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PTB-Mitteilungen. 126. año, número 2, Segunda edición, enero 2019

PTB-Mitteilungen. Volume 126 (2016), No. 2. ISSN 0030-834X

PTB-Mitteilungen. Band 126 (2016), Heft 2. ISSN 0030-834X

PTB-Mitteilungen. 126. año, número 2, junio 2016

Vorträge: Uwe Siegner, PTB: Implementierung des neuen Internationalen Einheitensystems Karsten Kuhlmann, PTB: Vorstellung eines neuen Kalibrierverfahrens für Mehrtor-VNA David Ulm, PTB: Aufbau einer Kalibrierdienstleistung für Antennen im Frequenzbereich >1 GHz Thorsten Schrader, PTB: WERAN – Wechselwirkung von Windenergieanlagen mit terrestrischer Navigation/Radar Kai Baaske, PTB: Ringvergleich Anstiegszeit im DKD Rolf Judaschke, PTB: Bestimmung der Impedanz von Koppelnetzwerken nach IEC 61000-4-6 Joachim Theiner, CAEN ELS S.R.L., Karlsruhe: „0-FLUCS“-Stromwandler und ihre Anwendung Torsten Funck, PTB: AC-DC Transfernormale für kleine Stromstärken Enrico Mohns, PTB: Aktive Entbürdung von Leistungskomparatoren zur Kalibrierung von Trennstromwandlern Florian Beug, PTB: Verbesserte Messeinrichtung für die Kalibrierung von Brückennormalen im Frequenzbereich von 225 Hz bis 5 kHz

PTB-Mitteilungen. Band 126 (2016), Heft 2. ISSN 0030-834X

PTB-Mitteilungen. Band 126 (2016), Heft 3. ISSN 0030-834X, 3 Elektrische Quantennormale und praktische Messtechnik – Einführung und Übersicht 7 Fertigungstechnologie für praxistaugliche Josephson-Spannungsnormale 15 AC-Quantenvoltmeter für die Industrie 25 Das pulsgetriebene AC-Josephson-Spannungsnormal 35 Impedanzmetrologie mit Josephson-Spannungsnormalen 41 Herstellung von Graphen für die Metrologie 49 Quanten-Widerstandsnormale aus Graphen 59 Quantenbasierte Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken 71 Ausgesuchte Technologieangebote

