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PID-Regler (proportional-integral-derivative controller) zur Stabilisierung einer Regelgröße sind Standard in den gebräuchlichsten Softwarepaketen zur Steuerung technischer Anlagen. Beim Rauschen eines im Regelungsprozess ermittelten Istwerts sind PID-Regler jedoch durch Regelschwingungen limitiert. Das neue SIF(stepwise immediate follower)-Konzept ermöglicht hier deutlich kleinere Regelabweichungen. Zur Einstellung des SIF werden aus dem System bestimmbare Messwerte genutzt, die auch automatisch ermittelt werden können. Aus ihnen ergeben sich die einzustellenden optimalen Regelparameter und die erreichbare Standardabweichung der Regelgröße. SIF ist ein allgemeines Reglungsverfahren und kann in vielen Anwendungen, in denen die Steuerung softwarebasiert ist integriert werden.

Nach dem neuen Mess- und Eichgesetz muss die Software in einem Messgerät regelmäßig auf Datenintegrität überprüft werden. PTB Forscher entwickelten für diese Überprüfung ein sicheres Verfahren: Genutzt wird dabei anstatt herkömmlicher Checksummen-Berechnung eine robustere Hash-Überprüfung mittels Seperationskernen. Das garantiert mehr Sicherheit gegen Manipulationen durch intelligente Schadsoftware und spart Platz für das Speichern der Dateisystemstruktur. Für die geplante Überprüfung von Messgeräten über riskante, offene Netzwerke, z.B. über Cloud-Systeme, gewährleistet das neue PTB-Verfahren eine ausreichende Daten-Sicherheit. Umständliche Vorort-Prüfungen könnten somit völlig entfallen.

Für die Darstellung der Kapazitätseinheit und deren Rückführung auf den Quanten-Hall-Effekt spielt die sogenannte Quadraturbrücke eine wesentliche Rolle. Diese Quadraturbrücke benötigt einen Sinuswellen-Generator mit nur wenigen diskreten Frequenzwerten im kHz-Bereich, jedoch mit einer relativen Präzision und Stabilität von besser als 6·10^‑10 und einem sehr reinen Spektrum. Hierzu wurde an der PTB ein digitaler Sinuswellen-Generator entwickelt, dessen Ausgangssignal direkt von dem 10 MHz- oder 5 MHz-Referenzsignal einer Atomuhr abgeleitet wird. Dieser Generator basiert auf einem einfachen, bewährten Design und benötigt keine sogenannte „Phase-Locked Loop“. Zudem weist er kompakte Abmessungen auf und ist seit Jahren in zuverlässigem Einsatz. Der Aufbau erfordert lediglich handelsübliche verfügbare Elektronik-Komponenten.

Etablierte Widerstandsthermometer besitzen geringe Messunsicherheiten, benötigen aber regelmäßige Kalibrierungen. Herkömmliche Rauschthermometer dienen als Primärmessverfahren zur Bestimmung der thermodynamischen Temperatur, müssen jedoch besonders abgeschirmt werden und erfordern lange Messdauern. Ein neues Konzept aus der PTB kombiniert beide Ansätze zu einem praktischen, selbstkalibrierenden Widerstandsthermometer – dem Dual-mode Auto-calibrating Resistance Thermometer (DART) – für Messungen der thermodynamischen Temperatur in einem großen Temperaturbereich mit geringen Messunsicherheiten.

Magnetfeld-Fluktuations-Thermometer (MFFT) sind SQUID-basierte Rauschthermometer die bei tiefen Temperaturen (typisch unterhalb von 5 K) eingesetzt werden. Sie detektieren die Fluktuationen des Magnetfeldes an der Oberfläche eines elektrisch leitenden Körpers („Temperatursensor“), die mit den im Inneren fließenden, thermisch angeregten Strömen verknüpft sind. Durch den neuen, vollständig berechenbaren Aufbau können mit dem pMFFT direkt thermodynamische Temperaturen gemessen werden, wodurch die sonst nötige Rückführung auf die internationalen Temperaturskalen ITS-90 und PLTS-2000 entfällt.

Eine PTB-Erfindung ermöglicht die Übertragung und Empfang des Signals eines ultrastabilen "single-frequency"-Lasers über große Entfernungen in normalen Telekommunikationsglasfasern. Die Erfindung löst das Problem des Anschlusses einer großen Anzahl von Kunden an eine einzige Faserstrecke. Eine optische Frequenz wird über eine lange Glasfaserleitung übertragen und kann jetzt - trotz der zu erwartenden Störungen in Phase, Mittenfrequenz und Polarisation - an jedem Ort der Leitung abgetastet und auf die Ursprungsfrequenz u_o des PTB-Normals rückgeführt werden. Die Erfindung stellt zugleich einen bedeutenden Schritt zur Übertragung des Zeitsignals einer optischen Uhr („Atomuhr aus der Steckdose“) dar.

Rauscharme Vorverstärker werden in allen präzisen Wechselstrombrücken benötigt. Zur Reduktion dieses Rauscheinflusses wurde ein ultra-rauscharmer Vorverstärker

entwickelt. Er zeichnet sich durch die Parallelschaltung mehrerer, selektierter Feldeffekttransistoren am Eingang aus, die geringst mögliche Rauschstrom- und Spannungswerte besitzen. Darüber hinaus ist die Eingangsstufe durch einen Schaltungsaufbau gekennzeichnet, der neben einer stabilen Ruhestromerzeugung der Eingangstransistoren den Drainwiderstand dynamisch derart vergrößert, dass eine optimale Rauschanpassung der Vorstufe an die Hauptstufe erfolgt und somit geringstmögliche Rauschdaten gewährleistet. Das Rückkopplungsnetzwerk stellt eine stabile Verstärkung ein. Dieses neuartige Schaltungskonzept führt zu der bisher nicht erreichten Kombination von einer Eingangsrauschspannung unter 0,5 nV, einem Eingangsrauschstrom unter 5 fA und

einer Eingangsimpedanz von 1 GΩ parallel zu 100 pF (angegeben für eine

Rauschbandbreite von 1 Hz bei 1 kHz Messfrequenz).

