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Heft 3: Messtechnik im Wandel der Zeit

PTB-Mitteilungen 3/2012

Der Siegeszug der elektrischen Energiemesstechnik

Martin Kahmann

„… Ich gestehe, dass mir der Entschluss zur Ausführung dieser Arbeit recht schwer geworden ist, da ich stets mehr Interesse für die Gegenwart und die Zukunft als für die Vergangenheit hatte...“, heißt es im Vorwort der Lebenserinnerungen von Werner von Siemens (1816–1892). Inzwischen haben Verlage das Werk allerdings in mehr als 17 Auflagen gedruckt und es gehört bis heute zu den wichtigsten Unternehmerbiographien der deutschen Wirtschaftsgeschichte. Der Autor hatte das Buch unterhaltsam geschrieben; dessen positive Rezeption sowohl bei Technikern wie bei Ökonomen verdankte und verdankt es jedoch besonders auch seiner inspirierenden Wirkung für die tägliche Entwicklungs- und Entscheidungspraxis [1]. Ein Fall, der Sinn und Zweck der Beschäftigung mit der Technikgeschichte untermauert. Eine Auseinandersetzung mit dem Werdegang der elektrischen Energiemesstechnik zeigt, dass auch hier die Rückschau lohnt.

Messtechnik gestern und heute: Chemie

Wolfgang Richter

Bei der Gründung der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR) im Jahre 1887 bestand zunächst nicht die Absicht, chemische Arbeiten in das Aufgabengebiet einzubeziehen. Man sah aber damals schon voraus, dass bei der Bearbeitung der vielseitigen physikalischen Probleme auch chemische Fragen auftreten werden. Daher wurde schon zu Beginn ein chemisches Laboratorium eingerichtet, dessen Aufgabe es war, in Zusammenarbeit mit den physikalischen Laboratorien chemische und physikalisch-chemische Aufgaben zu bearbeiten. Es war in der Präsidialabteilung angesiedelt und damit direkt dem Präsidenten der PTR unterstellt. Aus der Hilfstätigkeit für die anderen Laboratorien der Reichsanstalt entwickelten sich systematische wissenschaftliche Untersuchungen. Hierzu gehörte beispielsweise die hydrolytische Untersuchung von Gläsern, die durch konkrete physikalisch-technische Probleme veranlasst wurden. Später erwuchs daraus eine umfangreiche Prüftätigkeit für die Glasindustrie, die auch noch in der PTB zu den Aufgaben des chemischen Labors gehörte.

Optische Bildgebung in der PTR und der PTB

Egbert Buhr, Fritz Riehle, Irena Sokólska, Werner Mirandé

„Ein Bild sagt mehr als tausend Worte“ lautet ein bekanntes Sprichwort und weist darauf hin, dass mit einem Bild in kürzester Zeit eine große Menge von Informationen über Objekte und Sachverhalte erfasst, gespeichert und weitergegeben werden kann. Bilder zeigen nicht nur das mit dem Auge Wahrnehmbare, sondern visualisieren heutzutage auch für das menschliche Auge verborgene Eigenschaften: Sie zeigen Details von der atomaren Ebene bis zum Weltall, vermitteln Einsichten in menschliche Körper, um Krankheiten zu diagnostizieren, geben ortsabhängige Informationen über verschiedenste Materialeigenschaften, werden in der Industrie zur schnellen Prozesskontrolle und nicht zuletzt in der Metrologie genutzt. In diesem Beitrag stellen wir einige dieser Entwicklungen vor und erläutern, welche Fragestellungen in der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) auf dem Gebiet der optischen Bildgebung bearbeitet wurden und welche wichtigen Ergebnisse die PTR und PTB zu diesem Thema beigesteuert haben. Dabei beschränken wir uns auf die optische Abbildung, gehen daher nicht auf andere Forschungsfelder der PTB zur Abbildung z. B. mit Elektronen-, Kernspinresonanz- oder berührenden Methoden ein.

