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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2005

Grundlagen der Metrologie

Das Prinzip der Wechselspannungs-Temperaturmessbrücken

Die Widerstandsthermometrie benötigt neben dem Widerstandsthermometer einen Normalwiderstand und eine Messbrücke. Die präzisesten Temperaturmessbrücken ermitteln das Verhältnis aus Thermometerwiderstand RT und Normalwiderstand RS bei niedrigen Messfrequenzen von einigen 10 Hz mit Auflösungen bis hinab zu einigen 10-9. Der von der...

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Im Rahmen des internationalen Forschungsvorhabens KATRIN (KArlsruhe TRItiumNeutrinoexperiment) am Forschungszentrum Karlsruhe [1] zur experimentellen Bestimmung der Neutrinomasse wurde im Institut für Kernphysik der Universität Münster [2] in Zusammenarbeit mit der PTB ein Hochspannungsteiler bis 35 kV konstruiert, aufgebaut und eingemessen. Aufgabe des Spannungsteilers ist die genaue Messung der...

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Das Primärnormal der PTB für die elektrische Wechselleistung basiert auf der digitalen Abtastung der elektrischen Wechselgrößen Spannung und Stromstärke, wobei die Einheit Watt aus einer Verhältnismessung von Spannung und Stromstärke und dem Quadrat des Effektivwertes einer Spannung [1] abgeleitet wird. Die Verhältnismessung ergibt den Wert eines Widerstandes, so dass die Einheit Watt aus den...

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Die Nutzung der Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logik für messtechnische Anwendungen erfordert die Realisierung von Schnittstellen, die einen sehr schnellen Datentransfer von der Supraleiterelektronik zur Halbleiterelektronik im GHz-Frequenzbereich ermöglichen. Die in der RSFQ-Elektronik verarbeitete Information kann an der Schnittstelle durch SFQ/DC-Konverter zur Verfügung gestellt werden,...

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Der Josephson-Arbitrary-Waveform-Synthesizer (JAWS) ermöglicht die Erzeugung hochgenauer Wechselspannungen sowie Spannungen beliebiger Wellenform. Er basiert auf überdämpften Josephson-Kontakten, die mit einer Pulsfolge betrieben werden. Die Ausgangsspannung ergibt sich aus der Folge der einzelnen Pulse. Wesentliche Komponente dieses Josephson-Synthesizers sind hierfür optimierte...

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Das Ziel dieses Verbundvorhabens war die Erforschung und erstmalige Demonstration von organischen Dünnschichtlaserdioden. Dazu sollten grundlegende Untersuchungen neuartiger kohärent emittierender Strahlquellen auf Kunststoffbasis durchgeführt werden. Die Verwendung von organischen Materialien für die Herstellung von Dünnschichtlaserdioden bietet zwei wesentliche Vorteile: Der erste ist die...

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An der PTB wurden bereits eine Reihe von Messungen von Josephson-Kontakten in Niob-Technologie mit dem Hochfrequenz-Ausleseverfahren für die Impedanz von Josephson-Kontakten nach Rifkin und Deaver, Jr. durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zu bisherigen Experimenten die kleinen Josephson-Kontakte bei DC-Messungen nicht nur einen sehr geringen Leckstrom im Sub-Gap-Bereich...

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Die Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logik wird als viel versprechender Bestandteil von Josephson-Schaltungen zur Quanteninformationsverarbeitung angesehen. Auf der Basis überdämpfter Josephsonelemente eignen sich RSFQ-Schaltungen grundsätzlich für effiziente Kontrolle und Auslesen von Quanten-Bit (Qubit) Zuständen. Dabei sind geeignete Werte der Überdämpfung der Kontakte durch extern geführte...

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Durch die zunehmende Miniaturisierung magnetischer Systeme und Bauelemente entsteht derzeit ein wachsendes Interesse an geeigneten magnetischen Messtechniken: Für die detaillierte Charakterisierung von strukturierten magnetischen Medien mit Submikrometerstrukturen muss eine Auflösung im Nanometerbereich erreicht werden. Andererseits erlaubt nur ein großer Abbildungsbereich Aussagen über Ensembles...

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Der Einzel-Elektronen-Transport durch einen Nano-Kanal mit Hilfe akusto-elektrischer Wellen wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht mit dem Ziel, ihn als Quantenstandard für die Einheit ’Ampere’ nutzbar zu machen. Als Kernproblem auf dem Weg dorthin wurde die zu hohe Temperatur sowohl des Kristallgitters, in dem die Elektronen sich bewegen, als auch des Elektronenensembles selbst erkannt....

