DE19533002A1 - High-frequency voltage and current measurement device for conductor - Google Patents

High-frequency voltage and current measurement device for conductor

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DE19533002A1 DE1995133002 DE19533002A DE19533002A1 DE 19533002 A1 DE19533002 A1 DE 19533002A1 DE 1995133002 DE1995133002 DE 1995133002 DE 19533002 A DE19533002 A DE 19533002A DE 19533002 A1 DE19533002 A1 DE 19533002A1
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    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/28Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof adapted for measuring in circuits having distributed constants

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Abstract

The device measures voltages and currents of any amplitude on a line of any wave impedance by means of a voltage pick-up and current transformer respectively. The pick-up has a coupling plate (2) of larger diameter than the feeler head, which is surrounded by a metallic tube (V26). An amplifier with high input impedance (1) is connected to the plate for a high transformation ratio. The transformer is set into the pocket-shaped outer conductor. The plate may be replaced by a pin in direct contact with the inner conductor. The ratio is determined by choice of the diameter of the plate and its distance from the inner conductor.

Description

Stand der Technik (allgemein)State of the art (general)

Eines der am weitesten verbreiteten Durchführungsleistungsmesser ist der Richtkoppler. Bei diesem wird an dem einen Ausgang ein Signal ausgegeben, das proportional der hinlaufenden Leistung ist und an dem anderen Ausgang ein Signal, das proportional der rücklaufenden Leistung ist.One of the most widely used feedthrough power meters is the directional coupler. With this a signal is output at one output which is proportional to the incoming power and at the other output a signal that is proportional to the returning power.

Häufig sind in der HF-Meßtechnik die Spannungs- und Stromwerte gefragt. Die Spannungsmessung in Leitern wird heute mit Verstärkern, die hochohmige Eingangswiderstände haben, durchgeführt. Aktive Tastköpfe sind zum Beispiel solche Verstärker. Deren Amplitudenmeßbereich ist auf 4 bis 5 Größenordnungen beschränkt. Zur Ausbreitung des Amplitudenmeßbereiches werden dem Verstärker (Tastkopf) Spannungsteiler vorgeschaltet. Zur Messung von sehr hohen Spannungen werden auch kapazitive Spannungsteiler eingesetzt, deren Untersetzungsverhältnis bestimmt wird durch das Verhältnis der Koppelkapazität zur Eingangskapazität des Verstärkers. Bislang noch nicht verfügbar ist jedoch ein Spannungsabgriff, bei dem man durch den Austausch eines Bauteiles vom Untersetzungsverhältnis 1 zu einem großen Untersetzungsverhältnis kommen kann. Eine genauere Beschreibung des Standes der Technik findet sich im Kapitel "Spannungsabgriff". Der hochfrequente Strom in Leitern wird heute gewöhnlich mit Durchführungsstromwandlern in eine äquivalente Spannung umgewandelt. Wie im Kapitel "Stromwandler" genauer beschrieben wird, bedingen solche in eine Leitung eingebrachten Stromwandler, daß diese Leitung nicht mehr HF-dicht ist. Ferner ist durch den Aufbau bedingt, daß solche Stromwandler ein anderes Erdpotential als der Außenleiter der durchführenden Leitung haben, womit Fehler umgewandelte Spannung fehlerhaft ist. Als weitere Einschränkung ist der maximal meßbare Strom solcher Stromwandler begrenzt durch die Sättigung der eingesetzten Kerne. Diese Einschränkungen und Probleme werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beseitigt oder umgangen.Voltage and current values are often required in HF measurement technology. The voltage measurement in Today, conductors are made with amplifiers that have high-impedance input resistances. Active Probe heads are such amplifiers, for example. Their amplitude measurement range is 4 to 5 Orders of magnitude limited. The amplifier is used to expand the amplitude measurement range (Probe) upstream voltage divider. Also used to measure very high voltages capacitive voltage divider used, the reduction ratio is determined by the Ratio of the coupling capacitance to the input capacitance of the amplifier. Not yet available however, a voltage tap, in which one can replace the component by Reduction ratio 1 can come to a large reduction ratio. A more precise one A description of the prior art can be found in the "Voltage tap" chapter. The high frequency Current in conductors today is usually converted into equivalent using feedthrough current transformers Voltage converted. As described in more detail in the chapter "Current transformers", such conditions in a line introduced current transformer that this line is no longer RF-tight. Furthermore is by the structure requires that such current transformers have a different earth potential than the outer conductor of the lead through line, with which fault converted voltage is faulty. As another Limitation is the maximum measurable current of such current transformers limited by the saturation of the used cores. These limitations and problems are compounded by the present invention Device eliminated or bypassed.

Die von der Vorrichtung gelieferten Spannungen müssen von einem Meßgerät gemessen werden, welches in der Lage ist, gleichzeitig zwei Spannungen nach deren Absolutwert und deren Phasendifferenz zu messen. Dieses Meßgerät kann ein Digitaloszilloskop oder ein Digitalevektorvoltmeter sein, welches die Meßwerte zu einem Computer schickt, wo sie verarbeitet und angezeigt werden. Die Vorrichtung selbst besteht aus einem kurzen, reflexions- und dämpfungsarmen Leitungsabschnitt mit einem Spannungsabgriff und einem Stromwandler. Er ist so konzipiert, das gleichzeitig Ströme und Spannungen über einen großen Frequenz und einem hohen Dynamikbereich abgegriffen bzw. umgewandelt werden können.The voltages supplied by the device must be measured by a measuring device, which is able to simultaneously measure two voltages according to their absolute value and their Measure phase difference. This meter can be a digital oscilloscope or a Be a digital vector voltmeter that sends the readings to a computer, where it processes and are displayed. The device itself consists of a short, low reflection and low attenuation Line section with a voltage tap and a current transformer. He is designed that at the same time currents and voltages over a large frequency and a high dynamic range can be tapped or converted.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von hochfrequenten Spannungen und Strömen. Die Abb. 1 zeigt eine Ausführung der Vorrichtung. In dem gestrichelten und mit dem Buchstaben C (Current) bezeichneten Bereich wird der Strom gewandelt. In dem gestrichelten und mit dem Buchstaben V (Voltage) bezeichneten Bereich wird die Spannung abgegriffen. In dem Bereich D ist der durchführende koaxiale Leiter mit den zugehörigen Steckkontakten eingegrenzt. Dieser koaxiale Leiter besteht aus dem Innenleiter mit dem Durchmesser di und dem Außenleiter mit dem Durchmesser da. Die später auf die einzelnen Bauteile durchgeführten Detailnumerierungen führen als Gruppenzeichen die Bereichsbezeichnungen z. B. V1 oder C2. Im folgenden werden der Spannungsabgriff, die Stromwandlung und die durchführende Leitung in drei separaten Kapiteln behandelt. The invention relates to a device for measuring high-frequency voltages and currents. Fig. 1 shows an embodiment of the device. The current is converted in the area shown in dashed lines and designated by the letter C (Current). The voltage is tapped in the area shown in dashed lines and designated by the letter V (voltage). In area D, the coaxial conductor with the associated plug contacts is delimited. This coaxial conductor consists of the inner conductor with the diameter d i and the outer conductor with the diameter d a . The detailed numbering performed later on the individual components lead as group characters the area designations z. B. V1 or C2. In the following, the voltage tap, the current conversion and the lead-through are dealt with in three separate chapters.

SpannungsabgriffVoltage tap

In der durchführenden Leitung der Vorrichtung liegt zwischen Innenleiter und Außenleiter eine zeitveränderliche Spannung an, die es gilt abzugreifen. Es soll ein Signal herauskommen, dessen Spannung proportional der Spannung auf den Innenleiter ist. Durch diesen Spannungsabgriff sollen aber die Störungen auf der durchführende Leitung so klein wie möglich sein. Kleine Störungen werden dadurch erreicht, daß das Signal sehr hochohmig abgegriffen wird. Dieses ist z. B. dadurch möglich, daß der Innenleiter der durchführenden Leitung mit einem ohmschen Spannungsteiler verbunden wird. Die hierfür verwendeten Widerstände können sehr hochohmig sein, womit der zur Erde abfließende Strom sehr klein wird. Jedoch sind ohmsche Widerstände für hohe Frequenzen nicht mehr rein ohmisch, sie haben eine Serieninduktivität und eine Parallelkapazität, womit die Übertragungsfunktion frequenzabhängig wird. Nahezu frequenzunabhängig kann mit einem passiven Tastkopf eine HF- Spannung abgegriffen werden. Solche haben in der Regel ein Untersetzungsverhältnis von 1/10 und haben einen hochohmigen Eingang mit einem Widerstand im Mega-Ohm-Bereich. Ein solcher Tastkopf hat aber eine gewisse Eingangskapazität, d. h. eine Kapazität des spannungsführenden Leiters zur Erde. Durch diese Kapazität fließt aber ein Verschiebungsstrom vom Innenleiter zur Erde, womit die Spannung des Innenleiters verändert wird. Bei passiven Tastköpfen liegen die Eingangskapazitäten in der Größenordnung von 10 pF bis 15 pF. Geringere Eingangskapazitäten haben aktive Tastköpfe. Bei diesen liegen die Eingangskapazitäten im Bereich von 2-3 pF. Solche aktiven Tastköpfe haben in der Regel eine frequenzunabhängige Übertragungsfunktion über einen sehr großen Bandbreitebereich (z. B. geht der P6202A von Tektronik von DC bis zu 500 Mhz) [TekPr]. Dieser hat ein Untersetzungsverhältnis von Vu = 1/10. Als Nachteil für solche aktiven Tastköpfe erweist sich jedoch, daß diese nur eine begrenzte maximale Eingangsspannung vertragen können, zudem ist diese maximale Eingangsspannung auch noch frequenzabhängig. Beim P6202A von Tektronik ist die maximale Spannung von DC bis 15 MHz 200 Volt-Spitze-Spitze, zu höheren Frequenzen hin wird die maximale Eingangsspannung kleiner und hat bei 500 MHz einen Wert von 12 Volt-Spitze-Spitze. Zur Vergrößerung der maximalen Eingangsspannungen kann dem Tastkopf ein Dämpfungsglied vorgeschaltet werden. Damit kann für Frequenzen von DC bis 180 MHz die Spitze-Spitze-Spannung 200 Volt betragen. Zu höheren Frequenzen hin wird diese dann kleiner und hat bei 500 MHz einen Wert von 60 Volt Spitze-Spitze. Beim Einsatz eines solchen Dämpfungsglied wird das Gesamtuntersetzungsverhältnis des Tastkopfes Vu = 1/100. Durch den Einsatz eines AC-Kopplers kann die maximalen Eingangsspannung beim P6202A im Frequenzbereich von 16 Hz bis 500 MHz auf 200 Volt Spitze-Spitze erhöht werden.There is a time-variable voltage between the inner conductor and outer conductor in the line carrying out the device, which voltage has to be tapped. A signal should come out, the voltage of which is proportional to the voltage on the inner conductor. By means of this voltage tap, however, the disturbances on the line passing through should be as small as possible. Small disturbances are achieved by tapping the signal with very high impedance. This is e.g. B. possible in that the inner conductor of the lead is connected to an ohmic voltage divider. The resistors used for this can be very high-impedance, making the current flowing to earth very small. However, ohmic resistors for high frequencies are no longer purely ohmic, they have a series inductance and a parallel capacitance, which makes the transfer function frequency-dependent. An RF voltage can be tapped with a passive probe almost independent of frequency. These usually have a reduction ratio of 1/10 and have a high-resistance input with a resistance in the mega-ohm range. However, such a probe has a certain input capacity, ie a capacity of the live conductor to earth. However, this capacitance causes a displacement current to flow from the inner conductor to earth, which changes the voltage of the inner conductor. With passive probes, the input capacitances are in the order of 10 pF to 15 pF. Active probes have lower input capacities. The input capacitances of these are in the range of 2-3 pF. Such active probes usually have a frequency-independent transfer function over a very wide bandwidth range (e.g. the P6202A from Tektronik goes from DC to 500 MHz) [TekPr]. This has a reduction ratio of V u = 1/10. A disadvantage of such active probes proves, however, that they can only tolerate a limited maximum input voltage, and this maximum input voltage is also frequency-dependent. With Tektronik's P6202A, the maximum voltage from DC to 15 MHz is 200 volts peak, at higher frequencies the maximum input voltage becomes smaller and has a value of 12 volts peak at 500 MHz. An attenuator can be connected upstream of the probe to increase the maximum input voltages. This means that the peak-to-peak voltage can be 200 volts for frequencies from DC to 180 MHz. This becomes smaller towards higher frequencies and has a value of 60 volts peak-peak at 500 MHz. When using such an attenuator, the total reduction ratio of the probe V u = 1/100. By using an AC coupler, the maximum input voltage for the P6202A can be increased to 200 volts peak-to-peak in the frequency range from 16 Hz to 500 MHz.

Die praktische Aufgabe besteht jetzt darin, einen solchen aktiven Tastkopf; eventuell mit einem Dämpfungsglied oder einem AC-Koppler, mit dem Innenleiter der durchführenden Leitung zu verbinden. Dazu wird in den Außenleiter eines Koaxialrohres ein Loch hineingebohrt, der Tastkopf in dieses hineingesteckt, die Tastkopfspitze mit dem Innenleiter in Verbindung gebracht und der Außenleiter mit dem Erdungsring des Tastkopfes elektrisch gut verbunden. So aufgebaut sind Durchführungsmeßköpfe, mit denen Spannungs- und Pegelmessungen gemacht werden. Die entscheidende Einschränkung einer solchen Vorrichtung ist die z. B. auf 200 Volt Spitze-Spitze begrenzte maximale Eingangsspannung. Ein weiterer Nachteil einer so aufgebauten Vorrichtung ist, daß durch die direkte elektrische Verbindung der Tastkopfspitze mit dem Innenleiter, der Innenleiter nicht so einfach durch einen anderen mit einem größeren oder kleineren Durchmesser ersetzt werden kann. Diese beide Nachteile werden durch einen Hohlrohrspannungsteiler mit kapazitiver Auskopplung behoben. Solche Hohlrohrspannungsteiler sind in der HF-Technik schon seit langer Zeit bekannt und werden z. B. in [MeiHF S. 1620] beschrieben. Zur Darstellung der Grundlagen ist in Abb. 3 ein solcher gezeigt. An einem koaxialen Leiter mit dem Außenleiter V1 und dem Innenleiter V2 ist am Außenleiter ein Rohr V3 angebracht. In diesem befindet sich ein verschiebbarer Metallkolben V4, durch dessen Mitte ein Koaxialkabel V5 hindurchgeht, dessen Innenleiter V6 ein Stück aus dem Kabel herauskommt und als Meßspitze V7 endet. Der Koaxialleiter V5 ist an seinem anderen Ende mit einem Widerstand Zw abgeschlossen. Vom Innenleiter V2 treffen Feldlinien auf die Meßspitze V7. Der Innenleiter und die Meßspitze haben zueinander eine Kapazität, die Koppelkapazität Ckop. Das Verhältnis der Spannung an der Meßspitze Us zur Innenleiterspannung Uin ergibt das Verhalten eines Hochpasses was bedeutet, daß das Untersetzungsverhältnis Vu = Us/Uin frequenzabhängig ist. Außerdem ist für niedrige Frequenzen das Untersetzungsverhältnis ziemlich klein.The practical task now is to have such an active probe; possibly with an attenuator or an AC coupler to connect to the inner conductor of the lead. For this purpose, a hole is drilled into the outer conductor of a coaxial tube, the probe is inserted into it, the probe tip is connected to the inner conductor, and the outer conductor is electrically well connected to the earthing ring of the probe. This is how lead-through measuring heads are constructed with which voltage and level measurements are made. The crucial limitation of such a device is the z. B. Maximum input voltage limited to 200 volts peak-peak. Another disadvantage of a device constructed in this way is that the direct electrical connection of the probe tip to the inner conductor means that the inner conductor cannot be easily replaced by another with a larger or smaller diameter. Both of these disadvantages are eliminated by a hollow tube voltage divider with capacitive coupling. Such hollow tube voltage dividers have been known in RF technology for a long time and are used, for. B. described in [MeiHF p. 1620]. One of these is shown in Fig. 3 to illustrate the basics. A tube V3 is attached to the outer conductor on a coaxial conductor with the outer conductor V1 and the inner conductor V2. In this there is a displaceable metal piston V4, through the center of which a coaxial cable V5 passes, the inner conductor V6 of which comes out of the cable a little and ends as a measuring tip V7. The coaxial conductor V5 is terminated at its other end with a resistor Z w . Field lines meet the measuring tip V7 from the inner conductor V2. The inner conductor and the measuring tip have a capacitance to one another, the coupling capacitance C cop . The ratio of the voltage at the measuring tip U s to the inner conductor voltage U in gives the behavior of a high pass, which means that the reduction ratio V u = U s / U in is frequency-dependent. In addition, the reduction ratio is quite small for low frequencies.

Das Untersetzungsverhältnis wird frequenzunabhängig, wenn anstelle des kapazitiv/ohmschen Spannungsteiler ein rein kapazitiver Spannungsteiler gebaut wird. Das bedeutet, daß zwischen der Meßspitze und Erde ein Kondensator liegen muß, womit die Impedanz im wesentlichen kapazitiv ist, was zum Beispiel bei dem aktiven Tastkopf P602A von Tektronik, der eine Eingangskapazität von 2.0 pF und einen ohmschen Widerstand von 10 MΩ hat [TekPr], erfüllt ist. Das hat zur Folge, daß die Impedanz gegen Erde Cerde durch die Tastkopfeingangskapazität Ct bestimmt wird d. h. Cerde = Ct. Damit berechnet sich das Spannungsteilerverhältnis zuThe reduction ratio becomes frequency-independent if a purely capacitive voltage divider is built instead of the capacitive / ohmic voltage divider. This means that there must be a capacitor between the measuring tip and earth, which means that the impedance is essentially capacitive, which is the case, for example, with the active P602A probe from Tektronik, which has an input capacitance of 2.0 pF and an ohmic resistance of 10 MΩ [TekPr] , is satisfied. The consequence of this is that the impedance to earth C earth is determined by the probe input capacitance C t , ie C earth = C t . This calculates the voltage divider ratio

Es gilt die Koppelkapazität Ckop und die Erdkapazität Cerde so zu wählen, daß Vu geeignet ist. Damit der Leitungswellenwiderstandes der durchführenden Leitung nur minimal gestört wird, sollte die Koppelkapazität Ckop möglichst klein sein. Das bedeutet aber auch, daß bei einem vorgegebenen Untersetzungsverhältnis Vu auch die Kapazität zur Erde Cerde minimal sein sollte.The coupling capacitance C kop and the earth capacitance C earth must be chosen so that V u is suitable. The coupling capacitance C kop should be as small as possible so that the line impedance of the lead-through line is only minimally disturbed. However, this also means that, given a reduction ratio V u , the capacitance to earth C earth should also be minimal.

