Wissenschaft

Bei der Kalibrierung der Anstiegszeit schneller Speicheroszilloskope konnten weitere Fortschritte erzielt werden. Während bisher ausschließlich die aufwändige Kalibrierung am optoelektronischen Primärnormal der Arbeitsgruppe 2.54 - Terahertz-Optik durchgeführt werden konnte, steht jetzt ein Pulsgenerator als Sekundärnormal zur Verfügung (siehe Bild), der zumindest in einem etwas eingeschränkten Bandbreitebereich bis 50 GHz und mit etwas größerer Messunsicherheit effizient eingesetzt werden kann. Es muss nicht mehr jeder einzelne Prüfling aufwändig am Primärnormal kalibriert werden, sondern nur noch das Sekundärnormal selbst. Das so kalibrierte Sekundärnormal wird dann als bekannte Signalquelle für die Kalibrierung der Prüflinge eingesetzt. Während bisher nur Oszilloskope mit externen Samplingmessköpfen kalibriert werden konnten, besteht jetzt auch die Möglichkeit, kompakte Geräte zu kalibrieren.

Bild 1: Neues Sekundärnormal zur...

Die Eigenschaften von kommerziell erhältlichen breitbandigen Mikrowellenprüfspitzen wurden in einem Frequenzbereich bis 50 GHz mit Hilfe unterschiedlicher Verfahren messtechnisch bestimmt. Zum Einsatz kamen sowohl auf 1-Tor- als auch auf 2-Tor-Kalibrierungen beruhende Verfahren. In beiden Fällen erwies sich eine Vorabcharakterisierung der verwendeten On-Wafer-Kalibrierstandards als besonders wichtig. Zur Kalibrierung an der koaxialen Referenzebene wurde stets eine breitbandige Sliding-Load-SOLT-Kalibrierung eingesetzt. Es zeigte sich, dass die Eigenschaften der Prüfspitzen stark von dem verwendeten Substratmaterial abhängen und dass zum Teil deutliche Abweichungen von den Herstellerdaten auftreten können.

Die in der Mikrowellen- und Höchstfrequenztechnik häufig eingesetzten koplanaren Wellenleiter weisen aufgrund der endlichen Leitfähigkeit der metallischen Leiterbahnen eine ausgeprägte Frequenzabhängigkeit des Leitungswellenwiderstandes auf. Werden diese Wellenleiter z.B. als Kalibriernormale für On-Wafer-TRL-Kalibrierungen eingesetzt, ist eine genaue Kenntnis des Leitungswellenwiderstandes erforderlich. Es lässt sich zeigen, dass auf verlustarmen Substraten zur Berechnung des Leitungswellenwiderstandes die Messung der Ausbreitungskonstanten und des frequenzunabhängigen Kapazitätsbelags ausreichen. Während die Messung der Ausbreitungskonstanten mit hoher Genauigkeit möglich ist, stellt die genaue Bestimmung des Kapazitätsbelags immer noch eine Herausforderung dar.
In Zusammenarbeit mit der Universität Hannover wurden daher zwei verschiedene Messverfahren zur Bestimmung des Kapazitätsbelags planarer Wellenleiter auf verlustarmen...

Abtastverfahren mit hoch auflösenden Analog-Digital-Umsetzern und nachfolgender Fourieranalyse der erfassten Messdaten sind seit Jahrzehnten unentbehrliche Werkzeuge in der Metrologie. Das genaueste zur Zeit bekannte Verfahren basiert auf der synchronen Wechselsignalsynthese und anschließender simultaner Abtastung. Ausführliche Untersuchungen zur Messunsicherheitsevaluierung der Koeffizienten einer diskreten Fourier-Transformation der so gewonnenen Abtastwerte erlauben die Bestimmung der Unsicherheit der daraus extrahierten Wechselgrößen, wie z. B. der elektrischen Impedanz, Phase oder Leistung. Die Analysen berücksichtigen eine Reihe von Störeffekten sowohl bei der Signalerzeugung als auch bei der Signalerfassung, u.a. Zeitbasisjitter- und Rauscheffekte.

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.