The Economy

Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormale bestehen aus Strommesswiderständen (Shunts) mit nachgeschalteten Thermokonvertern. In der PTB werden dafür planare Vielfachthermokonverter verwendet, die sich durch eine hohe Ausgangsspannung und einen großen Dynamikbereich auszeichnen. Ihre Transferdifferenzen betragen im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz nur wenige 10-6, und die Abhängigkeit von der Messstromstärke ist vernachlässigbar gering. Die verwendeten Shunts sind für hohe Frequenzen optimiert.

Die Kalibrierung von Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormalen für höhere Stromstärken erfolgt ausgehend von einem berechenbaren Vielfachthermokonverter [1] für 10 mA bis 30 mA durch Aufbaumessungen. Dabei wird das Normal für die nächst höhere Nennstromstärke bei 10 % bis 30 % seiner Nennstromstärke gegen das entsprechende Normal eingemessen. Voraussetzung für das Aufbauverfahren ist die Unabhängigkeit der Transferdifferenz von...

Zur Verbesserung der Wechselspannungs-Präzisionsmesstechnik sind programmierbare 10-V-Josephson-Schaltungen besonders erwünscht. Für die Erzeugung und Messung von elektrischen Spannungen bis 10 V werden etwa 70.000 Josephson-Kontakte benötigt, die bei einer Mikrowellen-Frequenz von etwa 70 GHz betrieben werden.

Ein fundamentales Problem der bislang hergestellten 1-V und 10-V-Schaltungen sind eine geringe Zahl (ca. 1 ‰) von kurzgeschlossenen Kontakten bzw. von Kontakten mit einer gegenüber dem Durchschnitt um den Faktor 2 bis 5 erhöhten Stromdichte. In diesen Fällen ist es fast unmöglich, einen Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungskennlinie des Arrays zu definieren, für den alle Einzelkontakte unter Mikrowelleneinstrahlung eine quantisierte Spannung (Shapirostufe) ausbilden. Dieses Problem konnte gelöst werden, indem ein entscheidender technologischer Schritt bei der Strukturierung der Kontakte modifiziert wurde: Das Entfernen der beiden...

In Getrieben, Motoren und Bremssystemen (ABS) moderner Kraftfahrzeuge, aber auch in Werkzeugmaschinen und Elektromotoren werden in zunehmendem Maße magnetische Multipolräder als Signalgeber verwendet, wobei als Signaldetektoren magnetoresistive oder Hall-Sensoren benutzt werden. Auf Anfrage eines Herstellers solcher Sys-teme wurde in der PTB eine Messprozedur konzipiert, um der hausinternen Qualitätskontrolle reproduzierbare und rückführbare Messungen zu ermöglichen. Dazu muss an einem als Referenz deklarierten, axialen Hall-Sensor der Abstand von der Stirnfläche des Sensorgehäuses zum aktiven Sensorelement im Gehäuse, der mit etwa 400 ± 250 µm spezifiziert ist, mit einer Unsicherheit < ± 10 µm ermittelt werden.

Die dafür in der PTB neu entwickelte, numerisch gesteuerte Messanlage basiert auf einer Feldspule, deren axiales Feldprofil im Spulenzentrum einen Nulldurchgang aufweist, und auf zwei geätzten planaren Induktionsspulen...

Die zunehmende Anzahl von nichtlinearen Lasten in den elektrischen Versorgungsnetzen (zum Beispiel Personal-Computer, Motorsteuerungen, Mikrowellenöfen, Leuchtstofflampen, große industrielle Gleichrichteranlagen) führt zu einer Vielzahl von Störungen im Netz. Messtechnische Lösungen zur Ermittlung des Energieverbrauchs gingen jedoch bislang überwiegend von sinusförmigen Signalen aus, wodurch der verrechnete Verbrauch unter Umständen nicht korrekt gemessen wird.

Hinzu kommt, dass die Deregulierung des Strommarktes und die Dezentralisierung der Energieerzeugung neue Anforderungen hinsichtlich der Energieversorgungsqualität stellen. Für die PTB ergab sich die Aufgabe, die so genannten NetzqualitätsParameter auf SI-Einheiten rückzuführen, z.B. für Parameter wie Flicker (Spannungsschwankungen durch Laständerungen im Netzsystem), Spannungseinbrüche- und Überhöhungen, harmonische Oberschwingungen, Zwischenharmonische und zeitlich...

Wechselstrom-Messungen des Quanten-Hall-Widerstandes an verschiedenen Staatsinstituten zeigten in früheren Jahren zahlreiche Diskrepanzen. Im Rahmen einer Zusammenarbeit der PTB mit dem NRC (Kanada) und dem METAS (Schweiz) wurden jedoch viele dieser Diskrepanzen aufgeklärt.

Die Charakterisierung von Quanten-Hall-Effekt-Proben (QHE-Proben) erfordert Messungen des sogenannten Längswiderstandes auf der im Potential niedrigen (Low) und der im Potential hohen (High) Seite der Proben. Solche Messungen mit Gleichstrom (DC) liefern wesentliche Qualitätskriterien für zuverlässige Widerstandskalibrierungen und werden seit vielen Jahren durchgeführt.

Entsprechende Messungen sind auch für Anwendungen des QHE mit Wechselstrom (AC) notwendig. Die Messung des AC-Längswiderstandes auf der Low-Seite einer QHE-Probe ist relativ unkompliziert und gelingt schon seit längerem. Die ebenso wichtige Messung auf derHigh-Seite galt dagegen bisher als...

