Was ist der Unterschied zwischen einer Realisierung, einer Darstellung und einer Implementierung in der Messtechnik?

Das Referenzdokument für metrologische Begriffe ist das International Vocabulary of Metrology (VIM). Die dortigen Definitionen sind sorgfältig ausgearbeitet, aber für Nicht-Meßtechniker können sie häufig etwas unklar erscheinen, und es könnten weitere Anmerkungen erforderlich sein.

Was die Darstellung und Reproduktion betrifft ( Darstellung findet sich auch in der Literatur zur Reproduktion), findet sich deren Bedeutung unter dem Begriff Messnormal wieder :

Realisierung der Definition einer gegebenen Größe mit angegebenem Größenwert und zugehöriger Messunsicherheit, die als Referenz verwendet wird.

Insbesondere die zugehörigen Anmerkungen 1 und 3 sagen:

ANMERKUNG 1 Eine „Realisierung der Definition einer gegebenen Größe“ kann durch ein Messsystem, eine Maßverkörperung oder ein Referenzmaterial erfolgen.

ANMERKUNG 3 Der Begriff „Verwertung“ wird hier in der allgemeinsten Bedeutung verwendet. Es bezeichnet drei Verfahren der „Verwirklichung“. Die erste besteht in der physikalischen Realisierung der Maßeinheit aus ihrer Definition und ist die Realisierung im engeren Sinne . Die zweite, als „Reproduktion“ bezeichnete, besteht nicht darin, die Maßeinheit aus ihrer Definition heraus zu realisieren, sondern in der Aufstellung eines hochgradig reproduzierbaren Maßstandards auf der Grundlage eines physikalischen Phänomens, wie dies zB bei der Verwendung frequenzstabilisierter Laser zur Feststellung von a der Fall ist Maßeinheit für das Meter, des Josephson-Effekts für das Volt oder des Quanten-Hall-Effekts für das Ohm. Das dritte Verfahren besteht darin, eine Maßverkörperung als Maßverkörperung zu übernehmen. Es tritt bei der Maßverkörperung von 1 kg auf.

Daher bezeichnen die Begriffe Realisierung und Reproduktion ein Objekt oder ein Experiment mit bestimmten Eigenschaften.

Um den Unterschied zwischen einer strengen Realisierung und einer Reproduktion zu verdeutlichen, nehmen wir das Beispiel einer bestimmten Größe, der Einheit Ohm (beachten Sie, dass eine Einheit eine Größe ist , wenn auch eine speziell gewählte).

Zuerst müssen wir definieren, was diese Größe ist: Dies kann in Worten geschehen, möglicherweise mit Hilfe mathematischer Beziehungen, die andere Größen betreffen, und durch das Hinzufügen von Angaben zu Einflussgrößen .

Das Ohm im SI ist wie folgt definiert [ CIPM, 1946: Resolution 2 ]:

Das Ohm ist der elektrische Widerstand zwischen zwei Punkten eines Leiters, wenn eine an diesen Punkten angelegte konstante Potentialdifferenz von 1 Volt im Leiter einen Strom von 1 Ampere erzeugt, wobei der Leiter nicht der Sitz einer elektromotorischen Kraft ist.

So weit, so gut, oder zumindest scheint es. Eigentlich stecken wir ein bisschen fest, weil wir das Ampere bzw. das Volt durch Strom- und Spannungswaagen realisieren können, aber die Reproduzierbarkeit des so realisierten Ohm wäre gering, ungefähr bei der$10^{-6}$eben. Und das Verfahren wäre ziemlich komplex. Wir werden 1956 von Thompson und Lampard gerettet, die einen neuen Satz in der Elektrostatik entdeckten [1], der das elektrostatische Dual des Van-der-Pauw-Satzes [2,3] ist. Dieser Satz besagt im Wesentlichen, dass Sie einen Kapazitätsstandard aufbauen können (dh das Farad oder einen seiner Teiler realisieren), dessen Kapazität genau berechnet werden kann (etwas, was Sie beispielsweise mit einem Parallelplattenkondensator nicht tun können). Wenn wir einen Kapazitätsstandard haben, durch die Beziehungen$Y = \mathrm{j}\omega C$und$Z = 1/Y$, wir haben die Standards für Admittanz und Impedanz, dh wir haben Siemens und Ohm, jedoch im AC-Regime.

