Wirtschaft

Kalibrierungen von hoch-genauen Leistungskomparatoren verlangen den Einsatz von sehr stabilen Wechselspannungsquellen. Aus diesem Grund wurde im Fachbereich 2.3 ein Hochspannungsverstärker entwickelt, der eine Betrags- und Phasen-Stabilität von ± 0,1 µV/V bzw. ± 0,1 µrad über Stunden aufweist. Der Klirrfaktor liegt unterhalb 0,003 % (< 90 dBc) in allen Spannungsbereichen von 60 V bis 480 V. Die Wärmeabgabe des Verstärkers ist vernachlässigbar, und dank einer magnetischen Kopplung (von 10 Hz bis 5 kHz) arbeiten alle elektronischen Komponenten mit niedrigen Versorgungsspannungen von maximal 30 V. Ein Mikrocontroller-basiertes Interface erlaubt die Steuerung des Verstärkers mit einem Personal-Computer.

Moderne Normale für die Wechselleistungsmesstechnik verkörpern Quelle und Messeinheit zugleich. Solche Einrichtungen beinhalten den "Stand-der-Technik" der digitalen Signalverarbeitung und sind in der Lage, komplexe Signale zu erzeugen und zahlreiche Signalverläufe der Versorgungsnetze nach der IEC Norm zur Netzqualität zu erzeugen. Wegen der wirtschaftlichen Bedeutung von Netzqualität ("Power-Quality") ist die Rückführung von Netzqualität-Parametern eine wichtige Aufgabe des Fachbereichs 2.3 der PTB. Mit Hilfe des primären Abstastnormals werden Harmonische, Flicker, fluktuierende Harmonische und Interharmonische mit relativen Messunsicherheiten von einigen Teilen in 106 bestimmt.

Die Bewahrung und Weitergabe der Einheit der elektrischen Wechselleistung in der PTB erfolgt mit Hilfe der simultanen synchronen Wechselsignalsynthese mit anschließender synchroner Abtastung. Untersuchungen hatten ergeben, dass die Messunsicherheit für die Wechselleistung bei Integration eines primären Thermokonverters in das digitale System geringer werden sollte. In der Tat konnte nun gezeigt werden, dass mit Hilfe der synchronen AC-DC Transfermessungen Effektivwerte (die Basisgrößen für die Bestimmung der elektrischen Wechselleistung) mit Messunsicherheiten von einigen ± 0,1 µV/V erfasst werden können. Damit wird die Messunsicherheit für die Wechselleistung annähernd halbiert und erreicht einen Wert von ± 1 µW/VA, bei Frequenzen von 40 Hz bis 65 Hz und Stromstärken bzw. Spannungen von 5 A und 120 V. Dies dürfte die Grenze des mit klassischer Analog- und Digital-Messtechnik Erreichbaren darstellen. Eine weitere Reduzierung der...

In der Regel werden Messungen von Wechselsignalen mit Hilfe von "Phase-Lock-Loop" (PLL) Techniken oder der voll-synchronen Signalsynthese mit synchroner Abtastung durchgeführt. Die letzte Methode verlangt allerdings einen Eingriff in die interne Hardware des genutzten kommerziellen Digitalvoltmeters. Es wurde nun als weitere Methode eine quasi-synchrone Abtastung der Wechselsignale entwickelt, mit der man diesen Eingriff vermeiden kann. Sie erlaubt bessere Ergebnisse als die PLL-Methode und erreicht Messunsicherheiten von einigen µV/V bei Frequenzen unterhalb von 1 kHz. Genutzt wird eine einfache und nur geringfügig modifizierte Mikro-Controller-Karte mit einem PC-Interface. Neben den Effektivwerten lassen sich auch Verhältnisse von Spektralkomponenten (den Basisgrößen in der Wechselstrommesstechnik) zweier Signale nach Betrag und Phase bestimmen. Durch ihre Einfachheit ist diese Entwicklung von praktischer Bedeutung für die Industrie...

Zwei Methoden zur Bestimmung der Spektralkomponenten von Harmonischen aus Abtastwerten von Spannungssignalen im Niederfrequenzbereich wurden verglichen. Die erste Methode wurde am brasilianischen Staatsinstitut für Metrologie (INMETRO) entwickelt und basiert sich auf einer asynchronen Abtastung nach dem Swerleinschen Algorithmus. Die zweite Methode ist das bekannte PTB Verfahren der simultanen Signalsynthese und Abtastung. Als Testsignal diente eine verzerrte Kurvenform mit achtzehn Harmonischen der Netzfrequenz. Die Vergleichsergebnisse ergaben eine Übereinstimmung innerhalb von 1 µV/V und 1 µrad, für Betrag bzw. für Phase bis etwa 1 kHz. Alle Abweichungen lagen innerhalb der erwarteten Messunsicherheiten. Dies zeigt, dass die systematische Abweichung zwischen den unterschiedlichen Messmethoden der beiden Staatsinstitute vernachlässigbar ist.