125 Jahre Wissenschaftlicher Gerätebau

Frank Löffler und Frank Melchert

Dass die PTB heute im Bereich der Messtechnik weltweit in der ersten Reihe steht, ist nur möglich, weil der Wissenschaftliche Gerätebau gemeinsam mit den Fachbereichen laufend neue, höchst genaue Messgeräte und Versuchseinrichtungen entwickelt, konstruiert und fertigt. Bereits bei der Gründung der PTR wurde deutlich, wie wichtig die Verfügbarkeit eines mechanischen Gerätebaus für die wissenschaftliche Arbeit ist: Die technische Ausstattung einer eigenen Werkstatt ließ sich auf die Aufgaben und Schwerpunkte der PTR ausrichten und bot die Möglichkeit, jederzeit auf das nötige mechanische Fachwissen im eigenen Haus zurückgreifen zu können. So entwickelte sich recht früh bereits eine Spezialisierung auf Feinmechanik und Präzisionsfertigung. Der Leiter der Technischen Abteilung, Dr. Leo Loewenherz, beschrieb 1890 die Aufgaben so:

„Die Werkstatt ist in erster Reihe dafür bestimmt, mechanische Arbeiten für den eigenen Bedarf der Reichsanstalt auszuführen, soweit deren anderweitige Beschaffung Schwierigkeiten bietet. Ihre Hauptaufgabe liegt deshalb in der Herstellung von Hilfsvorrichtungen, wie sie für die Versuche der verschiedenen Arbeitsgruppen der Anstalt fortgesetzt nötig werden.“<small> [1]</small>

Diese Aufgabenbeschreibung hat dem Grundsatz nach auch heute noch Gültigkeit.

Wachhund des Atomzeitalters – Geigerzähler in der Geschichte des Strahlenschutzes

Johannes Abele

Dieser Artikel ist ein stark gekürzter, aktualisierter Auszug aus dem Buch Johannes Abele: „Wachhund des Atomzeitalters“. Geigerzähler in der Geschichte des Strahlenschutzes (Deutsches Museum. Abhandlungen und Berichte Neue Folge, Bd. 16), München 2002. Redaktionelle Überarbeitungen von Herbert Janßen.

Tiefe Temperaturen und Supraleitungssensorik

Thomas Schurig

Die moderne physikalische Grundlagenforschung und natürlich auch die Metrologie sind in weiten Bereichen auf die Erzeugung und Nutzung tiefer Temperaturen angewiesen. Als 1908 Heike Kamerlingh- Onnes, Direktor des Tieftemperaturlaboratoriums der Universität Leiden, die Verflüssigung des Edelgases Helium gelang, begann er unverzüglich Untersuchungen der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Metallen durchzuführen. Zusammen mit seinem Kollegen Gilles Holst fand er an reinen Quecksilberproben einen Abfall des Widerstands auf einen unmessbar kleinen Wert, der jedoch nicht wie erwartet stetig angenommen, sondern bei einer Temperatur von etwas unterhalb von 4,2 K sprunghaft erreicht wurde. Es wurde bald klar, dass es sich hier um einen neuen Zustand der Materie handelt, dem man den Namen Supraleitung gab [1, 2]. 2011 jährte sich diese bedeutende Entdeckung, für die Kamerlingh-Onnes 1913 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt wurde, zum 100sten Mal. Sie ist ein schönes Beispiel dafür, dass nicht nur moderne experimentelle Technik und eine gute technische Infrastruktur sondern auch die Verfügbarkeit entsprechender Materialien und Proben für eine erfolgreiche Forschung auf dem Gebiet der Tieftemperaturphysik – und sicher nicht nur dort – entscheidend sind.