Daher ist die strenge SI-Realisierung des Ohm als Widerstandsstandard ungefähr wie folgt:

1. Du baust einen berechenbaren Kondensator (und zehn Jahre deines Lebens sind vorbei). Typischerweise hat ein 1 m langer berechenbarer Kondensator eine Kapazität von etwa 1 pF, was bei einer kHz-Frequenz einer ziemlich hohen Impedanz entspricht (eine kurze Bibliographie zum berechenbaren Kondensator finden Sie auf dieser Seite ).
2. Mittels Impedanzbrücken skalieren Sie die Kapazität auf höhere Werte (z. B. 1 nF).
3. Mittels einer Querimpedanzbrücke vergleichen Sie den Impedanzwert eines Standardwiderstandes mit berechenbarem AC-DC-Verhalten mit dem der skalierten Kapazität.
4. Sie berechnen den DC-Wert des Widerstands.
5. Mit einer Widerstandsbrücke skalieren Sie den Widerstand auf 1 Ohm herunter.

Sobald alle Experimente funktionieren (nach vielen Jahren), kann die Realisierung des Ohms durch die obige Versuchskette mehr als einen Monat dauern, aber das Wichtigste ist, dass die Reproduzierbarkeit des auf diese Weise realisierten Ohms zwar besser ist als das, was durch die Realisierungen von Volt und Ampere erhältlich ist, ist nur am$10^{-7}$-$10^{-8}$eben.

Dann kommt es zum Quanten-Hall-Effekt (QHE). Ein QHE-Element realisiert unter Bedingungen niedriger Temperatur und hoher Magnetfelder einen Widerstand mit vier Anschlüssen (oder Transresistanz ) mit einem Widerstandswert$R_\mathrm{H} = R_\mathrm{K}/i$, wo$R_\mathrm{K}$eine Konstante ist, die von Klitzing-Konstante, und$i$ist eine Ganzzahl, genannt Plateau-Index (normalerweise verwenden wir das entsprechende Plateau$i=2$). Ende der 1980er Jahre war klar, dass QHE-Elemente Resistenzstandards mit viel besserer Reproduzierbarkeit liefern konnten als die anderen oben beschriebenen Methoden: damals in der Größenordnung von$10^{-8}$-$10^{-9}$; heutzutage in der Größenordnung von$10^{-10}$-$10^{-11}$(zwei bis drei Größenordnungen besser als mit einem berechenbaren Kondensator erreichbar). Es stellt sich auch heraus, dass die von Klitzing-Konstante mit zwei fundamentalen Konstanten verknüpft ist, der Planck-Konstante und der Elementarladung,$R_\mathrm{K} = h/e^2$.

Die Situation in den späten 1980er Jahren stellt sich somit wie folgt dar:

1. Ein QHE-Experiment ist viel einfacher zu implementieren als das eines berechenbaren Kondensators (und viel billiger).
2. Der durch ein QHE-Experiment realisierte Widerstand hat eine viel bessere Reproduzierbarkeit als der durch ein berechenbare Kondensator-Experiment realisierbare.
3. Die Genauigkeit der von Klitzing-Konstante liegt jedoch nur auf dem Niveau der SI-Ohm-Realisierung, also bei etwa$10^{-7}$, und die Beziehung$R_\mathrm{H} = R_\mathrm{K}/i = h/(e^2 i)$hat noch nicht genug solide theoretische Grundlage, um genutzt zu werden.

