Kalibrierung eines induktiven Spannungsteilers mit pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen

Im Rahmen des EMPIR Projekts "QuAD" wird ein Wechselspannungs-Messsystem entwickelt, das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormale nutzt, um Signale bis zu einer Spannung von 1 kV bei Frequenzen bis zu 1 MHz zu messen. Für die Messung von Spannungen über 1 Volt werden Spannungsteiler benötigt. Zu diesem Zweck wurde jetzt erstmals ein induktiver Spannungsteiler mit pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen kalibriert und die Ergebnisse wurden mit denen konventioneller Messverfahren verglichen.

Pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormale (JAWS) sind heutzutage in der Lage, quantengenaue Wechselspannungen mit Amplituden bis zu 2 Volt zu erzeugen. Zur Kalibrierung eines induktiven Spannungsteilers (IVD) wurden zwei solcher JAWS-Systeme verwendet.

Das erste System erzeugte hierbei die Spannung, die am Teiler anliegt. Dabei wurde über einen zusätzlichen Puffer-Verstärker die Magnetisierungswicklung des Teilers getrieben, um mögliche Verluste zu minimieren. Das zweite System erzeugt je nach untersuchtem Spannungsabgriff ein entsprechend kleineres, phasen-angepasstes Wechselspannungssignal, sodass eine Nullmessung zwischen dem Ausgangssignal des Teilers und dem des zweiten Systems durchgeführt werden kann.

Erste Messungen bei Effektivspannungen von bis zu 100 mV und einer Frequenz von 497 Hz zeigten eine hervorragende Übereinstimmung (≤ 10^-8) der ermittelten Korrektionen des IVD im Vergleich zur konventionellen Methode (siehe Abbildung 1). Bei der konventionellen Methode wird das sogenannte "Bootstrapping"- Verfahren verwendet, bei dem über einen bekannten Hilfsteiler jeweils zwei benachbarte Spannungsabgriffe verglichen werden. Dies ist bei der Kalibrierung mittels JAWS nicht erforderlich, da sehr leicht beliebige Amplitudenverhältnisse erzeugt werden können.

Nach diesem erfolgreichen Nachweis der Übereinstimmung der beiden Methoden soll das JAWS jetzt verwendet werden, um den Frequenzverlauf der Teilerkorrektionen zu ermitteln.

Abbildung 1: Vergleich der ermittelten Wirkkorrektionen des Spannungsteilers KT23 bei 497Hz