Der Aufbau dieses Hohlrohrspannungsteiler sieht wie folgt aus: Wie Abb. 4 zeigt, wird an dem koaxialen Außenleiter ein Rohr angebracht. Der Durchmesser dieses Rohres muß gleich dem Durchmesser des Tastkopfes sein. Auf dem Erdungsring des Tastkopfes V10 wird ein Metallkolben V11 aufgeschoben der in Abb. 5 vergrößert dargestellt ist. Durch diesen Metallkolben muß ein guter elektrische Kontakt zwischen dem Rohr und dem Erdungsring des Tastkopfes hergestellt werden. Hierzu wird die innere Bohrung des Metallkolbens V12 passend zum Durchmesser des Erdungsringes des Tastkopfes V10 hergestellt. Wie Abb. 5 zeigt, ist die Außenseite des Metallkolbens so angefertigt, daß dieser sich vom Rohrinnendurchmesser konisch um einige zehntel Millimeter aufweitet. Dieses aufgeweitete Teil wird geschlitzt. Die dann verbleibenden Stege V13 drücken gegen die Innenwand des Rohres. Damit der elektrische Kontakt an der Spitze des Metallkolbens entsteht, ist das Rohr an der Stelle V14 etwas dünner, so daß die Kontaktflächen V15 verbleiben, die dann gegen das Rohr drücken. Damit dieser aufgeweitete Metallkolben V10 in das Rohr V16 eingeschoben werden kann, muß dieses am Ende an der Stelle V17 konisch aufgeweitet werden, und zwar um mindestens jenes Maß, um welches der Metallkolben am Ende konisch auseinanderläuft. Zwischen dem Innenleiter und der Tastkopfspitze liegt die Koppelkapazität Ckop vor. Diese läßt sich in dieser Konfiguration nur schwer berechnen, da die vom Innenleiter zur Tastkopfspitze gehenden elektrischen Felder inhomogen sind. Ein weitgehend homogenes elektrisches Feld läßt sich durch die Verwendung einer flachen Tastkopfspitze anstelle der spitzen Tastkopfspitze erreichen. Praktisch umsetzen läßt sich das wie folgt: Aus dem Tastkopf wird die Tastkopfspitze herausgezogen und eine selbstgebaute Tastkopfspitze mit einer Platte am Ende hineinsteckt. Der Tastkopf wird dann wie oben beschrieben in die Öffnung des koaxialen Rohres hineingesteckt. Die Koppelkapazität für diese Konfiguration wird bestimmt durch die Fläche A des Plättchens und durch den Abstand ki dieses Plättchens zum Innenleiter.The structure of this hollow tube voltage divider looks like this: As Fig. 4 shows, a tube is attached to the coaxial outer conductor. The diameter of this tube must be the same as the diameter of the probe. A metal piston V11 is pushed onto the ground ring of the probe V10, which is shown enlarged in Fig. 5. A good electrical contact must be made between the tube and the grounding ring of the probe by means of this metal piston. For this purpose, the inner bore of the metal piston V12 is made to match the diameter of the earthing ring of the V10 probe. As shown in Fig. 5, the outside of the metal piston is made so that it widens conically from the inside diameter of the tube by a few tenths of a millimeter. This expanded part is slit. The remaining webs V13 press against the inner wall of the tube. In order for the electrical contact to occur at the tip of the metal piston, the tube is somewhat thinner at point V14, so that the contact surfaces V15 remain, which then press against the tube. So that this widened metal piston V10 can be inserted into the tube V16, it must be widened conically at the point V17, at least by the amount by which the metal piston ends up tapering apart. The coupling capacitance C kop is present between the inner conductor and the probe tip . This configuration is difficult to calculate in this configuration because the electric fields going from the inner conductor to the probe tip are inhomogeneous. A largely homogeneous electric field can be achieved by using a flat probe tip instead of the pointed probe tip. This can be put into practice as follows: The probe tip is pulled out of the probe and a self-made probe tip with a plate at the end is inserted. The probe is then inserted into the opening of the coaxial tube as described above. The coupling capacitance for this configuration is determined by the area A of the plate and by the distance k i of this plate from the inner conductor.

Bei vorgegebenen Untersetzungsverhältnis Vu, bekannter Erdkapazität Cerde und bei vorgewählten Abstand ki wird die Plättchenfläche A berechnet. Der Abstand ki muß beim Hereinstecken des Tastkopfes in den Außenleiter des koaxialen Rohres eingestellt werden. Dieses ist jedoch praktisch sehr schwierig, da der Tastkopf in das Rohr hineingeschoben werden muß, was nur recht ungenau möglich ist. Zudem wird sich bei leichten Erschütterungen des Tastkopfes die Koppelkapazität und damit das Untersetzungsverhältnis ändern. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß die Tastkopfspitze mit dem Plättchen am Ende durch einen Isolator hindurchgeht, der in das Rohr festgeschraubt ist. Abb. 6 zeigt diesen Aufbau. Die Tastkopfspitze mit der Platte am Ende ist durch V19 bezeichnet und der Isolator mit V20. Der Isolator wird mit dem Gewinde V21 im Rohr V1 befestigt und die Tastkopfspitze V19 wird im Isolator durch das Gewinde V22 gehalten. Durch einen speziellen Schraubendreher, dessen Spitze in Abb. 7 in der Seitenansicht gezeigt ist, kann der Abstand ki der Platte V19 vom Innenleiter V2 sehr leicht und genau eingestellt werden. Der Tastkopf mit dem aufgeschobenen Metallkolben wird in das Rohr hineingeschoben, und zwar so, daß die Meßspitze mit der Platte V19 in den Eingangsstecker des Tastkopfes V23 hineingeht.With a given reduction ratio V u , known earth capacitance C earth and a preselected distance k i , the platelet area A is calculated. The distance k i must be set when the probe is inserted into the outer conductor of the coaxial tube. However, this is practically very difficult since the probe has to be pushed into the tube, which is only possible with imprecision. In addition, the coupling capacity and thus the reduction ratio will change if the probe is shaken slightly. This problem is solved in that the probe tip with the plate at the end passes through an insulator which is screwed into the tube. Fig. 6 shows this structure. The probe tip with the plate at the end is identified by V19 and the isolator by V20. The insulator is fastened with the thread V21 in the tube V1 and the probe tip V19 is held in the insulator by the thread V22. With a special screwdriver, the tip of which is shown in Fig. 7 in a side view, the distance k i of the plate V19 from the inner conductor V2 can be set very easily and precisely. The probe with the slid-on metal piston is pushed into the tube, in such a way that the measuring tip with the plate V19 goes into the input connector of the probe V23.

Als nachteilig erweist sich, daß durch den längeren Stift durch den Isolator V20 eine zusätzliche Kapazität gegen Erde entsteht, die durch die Dielektrizitätskonstante des Isolators auch noch vergrößert wird. Um diese zusätzliche Erdungskapazität klein zu halten, sollte die Länge des Stiftes möglichst klein, und die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums minimal sein. Hierzu am besten geeignet ist Teflon, welches eine ausreichende Festigkeit und eine kleine Dielektrizitätskonstante mit εr = 2,05 hat. Wird die Tastkopfspitze mit der Koppelplatte durch die in Abb. 8 gezeigte Tastkopfspitze ausgetauscht, so kann ein Untersetzungsverhältnis Vu = 1 eingestellt werden. Damit können auch sehr kleine Spannungen abgegriffen werden. Diese Tastkopfspitze Spitze kann je nach Durchmesser di des Innenleiters angepaßt werden, indem die Spitze V24 in der passenden Länge angefertigt wird. Durch das Hineinschrauben dieser Tastkopfspitze, und durch das Festziehen dieser Schraube, wird die Tastkopfspitze gegen den Innenleiter gedrückt, so daß ein guter elektrischer Kontakt entsteht.It proves to be disadvantageous that the longer pin creates an additional capacitance to earth through the isolator V20, which capacitance is also increased by the dielectric constant of the isolator. To keep this additional grounding capacitance small, the length of the pin should be as short as possible and the dielectric constant of the dielectric should be minimal. The most suitable for this is Teflon, which has sufficient strength and a low dielectric constant with ε r = 2.05. If the probe tip with the coupling plate is replaced by the probe tip shown in Fig. 8, a reduction ratio V u = 1 can be set. Even very small voltages can be tapped. This probe tip tip can be adjusted depending on the diameter d i of the inner conductor by making the tip V24 in the appropriate length. By screwing this probe tip in and tightening this screw, the probe tip is pressed against the inner conductor, so that good electrical contact is created.

Der Isolator aus Teflon hat eine gewisse Elastizität. Daher kann durch das Hineindrehen und Festziehen dieser Meßspitze eine gewisse Druckspannung aufgebaut werden, die gewährleistet, daß bei kleinen Erschütterungen die Tastkopfspitze immer gegen den Innenleiter drückt.The Teflon insulator has a certain elasticity. Therefore, by screwing in and tightening this measuring tip build up a certain compressive stress, which ensures that small Shocks the probe tip always presses against the inner conductor.

In Abb. 1 ist gezeigt wie der Spannungsabgriff in der Vorrichtung eingebaut ist. Das bislang als Rohr bezeichnete Teil in welchem sich der Tastkopf befindet, ist hier Teil der Vorrichtung selbst. Das an der Vorrichtung angeschraubte Rohr V25 dient lediglich der Halterung und Führung des Tastkopfes. Fig. 1 shows how the voltage tap is installed in the device. The part previously referred to as the pipe in which the probe is located is here part of the device itself. The pipe V25 screwed onto the device serves only to hold and guide the probe.

In Abb. 2 ist eine Konfiguration für den Spannungsabgriff gezeigt, bei der die Koppelplatte einen größeren Durchmesser dpa als der Tastkopf hat. Bei dieser Ausführung wird zur Anpassung des Durchmessers des Tastkopfes an den Durchmesser des äußeren Rohres der Metallkolben rohrförmig um den Tastkopf herumgeführt V26. Fig. 2 shows a configuration for the voltage tap, in which the coupling plate has a larger diameter d pa than the probe. In this version, to adapt the diameter of the probe to the diameter of the outer tube, the metal piston is guided in a tube around the probe V26.

Die Erdkapazität Cerde ist damit eine Parallelschaltung der Erdungskapazität des Tastkopfes Ct und den einzelnen Kapazitäten Ck des Metallstiftes und des Plättchens gegen Erde. Damit wirdThe earth capacitance C earth is thus a parallel connection of the earth capacitance of the probe C t and the individual capacitances C k of the metal pin and the plate against earth. So that will

Die Kapazität eines zylindrischen Metallstiftes innerhalb einer Bohrung kann durch das Modell eines Zylinderkondensators beschrieben werden. Dessen Kapazität ist abhängig von dem Durchmesser der Bohrung da dem Durchmesser des Stiftes di, sowie der Länge l dieses Stückes und der Dielektrizitätskonstanten ε des Isolators. Da die Durchmesser, die Längen sowie die Dielektrizitätskonstanten sich ändern, muß für jedes Teilstück mit der Länge lk, dem Außendurchmesser dak, dem Innendurchmesser dik und der Dielektrizitätskonstanten εk die Kapazität Ck berechnet werden, und zwar durch die FormelThe capacitance of a cylindrical metal pin within a bore can be described by the model of a cylindrical capacitor. Its capacitance depends on the diameter of the bore d a, the diameter of the pin d i , the length l of this piece and the dielectric constant ε of the insulator. Since the diameters, lengths and the dielectric constant change, must l k for each section with the length, the outer diameter d ak, the inner diameter d ik and the dielectric constant ε are calculated k k, the capacitance C, namely by the formula

An zwei Stellen liegt anstelle eines einfachen Zylinderkondensators ein Zylinderkondensator vor, dessen Dielektrikum aus einem inneren Zylinder, dessen Material die Dielektrizitätskonstante εk hat, dessen innerer Durchmesser di und dessen äußerer Durchmesser dad ist, und einem äußeren Zylinder dessen Dielektrizitätskonstante εk = ist, dessen innerer Durchmesser dad und dessen äußerer Durchmesser da ist. Die Kapazität dieses Kondensators berechnet sich für das k-te Teilstück zuInstead of a simple cylindrical capacitor, there is a cylindrical capacitor in two places, the dielectric of which consists of an inner cylinder, the material of which has the dielectric constant ε k , the inner diameter d i and the outer diameter d ad , and an outer cylinder whose dielectric constant ε k = , whose inner diameter is d ad and whose outer diameter is d a . The capacitance of this capacitor is calculated for the kth section

Die Koppelkapazität Ckop des Plättchens im koaxialen Rohr wird bestimmt durch die Plättchenfläche A und den Abstand des Plättchens vom Innenleiter ki. Für das koaxiale Rohr wird die Kapazität Ckoax durch einen Zylinderkondensator mit den Innendurchmesser di, dem Außendurchmesser da und der Länge l sowie der Dielektrizitätskonstanten ε beschrieben.The coupling capacitance C kop of the plate in the coaxial tube is determined by the plate area A and the distance of the plate from the inner conductor k i . For the coaxial tube, the capacitance C coax is described by a cylindrical capacitor with the inside diameter d i , the outside diameter d a and the length l as well as the dielectric constant ε.

Zunächst wird angenommen, daß das Platte mit der Oberfläche des Außenleiters abschließt und damit der Abstand der Platte vom Innenleiter gleich ist mit dem Abstand des Innenleiters vom Außenleiters im koaxialen Rohr, d. h.First, it is assumed that the plate is flush with the surface of the outer conductor and thus the distance of the plate from the inner conductor is equal to the distance of the inner conductor from the outer conductor in coaxial tube, d. H.

Damit enden auf dieser Platte pro Flächeneinheit genauso viele Feldlinien wie auf einem Oberflächenelement des Außenleiters. Ein koaxiales Rohr mit der Oberfläche O hat die Gesamtkapazität Ckoax. Hieraus ein Oberflächenelement mit der Fläche A hat die Kapazität Ckop = Ckoax A/O. Das Plättchen mit dem Durchmesser dp kann als Teil der koaxialen Oberfläche eines Außenleiterstückes mit der Länge dp aufgefaßt werden. Damit wird die Außenleiteroberfläche O = πdadp und die Fläche des Plättchens istAs many field lines end on this plate per unit area as on a surface element of the outer conductor. A coaxial tube with the surface O has the total capacity C coax . From this a surface element with the area A has the capacity C cop = C coax A / O. The plate with the diameter d p can be regarded as part of the coaxial surface of an outer conductor piece with the length d p . The outer conductor surface is thus O = πd a d p and the area of the plate is

Ist der Abstand des Plättchens zum Innenleiter ein anderer als der Abstand des Außenleiters zum Innenleiter, d. h.Is the distance of the tile from the Inner conductor different from the distance of the outer conductor to the inner conductor, d. H.

so ändert sich die Kapazität Ckop. Zur modellmäßigen Beschreibung wird angenommen, daß jetzt die Feldlinien auf der Zylinderoberfläche O′ enden, wobei der Zylinder den Durchmesser d = di + 2ki hat. Damit ändert sich aber auch die Kapazität des der Zylinderoberfläche O′ zugeordneten koaxialen Leiters zu Ckoax′. Das bedeutet aber für die Koppelkapazitätthe capacitance C kop changes . For the model description it is assumed that the field lines now end on the cylinder surface O ', the cylinder having the diameter d = d i + 2k i . However, this also changes the capacitance of the coaxial conductor assigned to the cylinder surface O 'to C coax '. But that means for the coupling capacity

Es soll an einem Beispiel berechnet werden, welcher Durchmesser dp die Koppelplatte haben muß, damit sich bei einem vorgegebenen Abstand ki das vorgegebene Untersetzungsverhältnis Vu einstellt. Zur Vereinfachung soll die Koppelplatte mit der Oberfläche des Außenleiters abschließen, d. h. ki = (da - d₁)/2. Außerdem soll u = 1/100 sein. Die zur Berechnung sonst notwendigen Maße können der Abb. 9 entnommen werden. Bei den Schraubengewinden sind die Durchmesser so gesetzt, daß diese jeweils bis zur Mitte der Gewindegänge gehen. Durch dieses Maß werden die normalerweise sich ändernden Durchmesser herausgemittelt. Die Berechnung ergibt den Durchmesser dp = 0,0035 m.An example is to be used to calculate which diameter d p the coupling plate must have so that the predetermined reduction ratio V u is established at a predetermined distance k i . To simplify the coupling plate should end with the surface of the outer conductor, ie k i = (d a - d₁) / 2. In addition, u should be 1/100. The dimensions otherwise required for the calculation can be seen in Fig. 9. The diameters of the screw threads are set so that they go to the middle of the threads. By this measure, the normally changing diameters are averaged out. The calculation gives the diameter d p = 0.0035 m.

Zur praktischen Überprüfung der Funktionsweise des Spannungsabgriffes wird die Übertragungsfunktion gemessen. Hierzu wird der Netzwerkanalysator HP4195A von Hewlett-Packard eingesetzt. Das Prinzipschaltbild der Messung ist in Abb. 10 dargestellt. Die Signale von der Quelle V23 werden mit dem Leistungsteiler V24 in zwei Spannungen gleicher Größe aufgespalten, von denen eine Spannung über das Kabel V25 auf den Referenzeingang des Netzwerkanalysators und die andere Spannung über das Kabel V26 auf der Vorrichtung V27 und über den Spannungsabgriff V28 und dem Kabel V29 auf den Meßeingang des Netzwerkanalysators geht. Die durchführende Leitung der Vorrichtung V30 wird hierbei mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen. Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen, die auch erforderlich ist, um die großen Untersetzungsverhältnisse zu bestimmen, wird der Netzwerkanalysator mit dem eingebauten Kalibrierverfahren "Thru & Isolation" kalibriert [HPNet]. Bei der "Thru"-Messung, werden die Leitungen V26 und V29 direkt verbunden. Bei der "Isolation"-Messung wird die Leitung V26 mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen und die Leitung V27 bleibt offen.The transfer function is measured for a practical check of the functioning of the voltage tap. The network analyzer HP4195A from Hewlett-Packard is used for this. The block diagram of the measurement is shown in Fig. 10. The signals from the source V23 are split with the power divider V24 into two voltages of the same size, one of which voltage via the cable V25 to the reference input of the network analyzer and the other voltage via the cable V26 on the device V27 and via the voltage tap V28 and the Cable V29 goes to the measurement input of the network analyzer. The line leading through the device V30 is terminated with its characteristic impedance. In order to achieve the highest possible accuracy, which is also necessary to determine the large reduction ratios, the network analyzer is calibrated with the built-in calibration method "Thru &Isolation" [HPNet]. With the "Thru" measurement, the lines V26 and V29 are connected directly. In the "isolation" measurement, line V26 is terminated with its characteristic impedance and line V27 remains open.