PTB-Mitteilungen. Band 126 (2016), Heft 2. ISSN 0030-834X

Ziel dieser Arbeit ist ein präzises Referenzmessgerät für Wirkleistung zu konstruieren, das mit sehr kleinen Messunsicherheiten im Frequenzbereich bis 150 kHz als Sekundär- oder Gebrauchsnormal nutzbar ist. Aufbauend auf der modularen Leistungsmessgeräteserie LMG600 der Firma ZES ZIMMER Electronic Systems GmbH wird ein hochpräziser Messkanal entwickelt, Referenzlasten für den Abgleich konstruiert und die erreichbare Genauigkeit abgeschätzt. Im Rahmen der Entwicklung werden folgende Themen bearbeitet: • Entwicklung eines breitbandigen Eingangsspannungsteilers für den Spannungsmesskanal mit großer Messbereichsdynamik der Messbereichsnominalwerte von 30 mV bis 500 V und mit kleiner Messunsicherheit im Frequenzbereich bis 150 kHz. • Konstruktion eines breitbandigen Shuntmoduls für den Strommesskanal mit der Messbereichsdynamik der Messbereichsnominalwerte von 2,5 mA bis 10 A in diesem Frequenzbereich. • Anpassen des Signalpfads im Leistungsmessgerät, der Signalkonditionierung, Messbereichsumschaltung, Signalfilter und der Analog-Digital-Wandler sowie deren Referenzspannungsquellen auf die hohen Genauigkeitsanforderungen für die Strom-, Spannungs- und Wirkleistungsmessung. • Für den Phasenabgleich wird eine Toroidluftspule als Referenzlast aufgebaut und deren Unsicherheit abgeschätzt. Die dabei erzielten Ergebnisse sind: • Das Gebrauchsnormal REF600 ist erfolgreich fertiggestellt und die Genauigkeit experimentell in unterschiedlichen Messbereichen mit Signalen verschiedener Frequenzen und Leistungsfaktoren entwicklungsbegleitend überprüft. • Durch Messungen bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig PTB konnte die spezifizierte Messgenauigkeit bestätigt werden. • REF600 wird im Kalibrierlabor bei ZES die breitbandige Wirkleistungsreferenz zum Kalibrieren der Seriengeräte darstellen., The aim of this study is the construction of a precision reference instrument for active power. With its low measurement uncertainty, the instrument is appropriate for the use as a transfer standard for active power in the frequency range up to 150 kHz. Based on the precision power analyzer LMG600 series manufactured by ZES ZIMMER Electronic Systems GmbH, a high-precision measuring channel REF600 is developed, a reference load for the phase adjustment is constructed and estimated with reasonable accuracy. Within the scope of the development the topics that will be addressed include: * Development of a wideband divider for the voltage channel with the measuring range dynamic nominal from 30 mV to 500 V and small uncertainty in the frequency range up to 150 kHz. * Construction of a wideband shunt module for the current channel with the measuring range dynamic nominal from 2.5 mA to 10 A in this frequency range. * Modification of the signal path in the analog to digital converter unit with programmable gain amplifier, signalfilter, AD-converter and reference voltages, to the accuracy requirements for current-, voltage and power measurement. * To estimate the measurement accuracy during the development process and for the phase adjustment a toroidal air-core coil is being built and the accuracy is estimated. The results obtained that way are: * The working standard REF600 has been successfully completed, the measurement accuracy is experimentally verified with signals of different frequencies and power factors. * The measurements at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig PTB confirmed the specified accuracy. * The REF600 constitutes the 150 kHz reference instrument for active power calibration at ZES calibration laboratory., Berichte aus dem Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik, vol. 74

