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PTB-Chopperverstärker

Einsatz für verbesserte Messungen an Thermoelementen im Avogadro-Projekt

PTB-News 2.2015
10.06.2015
Besonders interessant für

Metrologieinstitute, Grundlagenforschung

Kalibrierlaboratorien

Hersteller von Präzisionselektronik

Ein Chopperverstärker mit überragenden Eigenschaften wurde in der PTB entwickelt und in einem Messaufbau für das Avogadro-Projekt zur Spannungsmessung an Thermoelementen eingesetzt. Dadurch konnte eine Verringerung der Rauschamplitude um den Faktor vier erzielt werden.
 

Messung der Thermospannungsdifferenz beider Arme eines Thermoelements, dargestellt als entsprechende Temperaturdifferenz (rote Kurve). Bei konstanter Tem-peraturdifferenz erwartet man ein Ergebnis wie bei der Messung eines Kurzschlusses (hier zum Vergleich als schwarze Kurve gezeigt). Der Einsatz des Chopper-Vor-verstärkers (im Diagramm ab etwa 8,5 Stunden) bewirkt eine Verringerung der Rauschamplitude um etwa einen Faktor vier auf effektiv 0,1 mK (peak-to-peak).

Für die Messung kleiner Gleichspannungen wurde in der PTB ein Chopperverstärker mit überragenden Eigenschaften entwickelt. Der Verstärker zeichnet sich durch besonders schnelles Einschwingen und ein extrem niedriges Spannungsrauschen von nur 0,73 nV/√Hz bis herab zu Frequenzen von wenigen Millihertz aus. Bei der typischen Zerhacker(Chopper)-Frequenz von 570 Hz wird ein Stromrauschen von 40  fA/√Hz mit einer 1/f-Grenzfrequenz von 3 mHz erreicht. Ursprünglich als Nulldetektor für die von der PTB entwickelten kryogenen Stromkomparatoren konzipiert, ist das Instrument auch hervorragend für weitere anspruchsvolle metrologische Anwendungen geeignet, etwa für Spannungsmessungen an Thermoelementen auf höchstem Niveau.

Für die Neubestimmung der Avogadro-Konstanten muss das Verhältnis des Volumens einer Siliziumkugel zum Volumen der Einheitszelle des Siliziumkristalls bestimmt werden. Um diese beiden geometrischen Größen mit relativen Unsicherheiten von wenigen 10–9 zu messen, werden jeweils spezielle Interferometer im Vakuum eingesetzt. Aufgrund des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 2,5  ⋅  10–6 K–1 muss die Temperatur der Siliziumkugel mit einer Genauigkeit von einem Millikelvin oder besser gemessen werden. Hierzu werden – in Kombination mit einem Platinwiderstandsthermometer – Thermoelemente eingesetzt, die sich aufgrund ihrer geringen Baugröße besonders flexibel auf dem Prüfling anbringen lassen und zudem keine Eigenerwärmung aufweisen. Die Sensitivität solcher Thermoelemente ist mit etwa 40  µV/K allerdings sehr gering, was besonders hohe Ansprüche an die Messung der Thermospannungen stellt. In dieser Messeinrichtung wurde nun im Vergleich mit dem bisher verwendeten kommerziellen Nanovoltmeter der Chopperverstärker als rauscharmer Vorverstärker eingesetzt. Die Abbildung zeigt die Ergebnisse einer Messreihe, bei der die Differenz der Thermospannungen in beiden Armen des Thermoelements gemessen wurde. Der Einsatz des Chopperverstärkers reduzierte die Rauschamplitude demnach um den Faktor vier. Bei gleicher angestrebter Messunsicherheit ermöglicht der Chopperverstärker somit also eine mindestens 16-fache Verringerung der Messzeit – beziehungsweise kann bei gleicher Messzeit eine vierfach geringere Messunsicherheit erreicht werden.

Ansprechpartner

Dietmar Drung
Fachbereich 7.2 Kryophysik und Spektrometrie
Telefon: (030) 3481-7342
E-Mail: dietmar.drung(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

D. Drung, J.-H. Storm: Ultra-low noise chopper amplifier with low input charge injection. IEEE Trans. Instrum. Meas. 60, 2347-2352 (2011)