Die Abb. 11 zeigt die mit dem kalibrierten Netzwerkanalysator aufgenommene frequenzabhängige Gesamtübertragungsfunktion von 1 MHz bis 500 MHz. Es wird das Verhältnis der Spannung Ut am Tastkopf zu der Spannung Uref am Ausgang des durchführenden Leiters gemessen. Fig. 11 shows the overall frequency-dependent transfer function recorded with the calibrated network analyzer from 1 MHz to 500 MHz. The ratio of the voltage U t at the probe to the voltage U ref at the output of the lead conductor is measured.

In Abb. 11 ist der Betrag dieses Verhältnisses |Ut/Uref| in der Abhängigkeit von der Frequenz f dargestellt. Aus diesem Diagramm ist zu entnehmen, daß dieses Verhältnis |Ut/Uref| bei 1 MHz 0,00084 beträgt. Dieses Verhältnis steigt dann bis zu einer Frequenz von 200 MHz stetig an und hat bei 200 MHz den Wert 0,00087. Bei weiter ansteigender Frequenz fällt dann dieses Verhältnis wieder ab und hat bei 500 MHz den Wert 0,00070. Diesem gemittelten Verhältnis sind Änderungen überlagert, die bei einer Frequenzänderung von einigen Megahertz bei Frequenzen bis 100 MHz etwa 1% des gemittelten Verhältnisses betragen und zu höheren Frequenzen hin etwa 2%. Diese höherfrequenten Änderungen des Verhältnisses sind im wesentlichen durch die Meßungenauigkeiten des kalibrierten Netzwerkanalysators bestimmt, und haben ihre Ursache in dem großen Untersetzungsverhältnis. Der Verlauf der gemittelten Übertragungsfunktion wird durch den aktiven Tastkopfes bestimmt. Dieser hat eine spezifizierte Bandbreite von 500 MHz d. h. der -3 dB Punkt liegt bei ungefähr 500 MHz, damit ist aber der stetige Abfall der gemittelten Übertragungsverhältnisses von 200 MHz bis 500 MHz erklärbar. Berücksichtigt man das Untersetzungsverhältnis des Tastkopfes P6002 von Tektronik, mit Vutast = 1/10, so ergibt sich ein Untersetzungsverhältnis zwischen dem Innenleiter und der Tastkopfspitze bei z. B. 1 MHz von Vu = 0,0084.In Fig. 11 the amount of this ratio is | U t / U ref | shown as a function of frequency f. It can be seen from this diagram that this ratio | U t / U ref | at 1 MHz is 0.00084. This ratio then rises steadily up to a frequency of 200 MHz and has the value 0.00087 at 200 MHz. If the frequency continues to increase, this ratio then drops again and has the value 0.00070 at 500 MHz. This averaged ratio is superimposed on changes which, with a frequency change of a few megahertz at frequencies up to 100 MHz, amount to approximately 1% of the averaged ratio and towards higher frequencies approximately 2%. These higher frequency changes in the ratio are essentially determined by the measurement inaccuracies of the calibrated network analyzer and are due to the large reduction ratio. The course of the averaged transfer function is determined by the active probe. This has a specified bandwidth of 500 MHz, ie the -3 dB point is approximately 500 MHz, but this explains the steady decrease in the average transmission ratio from 200 MHz to 500 MHz. If one takes into account the reduction ratio of the P6002 probe from Tektronik, with V utast = 1/10, there is a reduction ratio between the inner conductor and the probe tip at z. B. 1 MHz of V u = 0.0084.

Induktive Einkopplung verfälscht nicht den SpannungsabgriffInductive coupling does not falsify the voltage tap

Bis hierher wurde die kapazitive Einkopplung vom Innenleiter in die Meßspitze diskutiert. Es bleibt noch zu klären, ob dies die einzige Einkopplung in den Tastkopf ist. Es könnte nämlich auch sein, daß in die Tastkopfspitze eine Spannung induktiv eingekoppelt wird. Wäre dieses der Fall, so wäre die am Tastkopf anliegende Spannung nicht mehr nur eine Funktion der Innenleiterspannung, sondern auch des Innenleiterstromes, womit der Spannungsabgriff verfälscht wird. Ob eine induktive Einkopplung vorliegt gilt es zu überprüfen. Es ist so, daß zwischen dem Koppelplatte V2 und dem Außenleiter ein Spalt vorhanden ist. Durch diesen kann das magnetische Wechselfeld H in den Raum zwischen dem Stift und dem Gehäuse eindringen.Up to this point, the capacitive coupling from the inner conductor into the measuring tip has been discussed. It stays still to be clarified whether this is the only coupling into the probe. It could also be that a voltage is inductively coupled into the probe tip. If this were the case, it would be on Probe applied voltage is no longer just a function of the inner conductor voltage, but also of Inner conductor current, which falsifies the voltage tap. Whether inductive coupling it is necessary to check. It is so that a between the coupling plate V2 and the outer conductor Gap is present. Through this, the alternating magnetic field H in the space between the Pen and housing penetrate.

Damit kann aber in die Meßspitze eine Spannung induziert werden, da gilt Uind∼H. Abb. 12 zeigt das Ersatzschaltbild für eine solche induktive Einkopplung. Es ist zu erkennen, daß zwei Leiterschleifen vorhanden sind, die über die Tastkopikapazität Ct den Außenleiter und den Kapazitäten links Cl und bzw. rechts Cr verlaufen. Die Kapazitäten Cl bzw. Cr sind die von der Mitte der Meßspitze aus gesehenen Kapazitäten zur linken bzw. rechten Seite zum Außenleiter hin. In diese beiden Leiterschleifen werden die Spannungen Uindl und Uindr induziert. Für den Fall, daß die Meßspitze mit der Koppelplatte völlig symmetrisch ist, wird Ct = Cr. Damit wird aber auch Uindl = Uindl womit die resultierende Spannung Uind = Uindl - Uindr = 0 V verschwindet. Für den Fall das die Meßspitze mit der Koppelplatte nicht völlig symmetrisch ist, kann Cl ≠ Cr werden, womit Uind ≠ 0 V werden kann. Allerdings wird diese Spannung sehr klein sein, da nur sehr wenig magnetische Feldlinien in den Raum zwischen der Meßspitze und dem Außenleiter eindringen können. Zudem werden die damit sehr kleinen Spannungen Uindl und Uindr noch weitgehend durch die etwa gleichen Kapazitäten Cl und Cr kompensiert. Es ist somit keine induktive Einkopplung vorhanden, die den Spannungsabgriff verfälscht. Aus einer einfachen Messung der Übertragungsfunktion kann eine solche induktive Einkopplung nicht gesehen werden.However, this can induce a voltage in the probe tip, since U ind ∼H. Fig. 12 shows the equivalent circuit diagram for such an inductive coupling. It can be seen that there are two conductor loops which run via the tactile copying capacitance C t the outer conductor and the capacitances left C l and right C r . The capacitances C l or C r are the capacitances seen from the center of the measuring tip to the left or right side towards the outer conductor. The voltages U indl and U indr are induced in these two conductor loops. In the event that the measuring tip with the coupling plate is completely symmetrical, C t = C r . However, this also makes U indl = U indl, which means that the resulting voltage U ind = U indl - U indr = 0 V disappears. In the event that the measuring tip with the coupling plate is not completely symmetrical, C l ≠ C r , which means that U ind ≠ 0 V. However, this voltage will be very small, since very little magnetic field lines can penetrate the space between the measuring tip and the outer conductor. In addition, the very small voltages U indl and U indr are largely compensated for by the approximately identical capacitances C l and C r . There is therefore no inductive coupling that falsifies the voltage tap. Such an inductive coupling cannot be seen from a simple measurement of the transfer function.

Störung des Wellenwiderstandes der durchführenden Leitung durch SpannungsabgriffDisturbance of the wave resistance of the lead through the voltage tap

Jede reale Messung verfälscht die Größe, die gemessen werden soll. Auch dieser Spannungsabgriff stört die Spannung auf der durchführenden Leitung. Durch das Öffnen des Außenleiters für den Spannungsabgriff ändert sich sowohl die Induktivität als auch die Kapazität dieses Leitungsstückes, was eine Änderung des Leitungswellenwiderstandes bewirkt. Dieses aber bedeutet, daß die einlaufende Welle reflektiert wird. Die Größe dieses Reflexionsfaktors gilt es zu bestimmen. Ferner wird durch eine Reflexion am Spannungsabgriff bewirkt, daß die gemessene Spannung eine Überlagerung der hinlaufenden und der rücklaufenden Spannungswelle ist, damit wird aber der Spannungsabgriff selbst verfälscht.Every real measurement falsifies the size to be measured. This voltage tap is also annoying the voltage on the lead line. By opening the outer conductor for the Voltage tap changes both the inductance and the capacitance of this line piece, what a change in the line impedance causes. But this means that the incoming wave is reflected. The size of this reflection factor has to be determined. Furthermore, by a Reflection at the voltage tap causes the measured voltage to overlap the incoming and the returning voltage wave is, but this is the voltage tap itself adulterated.

Die Induktivitätsänderung in der durchführenden Koaxialleitung ist dadurch bedingt, daß der Strom I an der geöffneten Stelle nicht mehr über die gesamte Außenleiteroberfläche fließen kann, sondern einen Verlauf hat, wie es die Stromlinien in Abb. 13 andeuten. Zur Beschreibung sei die Ausbreitungsrichtung des koaxialen Rohres mit χ bezeichnet. Der Leiterumfang sei mit Umf(χ) bezeichnet. An der ungestörten Stelle ist dieser Umfang gerade Umf = 2π·ra, wobei ra der Außenleiterdurchmesser ist. Die Öffnungsbreite der Bohrung an der Stelle χ ist b(χ), diese steht mit der von der Mittelachse des Koaxialleiters aus gesehenen Winkel durch die Beziehung ϕ(χ) · ra = b(χ) in Verbindung. Diese Öffnungsbreite wird vom Umfang subtrahiert womit Umnf(χ) = (2π -ϕ(χ))·ra. Diese Formel gilt allgemein, weil b(χ) außerhalb der Bohrung verschwindet. Mit der Maxwellgleichung unter Anwendung des Stoke′schen Satzes ergibt sich damit für die FeldstärkeThe change in inductance in the coaxial line is due to the fact that the current I at the open point can no longer flow over the entire outer conductor surface, but has a course, as indicated by the current lines in Fig. 13. For the description, the direction of propagation of the coaxial tube is designated by χ. The circumference of the conductor is designated Umf (χ). At the undisturbed point this circumference is just Umf = 2π · r a , where r a is the outer conductor diameter. The opening width of the hole at point χ is b (χ), which is related to the angle seen from the central axis of the coaxial conductor by the relationship ϕ (χ) · r a = b (χ). This opening width is subtracted from the circumference, with Umnf (χ) = (2π -ϕ (χ)) · r a . This formula applies in general because b (χ) disappears outside the hole. With the Maxwell equation using Stoke's theorem we get for the field strength

Das hat zur Folge, daß sich an der Störstelle die magnetische Flußdichte erhöht. Die magnetische Flußdichte auf der Länge l lautetThat has to Consequence that the magnetic flux density increases at the point of interference. The magnetic flux density on the Length is l

Die ortsabhängige Induktivität lautet damitThe location-dependent inductance is thus

Geht man jetzt näherungsweise davon aus, daß die Bohrung mit dem Durchmesser db anstatt rund quadratisch sei, wobei allerdings die Flächen gleich sein sollen d. h. π·(db/2)² = b², so ergibt sich für den Winkel an der BohrstelleIf one now approximately assumes that the hole with the diameter d b is square instead of round, although the areas should be the same ie π · (d b / 2) ² = b², the angle at the drilling point results

Wichtig ist die Änderung der Induktivität Ls an der gestörten Stelle gegenüber der Leiterinduktivität Ll an den ungestörten Stellen. Beide haben das VerhältnisIt is important to change the inductance L s at the disturbed location compared to the conductor inductance L l at the undisturbed locations. Both have the relationship

Aus Abb. 9 können für ein Anwendungsbeispiel die Daten entnommen werden. Hierin ist db der Kerndurchmesser des Gewindes V21, er beträgt db = 4,2 mm. Der Radius des koaxialen Leiters ist ra = da/2 = 4 mm. Damit wird SLl = 1.17.The data can be taken from Fig. 9 for an application example. Here d b is the core diameter of the thread V21, it is d b = 4.2 mm. The radius of the coaxial conductor is r a = d a / 2 = 4 mm. So S Ll = 1.17.

Andererseits wird durch das Öffnen des Außenleiters die Kapazität in diesem Bereich verändert. Zur Berechnung dieser geänderten Kapazität wird der Umstand ausgenutzt, daß wenn die Koppelplatte mit der Oberfläche des Außenleiters abschließt, d. h. ki = (da - di)/2, die Leiterkapazität Cl erhalten bleibt. Dies kann damit begründet werden, daß die Kapazität Cinerde des Innenleiters über die Koppelplatte und die Meßspitze gegen Erde die Serienschaltung der Koppelkapazität Ckop und der Erdkapazität Cerde ist. Da aber Ckop « Cerde wird die Kapazität Cinerde ≅ Ckop. Wird nun die Meßspitze weiter herein- oder herausgeschraubt, so verändert sich die Koppelkapazität und damit auch die resultierende Leiterkapazität Cl′. Diese wird bestimmt durch die Gleichung Cl′ = Cl - Ckop (ki = (da - di)/2) + Ckop(ki). Damit ergibt sich das Verhältnis der Leiterkapazität an der gestörten Stelle Cl′ zur Leiterkapazität Cl im ungestörten Bereich zu SCl = Cl′/Cl. Für den obigen Spezialfall, daß ki = (da - di)/2 ist, wird SCl = 1.On the other hand, opening the outer conductor changes the capacitance in this area. To calculate this changed capacitance, the fact is used that when the coupling plate is flush with the surface of the outer conductor, ie k i = (d a - d i ) / 2, the conductor capacitance C l is retained. This can be justified by the fact that the capacitance C in earth of the inner conductor via the coupling plate and the measuring tip to earth is the series connection of the coupling capacitance C kop and the earth capacitance C earth . But since C cop «C earth the capacitance C inerde ≅ C cop . If the measuring tip is now screwed in or out, the coupling capacitance changes and thus the resulting conductor capacitance C l '. This is determined by the equation C l ′ = C l - C kop (k i = (d a - d i ) / 2) + C kop (k i ). This results in the ratio of the conductor capacity at the disturbed point C l 'to the conductor capacity C l in the undisturbed area to S Cl = C l ' / C l . For the special case above that k i = (d a - d i ) / 2, S Cl = 1.

In Abb. 14 ist das vereinfachte Ersatzschaltbild einer verlustlosen Leitung dargestellt, die durch ihren Wellenwiderstand Zab abgeschlossen wird. Diese homogene verlustlose Leitung wird durch ihre Induktivitäten und Kapazitäten pro Längeneinheit beschrieben. In der Abb. 14 werden diese Induktivitäten und Kapazitäten Ll1, Cl1, Ll2, Cl2 sowie Ll3, Cl3 für eine bestimmte Länge l₁, l₂ sowie l₃ angegeben. An der Stelle des Spannungsabgriffes ist die Leiterinduktivität durch die Reihenschaltung aus der Leiterinduktivität Ll2 und der Störinduktivität Lls dargestellt. Die Leiterkapazität an der Stelle des Spannungsabgriffes ist durch die Parallelschaltung von der Leiterkapazität Cl2 und der Störkapazität Cls dargestellt. Durch das Vertauschen der Reihenfolge der Störinduktivität Lls und der Leiterkapazität Cl2, wird die Leitung durch eine Aufeinanderfolge von mehreren Leitungselementen dargestellt, in denen die Störung durch den Spannungsabgriff als zusätzliches konzentriertes Bauelement integriert ist. Da die Leitung mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, wird bis zur Störstelle dieser Wellenwiderstand vorhanden sein, womit die Leitungselemente mit dem Abschlußwiderstand als konzentriertes Bauelement beschrieben werden können. Dieser Ersatzwiderstand ist im Ersatzschaltbild der Abb. 15 nach der Störinduktivität Lls und Störkapazität Cls angeordnet. Insgesamt können diese Impedanzen zu dem Gesamtabschlußwiderstand Zl zusammengefaßt werden Fig. 14 shows the simplified equivalent circuit diagram of a lossless line, which is terminated by its characteristic impedance Z ab . This homogeneous lossless line is described by its inductances and capacities per unit length. In Fig. 14, these inductances and capacitances L l1 , C l1 , L l2 , C l2 and L l3 , C l3 are given for a certain length l₁, l₂ and l₃. At the point of the voltage tap , the conductor inductance is represented by the series connection of the conductor inductance L l2 and the interference inductance L ls . The conductor capacitance at the point of the voltage tap is represented by the parallel connection of the conductor capacitance C l2 and the interference capacitance C ls . By interchanging the order of the interference inductance L ls and the conductor capacitance C l2 , the line is represented by a succession of several line elements in which the interference by the voltage tap is integrated as an additional concentrated component. Since the line is terminated with its characteristic impedance, this characteristic impedance will be present up to the point of failure, so that the line elements with the terminating resistance can be described as a concentrated component. This equivalent resistor is arranged in the equivalent circuit diagram in Fig. 15 according to the interference inductance L ls and interference capacitance C ls . Overall, these impedances can be combined to form the total terminating resistance Z 1

Für den Reflexionsfaktor an der Störstelle gilt allgemeinThe following generally applies to the reflection factor at the point of interference

Bezogen auf die Anwendung wird Lls = (SLl-1)Ll = 0,11 nH und Cls = (SCl-1)Cl = 0 pF, womit Zl′ = Zl + jω · Lls wird, was für den Reflexionsfaktor bedeutetIn relation to the application, L ls = (S Ll -1) L l = 0.11 nH and C ls = (S Cl -1) C l = 0 pF, with which Z l ′ = Z l + jω · L ls , which means for the reflection factor

Für Zl = 50 Ω wirdFor Z l = 50 Ω

wird. Das ergibt bei 500 MHz einen Wert von |rsp| ≈ 0,3%. Dieser Reflexionsfaktor ist vernachlässigbar klein.becomes. At 500 MHz this gives a value of | r sp | ≈ 0.3%. This reflection factor is negligibly small.