Die verlässliche, quantitative Messung von Ausgasraten von Vakuumkomponenten hat in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Mit der neuen Referenzausgasungsprobe der PTB lassen sich solche Ausgasratenmesssysteme kalibrieren und auf ein nationales Normal rückführen. Durch die kompakte Bauweise findet die Referenzausgasungsprobe in vielfältigen Einsatzszenarien Verwendung.

Graphen wird aufgrund seiner Materialeigenschaften zunehmend in elektrischen Bauteilen verwendet. Bisherige Verfahren ermöglichen nur die Herstellung kleinflächiger Graphen-Lagen, die für die Herstellung von vielen Halbleiterbauelementen aufgrund zu hoher Stufen (mehrere nm) in der Regel nicht geeignet sind (s. Abb. links). In der PTB wurde ein neues Verfahren für einlagiges Graphen entwickelt, welches die Herstellung von großflächigen Graphenstrukturen mit dem Potenzial zur Massenproduktion qualitativ hochwertiger einlagiger Graphen-Schichten ohne störende Stufen ermöglicht.

Damit Sende- und Empfangsantenne zukünftiger Kommunikationssysteme im mm-Wellen und Terahertzfrequenzbereich miteinander kommunizieren können, müssen sie zielgerichtet auf einander ausgerichtet werden. Das neue Konzept der PTB sieht vor, zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Drehfunkfeuer aus der terrestrischen Funknavigation zu kombinieren und für diesen neuen Anwendungsbereich zu miniaturisieren.

Für diese, neue Basistechnologie wird ein Partner für kooperative Forschung und Entwicklung gesucht.

Für vielfältige Anwendungen in der Ansteuerung von z.B. elektrooptischen Geräten wie Diodenlasern oder Pockelszellen werden heutzutage Pulsgeneratoren benutzt, die sehr kurze Pulse (z.B. 10ns) und Spannungen von mehreren 10-100 Volt erzeugen. Deren Wiederholfrequenz ist derzeitig auf einige MHz begrenzt. Die neue PTB-Erfindung erhöht durch einen speziellen Schaltungsaufbau die Pulswiederholrate erheblich: Mehrere identische Pulsgeneratoren werden in einer festen Abfolge periodisch eingesetzt und durch eine separate Einheit angesteuert. Außerdem ist eine Synchronisation auf ein externes Hochfrequenz-Signal möglich, das beliebig wählbar ist und auf die Phasenlage abgestimmt werden kann.

Herkömmliche Mischvorgänge aerosoler oder fluider Medien z. B. in der Abgasmesstechnik werden derzeit durch eine seitlich zur Strömungsstrecke eingespeisten Einströmung erreicht. Dabei wird eine homogene Vermischung erst durch lange Wegstrecken im Strömungskanal erreicht. Durch den neuen PTB-Einbau (s. Bild) reduziert sich diese Vermischungsstrecke, wodurch Materialkosten und Platz gespart werden können. Außerdem kann jetzt eine vollständige Durchmischung zweier Ströme ohne Bildung von Grenzschichten ermöglicht werden.

Die Kalibrierungen von Höchstfrequenzelektronik, wie z. Bsp. ultraschnelle Photodioden oder High-End-Osziloskopen, mit einer Bandbreite von bis zu 100 GHz für IKT-Anwendungen werden routinemäßig an einem Primärnormal in der PTB im Kundenauftrag durchgeführt. Hierzu müssen die hochpreisigen Systeme in die PTB verbracht werden. Eine direkte Prüfung in den Zwischenzeiträumen ist gegenwärtig durch Anwender und Hersteller solcher Systeme nicht möglich. Die PTB hat jetzt ein schuhkartongroßes Spannungspulsnormal entwickelt, dessen Emissionseigenschaften an dem Primärnormal kalibriert und dann in einer Datenmatrix abgelegt werden. Damit ist der Einsatz eines rückgeführten Pulsstandards, z. Bsp. für die Vermessung der Übertragungseigenschaften der 100 GHz Systeme auch am Ort des Anwenders oder Herstellers möglich. Dieses System kann als Transfernormal eines Pulsgenerators mit Frequenzkomponenten deutlich jenseits von 100 GHz betrachtet werden. Es ermöglicht eine erhöhte Messrichtigkeit bei den Anwendern, ohne die typischerweise jährliche Primärkalibrierung, überflüssig zu machen. Konzeptbeschreibung, Stücklisten und Layout-Diagramme können über eine Lizenz erworben werden.

Zur Messung von hohen Spannungen im Bereich von 200 kV müssen Spannungsteiler verwendet werden. Sie teilen große Spannungen in kleinere Spannungen auf, die erst dann vermessen werden können. Dabei bestimmt der Teilungsfaktor die Signalgröße und muss durch regelmäßiges Kalibrieren an nationalen Normalen präzise bestimmt werden. Forschern der PTB ist es gelungen einen sich selbst rückführbaren Spannungsteiler zu entwerfen, der flexibel in Prüflaboratorien einsetzbar ist. Der operative und zeitliche Aufwand, der durch den Einbau und Transport zu einem Metrologieeinstitut entsteht, kann durch dieses Verfahren eingespart werden.