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In der PTB ist es gelungen, durch rein optische Anregung elektrische Ströme in Halbleiterstrukturen zu erzeugen. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, dass kein elektrisches Feld benötigt wird, in dem Ladungsträger beschleunigt werden. Im übertragenen Sinn entspricht dies einem Stromfluss ohne Spannungsquelle. Solche Methoden können künftig unter anderem in der hochfrequenten...

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Zu Beginn der Untersuchungen des Quanten-Hall-Widerstandes mit Wechselstrom (AC) vor einigen Jahren wurden Widerstandsplateaus gemessen, die nicht nur gekrümmt waren, sondern außerdem Frequenz- und Stromabhängigkeiten aufwiesen. Zudem traten zahlreiche Diskrepanzen zwischen den Messergebnissen verschiedener Staatsinstitute auf, so dass der AC-Quanten-Hall-Effekt in dieser Form noch nicht geeignet...

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Metrologie für die Wirtschaft

Zur Zeit werden in der PTB Induktivitätsnormale des DKD und der Industrie mit hohem zeitlichen Aufwand in einer Maxwell-Wien Brücke kalibriert. Um den Aufwand zu reduzieren, soll die Kalibrierung zukünftig durch Vergleich mit Induktivitätsnormalen der PTB in einem 1:1 Komparator erfolgen. Die Kalibrierung der PTB-Normale in der Maxwell-Wien Brücke kann dann in größeren Zeitabständen erfolgen....

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Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormale bestehen aus Strommesswiderständen (Shunts) mit nachgeschalteten Thermokonvertern. In der PTB werden dafür planare Vielfachthermokonverter verwendet, die sich durch eine hohe Ausgangsspannung und einen großen Dynamikbereich auszeichnen. Ihre Transferdifferenzen betragen im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz nur wenige 10-6, und die Abhängigkeit von...

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Zur Ermittlung der Fehlerterme vektorieller HF-Netzwerkanalysatoren (VNA) im 7-Term-Fehlermodell wird häufig das LRL- oder TRL-Kalibrierverfahren (Line-Reflect-Line bzw. Through-Reflect-Line) als Präzisionkalibrierverfahren angewandt. Die in den kommerziellen LRL- bzw. TRL-Kalibriersätzen vorhandenen Kalibrierelemente sind aber nicht ideal: Bei Durchverbindungen (Through) und den benutzten...

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Zur Verbesserung der Wechselspannungs-Präzisionsmesstechnik sind programmierbare 10-V-Josephson-Schaltungen besonders erwünscht. Für die Erzeugung und Messung von elektrischen Spannungen bis 10 V werden etwa 70.000 Josephson-Kontakte benötigt, die bei einer Mikrowellen-Frequenz von etwa 70 GHz betrieben werden.

Ein fundamentales Problem der bislang hergestellten 1-V und 10-V-Schaltungen sind eine...

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In Getrieben, Motoren und Bremssystemen (ABS) moderner Kraftfahrzeuge, aber auch in Werkzeugmaschinen und Elektromotoren werden in zunehmendem Maße magnetische Multipolräder als Signalgeber verwendet, wobei als Signaldetektoren magnetoresistive oder Hall-Sensoren benutzt werden. Auf Anfrage eines Herstellers solcher Sys-teme wurde in der PTB eine Messprozedur konzipiert, um der hausinternen...

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Um der Forderung eines Herstellers elektrischer Messgeräte nachkommen zu können, wurde eine Messanlage konzipiert, mit der eine mögliche Drift von 0,001 µT eines Saturationskern-Magnetometers (DUT) in einem zu messenden Feld mit der Flussdichte von ca. 1000 µT über einen Zeitraum von 5 Tagen ermittelt und registriert werden kann. Die Anlage besteht im Wesentlichen aus drei nominal identischen...

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In einem MRAM wird die digitale Information nicht, wie in den heute üblichen Speicherchips, in Form elektrischer Ladungen gespeichert, sondern über die Orientierung der Magnetisierung in magnetischen Zellen. Dadurch kann ein MRAM die Datennichtflüchtig speichern - die Informationen bleiben auch bei Ausschalten der Stromversorgung erhalten. Dies bietet beträchtliche Vorteile, weil zum Beispiel der...

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Die PTB hat weltweit zum ersten Mal ein Sampling-Oszilloskop mit einer Bandbreite von 70 GHz zeitlich charakterisiert. Angesichts der rasanten Entwicklung der Hochfrequenztechnik zu immer höheren Frequenzen - man denke an Gbit Datenraten in der Kommunikationstechnologie oder das 77 GHz Abstandsradar in der Automobilindustrie - leistet die PTB damit einen wichtigen Beitrag, die Zuverlässigkeit der...