Gesamtübertragungsfunktion des SpannungsabgriffesOverall transfer function of the voltage tap

In Abb. 16 ist das Ersatzschaltbild gezeichnet, aus welchem die Gesamtübertragungsfunktion berechnet werden kann. Ganz rechts ist der Abschlußwiderstand Zab. Zwischen der Stelle des Spannungsabgriffes und dem Abschlußwiderstand befindet sich ein Koaxialkabel mit dem entsprechenden Wellenwiderstand. Die Länge dieses Stückes Koaxialkabel lsp ist gerade von der Mitte der Koppelplatte bis zur der Meßebene, die auch als Kalibrierebene bezeichnet wird. In der Standardnotation ist die Kalibrierebene am Ende des Innenleiterkontaktes, wie es in Abb. 1 gezeigt ist. Zwischen der Stelle des Spannungsabgriffes V31 und der Koaxialleitung V32 sind die Ersatzelemente Lls und Cls für die Störstelle. Die Ersatzelemente für die Störstelle müssen gerade an dieser Stelle sein, weil durch die Störstelle die an der Koppelplatte anliegende Spannung verändert wird. Diese ist nämlich eine Überlagerung einlaufende Spannungswelle Ul und der durch den Spannungsabgriff reflektierten, d. h. Uk = Ul·(1+rsp). Fig. 16 shows the equivalent circuit diagram from which the overall transfer function can be calculated. On the far right of the terminating resistor Z is from. There is a coaxial cable with the corresponding characteristic impedance between the point of the voltage tap and the terminating resistor. The length of this piece of coaxial cable l sp is just from the center of the coupling plate to the measuring plane, which is also referred to as the calibration plane. In the standard notation, the calibration level is at the end of the inner conductor contact, as shown in Fig. 1. Between the location of the voltage tap V31 and the coaxial line V32 are the replacement elements L ls and C ls for the fault location. The replacement elements for the fault location must be at this point, because the voltage applied to the coupling plate is changed by the fault location. This is namely a superimposition of the incoming voltage wave U l and the one reflected by the voltage tap, ie U k = U l · (1 + r sp ).

Zur allgemeinen Darstellung wird nun dieses Ersatzschaltbild durch die zugehörigen Vierpolgleichungen beschrieben. Über den Abschlußwiderstand liegt die Spannung Uab und es fließt der Strom Iab. Vor dem Koaxialkabel liegt die Spannung Ul und der Strom Il an, die mit der Spannung Uab und dem Strom Iab durch die homogene, verlustfreie Vierpolleitungsgleichung 9For the general illustration, this equivalent circuit diagram is now described by the associated four-pole equations. The voltage U is found from across the terminating resistor and the current flows from I. The voltage U l and the current I l are present in front of the coaxial cable, the voltage U ab and the current I ab through the homogeneous, loss-free four-pole equation 9

Die Spannung Ucl und der Strom Icl sind mit der Spannung Ul und dem Strom Il durch die VierpolgleichungThe voltage U cl and the current I cl are with the voltage U l and the current I l through the four-pole equation

verbunden. Die Spannung Uk und der Strom Ik an der Koppelplatte am Innenleiter wird mit der Spannung Ucl und dem Strom Icl durch die Vierpolgleichungconnected. The voltage U k and the current I k on the coupling plate on the inner conductor are with the voltage U cl and the current I cl through the four-pole equation

verknüpft. Die Spannung an der Tastkopfspitze Us steht mit der Spannung am Innenleiter Uin durch das Untersetzungsverhältnis Vu in Verbindung, was die Vierpoldarstellungconnected. The voltage at the probe tip U s is connected to the voltage at the inner conductor U in by the reduction ratio V u , which is the four-pole representation

ergibt. Am Ausgangsverbinder des Tastkopfes liegt die Spannung Ut an. Diese hat gegenüber der Spannung Us eine gewisse Verspätung td. Beim Tastkopf P6202A von Tektronik ist diese Signalverspätung ungefähr 12 ns [TekPr]. Zudem hat der Tastkopf selbst ein Untersetzungsverhältnis t = |Ut/Us|. Damit ergibt sich die komplexe Amplitude in der Vierpoldarstellungresults. The voltage U t is present at the output connector of the probe. This has a certain delay t d compared to the voltage U s . With the Tektronik P6202A probe, this signal delay is approximately 12 ns [TekPr]. In addition, the probe itself has a reduction ratio t = | U t / U s |. This results in the complex amplitude in the four-pole display

Durch rekursives Einsetzen läßt sich jetzt die Gesamtgleichung aufstellen. Die einzelnen Matrizen können miteinander multipliziert werden und ergeben als Resultat einen neuen GesamtvierpolThe overall equation can now be established by recursive insertion. The individual matrices can be multiplied together and result in a new total four-pole

StromwandlerPower converter

Ströme können auf verschiedene Weise gemessen werden. Am weitesten verbreitet ist die Messung des Spannungsabfalls über einen Widerstand. In der Hochfrequenzmeßtechnik werden Thermoumformer benutzt, bei denen die Temperaturerhöhung durch einen Heizdraht gemessen wird, die proportional dem Strom durch den Heizdraht ist. Zur Messung von hohen und hochfrequenten Strömen werden Induktionsspulen eingesetzt, die zu Ehren des Erfinders als Rogowsky-Spulen bezeichnet werden. In Abb. 17 ist eine solche Rogowsky-Spule gezeigt [Coo63]. Diese ist ein gleichförmig gewickelte Solenoid C1, der ringförmig um den stromführenden Draht C2 gelegt ist. Die in N Windungen der Spule induzierte Spannung Uind, ist nach dem Induktionsgesetz gleich der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses in dieser Spule, alsoCurrents can be measured in different ways. The measurement of the voltage drop across a resistor is the most common. In high-frequency measuring technology, thermal transducers are used in which the temperature increase is measured by a heating wire, which is proportional to the current through the heating wire. Induction coils are used to measure high and high-frequency currents, which are named Rogowsky coils in honor of the inventor. Such a Rogowsky coil is shown in Fig. 17 [Coo63]. This is a uniformly wound solenoid C1, which is placed in a ring around the current-carrying wire C2. According to the law of induction, the voltage U ind induced in N turns of the coil is equal to the change over time of the magnetic flux in this coil, ie

Der magnetische Fluß berechnet sich nach der FormelThe magnetic flux is calculated using the formula

Die magnetische Flußdichte wird mit Hilfe des DurchflutungsgesetzesThe magnetic flux density is determined with the help of the law on flooding

mit dem Strom I verknüpft. Wählt man zur Berechnung der Flußdichte als Integrationsweg Kreise vom Radius ρ um die z-Achse, wie in Abb. 18 zu sehen ist, dann folgtlinked to the current I. If one chooses circles with the radius ρ around the z-axis as integration path for the calculation of the flux density, as can be seen in Fig. 18, then follows

Sei S eine beliebige Querschnittsfläche der Spule mit dem Flächenelement dS· = hzdρ· Der magnetische Fluß Φ durch S in Richtung von ergibt sich aus folgender Rechnung [UnbTE]Let S be any cross-sectional area of the coil with the surface element dS · = h z dρ · The magnetic flux Φ through S in the direction of results from the following calculation [UnbTE]

Hierin ist AL eine Konstante, in welcher Spuleneigenschaften enthalten sind. Für die weiteren Betrachtungen ist es sinnvoll, aus der Zeitbereichsdarstellung f(t) in die Frequenzbereichsdarstellung F(ω) zu wechseln. Der Differentialoperator d/dt geht dann über in jω. Damit wird die für die Winkelfrequenz ω in die Rogowsky-Spule induzierte SpannungHere AL is a constant in which Coil properties are included. For further considerations, it makes sense to use the Time domain representation f (t) to switch to the frequency domain representation F (ω). Of the Differential operator d / dt then merges into jω. So that for the angular frequency ω in the Rogowsky coil induced voltage

Uind(ω) = -jωALI(ω) Gl. 2U ind (ω) = -jωA L I (ω) Eq. 2nd

Die induzierte Spannung ist somit frequenzabhängig und gegenüber dem Strom um -90° Phasenverschoben. Durch Abschluß der Spule mit einem Widerstand Zi kann über diesen Widerstand eine frequenzunabhängige Spannung Ui gemessen werden. Abb. 19 zeigt das zugehörige Ersatzschaltbild. An der Spule mit der Induktivität L und dem Widerstand Zi liegt die Spannung Uind an, die bewirkt, daß der Strom is fließt. Durch die Selbstinduktivität L der Spule wird das Fließen dieses Stromes is behindert. Die Selbstinduktivität L ist ihrerseits die Proportionalitätskonstante des von dem Strom is erzeugten magnetischen Flusses in der Ringspule, d. h. Φ = Lis. Aus dem Durchflutungsgesetz folgt für die magnetische Flußdichte innerhalb der SpuleThe induced voltage is therefore frequency-dependent and phase-shifted from the current by -90 °. By terminating the coil with a resistor Z i , a frequency-independent voltage U i can be measured via this resistor. Fig. 19 shows the corresponding equivalent circuit diagram. The voltage U ind is present at the coil with the inductance L and the resistance Z i , which causes the current i s to flow. The flow of this current i s is impeded by the self-inductance L of the coil. The self-inductance L is in turn the proportionality constant of the magnetic flux generated by the current i s in the ring coil, ie dh = Li s . From the law of flooding follows for the magnetic flux density within the coil

Mit einer analogen Rechnung wie oben folgt für den magnetischen Fluß von N umfaßten Stromwindungen Φ = ALN²is. Damit wird aber die Induktivität L = ALN². Unter Anwendung des Ersatzschaltbildes in Abb. 19 wird die über den Widerstand Z gemessene SpannungWith an analog calculation as above, for the magnetic flux of N current turns comprised Φ = A L N²i s . But this makes the inductance L = A L N². Using the equivalent circuit diagram in Fig. 19, the voltage measured across the resistor Z is

Wird die Gleichung 2 von Uind und L eingesetzt, die Gleichung umgeformt und angenommen, daß die Spule so gewickelt ist, daß bei der Arbeitsfrequenz von 13,56 MHz die Phase 0° ist, so ergibt sichIf equation 2 of U ind and L is used, the equation is transformed and it is assumed that the coil is wound in such a way that the phase is 0 ° at the operating frequency of 13.56 MHz, the result is

Diese Spannung wird frequenzunabhängig für Frequenzen mitThis voltage becomes frequency independent for frequencies with

Um diese Bedingung zu erfüllen, kann entweder der Abschlußwiderstand Zi sehr klein oder die Windungszahl N sehr groß gewählt werden. Beides führt dann aber auch dazu, daß das TransformationsverhältnisIn order to meet this condition, either the terminating resistance Z i can be selected to be very small or the number of turns N very large. Both then leads to the transformation ratio

sehr klein wird. Besser ist es die AL-Konstante möglichst groß zu machen. Dieses kann dadurch geschehen, daß die Spule auf einen Ferritkern gewickelt wird, wodurch dann diese Konstante um die Permeabilität µr dieses Kernes größer wird. Für Ringkerne ist der Induktivitätsfaktor definiert durch AL = µoµr A/l. Hierin ist A/l der Kern-Faktor, welcher in den Datenhandbüchern angegeben ist [DatPh, ComVo, AmiFe]. Die relative Permeabilität µr ist in der Regel eine frequenzabhängige, komplexe Größe, die definiert ist durch µr = µs′-jµs′, bei welcher µs der Realteil und µs′ der Imaginärteil der komplexen Permeabilität ist. Diese komplexe Permeabilität ist in den Datenhandbüchern als Funktion der Frequenz dargestellt [DatPh, ComVo]. Bei der Auswahl eines Ferritkerns ist zu beachten, daß der Realteil der komplexen Permeabilität größer ist als der Imaginärteil der komplexen Permeabilität, da letzteres die Verluste eines Ferritkerns beschreibt.gets very small. It is better to make the A L constant as large as possible. This can be done by winding the coil on a ferrite core, which then increases this constant by the permeability µ r of this core. For toroidal cores, the inductance factor is defined by A L = µ o µ r A / l. Here A / l is the core factor, which is given in the data manuals [DatPh, ComVo, AmiFe]. The relative permeability µ r is usually a frequency-dependent, complex variable, which is defined by µ r = µ s ′ -jµ s ′, in which µ s is the real part and µ s ′ is the imaginary part of the complex permeability. This complex permeability is shown in the data manuals as a function of frequency [DatPh, ComVo]. When choosing a ferrite core, it should be noted that the real part of the complex permeability is larger than the imaginary part of the complex permeability, since the latter describes the losses of a ferrite core.

In Abb. 17 ist die Grundform einer Rogowsky-Spule gezeigt. Diese ist praktisch nicht verwendbar, da vom Innenleiter elektrische Feldlinien auf der Spule enden, die bewirken, daß in diese Spule kapazitiv eine Spannung eingekoppelt wird, welche sich der induktiv eingekoppelten Spannung überlagert. Diese kapazitive Einkopplung kann durch eine elektrische Abschirmung der Spule reduziert werden. In Abb. 20 ist eine Spule mit einem Ferritkern und einer Metallabschirmung gezeigt. Diese Spule wird als Durchführungsstromwandler bezeichnet und wird beispielsweise in [Pat74, Pat88, MeiHF S. 1547, RohSt] beschrieben. Bei diesem Durchführungsstromwandler ist auf einen Ferritkern C3 die Spule C4 gewickelt. Um die Spule herum ist der Metallmantel C5 angeordnet, der von der Spule durch den Isolator C6 elektrisch getrennt ist. Der Metallmantel C5 darf die Spule nicht vollständig umgeben, weil sonst über diesen Metallmantel ein Ringstrom fließen würde, dessen magnetisches Feld innerhalb der Spule gerade das magnetische Feld des stromführenden Leiters innerhalb der Spule kompensieren würde, womit der Strom des stromführenden Leiters nicht mehr gemessen werden könnte. Der Metallmantel C5 ist somit an der Außenseite geöffnet, was im Querschnitt durch die Öffnungen C7 angedeutet ist. Damit der Weg vom stromführenden Leiter C2 zu der Spule maximal und damit die Koppelkapazität minimal wird, sind die Öffnungen C7 an der Außenseite des Stromwandlers angeordnet. Der Metallmantel C5 wird durch die am Steckverbinder C8 anzuschließende Meßleitung geerdet. Fig. 17 shows the basic shape of a Rogowsky coil. This is practically unusable, since electrical field lines end on the coil from the inner conductor, which cause a voltage to be capacitively coupled into this coil, which is superimposed on the inductively coupled voltage. This capacitive coupling can be reduced by electrically shielding the coil. Fig. 20 shows a coil with a ferrite core and a metal shield. This coil is referred to as a feedthrough current transformer and is described, for example, in [Pat74, Pat88, MeiHF S. 1547, RohSt]. In this feedthrough current transformer, the coil C4 is wound on a ferrite core C3. The metal jacket C5 is arranged around the coil and is electrically separated from the coil by the insulator C6. The metal jacket C5 must not completely surround the coil, because otherwise a ring current would flow through this metal jacket, the magnetic field inside the coil of which would just compensate for the magnetic field of the current-carrying conductor inside the coil, with which the current of the current-carrying conductor could no longer be measured . The metal jacket C5 is thus open on the outside, which is indicated in cross section through the openings C7. The openings C7 are arranged on the outside of the current transformer so that the path from the current-carrying conductor C2 to the coil is maximal and the coupling capacitance is minimal. The metal jacket C5 is grounded by the measuring line to be connected to the connector C8.

Dieser Durchführungsstromwandler dient dazu, bei einem im Raum liegenden Leiter den Strom I in die Spannung Ui zu wandeln. Damit der Strom I fließen kann, muß ein Stromkreis vorhanden sein, daß heißt es gibt einen hinlaufenden und einen rücklaufenden Strom. In Abb. 20 ist der Stromwandler um einen einzelnen stromführenden Leiter C2 gelegt. Der Rückleiter ist nicht eingezeichnet und kann irgendwo liegen. Für hochfrequente Ströme würde eine solche Leitungsführung zu großen Reflexionen führen, weshalb sie zu vermeiden ist. Zur Übertragung von hochfrequenten Strömen müssen Leitungen mit definierten Wellenwiderständen verwendet werden, d. h. der Hin- und der Rückleiter müssen einen definierten und festen Abstand zueinander haben, wie es z. B. bei koaxialen Leitern gegeben ist. In Abb. 21 ist eine Vorrichtung gezeigt, mit der im Innern einer koaxialen Leitung der Strom im Innenleiter gemessen werden kann. Diese Vorrichtung wurde dazu entwickelt Durchführungsstromwandler zu kalibrieren [Pat89]. Diese Vorrichtung ist so aufgebaut, daß der Innenleiter C2 weiterhin durch den Durchführungsstromwandler C9 verläuft, und der koaxiale Außenleiter um diesen Durchführungsstromwandler gelegt ist C10. Um den Leitungswellenwiderstand weitgehend zu erhalten ist der koaxiale Leiter aufgeweitet und zwar so, daß der Innendurchmesser des Außenleiters dw gerade dem Innendurchmesser dw des Durchführungsstromwandlers entspricht. Der Durchführungsstromwandler ist durch die Isolierung C11 elektrisch von dem Außenleiter der durchführenden Leitung getrennt. Dieses ist notwendig, weil sonst der rückfließende Strom durch das Innere des Stromwandlers verlaufen würde, womit der Strom im Innenleiter nicht mehr gemessen werden könnte. Die Notwendigkeit der Isolierung des Außenleiters der durchführenden Leitung von dem Stromwandler bringt es mit sich, daß der Außenleiter an der Stelle C12, wo der Stecker C8 des Wandlers sich befindet, offen bleiben muß. Dies aber hat zur Folge, daß die durchführende Leitung nicht mehr HF-dicht ist, womit durch diese Öffnung elektrische Leistung in den Raum abgestrahlt werden kann, wodurch unbestimmbare Verluste entstehen. Ein zusätzlicher Meßfehler entsteht wie folgt: Der Stromwandler C9 ist durch die Signalleitung, welche am Meßgerät angeschlossen ist, geerdet. Da diese Signalleitung einen gewissen ohmschen Widerstand hat, wird das Potential des Stromwandlers anders sein als das Potential der durchführenden Leitung. Damit wird aber die gemessene Spannung Ui fehlerhaft.This feedthrough current transformer is used to convert the current I into the voltage U i with a conductor lying in the room. So that the current I can flow, a circuit must be present, that is, there is a current flowing in and a current flowing back. In Fig. 20, the current transformer is placed around a single live conductor C2. The return conductor is not shown and can be anywhere. For high-frequency currents, such a routing would lead to large reflections, which is why it should be avoided. For the transmission of high-frequency currents, lines with defined characteristic impedances must be used, ie the outgoing and return conductors must have a defined and fixed distance from each other, as is the case for. B. is given with coaxial conductors. Fig. 21 shows a device with which the current in the inner conductor can be measured inside a coaxial line. This device was developed to calibrate feedthrough current transformers [Pat89]. This device is constructed in such a way that the inner conductor C2 continues to pass through the feedthrough current transformer C9 and the coaxial outer conductor is laid around this feedthrough current transformer C10. In order to largely maintain the line impedance, the coaxial conductor is widened in such a way that the inner diameter of the outer conductor d w corresponds precisely to the inner diameter d w of the feedthrough current transformer. The feedthrough current transformer is electrically isolated from the outer conductor of the leadthrough by the insulation C11. This is necessary because otherwise the current flowing back would run through the interior of the current transformer, with which the current in the inner conductor could no longer be measured. The necessity of isolating the outer conductor of the lead-through line from the current transformer means that the outer conductor must remain open at the point C12 where the connector C8 of the transformer is located. However, this has the consequence that the lead-through is no longer HF-tight, which means that electrical power can be radiated into the room through this opening, resulting in undetermined losses. An additional measurement error arises as follows: The current transformer C9 is grounded through the signal line which is connected to the measuring device. Since this signal line has a certain ohmic resistance, the potential of the current transformer will be different from the potential of the line carrying it through. However, this makes the measured voltage U i incorrect.