In der vorliegenden Arbeit wird eine quantenbasierte Referenzspannungsrauschquelle für metrologische Anwendungen in der primären Rauschthermometrie aufgebaut und charakterisiert. Das Ziel der Arbeit besteht darin die Rauschquelle für den Betrieb im vorgesehenen Signalfrequenzbereich bis 225 kHz zu optimieren, um eine Amplitudengenauigkeit im einstelligen μV/V-Bereich bei zukünftigen Rauschthermometer-Kalibrierungen zu gewährleisten. Das System basiert auf einer Serienschaltung pulsgetriebener Josephson-Kontakte und ermöglicht es quantenbasierte Spannungen zu erzeugen. Nach der umfassenden Systemcharakterisierung und -beschreibung wird die exzellente Funktionalität, welche die Josephson-Spannungsrauschquelle bietet, experimentell demonstriert. Die Optimierung der Probenstangenabschirmung und Filterung des Pulse-Bias-Stroms bewirkt eine Reduktion potentieller Störeinflüsse durch elektromagnetische Interferenz und Übersprechen. Erstmalig erfolgen im Verlauf der Arbeit Wechselspannungsvergleiche zwischen zwei pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormalen zur Überprüfung der Amplitudengenauigkeit für einen Frequenzbereich bis 500 kHz. Die hochfrequenten Amplitudenabweichungen durch die Ausgangsverkabelung und den Pulse-Bias-Strom werden systematisch analysiert. Die Messergebnisse stimmen sehr gut mit dem erstellten Modell über ein und liegen für alle untersuchten Konfigurationen nach Korrektur der erwarteten Frequenzabhängigkeit innerhalb ±1 μV/V bis 500 kHz. Abschließend erzeugt die optimierte Josephson-Spannungsrauschquelle verzerrungsarme Mehrtonwellenformen zur Kalibrierung des Frequenzgangs und Untersuchung der Signalverstärkungslinearität kritischer Rauschthermometerkomponenten. Der Vergleich unterschiedlicher Mehrtonwellenformen demonstriert den Einfluss von Intermodulationsverzerrung während der Kalibrierung. Es kann eine Verstärkungslinearität des Signalpfads einschließlich des Analog-Digital-Umsetzers und eines Prototyp-Verstärkers für das neue Thermometer innerhalb ±2 μV/V für eingangsbezogene Rauschpegel von 9,7 μV bis 465 μV experimentell nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der Arbeit belegen die Einsatztauglichkeit und Genauigkeit der Josephson-Spannungsrauschquelle zur Kalibrierung des neuen Rauschthermometers bis 225 kHz. Darüber hinaus liefern die Erkenntnisse substanzielle Beiträge zum vertieften Verständnis pulsgetriebener Josephson-Spannungsnormale bis 500 kHz. Ferner tragen die Ergebnisse zur Verbesserung des zukünftigen Rauschthermometers bei., In this thesis a quantum-based reference voltage noise source for metrological applications in primary noise thermometry is built and characterised. The main objective of the work is to optimise the noise source for operation in the frequency range up to 225 kHz and to ensure amplitude accuracy at the single-digit μV/V level in future noise thermometer calibrations. The system is based on pulse-driven Josephson junctions connected in series and enables quantum-based voltages to be generated. After the comprehensive system characterisation and description, the excellent functionality offered by the Josephson voltage noise source is experimentally demonstrated. Optimising the cryoprobe shielding and filtering of the pulse bias current efficiently reduces additional possible errors from electromagnetic interference and crosstalk. For the first time, AC voltage comparisons between two pulse-driven Josephson voltage standards for a signal frequency range up to 500 kHz have been carried out as part of this work in order to check the system’s amplitude accuracy. High-frequency amplitude deviations due to the output cabling and the pulse bias current are analysed systematically. The measurement results show very good agreement with the model created and are within ±1 μV/V up to 500 kHz for all configurations investigated, once the expected frequency dependence is corrected. Finally, the optimised Josephson voltage noise source generates low-distortion multi-tone waveforms for calibration of the frequency response and investigation of the signal gain linearity of critical noise thermometer components. Two different types of multi-tone waveforms are compared to demonstrate the effect of intermodulation distortion during calibration. A gain linearity of the signal path including a prototype amplifier for the new noise thermometer and an analogue-to-digital-converter is experimentally demonstrated within ±2 μV/V for input-referred noise levels from 9.7 μV to 465 μV. The results of this work prove the suitability and accuracy of the Josephson voltage noise source for the calibration of the new noise thermometer up to 225 kHz. Furthermore, this work has thoroughly extended the understanding of pulse-driven Josephson voltage standards up to 500 kHz. Moreover, the results contribute to the improvement of the future noise thermometer., Berichte aus dem Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik, vol. 71