In diesem Artikel soll nach einem kurzen historischen Abriss der Arbeiten des Kältelabors der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt PTR auf die derzeitige Tieftemperatur-Infrastruktur im Bereich des Technischen Dienstes und der auf dem Gebiet der Supraleitungssensorik tätigen Arbeitsgruppen der PTB eingegangen werden.

EKG und EEG einst und jetzt – ein Rückblick aus messtechnischer Sicht

Lutz Trahms

Die ersten Messungen der elektrischen Aktivität eines lebenden Organismus fanden schon im neunzehnten Jahrhundert statt. Carlo Matteucci nutzte um 1840 als Messinstrument einen frisch präparierten Froschmuskel (Bild 1), um die Existenz von „elektrischen Phänomenen“ im lebenden Organismus nachzuweisen [1]. Aufbauend auf diesen Beobachtungen entwickelte Emil Heinrich Du Bois-Reymond an der Universität Berlin hoch empfindliche Galvanometer, um damit detaillierte Messungen von Muskelströmen in Tieren durchzuführen [2]. Mit diesen Arbeiten wurde die Elektrophysiologie als neuer Wissenschaftszweig etabliert. Auch Hermann Helmholtz, der Du Bois-Reymond aus der Zeit der Gründung der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin gut kannte, beschäftigte sich damals intensiv mit Problemen der Bioelektrizität [3].

125 Jahre Forschung an und mit dem schwarzen Körper

Jörg Hollandt

Bei einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts (0 K) emittiert jeder Körper elektromagnetische Strahlung, die als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Für einen beliebigen Körper lässt sich die emittierte Strahlungsleistung in ihrer Abhängigkeit von Richtung, Wellenlänge und Temperatur nur bei Kenntnis der Form und Materialeigenschaften des Körpers angeben. Bereits 1860 erkannte jedoch Gustav Kirchhoff durch grundlegende thermodynamische Betrachtungen, dass für einen Körper, der alle einfallende Strahlung vollständig absorbiert (Absorptionsgrad α = 1), das Spektrum der emittierten Wärmestrahlung unabhängig von Form und Material des Körpers und nur noch eine Funktion der Wellenlänge und Temperatur ist [1]. Ein solcher ausgezeichneter Körper wird seit Kirchhoff als „schwarzer Körper“ bezeichnet.

Verbesserte Topografiemessung großer Flächen

TECHNOLOGIEANGEBOTE

Die Messung der Topografie optischer Tische und anderer großer technischer Oberflächen wird nun noch präziser und schneller. Durch die Anwendung eines Winkeldifferenzverfahrens mit mechanischer Ankopplung können hierzu Autokollimatoren auch in Werkstattumgebungen benutzt werden. Gegenüber üblichen Verfahren mit Neigungswaagen ergeben sich systembedingt kürzere Einschwingzeiten. Die Messintervalle können deutlich verkürzt werden. Die Detektion mittels eines Autokollimators lässt außerdem eine Steigerung der Genauigkeit erwarten.

Ultra-rauscharmer Vorverstärker

TECHNOLOGIEANGEBOTE

Messungen mit minimalen Unsicherheiten? Kein Problem mit dem ultrarauscharmen Vorverstärker der PTB. Die Auflösung beim Vergleich von Impedanz-Normalen kann deutlich verbessert werden. Besonders interessant: Die Anforderungen sind individuell auf den jeweiligen Messprozess abstimmbar.

Taktiler Mikrotaster

TECHNOLOGIEANGEBOTE

Mikrokoordinatenmessgeräte können heute kleinste Zahnräder, Einspritzdüsen oder Mikrokanäle für die Biochemie mit Messunsicherheiten im Bereich deutlich unter 0,5 μm vermessen. Der in der PTB entwickelte taktile Mikrotaster basiert auf einem lithografischen, silizium-basierten Verfahren, welches zu einem verbesserten Antastsystem führt. Die Anforderungen an Reproduzierbarkeit und definierter Steifheit des Mikrotasters sind dabei hoch.