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Schlüsselvergleich CCEM-K4.2017 von 10 pF und 100 pF Kapazitätsnormalen

19.11.2018

Ein vom internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) geleiteter Schlüsselvergleich für Kapazität und Kapazitätsverhältnisse wurde erfolgreich abgeschlossen. Vergleiche sind ein Hauptinstrument der Metrologie, um die prinzipiellen Techniken und Methoden in dem jeweiligen Arbeitsgebiet zu testen und um die Äquivalenz der realisierten physikalischen Einheiten auf einem möglichst niedrigen Unsicherheitsniveau zu zeigen und zu bewahren, so wie es im CIPM MRA festgelegt ist.

 

 

Im Rahmen dieses Schlüsselvergleichs haben sieben Teilnehmer gleichzeitig ablaufende bilaterale Vergleiche mit dem BIPM durchgeführt. Dabei hat jeder Teilnehmer einen Satz seiner eigenen Kapazitätsnormale jeweils sechs Wochen lang gemessen, und zwar bevor und nachdem die Normale für ein achtwöchiges Messintervall beim BIPM waren. Messgröße war die Kapazität von thermostatisierten Quarzkondensatoren mit Nennwerten von 10 pF, sowie optional 100 pF zum Vergleich der 10:1-Verhältnisse.
Anders als bei einer Ringzirkulation verkürzt dieses Schema die Vergleichsdauer und minimiert so den Einfluss der Langzeitinstabilität der Normale. Die Teilnahme war auf Teilnehmer beschränkt, die die Kapazitätseinheit Farad mit sehr geringer Unsicherheit realisieren und bewahren können. Drei Teilnehmer und das BIPM führten das Farad auf den mit Gleich- oder Wechselstrom gemessenen Quanten-Hall-Widerstand zurück, und drei weitere Teilnehmer auf einen berechenbaren Kreuzkondensator.

Dabei ist die PTB das erste und bislang einzige nationale Metrologie-Institut, das die Kapazitätseinheit direkt auf den mit Wechselstrom gemessenen Quanten-Hall-Widerstand zurückführt. Diese Methode erfordert speziell geschirmte Quanten-Hall-Proben, hat aber unschlagbare Vorteile und Unsicherheiten. Deshalb beginnen jetzt einige weitere Nationale Metrologie-Institute Aktivitäten in diesem Arbeitsgebiet.


Die Ergebnisse der obligatorischen 10 pF-Messungen zeigen eine gute Übereinstimmung innerhalb einer relativen Unsicherheit bis herab zu 2·108 (k = 1). Einige Teilnehmer haben für eine einzelne Kapazitätsmessung eigentlich eine deutlich kleinere Unsicherheit (die PTB hat mit 6·109 die kleinste Unsicherheit), aber die Kurz- und Langzeitinstabilität der Normale und ein unperfektes Reiseverhalten begrenzen oftmals die gesamte Unsicherheit eines Vergleiches. Auch bei den optionalen 100 pF-Messungen und dem 10:1-Verhältnis wurde eine gute Übereinstimmung gefunden.


Neben dem eigentlichen Vergleich haben die Ergebnisse auch eine Bestimmung der von-Klitzing-Konstante erlaubt, die innerhalb einer relativen Unsicherheit von 4·108 (k = 2) mit der letzten CODATA-Anpassung übereinstimmt. Der Abschlussbericht mit den detaillierten Messergebnissen und Analysen wurde angenommen und wird demnächst in der „Key Comparison Data Base” des BIPM (KCDB) veröffentlicht.


Die begrenzenden Eigenschaften der kommerziellen Kapazitätsnormale sind vermutlich auf eine unperfekte Temperaturstabilität zurückzuführen. Deshalb hat die PTB begonnen, verbesserte Thermostate zu entwickeln, um kleinere Unsicherheiten in kürzeren Messintervallen zu erreichen – zum Vorteil für zukünftige internationale Vergleiche und auch für Kundenkalibrierungen.