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Quantenvoltmeter zur Messung von Wechselspannungen für die Industrie

22.11.2013

Technologietransfer eines Josephson-Messsystems für Gleich- und Wechselspannungen.

Die PTB entwickelt im Rahmen eines Technologietransferprojektes ein neues Quantenvoltmeter zur Messung von Wechselspannungen, das für den Einsatz in der Industrie geeignet ist. Damit werden quantenbasierte Wechselspannungsnormale für Kalibrierungen in der Industrie etabliert. Ein Prototyp wurde jetzt für Wechselspannungs­frequenzen bis 4 kHz erfolgreich getestet.

In einem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Technologietransferprojekt der PTB mit zwei Industriepartnern wird ein Josephson-Messsystem für Gleich- und Wechselspannungen – ein AC-Quantenvoltmeter – für den Einsatz in industriellen Kalibrierlaboratorien entwickelt. Mit diesem neuen System werden die wesentlichen Vorteile von Normalen, die auf elektrischen Quanteneffekten basieren, nun auch für industrielle Laboratorien verfügbar: Kleinste Messunsicherheiten ohne aufwändige Rekalibrierungen verbessern die Leistung bei erhöhter Wirtschaftlichkeit. Das System basiert auf Josephson- Schaltungen, die in der PTB hergestellt werden, und ist für Spitzenspannungen bis ± 10 V und Frequenzen bis 10 kHz ausgelegt. Mit einem Prototyp konnten in der PTB bereits Wechselspannungen von 10 Hz bis 4 kHz gemessen werden, wobei Unsicherheiten von wenigen μV/V innerhalb einer Minute Messzeit erreicht wurden. Damit ist das neue AC-Quantenvoltmeter etwa 20-mal genauer als übliche Kalibratoren und dabei 60-mal schneller als bislang übliche Messverfahren mit Thermokonvertern.

Das AC-Quantenvoltmeter kann darüber hinaus auch kommerzielle Gleichspannungsnormale (DC-Referenzen und -Voltmeter) kalibrieren und deckt damit auch den Bereich kommerziell erhältlicher Gleichspannungs-Quantenvoltmeter ab. Bei einem direkten 10-V-Vergleich zwischen einem DC-Quantenvoltmeter und dem neuen AC-Prototyp wurde in 15 Minuten Messzeit innerhalb der Unsicherheit von 0,1 nV/V keine Abweichung festgestellt.

Durch Vor-Ort-Tests in einem akkreditierten Kalibrierlabor wird das neue AC-Quantenvoltmeter jetzt für den praktischen Gebrauch optimiert. Unter Einbeziehung von Anwenderinformationen wird es zu einem komplett automatisierten, anwenderfreundlichen Messsystem weiterentwickelt. Wesentliche Zielspezifikation ist eine relative Unsicherheit von 2,5 μV/V bei 1 kHz. Die Entwicklung verfolgt ein modulares Konzept, welches in Zukunft eine Erweiterung des Systems bis hin zu einem universellen „Quantenkalibrator“ für Spannungs-, Widerstands- und Stromstärkenormale ermöglichen soll. Ein Gerätehersteller als weiterer Projektpartner wird den anschließenden kommerziellen Vertrieb übernehmen und damit das Gerät weiteren Anwendern zugänglich machen.

 

Bild: Ein kommerzielles Präzisionsmessgerät (Bildmitte, unten) wird durch das AC-Quantenvoltmeter im Wechselspannungsmodus kalibriert.

 

 

 

Ansprechpartner: R. Behr
Fachbereich 2.6: Elektrische Quantenmetrologie