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Widerstände genauer und schneller messen

Besonders interessant für:
  • Metrologieinstitute
  • Kalibrierlaboratorien
  • Hersteller elektrischer Präzisionsmesstechnik

Fast ein Naturgesetz: Will man etwas verbessern, wächst der Aufwand überproportional mit dem Nutzen. Das gilt auch bei der Verringerung von Messunsicherheiten: Um doppelt so präzise zu werden, muss man in der Regel etwa viermal so lange messen. Doch mit einem neu entwickelten System für Widerstandsmessungen wird in der halben Messzeit eine viermal kleinere Unsicherheit erreicht.

In Verbindung mit dem supraleitenden Quanten-Interferometer in einer der Helium-Kannen misst das neue System nicht nur schneller und präziser als das alte, sondern es ist auch noch kompakter und einfacher zu bedienen. Die Fotomontage verdeutlicht das: Die Funktion aller Elektronik-Komponenten in dem Gestell links fi ndet sich nun in einem kompakten Gehäuse wieder.

Der elektrische Widerstand ist eine der wichtigsten Messgrößen, da sehr viele physikalische Größen über eine Widerstandsmessung erfasst werden. Die extreme Präzision, mit der Widerstände kalibriert werden, kommt durch Rückführung auf Naturkonstanten über den Quanten-Hall-Effekt zustande, außerdem durch eine aufwendige messtechnische Umsetzung, bei der man sogenannte Kryo-Stromkomparatoren einsetzt, die den Supraleitungseffekt nutzen.

Dabei werden Messunsicherheiten von weniger als 10–9 erreicht, allerdings unter Inkaufnahme langer Messzeiten von fast einer Stunde. Bei dem in der PTB entwickelten Kryo-Stromkomparator-System gibt es diesen Nachteil nicht.

Dafür sind im Wesentlichen zwei Neuerungen verantwortlich: Erstens lässt sich das häufige Wechseln der Messstromrichtung, unverzichtbar beim verwendeten Messverfahren, erheblich schneller durchführen. Möglich wurde dies durch die Entwicklung einer schnellen, digital ansteuerbaren Stromquelle und den Einsatz der modernsten, in der PTB entwickelten Magnetfeldsensoren auf Basis supraleitender Quanten-Interferometer. Zweitens wurde ein neuer Detektor mit höherer Bandbreite für die Messung der wenige Nanovolt kleinen Messbrückenspannung entwickelt. Dessen störende Rückwirkung auf das Interferometer wurde zusätzlich entscheidend reduziert.

Die Verbesserungen resultieren in einer viermal geringeren Unsicherheit, die in der halben Messzeit erreicht wird. Zur Zeit wird das System mit einem neuen Tieftemperatur-Magneten für den Quanten-Hall-Effekt kombiniert, sodass die PTB nach mehr als zwanzig Jahren erfolgreicher Nutzung des bisherigen Quanten-Widerstandsnormals über das weltweit modernste Normal dieser Art verfügen wird.

Durch die Zusammenarbeit der PTB mit der Firma Magnicon GmbH in Hamburg, die die erforderlichen Elektronikkomponenten im Auftrag mitentwickelte und baute, ist dieses Unternehmen in der Lage, sowohl den hochempfi ndlichen schnellen Spannungsdetektor als eigenständiges Messgerät als auch komplette Kryo-Stromkomparator-Systeme kommerziell anzubieten.

Die von der PTB auf einer internationalen Fachkonferenz demonstrierte Leistungsfähigkeit des neuen Systems hat bereits erste Aufträge für das mittelständische Unternehmen zur Folge gehabt.

Ansprechpartner

Martin Götz
Fachbereich 2.6 Elektrische Quantenmetrologie
Tel. (0531) 592-2104
E-Mail: martin.goetz(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Götz, M.; Drung, D.; Pesel, E.; Ahlers, F.-J.: Settling Behavior of the Bridge Voltage in Resistance Ratio Measurements with Cryogenic Current Comparators. IEEE Trans. Instrum. Meas.

Drung, D.; Storm, J.-H.: Ultra-low Noise Chopper Amplifi er with Low Input Charge Injection. IEEE Trans. Instrum. Meas.