In Deutschland dürfen Reizstoffsprühgeräte (RSG) nur mit Zulassung hergestellt und verkauft werden, wenn sie als Selbstverteidigungsmittel gegen Menschen gedacht sind. Nach der Änderung des Waffenrechts im Jahr 2003 hat die Fraunhofer-Gesellschaft die Zuständigkeit der Prüfung der Reizstoffsprühgeräte abgegeben. Es gab seitdem keine Richtlinien für die Messeinrichtungen. Aktuell ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt für die Zulassung zuständig. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine Anforderung für Reizstoffsprühgeräte erstellt. Sie ermöglicht neue Zulassungen von RSG durch die PTB. Das Prüfverfahren wurde getestet. Der zweite Teil der Arbeit fokussiert sich auf die Untersuchung der Gefahr des Herzkammerflimmerns von Elektroimpulsgeräten (EIG) und deren neue Bewertungsverfahren. EIG gehören zu den bekanntesten Personenschutzgeräten und dürfen in Deutschland verkauft werden. Sie übertragen wie ein TASER© Impulse in den Körper der Zielperson. Die Wirkung von Elektroimpulsgeräten soll die direkte oder indirekte Erregung einer großen Masse von Zellen im Körper durch den Strom hervorrufen. Zu den erregbaren Zellen zählen die Nervenzellen und die Muskelzellen. Die Gefährdung eines EIG wird auch von seinem Strom verursacht. Ein anatomisches menschliches CAD-Körpermodell wurde nach der Anforderung dieser Arbeit angepasst. Das Modell wurde in einer Finite-Elemente-Methode-Modellierung (FEM) eingesetzt. Mit der Modellierung kann die Stromverteilung im Körper berechnet werden, welche als Mittel der Bewertung der Gefährlichkeit eines möglichen vom EIG verursachten Herzkammerflimmerns verwendet wird. Um das computerbasierte Modell zu erstellen, werden die elektrischen Eigenschaften des menschlichen Körpers benötigt. Die Leitfähigkeit von Muskelgewebe wurde im Rahmen dieser Arbeit im Hochspannungsbereich gemessen. Die Feldstärkeabhängigkeit der Leitfähigkeit wurde nachgewiesen. Deren gemessene Kennlinie wurde zum Aufbau des Gleichungssystems in das FEM-Modell eingesetzt. Drei physikalische Modelle wurden in dieser Arbeit verglichen, nämlich ein elektrisches quasistatisches Modell, ein frequenzabhängiges Modell und ein Modell mit einer feldstärkeabhängigen Leitfähigkeit. Die Kenngrößen Ausgangsspannung, Elektrodenabstand und Elektrodendurch-messer eines EIG führten über das FEM-Modell zu einer Aussage der Stromdichte auf der Herzoberfläche. Das Modell mit einer feldstärkeabhängigen Leitfähigkeit wurde zusammen mit einem Nervenzellenmodell als das Berechnungstool in dem neuen Bewertungsverfahren verwendet. Das neue Verfahren kann auch die Wirksamkeit von EIG evaluieren. Um die zukünftige komplizierte Berechnung mit dem FEM-Modell zu vermeiden, wurde eine Lookup-Tabelle erstellt., In Germany, irritant gas spraying devices (RSG) may only be manufactured and sold with approval if they are intended as a self-defense device against humans. Following the amendment of the law in 2003, the Fraunhofer-Gesellschaft has given up responsibility for testing irritant gas spraying devices. Since then, there have been no guidelines for the measuring devices. Currently, the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) is responsible for the approval. In the first part of this work, a requirement for irritant gas spraying devices has been established. It enables new approvals of RSG by the PTB. The test method was established. The second part of the thesis focuses on the investigation of the risk of ventricular fibrillation of electric shock devices (EIG) and their new evaluation procedures. EIG are among the most well-known personal defense equipment and can be sold in Germany. They transmit impulses into the body of the target person like a TASER©. The effect of EIG is intended to cause the direct or indirect stimulation of a large mass of cells especially nerve cells and muscle cells in the body through the current. The threat of an EIG is caused by its current. An anatomical CAD human model was adapted to the requirement of this work. The model was used in a finite element method modeling (FEM). This modeling can be applied to calculate the distribution of current in the body, which is used as a means of assessing the danger of any potential ventricular fibrillation caused by the EIG. To create the computer-based model, the electrical properties of the human body are required. The conductivity of muscle tissue was measured in the context of this work in the high voltage range. The field strength dependence of the conductivity was detected. The measured characteristic curve was used to build the equation system in the FEM model. Three physical models were compared in this work: an electrical quasi-static model, a frequency-dependent model and a model with a field-strength-dependent conductivity. The output voltage, the electrode spacing and the electrode diameter of an EIG led to a statement of the current density on the heart surface using the FEM model. The model with a field-strength-dependent conductivity was used together with a neuron model as the calculation tool in the new test method. The new method can also evaluate the effectiveness of EIG. To avoid a complicated calculation with the FEM model in the future, a lookup table has been created., Berichte aus dem Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik, vol. 69