In einer Kooperation mit dem National Physical Laboratory (NPL), Großbritannien, wird die Frage untersucht, ob sich binäre SINIS-Josephson-Reihenschaltungen für die Synthese von präzisen Wechselspannungen einsetzen lassen. Die Abkürzung SINIS steht hierbei für eine bestimmte Herstellungstechnologie der supraleitenden Schaltung. Die Josephson-Reihenschaltungen haben 8192 SINIS Kontakte (14 Bit) die unter Einstrahlung von Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa 70 GHz Spannungen bis 1,2 V erzeugen. Mit Hilfe einer vom NPL entwickelten schnellen Stromquelle lässt sich eine Josephson-Reihenschaltung als Josephson-Digital/Analog-Umsetzer betreiben, der in 250 ns auf neue Spannungswerte einstellbar ist.

Jetzt ist durch den Vergleich mit einem herkömmlichen Thermokonverter (PMJTC) im AC-DC Transferverfahren der Nachweis gelungen, das mit dem Josephson-D/A-Umsetzer sehr präzise Sinusschwingungen erzeugt werden können. Die gemessenen...

Der Kalibrierplatz für Hochspannungsimpulsmesssysteme, mit denen Betriebsmittel der elektrischen Energieübertragung geprüft und überwacht werden, wurde auf Grund von erheblichen Fortschritten in der Entwicklung schneller Digitalrecorder modernisiert. Ein veralteter 8-Bit-Recorder, der mit empfindlichen externen Abschwächern betrieben wurde, konnte durch einen kommerziellen, speziell für Hochspannungsmessungen entwickelten 14-Bit-Digitalrecorder mit einer Abtastrate von 200 MS/s ersetzt werden. Wesentliche Einflussparameter für die Messunsicherheit sind die sehr hohe Auflösung des Recorders, das gut bekannte Übertragungsverhalten des Eingangsteilers, das geringe Rauschen und die geringe statische integrale Nichtlinearität. Sie wurde durch Messung einer mit einem präzisen Abtastverfahren erzeugten stufenförmigen Spannung, deren Signalform eine Rampe ist, ermittelt. Dabei wird jede Stufe mittels hochauflösendem Digitalvoltmeter abgetastet....

Der Kalibrierplatz für Hochspannungsimpulsmesssysteme, mit denen Betriebsmittel der elektrischen Energieübertragung geprüft und überwacht werden, wurde auf Grund von erheblichen Fortschritten in der Entwicklung schneller Digitalrecorder modernisiert. Ein veralteter 8-Bit-Recorder, der mit empfindlichen externen Abschwächern betrieben wurde, konnte durch einen kommerziellen, speziell für Hochspannungsmessungen entwickelten 14-Bit-Digitalrecorder mit einer Abtastrate von 200 MS/s ersetzt werden. Wesentliche Einflussparameter für die Messunsicherheit sind die sehr hohe Auflösung des Recorders, das gut bekannte Übertragungsverhalten des Eingangsteilers, das geringe Rauschen und die geringe statische integrale Nichtlinearität. Sie wurde durch Messung einer mit einem präzisen Abtastverfahren erzeugten stufenförmigen Spannung, deren Signalform eine Rampe ist, ermittelt. Dabei wird jede Stufe mittels hochauflösendem Digitalvoltmeter abgetastet....

Die Entwicklungen im Bereich der magnetischen Datenspeichermedien zielen auf Datendichten der Größenordnung TBit/inch2. Parallel zur Entwicklung geeigneter Herstellungstechnologien muss auch die Messtechnik weiterentwickelt werden. In der PTB wird deshalb an der Entwicklung eines quantitativen Messverfahrens für die Analyse magnetischer Eigenschaften von Strukturen im Nanometerbereich gearbeitet. Dafür soll das bereits aufgebaute Magnetkraftmikroskop eingesetzt werden.

Bereits jetzt können Magnetfeldverteilungen mit einer räumlichen Auflösung von besser als 20 nm qualitativ abgebildet werden. Dies wird genutzt, um nanoskalige magnetische Strukturen zu charakterisieren und damit aktuelle Forschungstätigkeiten zu unterstützen: So wurden magnetische Fe- und Co-Partikel untersucht, die an der Universität Göttingen durch einen Selbstordnungsprozess hergestellt worden waren.

Bei diesem Verfahren werden Nanodrähte des entsprechenden...

Analog-Digital-Umsetzer (ADU) sind in der Messtechnik seit über 30 Jahren im Einsatz. Der ständige technologische Fortschritt in der Halbleiterindustrie bringt immer neue und modernere ADUs zunehmender Auflösung auf den Markt. Somit werden neuartige, technisch interessante und ökonomisch attraktivere Möglichkeiten in der digitalen Signalverarbeitung eröffnet. Gleichzeitig wachsen die metrologischen Herausforderungen an die genaue Charakterisierung solcher Elemente. In der Arbeitsgruppe „Grundlagen der Energiemesstechnik" wurde ein neues Verfahren zur Charakterisierung dynamischer Eigenschaften mit Hilfe einer Josephson Wechselspannungsquelle für ADUs höherer Auflösung entwickelt. Die Messmethode basiert auf dem Abtasten der genau bekannten Spannungswerte eines mit Josephson-Binärarrays synthetisierten Wechselspannungssignals. Die Anwendung der diskreten Fourier Transformation (DFT) auf den Satz der Abtastwerte des zu untersuchenden ADUs...