DE19801658C1 - Verfahren zur Verkörperung einer physikalischen Referenzgröße und Einrichtung zur Bildung einer physikalischen Referenzgröße - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verkörperung einer phy­ sikalischen Referenzgröße aus einer Summierung von Summations­ größen, die eine Einheitsgröße oder ein Vielfaches der Einheits­ größe sind, zur Bildung von beliebig vorgegebenen ganzzahligen Vielfachen der Einheitsgröße.

Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Bildung einer physikalischen Referenzgröße als ganzzahliges Vielfaches einer Einheitsgröße, verkörpert aus einer Summierung von Summations­ größen, die die verkörperte Einheitsgröße oder verkörperte Viel­ fache der Einheitsgröße sind.

Es ist grundsätzlich bekannt, Vergleichsnormale durch Kaskadie­ rung von gut bekannten Einheitsgrößen herzustellen (z. B. Kohl­ rausch, Praktische Physik, Stuttgart 1985, Band 2, Seite 57 für hochohmige Widerstände). Es ist ferner bekannt, daß Josephson- Elemente als Kryo-Spannungsnormale verwendbar sind (Kohlrausch a.o., 40 f.). Demgemäß ist es bekannt, als verkörperte physika­ lische Referenzgröße ein Kryo-Spannungsnormal mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Josephson-Elementen aufzubauen.

Josephson-Elemente erzeugen durch Absorption von Mikrowellen­ strahlung eine definierte Spannung, wenn sie durch Kühlung auf sehr niedrige Temperaturen in einen supraleitenden Zustand ver­ setzt werden. Die Wirksamschaltung der einzelnen Elemente er­ folgt durch einen Gleichstrom von einigen mA. Aus technologi­ schen Gründen liegt die optimale Betriebsfrequenz derartiger Schaltungen im Mikrowellenbereich bei 10 GHz, woraus eine Span­ nung von 20 µV resultiert. Will man daher ein Spannungsnormal von größenordnungsmäßig 1 V realisieren, benötigt man hierzu 50 000 Josephson-Elemente, für ein Spannungsnormal von 10 V dem­ gemäß 500 000 in Reihe geschaltete Elemente. Aus IEEE Trans. Instrum. Meas. 44 (1995), 223 ist bekannt, zur Anwahl jedes ein­ zelnen Elements die durch die Elemente gebildeten Reihen in ei­ ner binären Aufteilung anzuordnen, so daß Abgriffe zur Stromein­ speisung bei jeweils: 1, 2, 4, 8, . . . Elementen vorgesehen werden. Für ein Spannungsnormal von 1 V werden dann 16 und für 10 V 19 Abgriffe benötigt. Da derartige Spannungsnormale auf integrier­ ten Schaltungen realisiert werden, deren Anschlüsse begrenzt sind, wird in der Praxis eine Einbuße der Funktionalität des Spannungsnormals in Kauf genommen, indem auf einige der An­ schlüsse einfach verzichtet wird.

Ein ähnliches Problem ergibt sich beim Aufbau von Stromkompara­ toren, bei denen ein Durchflutungsvergleich vorgenommen wird. Hierbei werden in bekannter Technik zahlreiche Spulen mit binär abgestuften Windungszahlen realisiert, um verschiedene Stromver­ hältnisse vergleichen zu können. Die Anzahl der Abgriffe ein­ schließlich der hierfür benötigten Beschaltung ist ein limitie­ render Faktor für einen kompakteren Aufbau des Stromkomparators.

Der Erfindung liegt somit die Problemstellung zugrunde, die Ver­ körperung einer physikalischen Referenzgröße zu ermöglichen, bei der ohne Einbuße der Funktionalität eine Verringerung der An­ schlüsse möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der ein­ gangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß für n = 0, 1, 2, . . ., m Summationsgrößen gebildet werden, die jedem 3ⁿfachen der Ein­ heitsgröße entsprechen und daß durch ihre Summierung mit posi­ tivem oder negativem Vorzeichen und ggfs. durch ihre Außeracht­ lassung die beliebig vorgegebenen ganzzahligen Vielfachen der Einheitsgröße gebildet werden.

