Forschung -

Neue Druckmessung basiert nur auf Naturkonstanten

Forscher haben eine primäre Methode zur Druckmessung entwickelt. Sie beruht auf elektrischen Messungen an Heliumgas und hängt lediglich von dessen Dielektrizitätskonstante ab.

Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben eine neuartige Methode zur Druckmessung realisiert, die nur von Naturkonstanten abhängt. Sie kann zur Überprüfung der genauesten Druckmessgeräte dienen. Eine solche Überprüfung war bisher nur im Bereich bis 100 000 Pa möglich, nun kann sie bis 7 000 000 Pa erfolgen. Damit wurde zum ersten Mal ein Vergleich zwischen mechanischer und elektrischer Druckmessung mit einer relativen Unsicherheit von weniger als 5 Millionstel durchgeführt. Zudem bietet die Methode einzigartige Möglichkeiten zur Untersuchung von Helium, einem wichtigen Modellsystem in der Grundlagenphysik.

Die genauesten Druckmessungen arbeiten nach dem Prinzip, dass Druck das Ergebnis einer senkrecht zu einer Fläche wirkenden Kraft ist. Bei einem Kolbenmanometer misst man den Gasdruck unter einem Kolben, dessen Fläche genau bekannt ist, indem man die auf den Kolben wirkende Gewichtskraft bestimmt. Da es jedoch Druckbereiche gibt, in denen selbst die besten Kolbenmanometer nicht so genau messen, wie es die Metrologen gerne hätten, bestehen seit langem Bestrebungen, alternative Druckmessverfahren zu entwickeln. „Unser neues Verfahren ist im Prinzip sehr einfach: Es beruht auf der Dichtebestimmung des Messgases Helium mittels einer Kapazitätsmessung. Dabei messen wir, inwieweit das Gas zwischen den Elektroden die Kapazität eines hochstabilen, speziellen Kondensators ändert“, erklärt PTB-Physiker Christof Gaiser. Weil in diese Methode nur eine universelle Eigenschaft von Heliumgas eingeht, die über die Dielektrizitätskonstante ausgedrückt wird, ist sie primär.

Damit haben Gaiser und seine Kollegen einen theoretischen Ansatz zum ersten Mal in die Praxis umgesetzt, den Mike Moldover bereits 1998 am amerikanischen Metrologieinstitut NIST formulierte. Dessen Realisierung erwies sich allerdings als schwierig, da sowohl die Präzisionskapazitätsmessung und die notwendigen hochstabilen Kondensatoren als auch die theoretischen Berechnungen unter alleiniger Verwendung von Naturkonstanten noch nicht mit der notwendigen Genauigkeit zugänglich waren. Darüber hinaus fehlte auch eine ausreichend gute Vergleichsmöglichkeit mit klassischen Kolbenmanometern.

All die experimentellen Hürden wurden im Laufe der letzten zehn Jahre an der PTB aus dem Weg geräumt. Durch die Arbeiten im Rahmen der Neudefinition der Basiseinheit Kelvin wurden sowohl die klassische Druckmessung mit Kolbenmanometern als auch die Kapazitätsmessung auf ein neues Niveau gehoben.

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