Sowohl in der Wissenschaft als auch in der Technik nimmt die Bedeutung kleiner Gleichströme im Sub-Nanoamperebereich stetig zu. Die höchsten Anforderungen bestehen zurzeit bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen. Hier werden Unsicherheiten von unter 0.1 µA/A bei 100 pA gefordert. Bis 2014 waren in diesem Bereich allerdings nur Unsicherheiten von typisch 10 µA/A möglich. Durch die Entwicklung des ultrastabilen rauscharmen Stromverstärkers (ULCA) konnten in der Kleinstrom-Metrologie in den vergangenen Jahren wesentliche Fortschritte bei der Messunsicherheit erzielt und damit neue Weltrekorde im Bereich der Einzelelektronenpumpenforschung aufgestellt werden. Der ULCA ist ein halbleiterbasierter Verstärker zur Messung und Erzeugung kleiner Stromstärken. Sein Verstärkungsfaktor (Transresistanz) ist extrem stabil. Das Rauschniveau von 2.4 fA/sqrt(Hz) begrenzt allerdings bei sehr kleinen Stromstärken die in der Praxis erreichbare Unsicherheit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ULCA weiterentwickelt und optimiert. Hierfür wurde ein Modell für das Rauschen und den Eingangsruhestrom erarbeitet. Mit Hilfe dieses Modells erfolgte die Entwicklung einer rauschoptimierten ULCA-Variante, die ein reduziertes Rauschen ohne Stabilitätsminderung erzielt. Die unveränderte hohe Stabilität der Transresistanz wurde durch umfangreiche Messungen nachgewiesen. Mit dem rauschoptimierten ULCA lassen sich daher die langen Messzeiten bei der Charakterisierung von Einzelelektronenpumpen bei gleicher Unsicherheit um bis auf die Hälfte reduzieren. Für sehr kleine Ströme unterhalb von ca. 1 pA wurde eine ULCA-Variante mit minimalem Rauschen entwickelt. Sie erreicht ein Rauschniveau von 0.4 fA/sqrt(Hz) und ermöglicht Unsicherheiten bis herab zu 10 µA/A. Ferner liegt der Eingangsruhestrom bei dieser Variante unter 100 aA und ist sowohl zeitlich als auch über der Temperatur sehr stabil. Dadurch kann in vielen Fällen auf das bei Präzisionsmessungen übliche Umpolen des Messstroms zur Unterdrückung von Offset-Effekten verzichtet werden. Mit dieser ULCA-Variante wurde das Stromrauschen von Kabeln untersucht und eine rauscharme Verkabelung für die kryogenen Messaufbauten von Einzelelektronenpumpen gefunden. Die Ergebnisse dieser Arbeit lieferten wichtige Beiträge für die Präzisionsmessung kleiner Gleichströme. Der rauschoptimierte ULCA ist mittlerweile kommerziell erhältlich und es ist zu erwarten, dass sich dieses Instrument in der Kleinstrom-Metrologie als Standard etablieren wird., The importance of small direct currents in the sub-nano ampere range is steadily increasing in science and technology. The highest accuracy requirements currently exist in the characterization of single electron pumps. Uncertainties of below 0.1 µA/A at 100 pA are required. Until 2014, however, only uncertainties of typically 10 µA/A were possible in this range. In the past years, the development of the ultrastable low-noise current amplifier (ULCA) has enabled significant improvement of the measurement uncertainty in the field of small-current metrology, and new world records were achieved in the field of single-electron pump research. The ULCA is a semiconductor-based amplifier for the measurement and generation of small currents. Its gain factor (transresistance) is extremely stable. At very low currents, however, the noise level of 2.4 fA/sqrt(Hz) limits the uncertainty achievable in practice. Within the scope of this work, the ULCA was further developed and optimized. For this purpose, a model for noise and input bias current was developed. This model was used to develop a noise-optimized ULCA variant that achieves an improved noise level without degradation in stability. The unchanged high stability was proven by extensive measurements. The noise-optimized ULCA therefore allows one to reduce the long measurement times in the characterization of single-electron pumps for a given uncertainty by up to a factor of two. For very small currents of below about 1 pA an ULCA variant with minimal noise was developed. It achieves a noise level of 0.4 fA/sqrt(Hz) and allows uncertainties down to 10 µA/A. In addition, the input bias current of this variant is below 100 aA and is very stable as a function of time and temperature. As a result, the polarity reversal of the measuring current typically used for precision measurements to suppress offset effects is not required in many cases. With this ULCA variant, the current noise of cables was investigated, and a low-noise cabling for cryogenic measurement setups of single-electron pumps was found. The results of this work provided valuable contributions to the precision measurement of small direct currents. The noise-optimized ULCA is now commercially available and it is to be expected that this instrument will establish itself as a standard in small-current metrology., Berichte aus dem Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik, vol. 67