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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung von Spannungssignale
abtastenden Spannungsmessmitteln mit einem Josephson-Spannungsnormal,
das eine Josephson-Referenzspannung in Abhängigkeit von einer Messfrequenz
erzeugt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Messung von Spannungen
periodischer Spannungssignale mit abtastenden Spannungsmessmitteln
und einer Josephson-Referenzspannung, die von einem Josephson-Spannungsnormal
in Abhängigkeit
von einer Messfrequenz erzeugt wird.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Mess- oder Kalibriervorrichtung
zur Durchführung
dieser Verfahren.
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Aus
G. Ramm, H. Moser und A. Braun, „A new scheme for generating
and measuring active, reactive and apparent power at power frequencies
with uncertainties of 2,5 × 10–6", IEEE Transaction
on Instrumentation Measurement, vol. 48, no. 2, (1999), 422 ist
ein Verfahren zur hochgenauen Messung von periodischen Spannungen
beschrieben, die mit Hilfe einer Diskreten Fourier Transformation
(DFT) abgetastet werden. Dabei wird ein Analog-/Digitalwandler eingesetzt,
die die Spannungen in den einzelnen Abtastintervallen zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten misst. Das Verfahren wird
vorzugsweise zur Kalibrierung periodischer Spannungssignale eingesetzt.
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Weiterhin
ist beispielsweise aus R. Pöpel,
J. Niemeyer, R. Fromknecht, W. Meier, L. Grimm und F. W. Dünschede, „Nb/Al2O3/Nb-Josephon voltage
standards at 1 V and 10 V",
IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, vol. 40, no.
2, (1991), 298 bis 300 beschrieben, Josephson-Spannungsnormale zur fundamentalen Reproduzierung
von Gleichspannungen bis 10 V bzw. zur Kalibrierung von entsprechenden
Gleichspannungs-Voltmetern einzusetzen. Josephson-Spannungsnormale
sind hierbei aus einer Vielzahl von Josephson-Elementen aufgebaut, die
durch Absorption von Mikrowellenstrahlung eine definierte Spannung
erzeugen, wenn sie durch Kühlung
auf sehr niedrige Temperaturen in einen supraleitenden Zustand versetzt
werden. Hierbei wird der sogenannte Josephson-Effekt ausgenutzt,
dass zwischen zwei supraleitenden Schichten, die durch eine dünne Isolationsschicht
getrennt sind, ein Stromfluss aufgrund des Tunneleffekts auftritt.
Dieser Josephson-Tunnelstrom wird nicht wie beim üblichen
Tunneleffekt von einzelnen Elektronen, sondern von ungebundenen
Elektronenpaaren geführt,
die für
die Supraleitung maßgebend
sind.
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Mit
einem Josephson-Spannungsnormal kann eine hochgenaue Gleichspannung
erzeugt werden, die abhängig
von der an das Josephson-Spannungsnormal angelegten Messfrequenz
f ist. Es gilt folgender Zusammenhang: U = Nf/KJ,mit der Anzahl N von Josephson-Kontakten,
der Messfrequenz f und der Josephson-Konstanten KJ, die
im Jahr 1990 auf den Wert KJ–90 = 483,5979 GHz/V
international festgelegt wurde.
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Josephson-Spannungsnormale
und ihre Ansteuerung sind hinreichend beispielsweise aus der
DE 198 01 658 C1 ,
dem US-Patent 5,812,078, dem US-Patent 6,236,344 B1 und dem US-Patent 5,565,866
bekannt. Die programmierbaren Josephson-Spannungsnormale haben den
Vorteil, dass exakt bekannte Spannungen schnell eingestellt werden können. Mit
den Josephson-Spannungsnormalen können hochgenaue
Digital-/Analogwandler realisiert und Wechselspannungen synthetisiert
werden.
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In
R. Behr, L. Grimm, T. Funck, J. Kohlmann, H. Schulze, F. Müller, B.
Schumacher, P,. Warnecke und J. Niemeyer, „Application of Josephson
series arrays to a DC quantum voltmeter", in IEEE Transactions on Instrumentation
and Measurement, vol. 50, no. 2, (2001), 185 bis 187 ist der Einsatz
eines Josephson-Spannungsnormals für ein Gleichspannungs-Quantenvoltmeter
beschrieben. Mit dem Josephson-Spannungsnormal können definierte Spannungsstufen
erzeugt werden, die zur Kalibrierung von Gleichspannungen verwendet
werden.
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Aufgabe
der Erfindung war es, ein Verfahren zur Kalibrierung von ein Spannungssignal
abtastenden Spannungsmessmitteln mit einem Josephson-Spannungsnormal sowie
ein Verfahren zur Messung von Spannungen periodischer Spannungssignale
mit solchen abtastenden Spannungsmessmitteln und einer Josephson-Referenzspannung
zu schaffen, die einen möglichst
einfachen Messaufbau erfordern und hochgenau arbeiten.