Zur Lösung des Problems ist ferner eine Einrichtung zur Bildung einer physikalischen Referenzgröße der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß für n = 0, 1, 2, . . ., m die Summa­ tionsgrößen für jedes 3ⁿfache der Einheitsgröße gebildet sind und daß ein Summationsnetzwerk die Summationsgrößen mit positivem oder negativem Vorzeichen und ggfs. gar nicht wirksam schaltet.

Die Erfindung beruht auf der Ausnutzung der Erkenntnis, daß in den meisten Fällen die Einheitsgrößen nicht nur wirksam und un­ wirksam geschaltet werden können, sondern, beispielsweise durch eine Stromrichtungsumkehr, mit positivem oder negativem Vorzei­ chen realisierbar sind. Erfindungsgemäß wird in diesem Fall die Reihenschaltung der Einheitsgrößen in natürlichen Dreierpotenzen vorgenommen, so daß die Reihenschaltung mit Abgriffen nach 1, 3, 9, 27, . . . Elementen versehen wird. Die so gebildeten Ketten wer­ den als Summationsgrößen verwendet, beispielsweise gemeinsam bestromt.

Für die oben erwähnten Beispiele eines Josephson-Spannungsnor­ mals für 1 V reduziert sich die Anzahl der benötigten Abgriffe somit auf 12 statt 16 und für 10 V auf 14 statt 19.

Durch die erfindungsgemäße Bildung der Summationsgrößen läßt sich jedes einzelne ganzzahlige Vielfache der Einheitsgröße er­ zeugen (sogar mit positivem und mit negativem Vorzeichen). Hier­ zu werden die einzelnen Summationsgrößen in geeigneter Weise mit ihrem positivem bzw. negativem Vorzeichen verwendet.

Gemäß dem Beispiel eines Josephson-Spannungsnormals können die Summationgsgrößen, also die 3ⁿfachen der Einheitsgrößen durch die Summierung einer entsprechenden Anzahl der Einheitsgrößen gebil­ det sein. Zwischen zwei Abgriffen liegen daher die der Summa­ tionsgröße entsprechende Anzahl der Einheitselemente in Serie geschaltet.

Gemäß dem anderen Ausführungsbeispiel eines Stromkomparators auf der Basis eines Durchflutungsvergleiches ist es aber auch mög­ lich, nicht eine entsprechende Vielzahl von Einheitsgrößen zu verwenden, sondern das 3ⁿfache der Einheitsgröße unmittelbar als selbständigen Wert auszubilden, im Beispiel des Stromkomparators durch eine Wicklung mit einer Windungszahl, die gegenüber einer Grundwindungszahl eine natürliche Dreierpotenz ist.

Ein erfindungsgemäß hergestellter Stromkomparator läßt sich we­ gen der geringeren Anzahl der Abgriffe deutlich kompakter als herkömmliche Stromkomparatoren aufbauen. Dabei ist eine herkömm­ liche stufenförmige Kalibrierung möglich, weil für einen Strom­ komparator jeweils zwei Wicklungsketten zur Verfügung stehen, so daß lediglich eine zusätzlich kalibrierte Einheitswicklung benö­ tigt wird, um die beiden Einheitswicklungen der beiden Wick­ lungsketten zu kalibrieren, danach mit den drei Einheitswicklun­ gen die Dreierwicklung zu kalibrieren und mit den beiden kali­ brierten Dreierwicklungen sowie den drei kalibrierten Einerwick­ lungen die Neunerwicklung zu kalibrieren usw.

