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Ein elektrisches Phasenreferenzsystem basierend auf zwei synchronisierten Josephson-Wechselspannungsnormalen

02.12.2020

Die Nutzbarkeit des Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS)- Konzepts für die Rückführung des Phasenwinkels zwischen zwei elektrischen Signalen über einen weiten Frequenzbereich wurde untersucht. Die hohe spektrale Reinheit und die hervorragende zeitliche Auflösung des Systems erlaubt es, Phasenwinkel auch bei relativ hohen Frequenzen von 100 kHz und bei Spannungsverhältnissen von bis zu 1000:1 präzise darzustellen.

 

 

Die exakte Messung der Phase zwischen elektrischen Wechselstromsignalen spielt eine wichtige Rolle in vielen Bereichen, so zum Beispiel bei der dynamischen Erfassung von mechanischen Größen wie Druck, Kraft oder Drehmoment durch elektrische Messsysteme. Das prominenteste Anwendungsfeld ist jedoch die elektrische Energiemesstechnik mit den besonderen Herausforderungen, die sich durch die Energiewende mit der einhergehenden veränderten Nutzung und Erzeugung von elektrischer Energie stellen. Wurde früher der überwiegende Anteil der Energie fast ausschließlich bei der Netzfrequenz von 50 Hz (bzw. 60 Hz außerhalb Deutschlands) und deren Oberwellen transportiert, so bedingt der Einsatz von Wechselrichtern für die Einspeisung regenerativer Energien beispielsweise die Betrachtung eines breiteren Frequenzspektrums bis über 100 kHz.

Der Einfluss der Unsicherheit bei der Phasenmessung auf die Gesamtmessunsicherheit der Energiemenge nimmt mit steigender Frequenz stark zu. Um auch bei 100 kHz Gesamtmessunsicherheiten unterhalb von 1 Promille zu erreichen, ist eine Messunsicherheit von etwa einer Nanosekunde bezüglich der zeitlichen Differenz zwischen den erfassten Signalen erforderlich. Um diesen Anforderungen zu genügen wurde an der PTB ein neues Phasenmesssystem entwickelt, welches auf dem Einsatz von schnellen elektrischen Abtastverfahren beruht. Mit diesem System lassen sich zeitliche Differenzen von unterhalb einer Nanosekunde zwischen zwei Signalen auflösen. Sowohl die Rückführung als auch die detaillierte Evaluierung der Messunsicherheiten sind für den praktischen Einsatz des Phasenmesssystems unerlässlich. Eine mögliche Nutzung von JAWS als quantengenaue Quellen für Wechselspannungssignale für die Rückführung wird in der Abteilung „Elektrizität“ der PTB untersucht.

Zeitliche Spannungsänderungen und Rauschpegel sind bei diesen fundamental genauen Systemen vernachlässigbar. Beliebige elektrische Signalformen können durch Steuerpulsfolgen mit einer Taktfrequenz von typischerweise 15 GHz erzeugt werden, wobei die entsprechenden Pulsfolgen in zwei separate Speicher eines Bitmustergenerators abgelegt werden. Die Phasendifferenz zwischen beiden Ausgangssignalen wird eingestellt, indem die Pulsfolge eines Speichers in Schritten von einem einzelnen Puls (1 Bit) gegenüber dem anderen Speicher verschoben wird. Die damit erreichbare zeitliche Schrittweitenauflösung von unter 70 Pikosekunden kann durch eine analoge Verzögerung mit einer Auflösung von 200 Femtosekunden noch weiter verfeinert werden.

Mit diesem Aufbau wurde das neu entwickelte Phasenmesssystem untersucht. Dafür wurden bei Frequenzen von 1 kHz, 10 kHz und 100 kHz Phasenwinkel von ±180° in Schritten von 10° vom JAWS-Referenzsystem bei 100 mV Spannungspegel vorgegeben. Die Messung der Phasendifferenz mit dem Phasenmesssystem erfolgte bei Spannungsverhältnissen zwischen 1:1 und 1000:1. Messergebnisse für die Frequenz von 100 kHz sind im Bild dargestellt. Die dort zu sehenden Abweichungen sind maßgeblich auf die Messsysteme zurückzuführen.

Eine erste Abschätzung zeigt, dass die erreichbare zeitliche Unsicherheit der Phasengenerierung mit JAWS etwa 200 Pikosekunden (Standardunsicherheit, k = 1) über den gesamten betrachteten Frequenz- und Spannungsbereich beträgt. Die weitere Evaluierung des Phasenreferenzsystems über den Frequenzbereich von 50 Hz bis 150 kHz und der Vergleich mit dem etablierten Phasenmesssystem der PTB sind in Arbeit.

Differenz zwischen der eingestellten Phase des JAWS-Referenzsystems und der gemessenen Phase für 100 kHz, aufgetragen über dem Spannungsverhältnis von Referenz- und Messsignal

Bild: Differenz (Abweichung) zwischen der eingestellten Phase des JAWS-Referenzsystems und der gemessenen Phase für 100 kHz, aufgetragen über dem Spannungsverhältnis von Referenz- (U1) und Messsignal (U2). Blaue (rote) Punkte zeigen die mit dem neuen Phasenmesssystem der PTB (die mit einem kommerziellen Phasenmesssystem) gemessenen Werte.

 

 

 

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“
Fachbereich 2.3 „Elektrische Energiemesstechnik“