Diese Meßfehler können bei dem in Abb. 22 gezeigten Stromwandler nicht auftreten. Bei diesem Stromwandler wird der Außenleiter sackförmig ausgebildet. In diese sackförmigen Ausbildung wird die Meßspule eingesetzt. Durch das zwischen dem Innenleiter und der Spule befindliche geerdete Rohr wird die Meßspule von dem Innenleiter abgeschirmt. Die noch verbleibende kapazitive Einkopplung ist sehr klein und kann recht einfach abgeschätzt werden. Die Stromspule hat das gleiche Potential wie der Außenleiter und die gesamte Stromwandleranordnung ist HF-dicht, womit reproduzierbare und sehr genaue Messungen möglich sind. Durch die Formgebung und die Größe dieser sackförmigen Ausbildung wird der Wellenwiderstand der durchführenden Leitung nur minimal gestört, außerdem ist der zugehörige Reflexionsfaktor berechenbar. Diese Eigenschaften gestatten es schließlich den Übertragungsvierpol zu berechnen. Durch die spezielle Formgebung dieser sackförmigen Ausbildung ist es auch möglich einen koaxialen Stromteiler zu bauen, bei dem nur ein Teil des Stromes durch die Strommeßspule fließt. Durch einen solchen Stromteiler ist es möglich, den meßbaren Strommeßbereich beliebig zu vergrößern, womit gleichzeitig die Störungen des Wellenwiderstandes der durchführenden Leitung kleiner werden.These measurement errors cannot occur with the current transformer shown in Fig. 22. The outer conductor of this current transformer is bag-shaped. The measuring coil is inserted into this sack-shaped design. The measuring coil is shielded from the inner conductor by the grounded tube between the inner conductor and the coil. The remaining capacitive coupling is very small and can be estimated quite easily. The current coil has the same potential as the outer conductor and the entire current transformer arrangement is RF-tight, which enables reproducible and very precise measurements. Due to the shape and size of this sack-like design, the wave resistance of the line running through is only minimally disturbed, and the associated reflection factor can also be calculated. These properties finally allow the transmission quadrupole to be calculated. Due to the special shape of this sack-shaped design, it is also possible to build a coaxial current divider in which only part of the current flows through the current measuring coil. Such a current divider makes it possible to enlarge the measurable current measuring range as desired, which at the same time reduces the disturbances in the wave impedance of the line passing through.

In Abb. 23 ist die sackförmige Aufweitung des Außenleiters vereinfacht dargestellt. Diese Leitung kann in drei Bereiche aufgeteilt werden, die in der Abbildung durch gestrichelt gezeichnete Rechtecke abgegrenzt sind. Im Bereich C14 hat die Koaxialleitung einen Außenleitersprung [MeiHF], bei dem der Durchmesser des Außenleiters von Dia nach Daa aufgeweitet wird. Im Bereich C15 hat die Koaxialleitung einen Serienverzweigungspunkt [MeiHF], bei der die ungeteilte Leitung im Bereich C16 mit dem Außendurchmesser Daa und dem Innendurchmesser Dii an der Aufteilungsebene C17 in zwei koaxiale Leitungen im Bereich C18 aufgeteilt wird, bei der die äußere Leitung den Außendurchmesser Daa und den Innendurchmesser Dai und die innere Leitung den Außendurchmesser Dia und den Innendurchmesser Dii hat. Im Bereich C19 ist die äußere Koaxialleitung kurzgeschlossen. Der Strom verläuft wie folgt durch diese sackförmige Aufweitung: Von der Stromquelle fließt der Strom Ih auf der Oberfläche des Innenleiters zum Abschlußwiderstand hin, geht durch diesen hindurch und fließt entlang der Oberfläche des Außenleiters als Strom Ir wieder zum Generator zurück. Hierbei fließt der Strom Ir an der Oberfläche des Außenleiters mit dem Durchmesser Dia hin zu der Oberfläche des Außenleiters mit dem Durchmesser Daa. In der Aufteilungsebene des Serienverzweigungspunktes C17, läuft der Strom weiter entlang der Oberfläche des äußeren Außenleiters hin zu dem Bereich C19, wo die äußeren Koaxialleitung kurzgeschlossen ist. Dort fließt dann der Strom vom Außenleiter zum Innenleiter der äußeren Koaxialleitung. Entlang des Innenleiters der äußeren Koaxialleitung fließt dann der Strom zurück zu der Aufteilungsebene C17 und geht dort über in den Außenleiter der inneren Koaxialleitung, von wo der Strom dann zurückfließt zum Generator. Die Meßspule ist in der äußeren Koaxialleitung angeordnet. Der Strom der entlang des Innenleiters der äußeren Koaxialleitung fließt, bewirkt in der Meßspule den magnetischen Wechselfluß, wodurch die Spannung Uind induziert wird, die über den Widerstand Z den Strom is bewirkt, der über den Widerstand zu der Spannung Ui führt. Die erzeugte Spannung Ui wird durch die Gleichung 2 beschrieben. Fig. 23 shows the sack-shaped widening of the outer conductor in a simplified manner. This line can be divided into three areas, which are delimited by dashed rectangles in the figure. In area C14, the coaxial line has an outer conductor jump [MeiHF], in which the diameter of the outer conductor is widened from D ia to D aa . In area C15, the coaxial line has a series branch point [MeiHF], at which the undivided line in area C16 with the outside diameter D aa and inside diameter D ii is divided into two coaxial lines in area C18 at division level C17, at which the outside line Outside diameter D aa and the inside diameter D ai and the inner pipe has the outside diameter D ia and the inside diameter D ii . In area C19 the outer coaxial line is short-circuited. The current runs through this sack-shaped widening as follows: from the current source, the current I h flows on the surface of the inner conductor to the terminating resistor, passes through it and flows along the surface of the outer conductor as current I r back to the generator. Here, the current I r flows on the surface of the outer conductor with the diameter D ia towards the surface of the outer conductor with the diameter D aa . At the split level of the series branch point C17, the current continues along the surface of the outer outer conductor to the area C19 where the outer coaxial line is short-circuited. The current then flows from the outer conductor to the inner conductor of the outer coaxial line. The current then flows back along the inner conductor of the outer coaxial line to the division plane C17 and there passes into the outer conductor of the inner coaxial line, from where the current then flows back to the generator. The measuring coil is arranged in the outer coaxial line. The current flowing along the inner conductor of the outer coaxial line causes the alternating magnetic flux in the measuring coil, thereby inducing the voltage U ind , which causes the current i s via the resistor Z, which leads to the voltage U i via the resistor. The voltage U i generated is described by equation 2.

Die Strommeßeinheit besteht aus zwei zylinderförmigen Bauteilen. Das eine Bauteil hat die Bezeichnung B1 und das andere Bauteil hat die Bezeichnung B2. Beide Bauteile sind ineinandergeschoben und verschraubt, was in Abb. 1 und 2 zu sehen ist. An diesen beiden Bauteilen befinden sich die Kontaktflächen C20 und C21, die es gewährleisten, daß diese beiden Bauteile einen optimalen elektrisch Kontakt bekommen. In Abb. 24 ist eine Draufsicht auf das Bauteil B2 gezeigt. Hierin gut zu sehen ist die Form der Kontaktfläche C21, die dadurch gekennzeichnet ist, daß wirklich der gesamte Bereich als Kontaktfläche umgeben ist, bis hin zum Steckverbinder. Durch das stufenförmige Absetzen dieser Kontaktflächen C23, was in Abb. 21 zu sehen ist, wird erreicht, daß die beiden Bauteile mittig ineinander geführt werden, und daß die Strommesseinheit HF-dicht wird. Die einzige noch verbleibende Öffnung ist der Innenleiterdurchgang des Endsteckers welcher aber durch die anzuschließende Leitung abgedichtet wird. Das Bauteil B2 enthält den Bereich des Außenleitersprunges. Um starke Feldänderungen zu vermeiden, ist dieser Außenleitersprung in der Praxis ein stetiger Übergang, bei dem der Außenleiter sich konusförmig aufweitet C24. Aus dem gleichen Grund sind die Ecken C25 abgerundet und die kurzgeschlossene Koaxialleitung halbkreisförmig C26 ausgebildet. Im Bauteil B1 ist das Rohr C27 angesetzt, welches an der Innenseite gerade den Außenleiter der inneren Koaxialleitung mit dem Durchmesser Dia und an der Außenseite der Innenleiter der äußeren Koaxialleitung mit dem Durchmesser Dai ist. Das Ende dieses Rohres ist halbkreisförmig C28 ausgebildet, um große Feldstärkeänderungen zu vermeiden. Samtliche Oberflächen über die der Strom fließt, sollten zur Vermeidung unnötig hoher Widerstände sauber abgedreht sein und eine saubere Oberfläche haben.The current measuring unit consists of two cylindrical components. One component has the designation B1 and the other component has the designation B2. Both components are pushed together and screwed together, which can be seen in Fig. 1 and 2. The contact surfaces C20 and C21 are located on these two components, which ensure that these two components get optimal electrical contact. Fig. 24 shows a top view of component B2. This clearly shows the shape of the contact area C21, which is characterized in that the entire area is actually surrounded as a contact area, right down to the connector. By stepping these contact surfaces C23, which can be seen in Fig. 21, it is achieved that the two components are guided centrally into one another and that the current measuring unit becomes RF-tight. The only remaining opening is the inner conductor passage of the end connector, which is sealed by the line to be connected. Component B2 contains the area of the outer conductor jump. In order to avoid strong field changes, this outer conductor jump is a constant transition in practice, in which the outer conductor widens conically C24. For the same reason, the corners C25 are rounded and the short-circuited coaxial line is semicircular C26. In component B1, the tube C27 is attached, which on the inside is just the outer conductor of the inner coaxial line with the diameter D ia and on the outside of the inner conductor of the outer coaxial line with the diameter D ai . The end of this tube is semicircular C28 to avoid large field strength changes. All surfaces over which the current flows should be turned off to avoid unnecessarily high resistances and have a clean surface.

Im Innern der sackförmigen Ausbildung befindet sich ein Ferrit- oder Eisenpulverkern C29, auf die eine Spule gewickelt ist, dessen Draht C30 ein Silberdraht, ein lackisolierter Kupferdraht oder anderer Draht sein kann. Das eine Ende dieses Drahtes wird in einen Kabelschuh C31 eingelötet. Dieser Kabelschuh ist mit dem Bauteil B2 durch die Schraube C32 elektrisch sicher verbunden. Das andere Ende des Drahtes wird in einen Standardendstecker C33, hier vom Typ N, eingelötet. Parallel zur Spule ist ein niederinduktiver und niederkapazitiver Widerstand C34, z. B. ein Kohleschichtwiderstand, der an einem Ende mit dem Endstecker und am anderen mit dem Kabelschuh verlötet ist. Der Standardendstecker C33 ist in dieser Konfiguration mit der einen Seite an das Bauteil B1 und mit der anderen Seite an das Bauteil B2 angeschraubt. Damit der Ferritkern C29 nicht in der Luft hängt, wird dieser durch einen Isolator C35 gehalten. Dieser Isolator kann an die Spule geklebt werden. An der Innenseite wird dieser Isolator an das Rohr C27 angepaßt, und zwar so, daß der Isolator auf dem Rohr leicht verschoben werden kann.Inside the sack-shaped formation there is a ferrite or iron powder core C29, onto which one Coil is wound, the wire C30 is a silver wire, a enamelled copper wire or other Wire can be. One end of this wire is soldered into a cable lug C31. This Cable lug is securely connected to component B2 by screw C32. The other The end of the wire is soldered into a standard C33 end connector, here type N. Parallel to the coil is a low inductance and low capacitance resistor C34, e.g. B. a carbon film resistor, the one end is soldered to the end connector and the other to the cable lug. Of the The standard end connector C33 is in this configuration with one side on component B1 and with the screwed on the other side to component B2. So that the ferrite core C29 does not hang in the air this is held by an isolator C35. This insulator can be glued to the coil. At the On the inside, this insulator is adapted to pipe C27, so that the insulator is on the pipe can be easily moved.

In Abb. 1 ist gezeigt, wie dieser Stromwandler in den Meßkopf integriert ist. Für diese Anordnung wurde von der Firma Amidon [AmiFe] der Ferritkern FT82 - 67 mit µs′= 40 mit einem Kernfaktor A/l = 1/507m verwendet. Der Ferritkern wurde mit einer Spule mit N = 15 Windungen bewickelt. Es wurde ein Widerstand mit einem Wert Zia = 20 Ω ausgewählt. Dieser liegt parallel zum Wellenwiderstand der abgeschlossenen Leitung mit Zl = 50 Ω. Damit wird der Gesamtwiderstand Zi = 14,2 Ω. Mit Gleichung 4 wird Ui/i = 0,95 V/1A. Um die Funktion des Stromwandlers zu zeigen, wird mit dem Netzwerkanalysator HP4195A die Übertragungsfunktion gemessen. Der Meßaufbau ist ähnlich zu dem in der Abb. 10 gezeigten. Hier wird das Kabel des Stromwandlers an den Meßeingang des Netzwerkanalysators angeschlossen, womit Ut=Ui wird, und der Ausgang der durchführenden Leitung an den Referenzeingang. Der Netzwerkanalysator wird mit dem implementierten Kalibrierverfahren, "Thru & Isolation" kalibriert. Abb. 25 zeigt die Meßkurven. Hierin sind für Frequenzen von 1 MHz bis 500 MHz der Betrag des Verhältnisses Ut zu Uref und die Phasendifferenz zwischen Ut und Uref aufgetragen. Als Gerade ist der nach Gleichung 3 berechnete Übertragungsfunktion von |Ui/Uref| = 0,019 aufgetragen. Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß etwa zwischen 10 MHz und 150 MHz der Betrag der berechnete Übertragungsfunktion recht gut den Betrag der gemessenen Übertragungsfunktion annähert. Zu höheren Frequenzen hin werden die Abweichungen größer. Bei 250 MHz und bei 430 MHz gibt es Resonanzerscheinungen. Diese Resonanzstellen bedingen, daß die Phase von 0° bei etwa 10 MHz auf -80° bei 250 MHz abfällt wieder ansteigt bis etwa 0° bei 430 MHz und dann heruntergeht auf -40° bei 500 MHz. Dieses Verhalten der Übertragungsfunktion ist wie folgt zu erklären: Jeder Ferritkern wird durch eine komplexe Permeabilität beschrieben. Zu höheren Frequenzen hin wird der Realteil der komplexen Permeabilität µs′(f) kleiner und der Imaginärteil µs′′(f) größer [DatPh]. Weiterhin ist die Impedanz des Widerstandes Zia = Zia(f) frequenzabhängig. Im Ersatzschaltbild kann dieser durch eine Serienschaltung eines Widerstandes mit einer Induktivität der parallel eine Kapazität geschaltet ist beschrieben werden. Im weiteren hat die Spule selbst noch eine gewisse Wicklungskapazität, eine gewisse Kapazität gegen Masse und hat auch noch einen gewissen ohmschen Leiterwiderstand. Um die Übertragungsfunktion zu höheren Frequenzen hin frequenzunabhängig zu machen, wird ein Ferritkern oder Eisenpulverkern ausgewählt, bei dem der Realteil der komplexen Permeabilität bei den entsprechend höheren Frequenzen sehr viel größer als der Imaginärteil der komplexen Permeabilität sein muß ist. Praktisch bedeutet das aber eine Verkleinerung des Wertes von µs, so daß die Übertragungsfunktion bei niedrigen Frequenzen frequenzabhängig wird. Im weiteren kann durch Wahl anderer Abschlußwiderstände mit geringerer Induktivität und geringerer Parallelkapazität die Resonanzstelle zu höheren Frequenzen hin verschoben werden. Es ist also möglich durch geeignete Wahl der Windungszahl des Ferrit- oder Eisenpulverkerns und des Widerstandes eine frequenzunabhängige Übertragungsfunktion bis zu hohen Frequenzen hin zu erreichen. Fig. 1 shows how this current transformer is integrated in the measuring head. For this arrangement the company Amidon [AmiFe] used the ferrite core FT82 - 67 with µ s ′ = 40 with a core factor A / l = 1 / 507m. The ferrite core was wound with a coil with N = 15 turns. A resistor with a value Z ia = 20 Ω was selected. This is parallel to the characteristic impedance of the closed line with Z l = 50 Ω. The total resistance Z i = 14.2 Ω. With equation 4, U i / i = 0.95 V / 1A. In order to show the function of the current transformer, the transfer function is measured with the network analyzer HP4195A. The measurement setup is similar to that shown in Fig. 10. Here, the cable of the current transformer is connected to the measurement input of the network analyzer, which makes U t = U i , and the output of the lead-through line to the reference input. The network analyzer is calibrated using the implemented calibration procedure, "Thru &Isolation". Fig. 25 shows the measurement curves. For frequencies from 1 MHz to 500 MHz, the amount of the ratio U t to U ref and the phase difference between U t and U ref are plotted. The transfer function of | U i / U ref | calculated according to equation 3 is a straight line = 0.019 plotted. The diagram shows that between 10 MHz and 150 MHz the amount of the calculated transfer function approximates the amount of the measured transfer function quite well. The deviations become larger towards higher frequencies. At 250 MHz and at 430 MHz there are resonance phenomena. These resonance points cause the phase to drop from 0 ° at about 10 MHz to -80 ° at 250 MHz again to about 0 ° at 430 MHz and then to -40 ° at 500 MHz. This behavior of the transfer function can be explained as follows: Each ferrite core is described by a complex permeability. Towards higher frequencies, the real part of the complex permeability µ s ′ (f) becomes smaller and the imaginary part µ s ′ ′ (f) larger [DatPh]. Furthermore, the impedance of the resistance Z ia = Z ia (f) is frequency-dependent. In the equivalent circuit diagram this can be described by a series connection of a resistor with an inductance which is connected in parallel with a capacitor. Furthermore, the coil itself still has a certain winding capacity, a certain capacitance to ground and also has a certain ohmic conductor resistance. In order to make the transfer function independent of frequency towards higher frequencies, a ferrite core or iron powder core is selected in which the real part of the complex permeability at the correspondingly higher frequencies must be much larger than the imaginary part of the complex permeability. In practice, however, this means a reduction in the value of µ s , so that the transfer function becomes frequency-dependent at low frequencies. Furthermore, by choosing other terminating resistors with a lower inductance and lower parallel capacitance, the resonance point can be shifted to higher frequencies. It is therefore possible to achieve a frequency-independent transfer function up to high frequencies by suitably selecting the number of turns of the ferrite or iron powder core and the resistance.

