Strommessung

Blitzmessstation Hoher Peißenberg

Messtechnik zur Blitzstrommessung

Sensoren

An der Spitze des Turmes befindet sich nun eine Blitzfangstange, welche die Blitzentladung aufnimmt und den Blitzstrom den Sensoren zuleitet. Die beiden im folgenden beschriebenen Sensoren sind in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut, welches diese gegenüber Schmutz- und Witterungseinflüssen schützt.

Zur direkten Messung des Blitzstromes wird dieser auf seinem Weg von der Fangstange in die Erde über einen Messwiderstand (Shunt) geleitet. Dieser ermöglicht die Messung eines dem Strom proportionalen Spannungssignals.
Da auch Blitzströme mit einem Scheitelwert von über 100 kA erwartet werden müssen, darf der Shunt nur einen sehr geringen Widerstandswert aufweisen; ebenso ist für die Messung der ansteigenden Flanke von Stoßstromkomponenten, welche eine Dauer von einigen Mikrosekunden haben, auf eine hochfrequenztaugliche Bauweise zu achten. Im vorliegenden Fall wurde ein Shunt vom Typ HiloTest ISM 500 mit einem Widerstandswert von 0,25 mΩ verwendet. Die Ausführung in der Bauform eines Röhrenshunts gewährleistet bei dem vorliegenden Modell eine Bandbreite von 0 bis 50 MHz.

Zur zusätzlichen Messung der zeitlichen Ableitung des Blitzstromes wird ein weiterer Sensor (di/dt-Sensor) eingestzt, welcher ein der Stromänderung proportionales Spannungssignal gemäß u = M · di/dt ausgibt. M bezeichnet dabei die Gegeninduktivität, welche bei dem verwendeten Sensor vom Typ EG&G IMM-4 zu M = 0,5 nH gewählt wurde.

Messkabel

Bei der Weiterleitung der Messsignale von den Sensoren an der Turmspitze zur Messkabine am Turmfuß ist eine Länge von etwa 150 m zu bewältigen. Zur möglichst verzerrungs- und dämpfungsfreien Signalübertragung werden als Signalleitungen im Turm zwei Koaxialkabel vom Typ RG218 eingesetzt. Ausgenommen hiervon sind die etwa 20 m lange Strecke im Bereich der Turmspitze, wo die Kabel in einem Schirmrohr verlegt sind, und die wenige Meter messende Strecke innerhalb der Messkabine. Hierfür werden flexiblere Koaxialkabel vom Typ RG214 verwendet. Die obere Grenzfrequenz der Messkabel liegt bei etwa 40 MHz. Alle Kabelverbindungen erfolgen durch Stecker der Typen N oder BNC.

