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Ein AC-Quantenvoltmeter für Frequenzen bis 100 kHz

02.12.2020

AC-Quantenvoltmeter sind quantenbasierte Messsysteme, die zur Kalibrierung von Gleich- und Wechselspannungen bis 2 kHz bereits kommerziell angeboten werden. Die PTB hat jetzt ein neues sub-sampling Abtastverfahren entwickelt, welches den Frequenzbereich des AC-Quantenvoltmeters bis herauf zu 100 kHz erhöht.

 

Nach erfolgreichem Technologietransfer durch die PTB bietet ein deutsches KMU bereits seit einigen Jahren AC-Quantenvoltmeter zur Messung von Gleich- und Wechselspannungen kommerziell an. Das Messsystem basiert auf sogenannten programmierbaren Josephson-Schaltungen und ist für Spitzenspannungen bis ± 10 V und Frequenzen bis 2 kHz ausgelegt. Typischerweise können relative Messunsicherheiten kleiner als 1 µV/V innerhalb von nur einer Minute Messzeit erreicht werden. Damit ist das AC-Quantenvoltmeter etwa 20-mal genauer als herkömmliche Kalibratoren und dabei 60-mal schneller, als es bislang übliche Wechsel-Gleich-Transfermessverfahren mit Thermokonvertern erlauben.

Die PTB hat jetzt ein neues Messverfahren für das AC-Quantenvoltmeter entwickelt, welches die Messung von Wechselspannungen bis 100 kHz ermöglicht. Die neue Methode beruht auf einem sub-sampling-Abtastverfahren und wurde bei 1 Volt Effektivspannung für Frequenzen von 500 Hz bis 100 kHz erfolgreich mit einem Thermokonverter verglichen. Als Transfernormal wurde dafür ein Kalibrator des Typs Fluke 5700A eingesetzt. Wie die Abbildung zeigt, stimmen die Messwerte über den gesamten Frequenzbereich mit relativen Abweichungen kleiner als 5 µV/V sehr gut überein. Für 100 kHz beispielsweise beträgt die relative Standardunsicherheit insgesamt 3,5 µV/V und wird von zwei Beiträgen dominiert: Zum einen von der sogenannten „Kabelkorrektur“ (also der Unsicherheit, die durch das Kabel verursacht wird, welches den im Flüssigheliumbehälter tiefkalt betriebenen Josephson-Chip mit dem Abtastvoltmeter verbindet), und zum anderen durch den Unsicherheitsbeitrag durch die Rückführung des Kalibrators.

Um den letzteren Unsicherheitsbeitrag zu minimieren sind nun Untersuchungen begonnen worden, bei denen der Kalibrator als genauigkeitslimitierende Spannungsreferenz durch einen Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer (JAWS) ersetzt wird – also durch eine Wechselspannungsreferenz mit fundamentaler Genauigkeit.

Relative Differenz zwischen den Messwerten des AC-Quantenvoltmeters und der Kalibratorspannung von 1 Volt 

Abbildung: Relative Differenz zwischen den Messwerten des AC-Quantenvoltmeters (Vmeas gemessen im sub-sampling-Verfahren mit 4 MSa/s bei unterschiedlichen Filtereinstellungen) und der Kalibratorspannung Vnom von 1 Volt. Die Fehlerbalken geben statistische Unsicherheiten (k = 1) an.

 

 

Veröffentlichung:
R. Behr und L. Palafox, “An AC quantum voltmeter for frequencies up to 100 kHz using sub-sampling”, eingereicht bei Metrologia 2020.

 

 

 

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“