Wie groß darf der maximal im durchführenden Leiter fließende Strom Imax sein, ohne den Meßwandler zu überlasten? Der maximale Strom Imax, wird im wesentlichen bestimmt durch die maximale Leistung, die die Widerstände Zia und Zl aufnehmen können. Nimmt man Standardwiderstände, so ist P(zl) = 2 W und P(Zia) = 0,5 W, womit der maximale Sekundarstrom imax = 0,16 A und damit Imax = 3,2 A wird. Die durch den Ringkern zu übertragene maximale Leistung ist damit etwa 2,5 W. Diese ist weit unterhalb des Leistungsaufnahmevermögens des verwendeten Ferritkerns, welches ungefähr bei 100 W liegt [AmiFe]. Auch der Temperaturanstieg im Spulendraht ist bei diesen Leistungen noch klein. Damit tragen diese beiden Effekte nicht dazu bei den abgeschätzen Wert für zu verkleinern.What is the maximum current I max flowing in the lead conductor without overloading the transducer? The maximum current I max is essentially determined by the maximum power that the resistors Z ia and Z l can absorb. If standard resistors are used, then P (z l ) = 2 W and P (Z ia ) = 0.5 W, which makes the maximum secondary current i max = 0.16 A and thus I max = 3.2 A. The maximum power to be transmitted through the toroid is thus about 2.5 W. This is far below the power consumption of the ferrite core used, which is approximately 100 W [AmiFe]. The temperature rise in the coil wire is also still small with these outputs. These two effects therefore do not help to reduce the estimated value for.

Kapazitive Einkopplung verfälscht StromwandlungCapacitive coupling falsifies current conversion

In der obigen Herleitung wurde angeführt, daß eine einfache Rogowsky-Spulen nicht funktionieren kann, weil durch die Koppelkapazität kapazitiv eine Spannung Ukap in die Spule eingekoppelt wird. Diese Spannung ist der induktiv Uin eingekoppelten Spannung überlagert, so daß gilt Ui = Uin + Ukap. Bei der Messung der Spannung Ui läßt sich somit nicht genau sagen, welcher Anteil der induktiven Uin Einkopplung und welcher Anteil der kapazitiven Einkopplung Ukap zuzuschreiben ist. Bei dem in Abb. 22 gezeigten Aufbau ist durch die sackförmige Ausbildung des Außenleiters eine Abschirmung gegeben, wodurch die Koppelkapazität sehr klein ist. Aber selbst eine kleine Koppelkapazität kann schon erhebliche Meßfehler bedeuten. Deshalb ist es notwendig, diese Koppelkapazität zu berechnen und den Einfluß dieser auf die Spannung Ui abzuschätzen.In the above derivation it was stated that a simple Rogowsky coil cannot work because a capacitance U kap is capacitively coupled into the coil due to the coupling capacitance. This voltage is superimposed on the inductively U in coupled voltage, so that U i = U in + U cap . When measuring the voltage U i , it is therefore not possible to say exactly which part of the inductive U in coupling and which part of the capacitive coupling U kap is attributable. In the construction shown in Fig. 22, the sack-shaped design of the outer conductor provides shielding, which means that the coupling capacity is very small. But even a small coupling capacity can mean considerable measuring errors. It is therefore necessary to calculate this coupling capacitance and to estimate the influence of this on the voltage U i .

Vom Innenleiter treffen einige Feldlinien auf die Spule. Als sehr einfaches Modell wird hier angenommen, daß nur jene Feldlinien den Spulendraht erreichen, die direkt auf der Sichtlinie liegen. In Abb. 22 ist das Ersatzelement für diese Koppelkapazität Cik so eingezeichnet, daß die auf den Spulendraht und auf dem Innenleiter endenden Drähte direkt auf einer Sichtlinie liegen. Hiermit kann aber die Koppelkapazität durch das Modell eines Kugelkondensators beschrieben werden. Für einen solchen Luftkugelkondensator ist die KapazitätSome field lines from the inner conductor meet the coil. As a very simple model, it is assumed here that only those field lines reach the coil wire that lie directly on the line of sight. In Fig. 22 the replacement element for this coupling capacitance C ik is drawn in such a way that the wires ending on the coil wire and on the inner conductor lie directly on a line of sight. However, this can be used to describe the coupling capacitance using the model of a spherical capacitor. The capacity is for such an air ball condenser

Dabei ist rka der Radius der äußeren Kugel und rki der Radius der inneren Kugel. Der Radius rki entspricht somit gerade dem Abstand des Schnittpunktes der Sichtlinie mit der Symmetrieachse C36 und dem Schnittpunkt der Sichtlinie mit der Oberfläche des Innenleiters C37. Der äußere Radius rka ist der Abstand vom Punkt C36 zu der Oberfläche des Drahtes. Da der Draht als Spule aufgewickelt ist, ist dieser Abstand für jeden Punkt auf der Oberfläche des Drahtes anders. Um die Rechnung möglichst einfach zu machen, wird an dieser Stelle angenommen, daß der Abstand bis zur Mitte des Kerns an der Stelle C38 hinreichend gut den Abstand zu den einzelnen Oberflächenelementen des Drahtes annähert.Here r ka is the radius of the outer sphere and r ki is the radius of the inner sphere. The radius r ki thus corresponds exactly to the distance between the point of intersection of the line of sight with the axis of symmetry C36 and the point of intersection of the line of sight with the surface of the inner conductor C37. The outer radius r ka is the distance from point C36 to the surface of the wire. Since the wire is wound as a coil, this distance is different for every point on the surface of the wire. To make the calculation as simple as possible, it is assumed at this point that the distance to the center of the core at point C38 approximates the distance to the individual surface elements of the wire sufficiently well.

Ferner wird für diese einfache Abschätzung davon ausgegangen, daß die durch das Dielektrikum des Ferritkerns bedingte Kapazitätserhöhung vernachlässigbar ist. Damit erscheint im Abstand rka vom Punkt C36 ein Draht der Länge lDraht, der sich damit auf einer Kugeloberfläche befindet. Mit der Breite dDraht des Drahtes ergibt sich damit eine gewisse Oberfläche ODraht = lDraht · dDraht. Die Koppelkapazität Cik kann hiermit aber durch das Verhältnis der durch den Draht gegebenen Oberfläche ODraht zu der gesamten Kugeloberfläche OKugel multipliziert mit der Kapazität CKugel des Kugelkondensators, alsoFurthermore, for this simple estimation, it is assumed that the increase in capacitance caused by the dielectric of the ferrite core is negligible. A wire of length l wire thus appears at a distance r ka from point C36 and is thus located on a spherical surface. With the width d wire of the wire, this results in a certain surface area O wire = 1 wire · d wire . The coupling capacitance C ik can hereby but by the ratio of the given through the wire surface O line to the entire spherical surface O ball multiplied by the capacitance C of the capacitor ball of the ball, so

berechnet werden. Hierbei berechnet sich die Kugeloberfläche zu OKugel = 4 π·rka². be calculated. The spherical surface is calculated as O sphere = 4 π · r ka ².

Als Beispiel wird für die in Abb. 1 gezeigte Anordnung die Koppelkapazität berechnet. Es ist lDraht = 290 mm, dDraht = 0,5 mm, rka = 32 mm, rki = 6,7 mm womit die Koppelkapazität ungefähr Cik ≈ fF ist.As an example, the coupling capacitance is calculated for the arrangement shown in Fig. 1. It is l wire = 290 mm, d wire = 0.5 mm, r ka = 32 mm, r ki = 6.7 mm, with which the coupling capacitance is approximately C ik ≈ fF.

Für die Abschätzung des durch die eingekoppelte Spannung verursachten Fehlers wird das einfache Ersatzschaltbild von Abb. 19 erweitert und ergibt das Ersatzschaltbild in Abb. 26. Die Spannung auf dem Innenleiter Uin kann jetzt über die Koppelkapazität Cik einen zusätzlichen Strom ic in die Sekundärspule erzeugen. Damit ist die Spannung über den Abschlußwiderstand Ui′=(i + ic)Zi = Ui + Ukap. Die kapazitiv eingekoppelte Spannung wird durch das Spannungsteilerverhältnis bestimmt, alsoThe simple equivalent circuit diagram in Fig. 19 is expanded to estimate the error caused by the injected voltage and results in the equivalent circuit diagram in Fig. 26. The voltage on the inner conductor U in can now have an additional current i c in the secondary coil via the coupling capacitance C ik produce. So the voltage across the terminating resistor U i '= (i + i c ) Z i = U i + U cap . The capacitively coupled voltage is determined by the voltage divider ratio, that is

Die induktiv eingekoppelte Spannung durch Gleichung 4, also Ui = Zi/N I. Wichtig ist das Verhältnis zwischen der kapazitiv und der induktiv eingekoppelten Spannung, da dieses gerade den Fehler darstelltThe inductively coupled voltage by equation 4, thus U i = Z i / N I. The relationship between the capacitive and the inductively coupled voltage is important, since this represents the error

Folglich ist dieses Verhältnis proportional dem Verhältnis zwischen der Spannung auf dem Innenleiter Ui zu dem fließenden Primärstrom I. Dieses Verhältnis ist genau dann am größten, wenn die Spannung Ui maximal ist und der Strom I minimal ist. Dieses ist aber dann gegeben, wenn die durchführende Leitung keinen Abschlußwiderstand hat - wenn sie offen ist. Für diesen Fall ist der Strom I der Verschiebungsstrom in dem Leitungsstück der durchführenden Leitung, wobei I = jω Cl Ui. Hier ist Cl die Kapazität der durchführenden Leitung und zwar für das Leitungsstück was zwischen der Spule und dem offenen Ende liegt. Für einen koaxialen Leiter wird diese Kapazität durch einen Zylinderkondensator beschrieben. Insgesamt wird damitConsequently, this ratio is proportional to the ratio between the voltage on the inner conductor U i to the flowing primary current I. This ratio is greatest when the voltage U i is maximum and the current I is minimal. However, this is the case if the lead-through has no terminating resistor - if it is open. In this case, the current I is the displacement current in the line section of the line to be carried out, where I = jω C l U i . Here, C l is the capacity of the lead-through line, specifically for the line section that lies between the coil and the open end. For a coaxial conductor, this capacitance is described by a cylindrical capacitor. Overall, it will

das Verhältnis der Koppelkapazität Cik zur Leiterkapazität Cl multipliziert mit der Windungszahl N. Bei der Anordnung von Abb. 1 liegt ein 50 Ohm Kabel vor und die Länge zwischen der Spule und dem Ende beträgt ungefähr 5 cm, womit Cik = 5 pF wird. Mit N = 15 und Cik = 11 fF ergibt sich Ukap/Ui = 3,3%. Das bedeutet, daß der bei der Stromwandlung maximal auftretende Fehler durch kapazitive Einkopplung gerade mal 3,3% beträgt und zwar unabhängig von der Frequenz.the ratio of the coupling capacitance C ik to the conductor capacitance C l multiplied by the number of turns N. In the arrangement of Fig. 1 there is a 50 ohm cable and the length between the coil and the end is approximately 5 cm, which makes C ik = 5 pF . With N = 15 and C ik = 11 fF, U kap / U i = 3.3%. This means that the maximum error due to capacitive coupling during current conversion is just 3.3%, regardless of the frequency.

Durch geeignete Formgebung der sackförmigen Ausbildung des Außenleiters läßt sich erreichen, daß die kapazitive Einkopplung erheblich verkleinert wird. In Abb. 2 ist eine solche Konfiguration gezeigt. Bei dieser wird die Aufweitung der koaxialen Leitung in zwei Bereiche unterteilt. Die erste Aufweitung geht bis zum Durchmesser Dwa. Es folgt ein Stück der Länge lü bei dem der Durchmesser konstant bleibt. Dann wird der Außenleiter bis zum Durchmesser Daa konisch aufgeweitet. Das Rohr C27 wird so lang gemacht, daß es in die erste Aufweitung hineinragt. Der Durchmesser Dwa muß so gewählt werden, daß zwischen dem Rohr mit dem Durchmesser Dai und der ersten Aufweitung ein Luftspalt verbleibt. Je kleiner dieser Luftspalt ist und je länger der Überlappungsbereich lü ist, desto geringer ist die kapazitive Einkopplung. Allerdings hat dieses Rohr gegenüber dem aufgeweiteten Bereich des Außenleiters eine gewisse Kapazität Cüb, über die ein Verschiebungsstrom Iv, direkt zum Rohr fließt, womit dieser Strom nicht mehr durch die Meßspule fließen und somit nicht mehr gemessen werden kann. Für die Konstruktion dieser sackförmigen Ausbildung hat das zur Folge, daß der Luftspalt zwischen dem Rohr und der Aufweitung des Außenleiters und die Länge lü ein Kompromiß sein muß zwischen der kapazitiven Einkopplung und dem kapazitiven Übersprechen. By suitably shaping the sack-like design of the outer conductor, it can be achieved that the capacitive coupling is considerably reduced. Such a configuration is shown in Fig. 2. In this, the expansion of the coaxial line is divided into two areas. The first expansion goes up to the diameter D wa . This is followed by a piece of length l ü in which the diameter remains constant. Then the outer conductor is flared up to the diameter D aa . The tube C27 is made so long that it protrudes into the first expansion. The diameter D wa must be chosen so that an air gap remains between the tube with the diameter D ai and the first expansion. The smaller this air gap and the longer the overlap area l ü , the lower the capacitive coupling. However, this tube has opposite the widened portion of the outer conductor a certain capacitance C concert, via which a displacement current I v, flows directly to the tube with which this current is no longer flowing through the measuring coil and thus can not be measured. For the construction of this sack-shaped design, this has the consequence that the air gap between the tube and the widening of the outer conductor and the length l ü have to be a compromise between the capacitive coupling and the capacitive crosstalk.

Störung des Wellenwiderstandes der durchführenden Leitung durch StromwandlerDisturbance of the wave resistance of the lead through the current transformer

Durch die Strommeßeinheit wird der Außenleiter geöffnet und zu der erläuterten sackförmigen Ausbildung geformt. Dieses hat aber zur Folge, daß der Leitungswellenwiderstand an dieser Stelle verändert wird, was gleichbedeutend damit ist, daß die einlaufende Welle an dieser Stelle reflektiert wird. Die für die HF-Technik wichtige Größe ist der Eingangsreflexionsfaktor rSt, der im Folgenden berechnet werden soll.The outer conductor is opened by the current measuring unit and shaped into the bag-shaped configuration described. However, this has the consequence that the line wave resistance is changed at this point, which is equivalent to the fact that the incoming wave is reflected at this point. The parameter important for HF technology is the input reflection factor r St , which is to be calculated in the following.