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Die
Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß gelöst durch
Steuerung des Josephson-Spannungsnormals in Abhängigkeit von dem Abtasttakt
der Spannungsmessmittel derart, dass eine Spannungsänderung
der Josephson-Referenzspannung und ein Einschwingen des Josephson-Spannungsnormals
nach einer Spannungsänderung
außerhalb
von den Messphasen der Spannungsmessmittel erfolgt.
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Zur
Messung und Kalibrierung wird daher vorgeschlagen, ein Josephson-Spannungsnormal mit
den Spannungsmessmitteln zu koppeln und das Abtastsignal der Spannungsmessmittel
zur Steuerung des Josephson--Spannungsnormals
einzusetzen. Dabei wird das für
die Messung und Kalibrierung erforderliche Nachführen der Josephson-Referenzspannung
nur dann vorgenommen, wenn gerade keine Messung oder Abtastung des
Spannungssignals durch die Spannungsmessmittel erfolgt. Die Umschaltphase
des Josephson-Spannungsnormals
mit der nachfolgenden Einschwingphase der Josephson-Referenzspannung
bleibt damit bei der Messung außer
Betracht. Es wird somit eine phasenstarre Kopplung der Signale vorgeschlagen,
die die Einstellung der Josephson-Referenzspannung und das Einsetzen
der Messung durch die Spannungsmessmittel in Bezug zum periodischen
Spannungssignal steuern. Das Messergebnis basiert hierdurch ausschließlich auf
den hochgenauen und eindeutig definierten Josephson-Referenzspannungen
und wird nicht durch die Umschaltphasen mit zugehörigen Einschwingvorgängen beim
Umschalten von einer Stufe der Josephson-Referenzspannung auf die
nächste Stufe
verfälscht.
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Das
Spannungsmessmittel ist vorzugsweise ein Abtastvoltmeter, wobei
die Messphasen die Integrationsintervalle des Abtastvoltmeters sind.
Während
der Integrationsintervalle des Abtastvoltmeters, in der jeweils
eine Spannung durch Vergleich des Spannungssignals mit der Josephson-Referenzspannung
gemessen wird, kann durch die erfindungsgemäße Steuerung des Josephson-Spannungsnormals
in Abhängigkeit
von dem Abtasttakt der Spannungsmessmit tel gewährleistet werden, dass die
Josephson-Referenzspannung nicht durch Umschaltvorgänge und
Einschwingphasen undefiniert verfälscht ist.
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Zur
Kalibrierung eines Spannungsmessmittels werden vorzugsweise durch
die Steuereinheit Abtasttakte und Integrationsinvalltakte für die Spannungsmessmittel
sowie Schalttaktsignale für
das Josephson-Spannungsnormal erzeugt. Hierzu wird ein Triggersignal
von dem Josephson-Spannungsnormal an eine Steuereinheit übertragen.
Die Schalttaktsignale für
das Josephson-Spannungsnormal werden dann in Abhängigkeit von dem Triggersignal
und den Abtasttakten sowie Integrationsintervalltakten derart erzeugt,
dass gesteuert durch die Schalttaktsignale ein Umschalten der Josephson-Referenzspannung und
ein Einschwingen des Josephson-Spannungsnormals außerhalb
der Messphasen, d. h. der Integrationsintervalle erfolgt.
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Zur
Messung von Spannungen periodischer Spannungssignale erfolgt vorzugsweise
ein Messen der Differenzspannung zwischen dem Spannungssignal und
der Josephson-Referenzspannung mit den Spannungsmessmitteln, beispielsweise
mit einem Analog-/Digitalwandler. Die Spannungen des Spannungssignals
werden dann aus den jeweils gemessenen Differenzspannungen und der
jeweiligen Messfrequenz des Josephson-Spannungsnormals bestimmt.
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Das
Messen der Differenzspannung durch die Spannungsmessmittel hat den
Vorteil, dass nur relativ kleine Messspannungen auftreten, die mit
herkömmlichen
Analog-/Digitalwandlern mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden
können.
Erfindungswesentlich ist wiederum, dass die Messunsicherheiten dadurch
erheblich reduziert werden, dass durch die erfindungsgemäße Steuerung
des Josephson-Spannungsnormals in Abhängigkeit von den Abtasttakten
keine Messung in den Umschaltphasen und Einschwingvorgängen des
Josephson-Spannungsnormals
vorgenommen wird.
