Druck ist das Ergebnis einer senkrecht auf eine Fläche wirkenden Kraft. Nach diesem Prinzip arbeiten auch die genauesten Druckmessungen. Bei einem Kolbenmanometer misst man den Gasdruck unter einem Kolben, dessen Fläche ganz genau bekannt ist, indem man die auf den Kolben wirkende Gewichtskraft bestimmt. Die Kolbenmanometer der PTB sind die derzeit genauesten Druckmessgeräte der Welt: Doch immer noch gibt es Druckbereiche, in denen selbst die besten Kolbenmanometer nicht so genau messen, wie es die Metrologen gerne hätten.
„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 eine primäre Methode.
Mike Moldover formulierte bereits 1998 am amerikanischen Metrologieinstitut NIST die Idee, den Druck über eine elektrische Messung (Kapazitätsmessung) unter Verwendung theoretischer Berechnungen der Gaseigenschaften von Helium zu messen. Die Realisierung dieser Idee erwies sich allerdings als große Herausforderung. Sowohl die Präzisionskapazitätsmessung als auch die notwendigen hochstabilen Kondensatoren sowie die theoretischen Berechnungen unter alleiniger Verwendung von Naturkonstanten waren noch nicht mit der notwendigen Genauigkeit zugänglich. Darüber hinaus fehlte noch eine ausreichend gute Vergleichsmöglichkeit mit klassischen Kolbenmanometern.
Diese experimentellen Hürden hat die PTB aus dem Weg geräumt. Durch die Arbeiten im Rahmen der Neudefinition der Basiseinheit Kelvin, die im Mai 2019 mit der Einführung des verbesserten Einheitensystems ihren Abschluss fanden, wurden die klassische Druckmessung mit Kolbenmanometern und die Kapazitätsmessung auf ein neues Niveau gehoben.
Mit den neuesten theoretischen Berechnungen verschiedener Gruppen weltweit ist es nun erstmals gelungen, den Druck von 7 Mio. Pa, das heißt dem siebzigfachen Normaldruck, mit einer relativen Unsicherheit von weniger als 5 Millionstel zu messen. Diese Messung wurde durch den Vergleich mit dem klassischen Kolbenmanometer bestätigt. Es war der erste Vergleich zwischen mechanischer und elektrischer Druckmessung „auf Augenhöhe“. Damit steht eine zweite Methode zur hochgenauen Druckkalibrierung zur Verfügung. Die Methode und der direkte Vergleich zum klassischen Drucknormal bieten die Möglichkeit, theoretische Berechnungen von Helium zu überprüfen. Darüber hinaus können auch andere Gase vermessen werden und sowohl die Theorie als auch die Gasmetrologie weiterentwickelt werden. ■
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