Die sackförmige Ausbildung des Außenleiters kann durch das in Abb. 23 gezeigte Modell beschrieben werden. Von rechts her kommend, geht beim Außenleitersprung im Bereich C14 der koaxiale Wellenwiderstand von Zl nach Zl2. In dem aufgeteilten Bereich C18 hat die innere koaxiale Leitung den Wellenwiderstand Zl und die äußere koaxiale Leitung den Wellenwiderstand Zl2. Der Wellenwiderstand der äußeren, koaxialen Leitung wird bestimmt durch die Durchmesser Dai und Daa und berechnet sich nach der FormelThe sack-shaped design of the outer conductor can be described by the model shown in Fig. 23. Coming from the right, when the outer conductor jumps in the area C14, the coaxial characteristic impedance goes from Z l to Z l2 . In the divided area C18, the inner coaxial line has the characteristic impedance Z l and the outer coaxial line has the characteristic impedance Z l2 . The characteristic impedance of the outer, coaxial line is determined by the diameters D ai and D aa and is calculated using the formula

Betrachtet man diese Leitung als dämpfungsfrei, so berechnet sich die Spannung und der Strom für die Winkelfrequenz ω, an der Stelle mit dem Abstand L₂ vor dem Ende der Leitung durch die LeitungsvierpolgleichungIf you consider this line as damping-free, the voltage and the current for the angular frequency ω are calculated at the point with the distance L₂ before the end of the line through the four-wire equation

Diese Leitung ist kurzgeschlossen, womit die Spannung Ul am Ende der Leitung verschwindet. Damit ergibt sich die Impedanz zuThis line is short-circuited, whereby the voltage U l disappears at the end of the line. This results in the impedance

Für kleine Winkelfrequenzen ω und kleine Abstände L₂ kann der Tangens entwickelt werden. In erster Näherung ergibt sich dannThe tangent can be developed for small angular frequencies ω and small distances L₂. In first approximation then results

Z₂ = Zl2 · j · (ω L₂/c) . Gl. 5Z₂ = Z l2 · j · (ω L₂ / c). Eq. 5

Im aufgeweiteten Bereich ist die Leitung mit dem Wellenwiderstand sehr kurz womit deren Einfluß vernachlässigt werden kann. Ist die koaxiale Leitung am Ende mit ihren Abschlußwiderstand Zl abgeschlossen, so kann das gesamte Leitungselement durch einen Widerstand Zl beschrieben werden. Wie in Abb. 27 gezeigt ist, hat die ankommende Leitung, die durch die Serienschaltung der Widerstände Z₂ und Zl abgeschlossen wird, den Wellenwiderstand Zl. Damit ergibt sich der Betrag des Eingangsreflexionsfaktor zuIn the expanded area, the line with the characteristic impedance is very short, so that its influence can be neglected. If the coaxial line is terminated at the end with its terminating resistor Z l , the entire line element can be described by a resistor Z l . As shown in Fig. 27, the incoming line, which is completed by the series connection of the resistors Z₂ and Z l , has the characteristic impedance Z l . This results in the amount of the input reflection factor

Hierbei wurde die Näherung im zweiten Teil der Formel dadurch begründet, daß sicher gilt 2Z₁ »Z Z₂. Es ist zu erkennen, daß der Reflexionsfaktor proportional der Winkelfrequenz ω ist. Zur Messung des Eingangsreflexionsfaktors wird dem Netzwerkanalysator HP4195A eine Meßbrücke vorgeschaltet. Durch die eingebaute Vollkalibrierung mit den Abschlußwiderständen "Short", "Load" und "Open" wurde der Netzwerkanalysator mit der Meßbrücke kalibriert. Als Ausgabegröße wurde "Reflexionsfaktor" gewählt. In Abb. 28 ist der gemessene Eingangsreflexionsfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz f von 1 MHz bis 500 MHz aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß |rSt| linear mit der Frequenz f ansteigt. Für den Aufbau nach Abb. 1 ist die Länge L₂ = 2 cm , der Innendurchmesser der äußeren Leitung ist dai = 10 mm und der Außendurchmesser der äußeren Leitung ist dai = 28 mm. Damit wird Zl2 = 62Ω. Der Wellenwiderstand der durchführenden Leitung ist Z₁ = 50Ω. Damit ergibt sich bei einer Frequenz von 500 MHz für den Reflexionsfaktor |rSt| = 0,13, was recht gut mit der Messung übereinstimmt. Damit ist gezeigt, daß das verwendete Modell richtig ist. The approximation in the second part of the formula was justified by the fact that 2Z₁ »Z Z₂ applies. It can be seen that the reflection factor is proportional to the angular frequency ω. A measuring bridge is connected upstream of the HP4195A network analyzer to measure the input reflection factor. Due to the built-in full calibration with the terminating resistors "Short", "Load" and "Open", the network analyzer was calibrated with the measuring bridge. "Reflection factor" was selected as the output variable. Fig. 28 shows the measured input reflection factor as a function of the frequency f from 1 MHz to 500 MHz. It can be seen that | r St | increases linearly with frequency f. For the structure according to Fig. 1, the length L₂ = 2 cm, the inner diameter of the outer line is d ai = 10 mm and the outer diameter of the outer line is d ai = 28 mm. So Z l2 = 62Ω. The characteristic impedance of the lead-through line is Z₁ = 50Ω. This results in the reflection factor | r St | at a frequency of 500 MHz = 0.13, which agrees quite well with the measurement. This shows that the model used is correct.

StromteilerCurrent divider

Der Meßkopf soll später in einem Aufbau eingesetzt werden, in welchem der durch den Meßkopf fließende Strom größer sein wird, als der zulässige Maximalstrom von Imax = 3,2 A. Bei dem jetzt verwendeten Meßkopf wird bei der Kalibrierung mit der "Short" dieser Maximalstrom schon fast erreicht. Um mit dem Meßkopf auch Ströme messen zu können, die größer sind als Imax, könnte durch eine Meßwandleranordnung mit zwei Magnetkernen der maximal meßbare Strom nm den Faktor 10 oder 100 vergrößert werden [Pat82]. Hier weiter verfolgt wird die Meßbereichserweiterung durch einen koaxialen Stromteiler, da durch diesen der Leitungswellenwiderstand weniger gestört wird. In Abb. 29 ist ein bekannter Stromteiler gezeichnet [Pat77]. Bei diesem wird die Leitung, in welcher der Strom I fließt, aufgespalten in zwei Leitungen, in der einen fließt der Strom Imeß und in der anderen der Strom Ish. Die Meßleitung hat die Impedanz Zl2 und die dazu parallele Leitung den Shuntwiderstand Rsh. Die beiden Teilströme Imeß und Ish werden berechnet aus dem Modell zweier parallel geschalteter Widerstände. Hiermit wirdThe measuring head is to be used later in a setup in which the current flowing through the measuring head will be greater than the permissible maximum current of I max = 3.2 A. In the measuring head now used, the "short" is used for calibration Almost reached maximum current. In order to be able to measure currents larger than I max with the measuring head, the maximum measurable current nm could be increased by a factor of 10 or 100 by a measuring transducer arrangement with two magnetic cores [Pat82]. The expansion of the measuring range is further pursued here by means of a coaxial current divider, since the line impedance is less disturbed by this. A known current divider is shown in Fig. 29 [Pat77]. In this, the line in which the current I flows is split into two lines, in which one flows the current I measure and in the other the current I sh . The measuring line has the impedance Z l2 and the line parallel to it has the shunt resistance R sh . The two partial currents I measure and I sh are calculated from the model of two resistors connected in parallel. Hereby will

Nach dem gleichen Prinzip funktioniert der koaxiale Stromteiler. In Abb. 30 ist die Serienverzweigungsstelle ohne den Innenleiter als Draufsicht gezeichnet. Im Unterschied zur Abb. 23 ist hier der Außenleiter an der Stelle C39 durchgehend, er sieht an dieser Stelle aus wie eine Brücke. Diese Brücke hat eine gewisse Impedanz Rsh. Die Impedanz der Serienverzweigungsstelle wurde im vorigen Kapitel hergeleitet und ist Z₂. Damit fließt über die Brücke der Strom Ish und über die Serienverzweigung der Strom Imeß. In der Abb. 30 sind die zugehörigen Stromverläufe skizziert.The coaxial current divider works on the same principle. Fig. 30 shows the series junction without the inner conductor as a top view. In contrast to Fig. 23, the outer conductor is continuous at point C39, it looks like a bridge at this point. This bridge has a certain impedance R sh . The impedance of the series junction was derived in the previous chapter and is Z₂. The current I sh thus flows over the bridge and the current I measure over the series branch . Fig. 30 shows the associated current profiles.

Der in Abb. 2 gezeigte Meßkopf enthält einen solchen koaxialen Stromteiler. Das Rohr C27 wird so angefertigt, daß an seinem Ende die Stege C40 verbleiben. Beim Zusammenschieben der beiden Bauteile drücken diese Stege auf die Kontaktflächen C41 des Gegenstückes. Dadurch entsteht an dieser Stelle eine Brücke über die der Strom Ish fließen kann.The measuring head shown in Fig. 2 contains such a coaxial current divider. The tube C27 is made so that the webs C40 remain at its end. When the two components are pushed together, these webs press on the contact surfaces C41 of the counterpart. This creates a bridge at this point over which the current I sh can flow.

Bei der Anfertigung dieser Stege und der Kontaktflächen ist es wichtig, daß die Übergangswiderstände zwischen den Stegen und der Kontaktfläche möglichst klein sind. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Stege an ihrer Kontaktflächenseite und die Kontaktflächen versilbert werden. Außerdem müssen die Stege eine gewisse Spannung haben, mit der sie gegen die Kontaktfläche drücken. Hierzu wird das Ende des Rohres ähnlich wie der Metallkolben in Abb. 5 angefertigt. Der einzige Unterschied zur Abbildung ist, daß hier die Bereiche herausgefräßt werden, in denen keine Stege sein sollen. Um das Bauteil mit dem Rohr in das Gegenstück hineinführen zu können wird der Bereich C43 auf einer Länge von einigen Millimetern konisch aufgeweitet und zwar um mindestens jenes Maß um welches die Stege konisch aufgeweitet sind. Damit der Außenleiter an der Kontaktstelle keinen Sprung hat, wird das Bauteil B3 an der Stelle C41 um die Dicke der Stege aufgeweitet. In Abb. 31 ist von Abb. 2 der Schnitt durch die Schnittebene E F gezeigt. Hierin sind die einzelnen Stege C40 zu erkennen, die an der Kontaktfläche C41 anliegen. Diese Stege sind gleichmäßig über den Umfang verteilt, um eine möglichst symmetrische Feldverteilung zu erhalten.When manufacturing these webs and the contact surfaces, it is important that the contact resistances between the webs and the contact surface are as small as possible. This can be achieved by silvering the webs on their contact surface side and the contact surfaces. In addition, the webs must have a certain tension with which they press against the contact surface. For this purpose, the end of the tube is made similar to the metal piston in Fig. 5. The only difference from the illustration is that here the areas are milled out in which there should not be any bars. In order to be able to insert the component with the tube into the counterpart, the area C43 is flared out over a length of a few millimeters and at least by the amount by which the webs are flared out. To ensure that the outer conductor does not jump at the contact point, component B3 is expanded at point C41 by the thickness of the webs. Fig. 31 shows the section through the section plane EF from Fig. 2. This shows the individual webs C40 that are in contact with the contact surface C41. These webs are evenly distributed over the circumference in order to obtain a field distribution that is as symmetrical as possible.

Die Stege C41 haben einen elektrischen Widerstand, den es zu berechnen gilt. Zunächst einmal ist zu sagen, daß für höhere Frequenzen der Gleichstromwiderstand sehr viel kleiner ist als der frequenzabhängige Wechselstromwiderstand. Die Ursache für den Wechselstromwiderstand ist der Skineffekt, bei welchem die im Leiter fließenden Wechselströme durch die Induktionswirkung im Leiter zur Oberfläche hin verdrängt werden. Die Abnahme der Stromdichte zum Leiterinnern hin verläuft exponentiell. Zur einfachen Beschreibung wird die Eindringtiefe δ benutzt, die derjenigen Entfernung von der Oberfläche entspricht, bei welcher der Betrag der Stromdichte den 1/e-fachen Wert des Betrages der Stromdichte auf der Leiteroberfläche angenommen hat. Die Eindringtiefe δ berechnet sich nach der FormelThe webs C41 have an electrical resistance that has to be calculated. First of all is too say that for higher frequencies the dc resistance is much smaller than that frequency-dependent AC resistance. The cause of the AC resistance is Skin effect, in which the alternating currents flowing in the conductor due to the induction effect in the conductor to be pushed to the surface. The decrease in current density towards the inside of the conductor runs exponentially. For a simple description, the depth of penetration δ is used, that of the distance from the surface at which the amount of current density corresponds to 1 / e times the value of the amount has assumed the current density on the conductor surface. The penetration depth δ is calculated according to the formula

Hierin ist Rspez der spezifische Widerstand des Leitermaterials, µr die relative Permeabilität und f die Frequenz. Der Widerstandswert der Stege der Länge lst wird bestimmt durch die BeziehungR spec is the specific resistance of the conductor material, µ r the relative permeability and f the frequency. The resistance value of the webs of length l st is determined by the relationship

Hierin ist A die Querschnittsfläche der Stege durch die der Strom fließt, die aber beim Skineffekt durch das Produkt aus der Eindringtiefe δ und der Gesamtstegbreite bo gegeben ist. Die Größe bo ist aber gerade die gesamte Bogenlänge auf der sich Stege befinden, oder es ist die Summe der Bogenlängen der einzelnen StegeHere, A is the cross-sectional area of the webs through which the current flows, but which at The skin effect is given by the product of the penetration depth δ and the total web width bo. The Size bo is just the entire length of the arch on which there are webs, or it is the sum of Arc lengths of the individual webs

Das Bogenmaß αb ist aber gerade die gesamte Bogenlänge geteilt durch den Umfang πda, wobei da der Durchmesser des Außenleiters ist, alsoHowever, the radian α b is just the entire arc length divided by the circumference πd a , where d a is the diameter of the outer conductor, that is

Der Shuntwiderstand ergibt sich damit zuThe shunt resistance thus results

Der Shuntwiderstand ist somit proportional dem Reziproken der Bogenlänge.The shunt resistance is therefore proportional to the reciprocal of the arc length.

Für die Anwendung des Stromwandlers ist von praktischer Bedeutung das Verhältnis zwischen dem Meßstrom Imeß und dem Shuntstrom Ish, also |Imeß/Ish| = |Rsh/Z₂|. Die Impedanz Z₂ wird durch die Gleichung 5 gegeben. Damit ergibt sich aberThe ratio between the measuring current I meas and the shunt current I sh , ie | I meas / I sh |, is of practical importance for the use of the current transformer = | R sh / Z₂ |. The impedance Z₂ is given by equation 5. But this results in

Setzt man z. B. da = 100 mm, lst = 20 mm, L₂ = 50 mm, Zl2 = 190Ω, so ergibt sich mit Rspez = 0,08 Ω mm²/m und µr = 1 eine Stromuntersetzung vonIf you put z. B. d a = 100 mm, l st = 20 mm, L₂ = 50 mm, Z l2 = 190Ω, so with R spec = 0.08 Ω mm² / m and µ r = 1 a current reduction of

Das Verhältnis αb wird entsprechend den Anforderungen eingestellt. Durch die Verwendung eines Stromteilers verringert sich der Eingangsreflexionsfaktor für die Strommeßeinheit.The ratio α b is set according to the requirements. By using a current divider, the input reflection factor for the current measuring unit is reduced.

GesamtübertragungsfunktionOverall transfer function

Um den Strom in Abhängigkeit vom Strom am Ausgangswiderstand zu bestimmen, wird die Gesamtübertragungsfunktion hergeleitet. Wie hierbei gezeigt wird, kann diese Gesamtübertragung durch eine einzelne Vierpolgleichung beschrieben werden. In Abb. 32 ist das Ersatzschaltbild hierzu gezeigt. Die Spannung Uab über den Abschlußwiderstand Zab steht mit dem Strom Iab durch das ohmsche Gesetz in Verbindung Uab = Zab Iab. Zwischen dem Abschlußwiderstand Zab und der sackförmigen Öffnung des Außenleiters liegt eine homogene, koaxiale Leitung mit dem Wellenwiderstand Zl und der Länge lc. In Abb. 1 ist diese Länge eingetragen. Beim Betrachten der Abb. 1 kann man feststellen, daß sich in diesem Leitungselement der Spannungsabgriff befindet. Die dadurch bedingte Störung des Leitungswellenwiderstandes wird in dieser Rechnung nicht mit berücksichtigt, da diese Störung klein ist im Vergleich mit der Störung des Leitungswellenwiderstandes durch die sackförmige Ausbildung des Außenleiters. Die Vierpolgleichung ergibt sich damit zuIn order to determine the current as a function of the current at the output resistance, the overall transfer function is derived. As shown here, this overall transfer can be described by a single four-pole equation. The equivalent circuit diagram for this is shown in Fig. 32. The voltage U from across the terminating resistance Z from communicating with the current I ab ab by Ohm's law in conjunction U ab = Z from I. Between the terminating resistor Z ab and the sack-shaped opening of the outer conductor there is a homogeneous, coaxial line with the characteristic impedance Z l and the length l c . This length is entered in Fig. 1. When looking at Fig. 1 it can be seen that the voltage tap is located in this line element. The resulting disturbance in the line impedance is not taken into account in this calculation, since this disturbance is small in comparison with the disturbance in the line impedance due to the sack-like design of the outer conductor. The four-pole equation results in

Die Spannung U₃ ist die Serienschaltung der Spannung U₂ und der Spannung Ush. Die letzte Spannung berechnet sich aus der Parallelschaltung des Brückenwiderstandes Rsh und des Widerstandes der kurzgeschlossenen Leitung Z₂ d. h. Ush = -I₂(Rsh||Z₂). Der Strom I₃ ist gleich dem Strom I₂ Damit ergibt sich die vollständige Transformation zuThe voltage U₃ is the series connection of the voltage U₂ and the voltage U sh . The last voltage is calculated from the parallel connection of the bridge resistance R sh and the resistance of the short-circuited line Z₂ ie U sh = -I₂ (R sh || Z₂). The current I₃ is equal to the current I₂. This results in the complete transformation

Der in der kurzgeschlossenen Leitung fließende Strom Imeß berechnet sich aus dem Stromteilerverhältnis des Brückenwiderstandes Rsh zu dem Widerstand der kurzgeschlossenen Leitung Z₂The current flowing in the short-circuited line I measured is calculated from the current divider ratio of the bridge resistance R sh to the resistance of the short-circuited line Z₂

Die Stromwandler ist in der Mitte der kurzgeschlossenen Koaxialleitung angeordnet. Eigentlich müßte der Strom durch die zugehörige Leitungsgleichung dorthin transformiert werden. Da aber dieses Stück sehr kurz ist, und der dort vorhandene Wellenwiderstand konstant und sehr klein ist, wird die Änderung des Stromes ebenfalls sehr klein sein - die Änderung liegt bei 500 MHz in der Größenordnung von 2%, weshalb hier dieses Element als konzentriertes Bauelement behandelt wird. Bei Vernachlässigung der kapazitiven Einkopplung wird die über den Widerstand Zc anliegende Spannung i durch die Gleichung 2 beschrieben, wobei hierin der Strom i durch den Strom Imeß ersetzt wird und die Impedanz Zi die Parallelschaltung des Widerstandes Zc mit dem Leitungswellenwiderstand Zlc ist, wobei angenommen ist, daß diese Leitung mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen ist.The current transformer is arranged in the middle of the short-circuited coaxial line. Actually, the current would have to be transformed there by the associated line equation. However, since this piece is very short and the wave impedance present there is constant and very small, the change in current will also be very small - the change at 500 MHz is of the order of 2%, which is why this element is treated here as a concentrated component becomes. If the capacitive coupling is neglected, the voltage i present across the resistor Z c is described by equation 2, in which the current i is replaced by the current I meas and the impedance Z i is the parallel connection of the resistor Z c with the line impedance Z lc , assuming that this line is terminated with its characteristic impedance.