Vor dem Hintergrund, dass sich Fahrzeugwaagen bei gleichzeitigem Betrieb eines Mobiltelefons oder eines Handsprechfunkgerätes als störanfällig erwiesen haben, wurden Vor-Ort-Messungen der elektromagnetischen Verträglichkeit einzelner Waagen durchgeführt (siehe Bild).
In Anbetracht der so gewonnenen Erfahrungen wurde mit der Entwicklung eines Vor-Ort-Prüfverfahrens begonnen, das in Zukunft den zuständigen Eichbehörden zur Verfügung gestellt werden soll. Dazu wird derzeit eine portable Signalquelle entwickelt, die es erlaubt, das zu prüfende System bei verschiedenen Frequenzen mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen zu beaufschlagen, wie sie typischerweise in der elektromagnetischen Umwelt vorkommen. Bei der Entwicklung des Gerätekonzeptes wurde insbesondere auf eine einfache Handhabbarkeit geachtet.

Bild 1: Vor-Ort-Messung der elektromagnetischen Verträglichkeit einer Fahrzeugwaage.

Im August fand der erste Spatenstich zum Bau des Referenz-Freifeldmessplatzes statt. Auf dem Gelände der PTB entsteht ein europaweit einzigartiges 50 m x 60 m großes Messfeld, das zur Kalibrierung von Antennen und zur Durchführung von Emissionsmessungen im Rahmen der Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit dienen soll. Zuvor waren die optimale Lage und Größe, die Ausführung des Randes sowie Einflüsse der Umgebung des Freifeldes mit Hilfe numerischer Feldberechnungen auf Basis der Momentenmethode ermittelt worden. Dazu wurde die Parallelversion des Programmsystems Concept der TU Hamburg-Harburg (Institut für theoretische Elektrotechnik) auf dem Rechen-Cluster der TU Braunschweig (Institut für Wissenschaftliches Rechnen) installiert und benutzt. Die Anfertigung der nur maximal zwei Zentimeter von einer idealen Ebene abweichenden Asphaltfläche, die allerhöchste Anforderungen an die Bauausführung stellt, wurde nach umfangreichen...

Ein internationaler Ringvergleich von Quantenschaltungen für die Reproduzierung des elektrischen Widerstands über drei Dekaden der Widerstandsskala untersucht deren Eignung als Quanten-Widerstandsnormale.
Das vom französischen LNE vorgeschlagene Projekt "Study and validation of Quantum Hall Array Resistance Standards" dient der Überprüfung der Tauglichkeit von Quanten-Hall-Effekt Vielfachschaltungen (Arrays) als Quantenwiderstandsnormal mit Werten, die einen weiten Bereich abdecken. An dem Vergleich beteiligen sich sieben Metrologieinstitute. Beim LNE wurden Parallel- und Reihenschaltungen mit Widerstandswerten von RK/10, 10RK und 100 Ω gefertigt (RK ≈ 25,8 kΩ). Die PTB stellte für das Projekt weitere QHE-Widerstände zur Verfügung: je eine Reihen- bzw. Parallelschaltung mit zehn Elementen, mit denen auf der Stufe i = 2 des Quanten-Hall-Effekts die Werte 5RK bzw. RK/20 reproduziert werden können.
Die Überprüfung eines vom LNE gefertigten...

Für einen Synthesizer beliebiger AC-Wellenformen wurden komplexe zirkulare RSFQ-Schieberegisterschaltungen (bis zu 128-Bit) hergestellt. Zur Anwendung kam die 4 µm Nb/Al-AlxOy/Nb SIS (S: Supraleiter, I: Isolator) Trilayer-Technologie mit extern geshunteten Josephsonelementen, deren kritische Stromdichte jC = 1 kA/cm2 betrug. Die Schieberegister dienen als lokale Speicher im Aufbau eines RSFQ-Patterngenerators zur Erzeugung definierter binärer Sequenzen von Spannungspulsen. Mit diesen Pulsen können, auf der Basis supraleitender Logik und mit anschließender Verstärkung durch einen Halbleiter-Impulsverstärker, Josephson-Reihenschaltungen phasengenau angesteuert werden. Die Registerschaltungen wurden auf einer neuen Entwurfsplattform unter dem Programmsystem Cadence mit eigens angepassten RSFQ-Erweiterungen optimiert; die erreichbaren Verarbeitungs-Geschwindigkeiten betragen 14,6 GHz für βC = 1 und 17,6 GHz für βC = 2 (βC:...

Es wurde ein neues Schaltungskonzept entwickelt, in dem supraleitende Phasenschieberelemente in Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logikschaltungen integriert werden. Die Phasenschieberelemente wurden auf der Basis supraleitender Schleifen aus Nb gebaut, die durch eine kleine Zahl eingefrorener Flussquanten eine definiert einstellbare Verschiebung der Phase in der Stromstärke-Phasen-Beziehung erzeugen. Diese neuartigen Elemente wurden in Toggle-Flipflop (TFF)-Schaltungen integriert; hierin ersetzen sie Speicherinduktivitäten konventioneller Designtechnik mit aufwendigen Leitungsführungen, wodurch sie einen kompakten Schaltungsaufbau erlauben. Im vorliegenden Fall einer Phasenverschiebung von π verhält sich die Struktur wie ein zu einem konventionellen Josephsonelement komplementäres Schaltelement (eine so genannte Pi-Junction). Auf der Basis von π-phasenverschobenen Bauelementen lassen sich RSFQ-Schaltungen durch starke Reduzierung der...