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Bei
der Messung der periodischen Spannungssignale erfolgt weiterhin
ein Einstellen der Josephson-Referenzspannung in den Abtastintervallen zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Abtasttakten derart, dass die Josephson-Referenzspannung
jeweils dem mittleren periodischen Spannungssignal in dem Abtastintervall
entspricht. Hierdurch wird eine möglichst geringe Differenzspannung
sichergestellt. Das Bestimmen des mittleren periodischen Spannungssignals
erfolgt vorzugsweise aus einem entsprechenden Abtastintervall einer
vorhergehenden Spannungssignalperiode. Beispielsweise kann hierzu
zunächst
eine Messung innerhalb von mindestens einer Periode mit gleichbleibender
Josephson-Referenzspannung
vorgenommen werden. Später
können
die Mittelwerte des periodischen Spannungssignals in den Abtastintervallen
iterativ angepasst werden.
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Die
Aufgabe wird weiterhin durch eine Mess- oder Kalibriervorrichtung
zur Durchführung
des oben beschriebenen Verfahrens gelöst, die ein Josephson-Spannungsnormal hat,
das an den Eingang eines Spannungsmessmittels geklemmt ist. Ein
Schalttakteingang des Josephson-Spannungsnormals ist zur Umschaltung
der Josephson-Referenzspannung mit der Abtasttaktleitung der Spannungsmessmittel derart
gekoppelt, dass das Josephson-Spannungsnormal in Abhängigkeit
von dem Abtasttakt der Spannungsmessmittel so gesteuert wird, dass
eine Spannungsänderung
der Josephson-Referenzspannung und ein Einschwingen des Josephson-Spannungsnormals
nach einer Spannungsänderung
außerhalb von
den Messphasen der Spannungsmessmittel erfolgt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 – Blockdiagramm einer Messvorrichtung
für periodische
Spannungssignale;
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2 – Blockdiagramm einer Kalibriervorrichtung
für Abtastvoltmeter.
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Die 1 lässt eine Messvorrichtung 1 zur Messung
eines periodischen Spannungssignals u(t) erkennen. Zur Erzeugung
einer Differenzspannung Δu(t)
ist ein Josephson-Spannungsnormal 2 in mindestens eine
Leitung für
das zu messende Spannungssignal u(t) geklemmt. Die Differenzspannung Δu(t) wird
mit einem Spannungsmessmittel 3, beispielsweise einem Analog-/Digitalwandler
oder Abtastvoltmeter gemessen. Das Spannungsmessmittel 3 wird
mit einem Abtasttakt Ta so getaktet, dass zu den Abtastfrequenzen
fa = 1/Ta das Differenzspannungssignal Δu(t) abgestatet
wird. Die Spannungsmessmittel 3 werden weiterhin mit einem
Integrationsinvalltakt Ti angesteuert, um Messphasen festzulegen,
in denen mit einer Folge aufeinanderfolgender Abtasttakte Ta abgetastete
Spannungen integriert werden und hieraus eine Messspannung Uv ermittelt wird.
Die Messspannung Uv wird einer Steuereinheit 4 zur weiteren
Auswertung oder Anzeige zugeführt.
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Das
Generieren der Abtasttakte Ta und Integrationsintervalltakte Ti
erfolgt ebenfalls durch die Steuereinheit 4.
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Erfindungsgemäß wird das
Josephson-Spannungsnormal 2 ebenfalls durch die Abtasttakte
Ta und Integrationsintervalltakte Ti für die Spannungsmessmittel 3 derart
angesteuert, dass die Josephson-Referenzspannung uJ innerhalb
der Integrationsintervalle oder Messphasen nicht geändert wird. Eine
Spannungsänderung
der Josephson-Referenzspannung uJ, die zur
Reduzierung des Differenz spannungssignals Δu(t) und damit zur Minimierung der
Messfehler erforderlich ist, sowie das damit verbundene Einschwingen
des Josephson-Spannungsnormals 2 nach
einer Spannungsänderung
erfolgt durch die Steuerung in Abhängigkeit von dem Abtasttakt
Ta und Integrationsintervalltakt Ti ausschließlich außerhalb von den Messphasen
der Spannungsmessmittel 3. Auf diese Weise wird sicher
ausgeschlossen, dass Messfehler auftreten, die durch die Umschalt-
und Einschwingphase verursacht werden. Das Einstellen der Josephson-Referenzspannung
uJ kann beispielsweise mit einer steuerbaren
Stromquelle 5 erfolgen.
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Durch
die Steuerung des programmierbaren Spannungsnormals 2 durch
den Abtasttakt Ta und die Integrationsintervalltakte Ti werden somit
alle Abläufe
zur Erzeugung und Messung der Spannungen des Spannungssignals u(t)
phasenstarr miteinander gekoppelt, wie dies auch bei dem Abtasten
von Wechselspannungen mit dem Diskreten Fourier Transformationsverfahren
(DFT) erfolgt. Der erforderliche Rechenaufwand ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
jedoch erheblich reduziert.