Hierin ist der Strom, der durch den Widerstand Zc fließt, istHerein is the current that flows through resistor Z c

Durch Einsetzen von Gleichung 4 ergibt sich die zusammengefaßte Transformationsgleichung zuBy inserting equation 4 gives the summarized transformation equation

Die Spannung Ui und der Strom Ii am Ende der Koaxialleitung mit dem Wellenwiderstand Zlc und der Länge lcc ist damitThe voltage U i and the current I i at the end of the coaxial line with the characteristic impedance Z lc and the length l cc is thus

Durch Multiplikation aller Matrizen läßt sich die Gesamtübertragung berechnen, die wieder die Form einer Vierpolgleichung hatBy multiplying all matrices, the total transfer can be calculated, which again is the form a four-pole equation

Durchführende LeitungExecutive management

Wie in Abb. 1 und 2 gezeigt ist, ist die durchführende Leitung eine koaxiale Luftleitung. Diese Koaxialleitung besteht aus einem Innenleiter D1 der ungestört durch den Meßkopf hindurchgeht und einem Außenleiter, der an der Stelle des Spannungsabgriffes und an der Stelle des Stromwandlers in seiner Form verändert ist. Das Thema dieses Kapitels ist zu erklären, wie der Innenleiter in dem Meßkopf befestigt ist und wie die sichere Verbindung des Meßkopfes mit einer Leitung bewerkstelligt werden kann.As shown in Fig. 1 and 2, the duct is a coaxial air duct. This coaxial line consists of an inner conductor D1 which passes undisturbed through the measuring head and an outer conductor which is changed in shape at the point of the voltage tap and at the point of the current transformer. The topic of this chapter is to explain how the inner conductor is fixed in the measuring head and how the safe connection of the measuring head to a line can be accomplished.

In Abb. 1 ist zu sehen, daß der Meßkopf an seinen beiden Enden ein N-Typ Stecker D2 hat. Die hier angebrachten Stecker sind Standardendstecker. Bei diesen ist die Innenseite die Metallführung D3 abgedreht, der Innenleiter D4 herausgezogen. Es verbleibt noch der Außenleiterstecker D2 und der Isolator D5. Der durch den Meßkopf hindurchführende Innenleiter D1 ist ein zylindrischer Metallstab dessen Enden die gleiche Form haben wie die aus den Endsteckern herausgezogenen Innenleiter D4. Der Durchmesser di des Innenleiters entspricht gerade dem Durchmesser des Innenleiters D4 an der angedeuteten Stelle. Der Durchmesser da des Außenleiters wird so gewählt, daß der durch den Steckverbinder gegebene Wellenwiderstand, z. B. 50 Ohm, sich einstellt. Durch diese Konfiguration wird dann erreicht, daß der Innenleiter fest in den Meßkopf eingesetzt ist.In Fig. 1 it can be seen that the measuring head has an N-type connector D2 at both ends. The plugs attached here are standard end plugs. With these, the inside of the metal guide D3 is turned off, the inner conductor D4 is pulled out. There remains the outer conductor connector D2 and the isolator D5. The inner conductor D1 passing through the measuring head is a cylindrical metal rod, the ends of which have the same shape as the inner conductor D4 pulled out of the end plugs. The diameter d i of the inner conductor corresponds exactly to the diameter of the inner conductor D4 at the point indicated. The diameter d a of the outer conductor is chosen so that the wave resistance given by the connector, z. B. 50 ohms. This configuration then ensures that the inner conductor is firmly inserted into the measuring head.

Nach diesem Bauprinzip ist es möglich den Meßkopf mit verschiedenen Steckverbindern zu versehen. In Abb. 2 wird auf sehr einfache Weise die Verbindung zu Leitungen realisiert. Hier ist am Ende des Meßkopfes nur noch eine Kontaktfläche D6 vorhanden, die in den Meßkopf abgesenkt ist. Das entsprechende Gegenstück wird hier angesetzt und mit Schrauben, die in den Gewinden D7 eingeschraubt werden, befestigt. Der Innenleiter ist in dieser Konfiguration im Meßkopf selbst befestigt. Durch die Isolatoren D8 (z. B. aus Teflon) wird der Innenleiter gehalten. Durch die Sprengringe D9 bzw. D10 werden die Isolatoren bzw. wird der Innenleiter [MeiHF] gehalten, so daß dieser sich nicht mehr verschieben kann. Die Enden des Innenleiters D11, sind hier wie die Enden des Innenleiters D4 aufgebaut. Sie sind aufgebohrt, geschlitzt und zusammengedrückt, so daß das entsprechende Gegenstück in diese hineingeschoben werden kann. Durch den Druck welche die Stege ausüben, wird der sichere, elektrische Kontakt gewährleistet. In dieser Ausführung ist der Wellenwiderstand der durchführenden Leitung hochohmig. Wählt man einen Innenleiter mit einem größeren Durchmesser, so wird der Wellenwiderstand der durchführenden Leitung kleiner. Insgesamt läßt sich die durchführende Leitung des Meßkopfes mit beliebigen Wellenwiderständen realisieren.According to this construction principle, it is possible to provide the measuring head with various connectors. In Fig. 2 the connection to cables is realized in a very simple way. Here there is only one contact surface D6 at the end of the measuring head, which is lowered into the measuring head. The corresponding counterpart is attached here and fastened with screws that are screwed into the threads D7. In this configuration, the inner conductor is attached to the measuring head itself. The inner conductor is held by the isolators D8 (e.g. made of Teflon). The snap rings D9 and D10 hold the insulators and the inner conductor [MeiHF] so that it can no longer move. The ends of the inner conductor D11 are constructed here like the ends of the inner conductor D4. They are drilled, slotted and compressed so that the corresponding counterpart can be pushed into them. The safe electrical contact is guaranteed by the pressure exerted by the webs. In this version, the characteristic impedance of the lead is high-resistance. If you choose an inner conductor with a larger diameter, the characteristic impedance of the lead-through cable becomes smaller. Overall, the lead through the measuring head can be realized with any wave resistance.

Beim Aufbau und beim Einsatz des Meßkopfes ist zu Beachten, daß vom Abschlußwiderstand aus gesehen erst der Spannungsabgriff und dann der Stromwandler kommt. Das hat folgenden Grund: Die durch den Spannungsabgriff verursachte Störung des Wellenwiderstandes der durchführenden Leitung ist sehr viel kleiner als die Störung des Wellenwiderstandes der durchführenden Leitung durch den Stromwandler. Ist vom Widerstand aus gesehen erst der Spannungsabgriff, und dann der Stromwandler, so wird die Spannung und der Strom nahezu ungestört gemessen. Ist vom Abschlußwiderstand aus gesehen zunächst der Stromwandler und dann der Spannungsabgriff, so wurde zwar der Strom nahezu ungestört gemessen werden, doch die Spannungsmessung würde durch die an dem Stromwandler reflektierten Wellen relativ stark gestört werden.When assembling and using the measuring head, it should be noted that from the terminating resistor first seen the voltage tap and then the current transformer comes. The reason for this is: The disturbance of the wave resistance of the lead through caused by the voltage tap is much smaller than the disturbance of the wave impedance of the lead through the Power converter. From a resistance point of view, first the voltage tap and then the current transformer, the voltage and current are measured almost undisturbed. Is from the terminating resistor first seen the current transformer and then the voltage tap, the current was almost measured undisturbed, but the voltage measurement would be due to that on the current transformer reflected waves are relatively disturbed.

Eine wichtiges Anwendungsgebiet für den Meßkopf ist die Spannungs- und Strommessung in hochohmigen oder niederohmigen Leitungssystemen, wo mit Richtkopplern aufgrund ihrer endlichen Richtschärfe nicht gemessen werden kann. Abb. 33 zeigt das Prinzipschaltbild einer solchen Anwendung: In dieser Abbildung ist mit D12 der Abschlußwiderstand bezeichnet, der eine beliebige Impedanz haben kann. Dieser Widerstand kann beispielsweise eine Antenne oder ein Plasmareaktor sein. Zur Erzeugung der Hochfrequenzleistung werden Hochfrequenzleistungsgeneratoren D13 eingesetzt. Diese haben in der Regel Ausgangsimpedanzen Ri, die denen von Standardleitungswellenwiderständen entsprechen, z. B. 50 Ohm. Um die Leistung in die beliebige Impedanz mit maximalen Wirkungsgrad einspeisen zu können, muß Mithilfe eines Anpassungsnetzwerk D14 die Ausgangsimpedanz des Generators transformiert werden auf die Impedanz des Abschlußwiderstandes. Zwischen dem Anpassungsnetzwerk und dem Abschlußwiderstand sollte eine Leitung D15 sein, deren Wellenwiderstand Zla in etwa dem des Abschlußwiderstandes entspricht. In dieser Leitung kann jetzt der Spannungs-/Strommeßkopf D16 eingesetzt werden, um die Spannung und den Strom am Abschlußwiderstand zu messen. Die durchführende Leitung des Meßkopfes D17 sollte den gleichen Wellenwiderstand haben wie die Leitungen D15, um unnötige Reflexionen zu vermeiden.An important area of application for the measuring head is voltage and current measurement in high-resistance or low-resistance line systems, where directional couplers cannot measure due to their finite directional sharpness. Fig. 33 shows the basic circuit diagram of such an application: In this figure, D12 denotes the terminating resistor, which can have any impedance. This resistor can be an antenna or a plasma reactor, for example. High-frequency power generators D13 are used to generate the high-frequency power. These generally have output impedances R i that correspond to those of standard line impedances, e.g. B. 50 ohms. In order to be able to feed the power into any impedance with maximum efficiency, the output impedance of the generator must be transformed to the impedance of the terminating resistor using a matching network D14. There should be a line D15 between the matching network and the terminating resistor, the characteristic impedance Z la of which corresponds approximately to that of the terminating resistor. The voltage / current measuring head D16 can now be used in this line to measure the voltage and the current at the terminating resistor. The lead through the measuring head D17 should have the same characteristic impedance as the leads D15 to avoid unnecessary reflections.

Funktion des Meßkopfes im MeßsystemFunction of the measuring head in the measuring system

Mit dem Spannungsabgriff können die Spannungen im durchführenden Leiter abgegriffen und in eine proportionale Spannung umgewandelt werden. Mit dem Stromwandler wird der im durchführenden Leiter fließende Strom in eine dazu proportionale Spannung umgewandelt. Die damit entstehenden Spannungen müssen mit einem geeigneten Meßgerät gemessen werden. Dies kann ein Oszilloskop, ein Vektorvoltmeter oder ein anderes Gerät sein, daß die Amplituden und die Phasendifferenzen dieser beiden hochfrequenten Spannungen messen kann. Für die praktische Messung ist es von Vorteil, wenn die angezeigten Spannungen sehr einfach auf die im durchführenden Leiter anliegende Spannung umgerechnet werden können. Dies ist am einfachsten möglich, wenn ein einfaches Untersetzungsverhältnis eingestellt wird, z. B. Vu = 1/1 oder Vu = 1/1000. Genauso verhält es sich mit der Stromwandlung. Hier ist beispielsweise eine Wandlung von Vi = 1 V/1 A oder 0,1 V/A sinnvoll. Im weiteren ist es auch von Nutzen, wenn die abzulesenden Spannungen im richtigen Phasenverhältnis zueinander stehen. Ist die durchführende Leitung mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen, so sollte die vom Meßgerät angezeigten Spannungen einen Phasendifferenz von Null Grad haben. Um dieses zu erreichen betrachten wir die Abb. 33. Hierin ist gezeigt, wie der Meßkopf D16 mit dem Meßgerät D18 durch die beiden Leitungen D19 und D20 verbunden ist. Die Länge lu des Kabels D20 ist festgelegt durch die Länge des Tastkopfkabels. Die Länge li des Kabels D19 ist frei wählbar. Sie wird so gewählt, daß beim Abschluß der durchführenden Leitung des Meßkopfes mit dem Wellenwiderstand, die vom Meßgerät angezeigte Phasendifferenz gerade 0° wird.With the voltage tap, the voltages in the lead-through conductor can be tapped and converted into a proportional voltage. The current transformer converts the current flowing through the conductor into a voltage proportional to it. The resulting voltages must be measured with a suitable measuring device. This can be an oscilloscope, a vector voltmeter or any other device that can measure the amplitudes and the phase differences of these two high-frequency voltages. For practical measurements, it is advantageous if the voltages displayed can be converted very easily to the voltage present in the lead conductor. The easiest way to do this is to set a simple reduction ratio, e.g. B. V u = 1/1 or V u = 1/1000. It is the same with the current conversion. Here, for example, a conversion of V i = 1 V / 1 A or 0.1 V / A is useful. Furthermore, it is also useful if the voltages to be read are in the correct phase relationship to one another. If the lead through is terminated with its characteristic impedance, the voltages indicated by the measuring device should have a phase difference of zero degrees. To achieve this, we consider Fig. 33. This shows how the measuring head D16 is connected to the measuring device D18 through the two lines D19 and D20. The length l u of the cable D20 is determined by the length of the probe cable. The length l i of the cable D19 is freely selectable. It is chosen so that when the line leading through the measuring head is terminated with the characteristic impedance, the phase difference indicated by the measuring device becomes just 0 °.

Literaturliterature

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Claims (14)

1. Vorrichtung zum Messen von hochfrequenten Spannungen und Strömen in einem durchführenden Leiter, der aus einem Spannungsabgriff und aus einem Stromwandler besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) für die Spannungsmessung ein Verstärker mit einem hochohmigen Eingangswiderstand benutzt wird, der mit einer Koppelplatte verbunden ist,
  • b) für die Strommessung der Außenleiter sackförmig ausgebildet ist und in dieser sackförmigen Ausbildung ein Stromwandler eingesetzt ist.
1. Device for measuring high-frequency voltages and currents in a lead-through conductor, which consists of a voltage tap and a current transformer,
characterized in that
  • a) an amplifier with a high-resistance input resistor is used for the voltage measurement, which is connected to a coupling plate,
  • b) for the current measurement of the outer conductor is bag-shaped and in this bag-shaped configuration a current transformer is used.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, die Koppelplatte durch einen Stift ersetzt werden kann, der direkt bis zum Innenleiter geht.2. Device according to claim 1), characterized in that the coupling plate is replaced by a pin that goes directly to the inner conductor. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, daß durch stellenweises Schließen der sackförmigen Ausbildung am oberen Ende ein Stromteiler entsteht.3. Apparatus according to claim 1), characterized in that by closing in places bag-shaped formation at the upper end a current divider is created. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsverhältnis durch Wahl des Durchmessers der Koppelplatte und dem Abstand der Koppelplatte vom Innenleiter eingestellt werden kann.4. The device according to claim 1) characterized in that the reduction ratio by choice the diameter of the coupling plate and the distance of the coupling plate from the inner conductor can be. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2) dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung eines guten Außenleiterkontaktes für den Spannungsabgriff ein Metallkolben im Einsatz ist, der eine Bohrung hat, die passend ist zum Außenleiterkontakt des verwendeten Verstärkers der nach außen hin federnde Kontakte hat, die passend sind zu dem Rohr, in dem dieser Verstärker sich befindet.5. Apparatus according to claim 1 or 2), characterized in that for the production of a good Outer conductor contact for the voltage tap is a metal piston in use, which has a bore, which is suitable for the external conductor contact of the amplifier used, the spring-loaded to the outside Has contacts that match the tube in which this amplifier is located. 6. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 3) dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite des Drahtes des Stromwandlers direkt mit mit dem Außenleiter verbunden ist und die andere Seite des Drahtes an das nachfolgende Meßsystem geht.6. Device according to claim 1 or 3), characterized in that one side of the wire of the current transformer is connected directly to the outer conductor and the other side of the wire the following measuring system goes. 7. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, 2 oder 3) dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei Bauteilen besteht, die zusammengefügt sind, und die an deren Verbindungsseiten Kontaktflächen haben.7. The device according to claim 1, 2 or 3), characterized in that it consists of two components exists, which are joined together and have contact surfaces on the connecting sides. 8. Vorrichtung nach Patentanspruch 1,2 oder 3) und 7) dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche vorzugsweise stufenförmig ausgebildet wird, um eine bessere Führung zu haben.8. The device according to claim 1, 2 or 3) and 7), characterized in that the contact surface is preferably stepped to have better guidance. 9. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 3) und 6) dadurch gekennzeichnet, daß das die Signalspannung des Stromwandlers auf einen Standardendstecker gehen kann.9. The device according to claim 1 or 3) and 6) characterized in that the Signal voltage of the current transformer can go to a standard end connector. 10. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, 2 oder 3) dadurch gekennzeichnet, daß die durchführende Leitung koaxial ist.10. The device according to claim 1, 2 or 3) characterized in that the performing Line is coaxial. 11. Vorrichtung nach Patentanspruch 1,3) und 10) dadurch gekennzeichnet, daß zum stellenweisen Schließen der sackförmigen Ausbildung das durch den Stromwandler hindurchführende Rohr mit Stegen, die als Federkontakte ausgebildet sind mit dem weiterführenden Rohr elektrisch verbunden wird.11. The device according to claim 1,3) and 10), characterized in that for places Closing the sack-shaped formation with the tube passing through the current transformer Crosspieces, which are designed as spring contacts, are electrically connected to the further pipe becomes. 12. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, 2 oder 3) dadurch gekennzeichnet, daß Standardendstecker eingesetzt sind, um die Vorrichtung in ein Leitungssystem einzuschleifen.12. The device according to claim 1, 2 or 3) characterized in that standard end plug are used to loop the device into a line system. 13. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, 2 oder 3) dadurch gekennzeichnet, daß durch beim Verbinden der Vorrichtung mit einem Meßgerät mit Leitungen durch geeignete Wahl der Leitungslängen das zu messende Spannungs- und Stromsignal am Meßgerät in Phase sind, falls die durchführende Leitung mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen ist.13. The device according to claim 1, 2 or 3) characterized in that when connecting the device with a measuring device with lines by a suitable choice of line lengths The measuring voltage and current signals on the measuring device are in phase if the lead is connected their wave resistance is completed. 14. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, 2 oder 3) dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsreflexionsfaktor und die gesamte Vierpolübertragungsfunktion für die Spannungs- und Strommessung berechnet werden kann.14. The device according to claim 1, 2 or 3) characterized in that the Input reflection factor and the entire four-pole transfer function for the voltage and Current measurement can be calculated.
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