Die ersten beiden Punkte legen die Annahme einer konventionellen Widerstandseinheit nahe, indem ein konventioneller Wert der von Klitzing-Konstante definiert wird [ CIPM, 1988: Empfehlung 2 ]. Dieser herkömmliche Wert der von Klitzing-Konstante wird mit bezeichnet$R_{\mathrm{K}-90}$(weil es 1990 angenommen wurde) und hat einen Wert

$$R_\mathrm{K-90} = 25\,812.807\,\Omega\quad \text{(exact)}.$$

Die herkömmliche Einheit des Widerstands ist der$\mathit{\Omega}_{90}$, definiert als ¹

$$\mathit{\Omega}_{90} = \frac{R_\mathrm{K}}{\{R_\mathrm{K-90}\}} = \frac{R_\mathrm{K}}{25\,812.807}.$$

Derzeit sind praktisch alle nationalen Widerstandsskalen auf diese herkömmliche Einheit rückführbar .

Es ist jetzt erwähnenswert, dass die Menge$\mathit{\Omega}_{90}$hat keine Verbindungen zum SI-Ohm: es ist nahe bei (die relative Diskrepanz liegt in der Größenordnung von$10^{-8}$), aber nicht dasselbe. Und so kam es dass der$\mathit{\Omega}_{90}$wird eine Reproduktion (oder Repräsentation) des Ohms genannt, weil es irgendwie das Ohm verwirklicht, aber nicht gemäß seiner Definition.

Derzeit ist dies nicht die einzige reproduzierte Einheit: Das Volt wird derzeit durch den Josephson-Effekt durch einen konventionellen Wert der Josephson-Konstante reproduziert, und die thermodynamische Temperaturskala wird durch zwei konventionelle Temperaturskalen, die Internationale Temperaturskala von 1990 , reproduziert (ITS-90) und die vorläufige Tieftemperaturskala von 2000 (PLTS-2000) .

Stattdessen werden mit der bevorstehenden Überarbeitung des Internationalen Einheitensystems, dem sogenannten "neuen SI" , der Quanten-Hall-Effekt und der Josephson-Effekt wirklich SI-Realisierungen von Ohm und Volt liefern (siehe diesen Entwurf der mise en pratique von die elektrischen Einheiten).

Was schließlich den Begriff Implementierung anbelangt, so hat dieser, soweit ich weiß, keine spezifische technische Bedeutung in der Gemeinschaft der Metrologen, und er wird in der allgemeinen englischen Bedeutung verwendet (während Realisierung eine etwas andere Konnotation hat). So können wir beispielsweise von zwei verschiedenen Implementierungen eines Quanten-Hall-Widerstandsexperiments sprechen (weil einige Details unterschiedlich sein können).

Anmerkungen

¹ Anmerkung zur Notation: die Menge$\mathit{\Omega}_{90}$ist kursiv gesetzt, da es sich nicht um eine SI-Einheit handelt; geschweifte Klammern bezeichnen den Zahlenwert einer Größe, entsprechend der Notation$Q = \{Q\}[Q]$[4,5, und diese Frage ].

Verweise

[1] AM Thompson und DG Lampard (1956), „Ein neues Theorem in der Elektrostatik und seine Anwendung auf berechenbare Kapazitätsstandards“, Nature , 177, 888.

[2] LJ van der Pauw (1958), "Eine Methode zur Messung des spezifischen Widerstands und des Hall-Effekts von Scheiben beliebiger Form", Philips Research Reports , 13, 1–9.

[3] LJ van der Pauw (1958), "Eine Methode zur Messung des spezifischen Widerstands und des Hall-Koeffizienten an Lamellen beliebiger Form", Philips Technical Review , 20, 220–224.

[4] E. R. Cohen et al. (2008), Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry , IUPAC Green Book, 3. Auflage, 2. Druck, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge [ Online ]

[5] ER Cohen und P. Giacomo (1987), Symbols, Units, Nomenclature and Fundamental Constants in Physics , IUPAP SUNAMCO Red Book, 1987 überarbeitet, IUPAP & SUNAMCO, Niederlande [ Online ]