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Messstellenumschalter für den Kryostromkomparator

30.09.2022

Für den zur hochgenauen Widerstandskalibrierung in der PTB eingesetzten Kryo­stromkomparator (CCC) wurde ein störunempfindlicher Mess­stellen­umschalter mit hervorragender elektrischer Isolation entwickelt, durch dessen Einsatz zukünftig die vollautomatische Kalibrierung mehrerer Widerstände nacheinander durchgeführt werden kann.

 

Der in der PTB eingesetzte CCC gehört zu den weltweit genauesten Widerstands-messgeräten. Ein Nachteil des Systems war bislang allerdings, dass immer nur ein Widerstandsverhältnis je Messung bestimmt werden konnte. Um das Verhältnis für verschiedene Widerstände bestimmen zu können, wurde ein Konzept für eine automatische Umschaltung der angeschlossenen Widerstände entwickelt. Kommerzielle Messstellenumschalter haben sich in der Vergangenheit für diese Messaufgabe als nicht geeignet herausgestellt, da sie die besonders hohen Anforderungen hinsichtlich Störempfindlichkeit und elektrischer Isolation nicht erfüllen. Auch muss sichergestellt sein, dass die Potentialsteuerung der Messbrücke wirksam bleibt.

Der Anschluss der Widerstände an die Messbrücke erfolgt über spezielle Messleitungen, bei denen die vier Anschlüsse in zwei geschirmten Paaren gleichen Potenzials geführt werden. Damit diese Konfiguration schaltbar wird, wurde eine Relaisschaltung konzipiert, bei der die Signalwege für jeden Potenzialbereich getrennt geführt werden (Foto der Relaisplatine siehe Abbildung). Die Ansteuerung der Relais erfolgt über einen Microcontroller. Die Steuersoftware steuert die Relais so an, dass nur die aktiven Leitungen zu den Anschlüssen geführt, ungenutzte Leitungen dagegen auf das Potential der Messerde geschaltet werden.

Ein erster Prototyp wurde erfolgreich am CCC-Messplatz getestet und ermöglichte aufgrund des Abschirmkonzeptes störungsfreie Messungen. Eine vergleichende Messung eines Widerstandsverhältnisses mit der gleichen Messbrücke, bei der die Widerstände einmal direkt und einmal über den Umschalter angeschlossen wurden, ergab eine gute Übereinstimmung innerhalb einer relativen Messunsicherheit von 1·10-8.

Auf Basis dieses Ergebnisses werden im nächsten Schritt weitere Kanäle für den Umschalter gefertigt, um bis zu sechs Widerstände durch Vergleich mit zwei bekannten Normalwiderständen zu kalibrieren. Dadurch wird es möglich, die Kryostromkomparator-Messbrücke in Kalibrierkampagnen besonders effizient zu nutzen.

 

Bild: Foto der Relaisplatine, welche die automatisierte Auswahl eines Widerstandes (wahlweise zu kalibrierende oder Referenzwiderstände) ermöglicht.

 

Ansprechpartner:

Bernd Schumacher

Fachbereich 2.1 „Gleichstrom und Niederfrequenz“

bernd.schumacher@ptb.de