einer Wiese neben einem Gebäude. Bei der Feldmesskabine handelt es sich ursprünglich um eine Fernmeldekabine der Bundeswehr, die für die Messaufgaben umgebaut wurde. Das wesentliche Element ist dabei eine im Abstand von 60 cm über dem Kabinendach angebrachte leitende Ebene aus Aluminiumblechen. Diese dient als Bezugspotential für die in den folgenden Abschnitten beschriebenen Sensoren. Von den Sensoren führen koaxiale Messleitungen vom Typ RG213 in flexiblen Schirmschläuchen in das Innere der Kabine.

Elektrischer Feldsensor

Für die Messung des elektrischen Feldes und seiner zeitlichen Änderung sind auf dem Kabinendach zwei elektrische Feldsensoren installiert. Bei beiden handelt es sich um zylindrische Aluminiumstangen, die gegenüber der Messbezugsfläche isoliert sind und daher als Monopolantennen fungieren.
Der Sensor für das elektrische Feld hat eine Höhe von 2,5 m und einen Durchmesser von 8 cm. Für einen derartigen Antennentyp ergibt sich die effektive Länge als die Hälfte der physikalischen Länge. Aus diesem Wert errechnet sich eine Antennenkapazität von etwa 40 pF und eine untere Grenzfrequenz von 4 kHz. Die obere Grenzfrequenz der Antenne folgt aus der Forderung, bei den gegebenen Abmessungen hinreichend weit von der ersten Resonanzfrequenz entfernt zu bleiben. Eine Abschätzung ergibt, dass die kleinste zu messende Wellenlänge die zehnfache Antennenlänge nicht unterschreiten sollte. Hiermit folgt für die obere Grenzfrequenz ein Wert von etwa 12 MHz.
Da die untere Grenzfrequenz von 4 kHz für die Messung einer etwa eine Sekunde dauernden Blitzentladung nicht den erforderlichen niedrigen Wert aufweist, wurde die Antenne mit einer Zusatzkapazität von 2 μF beschaltet. Damit konnte die untere Grenzfrequenz auf einen Wert von 0,08 Hz abgesenkt werden. Als Ausgangssignal ergibt sich schließlich eine dem elektrischen Feld proportionale Spannung, die durch die Messwandlerkarte aufgezeichnet wird.

Magnetischer Feldsensor

Zur Messung des magnetischen Blitzfeldes wird eine geschlossene, quadratische Drahtschleife mit einer Kantenlänge von 40 cm und einem Drahtradius von 4 mm eingesetzt. Der H(t)-Sensor ist so auf den Turm ausgerichtet, dass das Magnetfeld die Schleifenfläche bei einem Blitzeinschlag in den Turm senkrecht durchdringt. Die Induktivität der Rahmenantenne beträgt etwa 1,26 μH, womit sich eine untere Grenzfrequenz von etwa 150 Hz ergibt. Die obere Grenzfrequenz des Sensors wurde durch Simulation zu etwa 25 MHz bestimmt. Da der durch das Magnetfeld bzw. dessen Änderung induzierte Kurzschlussstrom an der unteren Kante der Drahtschleife mit einem Strommonitor vom Typ Pearson 410 gemessen wird, welcher eine obere Grenzfrequenz von 20 MHz besitzt, ist diese als obere Grenzfrequenz des gesamten Sensors anzusetzen.

Feldmühle

Zur Messung des quasi-elektrostatischen Feldes ist die Messkabine mit einer Feldmühle vom Typ Mission Instruments EFS 1000 ausgestattet, welche eine obere Grenzfrequenz von etwa 3,5 Hz aufweist. Durch ein als Verlängerung des Feldmühlengehäuses befestigtes Metallrohr wurde die Empfindlichkeit der Feldmühle herabgesetzt, sodass sich bei einer maximalen Ausgangsspannung von ± 10 V elektrische Felder bis 100 kV/m erfassen lassen.

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