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Internationale Kapazitätsvergleiche EURAMET.EM-S31 und CCEM-K4.2017

27.11.2017

Es wurden zwei Vergleiche der Kapazitätsrealisierung durchgeführt, ein EURAMET-Vergleich und ein CCEM-Hauptvergleich. Vergleiche sind ein wesentliches Instrument der Metrologie, um die Techniken und Methoden in dem jeweiligen Arbeitsgebiet zu testen und um die Äquivalenz der realisierten physikalischen Einheiten auf einem möglichst niedrigen Unsicherheitsniveau zu demonstrieren und zu bewahren, so wie es im CIPM MRA festgelegt ist.

 

 

Im Rahmen eines Vergleiches von Kapazität und Kapazitätsverhältnis (EURAMET.EM S31), der von der PTB geleitet wurde, haben fünf Teilnehmer ihre Kapazitätseinheit, die auf den mit Gleich- oder Wechselstrom gemessenen Quanten-Hall-Widerstand zurückgeführt wird, miteinander verglichen. Dabei führt die PTB als erstes und einziges Nationales Metrologie-Institut die Kapazitätseinheit direkt auf den mit Wechselstrom gemessenen Quanten-Hall-Widerstand zurück. Diese Methode erfordert speziell geschirmte Quanten-Hall-Proben und Erfahrung, und sie hat unschlagbare Vorteile und Unsicherheiten, aber eine Bewährungsprobe stand noch aus.


Die Messungen begannen im Juli 2010. Messgrößen waren die Kapazitätswerte von drei 10 pF-Normalen und einem 100 pF-Normal, sowie optional die jeweilige Spannungs- und Frequenzabhängigkeit. Weil die Ergebnisse nicht völlig zufriedenstellend waren, wurde die Vergleichsrunde wiederholt und mit einem Anschluss an den berechenbaren Kreuz-Kondensator des australischen NMIA erweitert. Außerdem wurden zwei AC-DC-Widerstände zirkuliert und ihre Frequenzabhängigkeiten im Verhältnis zu den AC-DC-Widerständen gemessen, die in der jeweiligen Kapazitätsmesskette involviert sind, um diese empfindlichen, nicht-transportablen Widerstandsnormale miteinander zu vergleichen.

 

Die Messungen endeten im April 2016. Insgesamt ergab sich für alle Messgrößen eine gute Übereinstimmung innerhalb der erweiterten Messunsicherheit. Außerdem führte der Vergleich zu neuen Erkenntnissen zu Stabilität und Transportverhalten der Kapazitätsnormale sowie, aufgrund der Verbindung zum berechenbaren Kreuz-Kondensator des NMIA, zu einer Bestimmung der von-Klitzing-Konstante, für die ein Wert in Übereinstimmung mit dem CODATA-Wert von 2014 ermittelt wurde. Der Abschlussbericht wird demnächst auf der Vergleichs-Datenbank des BIPM (KCDB) erhältlich sein.


Daran anschließend begann ein Hauptvergleich (CCEM K4) der Kapazität mit neun teilnehmenden Nationalen Metrologie-Instituten unter Leitung des BIPM. Die Kapazitätseinheit kann dabei entweder auf den Quanten-Hall-Widerstand oder einen berechenbaren Kondensator zurückgeführt werden. Dieser Hauptvergleich war überfällig (der letzte CCEM K4-Vergleich wurde von 1996 bis 1999 durchgeführt), weil er den Abschluss des oben beschriebenen EURAMET-Vergleichs abgewartet hat. Die Messungen begannen im Februar 2017 und wurden im September 2017 abgeschlossen.

 

Der Vergleich wurde in Form von gleichzeitigen bilateralen Vergleichen mit dem BIPM durchgeführt. Das heißt, dass jeder Teilnehmer seine bis zu vier 10 pF- und 100 pF-Normale während zweier Intervalle gemessen hat, jeweils vor und nach dem Transport zum BIPM mit den dort durchgeführten gleichzeitigen Messungen aller Normale. Verglichen mit dem EURAMET.EM S31-Vergleich, bei dem eine ringförmige Zirkulation mit Zwischenmessungen an der PTB durchgeführt wurde, verkürzt dieses Schema die Dauer des Vergleichs und verringert den Einfluss von Langzeit-Instabilitäten. Die Messungen sind mittlerweile abgeschlossen und der Draft A des Berichts wird vorbereitet.