Rechnersystem

Aufgrund der Fortschritte in der Rechnertechnik ist es nun möglich, die gewünschten Messaufgaben ohne die früher hinzunehmenden Einschränkungen durchzuführen. Für die Messstation auf dem Hohen Peißenberg wird dazu ein Industrierechner-System der Firma National Instruments eingesetzt, auf welchem die unter der grafischen Programmierumgebung LabView erstellten Messprogramme installiert sind. Das Rechnersystem selbst besteht aus einem Hauptmodul und den verschiedenen Messwandlerkarten mit den im folgenden beschriebenen Aufgaben.
Zur Auslösung der Messung wird das dem Blitzstrom proportionale Spannungsssignal durch einen Tiefpass mit der Grenzfrequenz von etwa 1 kHz gefiltert, um ein Auslösen bei kurzzeitigen Vorentladungen zu vermeiden. Anschließend wird das Signal auf ein Anschlussmodul vom Typ NI-BNC 2110 geführt, welches mit einer Datenerfassungskarte NI-PXI 6052E verbunden ist. Diese tastet das Signal mit einer Auflösung von 16 bit ab und gibt bei Unterschreitung einer Spannung von Uu = -10 mV oder Überschreitung einer Spannung von Uo = 10 mV einen Impuls auf den rechnerinternen PXI-Bus aus. Die Spannung von ±10 mV entspricht dabei einer Stromstärke des Blitzstromes von ±40 A, was eine Triggerung auf die Langzeitströme von Aufwärtsblitzen ermöglicht. Für die mit Stoßstromkomponenten beginnenden Abwärtsblitze bewirkt der Tiefpass eine Triggerung auf die Ladung mit einem Schwellenwert von etwa 5 mC.
Nach dem Empfang des Triggerimpulses über den PXI-Bus wird die Aufzeichnung des Messsignals durch die Messwandlerkarten gestartet. Diese arbeiten im Pretrigger-Betrieb, so dass sich der Signalverlauf auch eine gewisse Zeit vor Auftreten des Trigger-Ereignisses aufzeichnen lässt. Zur Aufzeichnung werden zwei Messwandlerkarten der Typen NI-PXI 5122 und NI-PXI 5124 eingesetzt. Die Karten sind jeweils in der Lage, Daten von zwei unabhängigen Kanälen aufzunehmen und in einem Speicher von 512 MB je Kanal abzuspichern.
Die Karte vom Typ NI-PXI 5122 tastet das Signal mit 100 MS/s (entsprechend einer Abtastperiode von 10 ns) und einer vertikalen Auflösung von 14 bit ab. Mit der oben genannten Speichergröße ergibt sich bei Abspeicherung der Messwerte als 2-Byte-Ganzzahlen eine maximale Aufzeichnungsdauer von 2,56 s. Diese Karte zeichnet das Stromsignal auf, wobei das Signal für einen Kanal um den Faktor 2, für den anderen Kanal um den Faktor 20 gedämpft wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch Blitzströme mit einem maximal zu erwartenden Scheitelwert von 150 kA mit voller Amplitude ohne Überlauf erfasst werden können.
Die Karte vom Typ NI-PXI 5124 hat dagegen eine Abtastrate von 200 MS/s und eine vertikale Auflösung von 12 bit. Hiermit ist folglich nur eine Aufzeichnungsdauer von 1,28 s möglich. An diese Karte wird das Signal des di/dt-Sensors angelegt, wobei dieses zuvor um den Faktor 20 gedämpft wird.
Beide Karten schreiben ihren Speicherinhalt nach Abschluss einer Aufzeichnung als eine 2 GB große Datei auf eine externe Festplatte mit ausreichender Speicherkapazität. Aufgrund der Größe der Datei ist es dabei erforderlich, die Daten eines Kanals in vier zeitlich aufeinander folgende Abschnitte zu zerteilen und diese erst bei der Auswertung wieder zusammenzufügen.

Zur exakten Bestimmung des Einschlagzeitpunktes ist eine möglichst präzise Zeitreferenz erforderlich. Hier hat sich das US-amerikanische Satelliten-Navigationssystem GPS bewährt, welches auch ein Zeitsignal mit einer Auflösung von 1 ns aussendet. Hierfür ist in dem Rechnersystem eine Zeitmess- und Synchronisationskarte vom Typ NI-PXI 6682 eingebaut, welche bei Detektion eines PXI-Triggerimpulses einen Zeitstempel abspeichert und den Triggerimpuls zur Feldmesskabine weiterleitet.

Um zu verhindern, dass Teilströme des Blitzes unerwünschterweise über den Schirm des Messkabels abfließen, ist das Messrechnersystem potentialfrei aufgestellt. Neben einer ausreichenden Isolierung der Aufstellfläche ist hierfür ein Trenntransformator erforderlich, der die innerhalb der potentialfreien Zone installierten Geräte mit elektrischer Energie versorgt. Weiterhin ist zur Versorgung der GPS-Karte mit einem ausreichenden Satellitensignal eine aktive Antenne erforderlich, welche an der Außenwand der Messkabine angebracht ist.

Weiter zur Beschreibung der Feldmesseinrichtung