Ein mit einer geringeren Anzahl von Anschlüssen realisiertes Josephson-Spannungsnormal benötigt wegen der reduzierten Anzahl der Anschlüsse weniger Chipfläche und weniger Anschlußdrähte, wodurch weniger Mikrowellenverluste entstehen und weniger Kühl­ leistung bzw. Kühlmittel benötigt wird. Darüber hinaus reduziert sich die benötigte Anzahl von Stromquellen zur Anwahl der Stufen der Einheitsgrößen.

In der beigefügten Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Josephson- Spannungsnormal schematisch dargestellt. Dabei sind zwischen Anschlüssen 11 jeweils eine zugehörige Anzahl von einem Josephson-Element 12, drei Josephson-Elementen 12, neun Josephson-Elementen 12 usw. dargestellt. Die zwischen den An­ schlüssen in Serie geschalteten Josephson-Elemente können nur gemeinsam über die Anschlüsse 11 bestromt werden, allerdings mit beiden Stromrichtungen, so daß das jeweilige Vielfache der Ein­ heitsspannung eines Josephson-Elements 12 mit positivem und mit negativem Vorzeichen erzeugbar ist.

Der in Fig. 2 dargestellte Stromkomparator weist demgegenüber Wicklungen 21 auf, deren erste Wicklung eine Einheitswicklung "1" mit einer vorgegebenen Windungszahl ist. Die folgende Wick­ lung 21 enthält eine dreifache Windungszahl, die weiter folgende Wicklung 21 eine neunfache Windungszahl usw. . Für die Funktion des Stromkomparators werden jeweils zwei Serien derartiger Wick­ lungen 21 benötigt, wenn der Stromkomparator nach dem Kompensa­ tionsprinzip arbeitet, indem die in einem Kern 22 bewirkten Durchflutungen gegeneinander aufgehoben werden.

Zur autarken Kalibrierung des Stromkomparators ist dieser mit einer zusätzlichen Einheitswicklung 23 versehen, die eine 1 : 1-Kalibrierung aller Wicklungen 21 relativ zu einer der Einheits­ wicklungen 21, 23 ermöglicht.

Claims (7)

1. Verfahren zur Verkörperung einer physikalischen Referenz­ größe aus einer Summierung von Summationsgrößen, die eine Einheitsgröße oder ein Vielfaches der Einheitsgröße sind, zur Bildung von beliebig vorgegebenen ganzzahligen Vielfa­ chen der Einheitsgröße, dadurch gekennzeichnet, daß für n = 0, 1, 2, . . ., m Summationsgrößen gebildet werden, die je­ dem 3ⁿfachen der Einheitsgröße entsprechen und daß durch ihre Summierung mit positivem oder negativem Vorzeichen und ggfs. durch ihre Außerachtlassung die beliebig vorgegebenen ganzzahligen Vielfachen der Einheitsgröße gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summationsgrößen durch Summierung einer entsprechenden An­ zahl der Einheitsgrößen gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summationsgrößen unmittelbar als selbständige Werte ausge­ bildet werden

4. Einrichtung zur Bildung einer physikalischen Referenzgröße als ganzzahliges Vielfaches einer Einheitsgröße, verkörpert aus einer Summierung von Summationsgrößen, die die verkör­ perte Einheitsgröße oder verkörperte Vielfache der Ein­ heitsgröße sind, dadurch gekennzeichnet, daß für n = 0, 1, 2, . . ., m die Summationsgrößen für jedes 3ⁿfache der Einheitsgröße gebildet sind und daß ein Summationsnetzwerk die Summationsgrößen mit positivem oder negativem Vorzei­ chen und ggfs. gar nicht wirksam, schaltet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 in Form eines Spannungsnormals, in dem die Einheitsgrößen durch supraleitende Josephson-Ele­ mente gebildet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 in Form eines Stromkomperators nach dem Prinzip eines Durchflutungsvergleichs derart, daß die Einheitsgröße durch eine Wicklung mit einer vorgegebe­ nen Windungszahl gebildet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Summationsgrößen jeweils durch eine Wicklung mit einer entsprechenden Windungszahl gebildet sind.