05.12.2007
Die in der PTB entwickelten planaren Thermokonverter sind für eine Nenn-Heizleistung von 10 mW konzipiert. Durch das für präzise Messungen erforderliche Signal-Rauschverhältnis ist die minimale Heizleistung auf etwa 100 µW festgelegt. Der Dynamikbereich der Leistung beträgt also rund 100:1, für die am Heizer anliegende Spannung bzw. die hindurch fließende Stromstärke resultiert daraus ein Dynamikbereich von 10:1. Theoretisch kann durch Anpassung des Heizerwiderstandswertes an das zu messende Signal für hinreichende Heizleistung gesorgt werden, in der Praxis ist jedoch der herstellbare Widerstandsbereich beschränkt. Die verwendete Dünnfilmtechnik ermöglicht einen Wertebereich von ca. 70 Ω bis ca. 1000 Ω. Aus der minimalen Heizleistung ergibt sich zusammen mit dem maximalen Heizerwiderstand die minimale messbare Stromstärke von ca. 0,3 mA. Ein hoher Heizerwiderstand bewirkt zusammen mit den unvermeidbaren Streukapazitäten des Messaufbaus eine große Zeitkonstante seines Wechselstromwiderstandes, die wiederum zu höheren Wechsel-Gleich-Transferdifferenzen und vergrößerten Messunsicherheiten führt. Dadurch sind der Erhöhung des Heizerwiderstandes zur Anpassung an kleinere Stromstärken Grenzen gesetzt.
Strommesswiderstände (Shunts) bis ca. 100 Ω ergeben hinreichend kleine Zeitkonstanten, die daran abfallende Spannung ist aber bei kleinen Stromstärken für einen Thermokonverter zu gering. In der Vergangenheit wurden in der PTB in Zusammenarbeit mit der Firma ENIGMA INSTRUMENT D.O.O., Belgrad, Serbien, Präzisionsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz und flachem Frequenzgang des Verstärkungsfaktors für den Wechsel-Gleich-Transfer mit Thermokonvertern bei Spannungen bis unter 1 mV entwickelt [1]. In Verbindung mit einem Shunt von 100 Ω wird mit diesen Verstärkern ein Stromstärketransfer bis hinab zu Stromstärken von 10 µA möglich.
Ausgangspunkt für den Aufbau einer Skale ist ein Thermokonverter mit 900 Ω-Heizer, mit dem bei
1 mA der erste Verstärker mit Verstärkungsfaktor 10 kalibriert wird. Dieser verstärkt den Spannungsabfall an dem Shunt und speist einen Thermokonverter mit 1 V Nennspannung. Unter Ausnutzung des Dynamikbereichs kann diese Kombination aus Shunt, Verstärker und Thermokonverter dann bis hinab zu 100 µA verwendet werden. Für die nächst kleinere Stromstärke-Dekade wird eine zweite Kombination mit einem Verstärker mit Verstärkungsfaktor 100 eingesetzt, die gegen die erste kalibriert wird. Die Pegelabhängigkeit der Transferdifferenzen der Verstärker wird gesondert bestimmt und korrigiert.
Mit diesem Verfahren ist jetzt ein Wechsel-Gleich-Transfer mit Thermokonvertern bei Stromstärken bis hinab zu 10 µA bei Frequenzen von 10 Hz bis 100 kHz mit erweiterten Messunsicherheiten von nicht mehr als 50 µA/A möglich.
[1] Funck, T., Stojanovic, M., and Klonz, M.: Improved high input impedance mV-amplifiers with gain factors from 10 to 900, In: Conference digest : 2008 Conference on Precision Electromagnetic Measurements: (2008), 376 – 377