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Die
Josephson-Referenzspannung uJ wird zur Reduzierung
des Differenzspannungssignals Δu(t)
derart nachgeführt,
dass die Josephson-Referenzspannung uJ jeweils
dem mittleren periodischen Spannungssignal u(t) in der jeweiligen
Messphase entspricht.
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Beispielsweise
kann von dem programmierbaren Josephson-Spannungsnormal 2 ein
sinusförmiger
Spannungsverlauf mittels digitaler Synthese durch einen treppenförmigen Spannungsverlauf
der Josephson-Referenzspannung uJ angenähert werden. Über die
Josephson-Beziehung können
dann die einzelnen Stufen des treppenförmigen Spannungsverlauf auf
die oben beschriebene Definition der Spannung u als Funktion der
Messfrequenz f U = Nf/KJ zurückgeführt werden.
Durch die phasenstarre Kopplung des Josephson-Spannungsnormals 2 an die Spannungsmessmittel 3 wird
sichergestellt, dass der Einfluss der die Spannungsmessung störenden dynamischen
Einschwingvorgänge
beim Umschalten des Josephson-Spannungsnormals 2 eliminiert
wird. Dabei werden die Messphasen der Spannungsmessmittel 3 zeitlich
gesehen immer in die Mitte der jeweils zu messenden Stufe des treppenförmigen Spannungsverlaufs
der Josephson-Referenzspannung uJ gelegt.
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Das
schnelle Einstellen der jeweils an den zu erwartenden periodischen
Spannungsverlauf angepassten Josephson-Referenzspannung uJ kann beispielsweise mit entsprechend unterteilten
Josephson-Reihenschaltungen, z. B. mittels Digital-/Analogwandlung
erfolgen.
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Bei
der Messung der Spannung u periodischer Spannungssignale wird die
gemessene Spannung direkt auf die präzise Josephson-Referenzspannung
uJ in Abhängigkeit von der Messfrequenz
f zurückgeführt. Diese
aus der Messfrequenz f ermittelte präzise Josephson-Referenzspannung
u, wird zu der durch die Spannungsmessmittel 3 gemessenen
Differenzspannung Δu(t)
addiert, um die jeweilige Spannung u des periodischen Spannungssignals u(t)
zu erhalten. Durch die Kompensation des periodischen Spannungssignals
u(t) mit der Josephson-Referenzspannung
uJ kann der Messbereich der Spannungsmessmittel 3 erheblich
verkleinert und eine Messunsicherheit durch die Nichtlinearität beispielsweise
eines Analog-/Digital-Wandlers als Spannungsmessmittel 3 deutlich
verringert werden. Die Transienten zwischen den definierten Josephson-Referenzspannungsstufen
spielen im Vergleich zu der herkömmlichen
Synthese einer Wechselspannung mit Josephson-Spannungsnormalen keine
Rolle, da sie in die Totzeiten der Messung gelegt werden.
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Die 2 lässt eine Kalibriervorrichtung 6 mit
einem Josephson-Spannungsnormal 2 und
einem Spannungsmessmittel 3 erkennen. Die Josephson-Referenzspannung
uJ ist an den Messeingang 7 des
Spannungsmessmittels 3, beispielsweise eines Abtastvoltmeters 8,
geklemmt. Die Spannungsmessmittel 3 werden wiederum von
einer Steuereinheit 4, die in das Abtastvoltmeter 8 integriert
ist, mit einem Integrationsintervalltakt Ti versorgt. Ebenfalls
erfolgt eine Steuerung des Josephson-Spannungsnormals 2 über ein
Schalttaktsignal Clock, das von der Steuereinheit 4 an
das Josephson-Spannungsnormal 2 gesendet wird. Das Schalttaktsignal
Clock für
das Josephson-Spannungsnormal 2 wird in Abhängigkeit von
einem Triggersignal Trigger und den Abtasttakten Ta und Integrationsintervalltakt
Ti von der Steuereinheit 4 derart erzeugt, dass gesteuert
durch die Schalttaktsignale Clock ein Umschalten der Josephson-Referenzspannung
uJ und Einschwingen des Josephson-Spannungsnormals 2 außerhalb
der Integrationsintervalle oder Messphasen des Abtastvoltmeters
erfolgt. Hierdurch wird erreicht, dass alle Abläufe bei der Messung der Spannung
u des periodischen Spannungssignals u(t) phasenstarr miteinander
gekoppelt sind. Dabei können
wiederum Einflüsse
von die Messung störenden
dynamischen Einschwingvorgängen
eliminiert werden, indem die Integrationszeit des zu kalibrierenden
Abtastvoltmeters zeitlich gesehen immer in die Mitte der jeweils
zu messenden Stufen der treppenförmigen
Josephson-Referenzspannung uJ gelegt wird.
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Die
Steuereinheit 4 kann mit einem Computer 9 zur
weiteren Auswertung oder Steuerung des Kalibriervorgangs verbunden
sein.