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Mit binär unterteilten Josephson-Reihenschaltungen lassen sich präzise D/A-Umsetzer aufbauen. Anhand von Vergleichsmessungen mit einem herkömmlichen Thermokonverter (PMJTC) im AC-DC Transferverfahren wurde gezeigt, dass mit diesem Josephson D/A-Umsetzer sehr präzise Sinusschwingungen erzeugt werden können. Die Josephson-Reihenschaltungen haben 8192 SINIS Kontakte (14 Bit) die unter Einstrahlung...

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Metrologie für die Gesellschaft

Im Bereich des Personenschutzes wie auch im EMV-Bereich (Elektromagnetische Verträglichkeit) sind kleine tragbare Feldstärkemessgeräte ("Strahlungsmonitoren") verbreitet, die keine Frequenzabstimmung oder Ausrichtung im Feld erfordern.

Die meisten handelsüblichen Strahlungsmonitore bestehen aus einem Feldsensor mit Detektor, einem Anzeigegerät sowie einer starren bzw. flexiblen...

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Die Messung von Hochfrequenz-Magnetfeldern ist in mehreren Bereichen der Technik erforderlich, insbesondere für den Personenschutz und im Bereich der EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit). Zur Zeit stehen nur einige wenige Feldstärkemessgeräte für den Frequenzbereich bis 1 GHz zur Verfügung, jedoch bereitet die (rückgeführte) Kalibrierung Probleme.

Durch Optimierung einer...

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Die am Braunschweiger Forschungsflughafen ansässige Firma Flight Calibration Service (FCS) GmbH führt im Auftrag der Deutschen Flugsicherung GmbH die Flugvermessung aller Ortungs- und Navigationsanlagen der Luftfahrt durch. Bestandteil einer solchen Messung ist jeweils auch die Bestimmung der Feldstärke, die von bodengebundenen Sendern der Instrumentenlandeflugsysteme an zivilen und militärischen...

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Alle Bundes- und Ländermessstellen der Bundesrepublik Deutschland, die sich mit Messungen gepulster Signale im Rahmen des Arbeits- und Immissionsschutzes bei elektromagnetischen Feldern beschäftigen, haben im Frühjahr an einem in der PTB organisierten Workshop teilgenommen. Neben der theoretischen Wissensvermittlung standen vor allem fachliche Diskussionen sowie ein Erfahrungsaustausch auf dem...

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Im zweiten durchgeführten "Diskussionsforum Antennen" mit internationaler Beteiligung wurde in diesem Jahr schwerpunktmäßig die rückgeführte Kalibrierung von EMV-Messantennen diskutiert, die für die Messungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von technischen Geräten benötigt wird.

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Für die derzeit stark in der öffentlichen Diskussion stehenden Elektroimpulsgeräte, die sogenannten Elektroschocker oder Elektroschockgeräte ("Taser"), gilt eine Ausnahmegenehmigung des Bundeskriminalamtes bis zum 31. März 2006, die als Allgemeinverfügung erlassen worden ist. Niemand, der einen derartigen Gegenstand im Besitz hat, muss sich deswegen an das Bundeskriminalamt oder seine zuständige...

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Die zunehmende Anzahl von nichtlinearen Lasten in den elektrischen Versorgungsnetzen (zum Beispiel Personal-Computer, Motorsteuerungen, Mikrowellenöfen, Leuchtstofflampen, große industrielle Gleichrichteranlagen) führt zu einer Vielzahl von Störungen im Netz. Messtechnische Lösungen zur Ermittlung des Energieverbrauchs gingen jedoch bislang überwiegend von sinusförmigen Signalen aus, wodurch der...

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Für Elektrizitätsmessgeräte, in deren Bauartzulassung auf die PTB-Anforderungen PTB-A 50.7, 3.1.1.3 B) Bezug genommen wird, stellt CONFER ein von der PTB evaluiertes Mittel dar, welches der Transparenzpflicht bei der Zuordnung von Lastgangdaten und Tarifen genügt. CONFER wurde von der PTB mit Unterstützung von Trägerunternehmen der staatlich anerkannten Prüfstellen für Messgeräte für Elektrizität...

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Die Europäische Messgeräterichtlinie wird im Jahr 2006 durch das Gesetz über das Mess- und Eichwesen und die Verordnung über das Mess- und Eichwesen in deutsches Recht umgesetzt werden. Für Messgeräte, mit welchen im geschäftlichen Verkehr die elektrische Energie oder Leistung bestimmt wird, wird eine aus Modulen bestehende Konformitätsbewertung eingeführt werden. In der PTB laufen Vorbereitungen,...

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Internationale Angelegenheiten

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