Implementierung des revidierten Internationalen Einheitensystems Uwe Siegner Physikalisch-Technische Bundesanstalt

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Elsa Karola Hausler
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1 Implementierung des revidierten Internationalen Einheitensystems Physikalisch-Technische Bundesanstalt 303. PTB-Seminar 17. Mai 2017

2 Übersicht Das heutige Internationale Einheitensystem (SI): Nutzen, Probleme und Motivation für die Revision Besonderheit der elektrischen Metrologie: konventionelle Einheiten Das revidierte SI Implementierung des revidierten SI Zeitplan und Zusammenfassung Seite 2 von 27

3 The present International System of Units (SI) Meter Convention: Treaty of 1875 Today about 100 member/ass. states luminous intensity length mass 97 % of the world economy amount of substance time Present SI 7 base units 22 derived units temperature electric current Seite 3 von 27

4 The present International System of Units (SI) luminous intensity length mass amount of substance time Dn Cs temperature electrical current Seite 4 von 27

5 The present International System of Units (SI) luminous intensity length mass speed of light in vacuum c amount of substance time temperature electric current Seite 5 von 27

6 The present International System of Units (SI) luminous intensity length mass IKP amount of substance time temperature electric current Seite 6 von 27

7 The present International System of Units (SI) luminous intensity length mass amount of substance time temperature electric current Seite 7 von 27

8 The present International System of Units (SI) luminous intensity length mass Triple point of water amount of substance time temperature electrical current Seite 8 von 27

9 Shortcomings of the present SI Drift between IKP and its copies, 5 x 10-8 International Kilogram Prototype Kelvin: Triple point of water Material property, impurities Ampere academic Seite 9 von 27

10 The ampere definition of the present SI SI realization of the ampere: admissible physics restricted to classical electrodynamics Quantum physics is excluded: present definition is a barrier to innovation Uncertainty of the SI realization only parts in 10 7 Conventional units are disseminated and used in practice Seite 10 von 27

Josephson effect, K J-90, conventional volt 139 264

Agreed-upon Josephson constant K J-90 = 483 597.

11 Josephson effect, K J-90, conventional volt contacts U = nf K J K J = 2e h Josephson constant Agreed-upon Josephson constant K J-90 = GHz/V à conventional volt Reproducibility: parts in Seite 11 von 27

12 Seite 12 von 27

13 Quantum Hall effect, R K-90, conventional ohm GaAs/AlGaAs heterostructure, 0.1 K, 1 µa R h ie xy = = 2 R i K R von Klitzing K constant Agreed-upon von Klitzing constant R K-90 = Ω à conventional ohm Reproducibility: parts in Seite 13 von 27

14 : Goals Universal system not relying on artefacts and being valid everywhere Improved long-time stability Open to innovation Seamless transition from the present to the revised SI Seite 14 von 27

15 mit Zühilfenahme der Constanten Einheiten aufstellen für alle Zeiten und Culturen Seite 15 von 27

16 Revised International System of Units Draft of the 9th SI Broschure, 10 November 2016 Seven defining constants with fixed numerical value in SI units Experimental links exist between defining constants and units Defining constants known with small uncertainty Seite 16 von 27

17 Relation between units and constants Present SI Existence of constant quantity Q, e.g., elementary charge or Planck constant Known SI unit [Q] à numerical value {q} of the constant quantity: {q} = Q / [Q] Existence of constant quantity Q Defined numerical value {q} of the constant quantity Q in SI units à SI unit [Q]: [Q] = Q / {q} Seite 17 von 27

18 Base units and defining constants No conceptual difference between base units and derived units Present SI base units are kept for historical continuity Base units (and derived units) are linked to the defining constants Seite 18 von 27

19 The ampere in the revised SI Draft of the 9th SI Broschure, 10 November 2016 Seite 19 von 27

20 The ampere in the revised SI Draft of the 9th SI Broschure, 10 November 2016 Textbook definition: current = charge/time I = ef = e/t f frequency T time Experimental realization: single-electron transport Seite 20 von 27

21 Übersicht Das heutige Internationale Einheitensystem (SI): Nutzen, Probleme und Motivation für die Revision Besonderheit der elektrischen Metrologie: konventionelle Einheiten Das revidierte SI Implementierung des revidierten SI Zeitplan und Zusammenfassung Seite 21 von 27

22 Was ändert sich für die elektrische Messtechnik bei der Einführung des revidierten SI Elementarladung e und Planck-Konstante h haben feste Werte ohne Unsicherheit K J-90 und R K-90 sind entbehrlich K J = 2e/h ersetzt K J-90 : relative Änderung d von Spannungswerten ca. 1 x 10-7 R K = h/e 2 ersetzt R K-90 : relative Änderung d von Widerstandswerten ca. 2 x 10-8 Die weitergegebenen elektrischen Einheiten sind wieder im SI Seite 22 von 27

23 Was ist zu tun? In Textdokumenten (QM-Dokumentation, Kalibrierscheine etc.) K J-90 und R K-90 durch K J und R K ersetzen Software aktualisieren: Numerische Werte von K J und R K benutzen anstelle der numerischen Werte von K J-90 und R K-90 à betrifft besonders Hersteller und Nutzer von Josephson- Spannungsnormalen und Quanten-Hall-Widerstandsnormalen Seite 23 von 27

24 Was ist zu tun? Überprüfen ob Rückführung gegeben ist gemäß der CCEM Guidelines for Implementation of the CCEM: Beratendes Komitee der Meterkonvention für Elektrizität und Magnetismus Guideline Dokument wird z. Z. redaktionell bearbeitet, Inhalt steht fest Ziel: maintaining critical measurement traceability while avoiding unnecessary effort Seite 24 von 27

25 CCEM Guidelines for Implementation of the U: erweiterte Messunsicherheit (k = 2) d: relative Änderung Spannung: d etwa 1 x 10-7 Widerstand: d etwa 2 x 10-8 Andere Größen: d berechenbar auf Basis von Spannung, Widerstand 2,5 d U: kein Handlungsbedarf Durch die Einführung der revidierten SI verringert sich nur die Wahrscheinlichkeit des Vertrauensintervals von 95% auf 87 % Mehrzahl der Fälle 2,5 d > U: numerische Korrektur oder Rekalibrierung Quantennormale, andere Normale auf höchstem Niveau Seite 25 von 27

26 Zeitplan (Stand 1. Mai 2017) Bis Sept. 2017: Letzte CODATA Ausgleichsrechnung zur Festlegung der definierenden Konstanten Bis Ende 2017: Gremien der Meterkonvention (CCU, CIPM) beschließen die Werte der definierenden Konstanten Bis Mai 2018: CCEM Guideline Dokument, die exakten numerischen Werte der definierende Konstanten und die empfohlenen Werte von K J und R K (empfohlene Anzahl Nachkommastellen) veröffentlicht Nov. 2018: Generalkonferenz (CGPM) der Meterkonvention beschließt die Einführung des revidierten SI 20. Mai 2019 (World Metrology Day): revidiertes SI tritt in Kraft Seite 26 von 27

27 Zusammenfassung Revidiertes SI: universell, offen für wissenschaftlich-technische Innovationen, langzeitstabil wird lange Bestand haben Die weitergegeben elektrischen Einheiten sind Teil des revidierten SI Sprünge in den weitergegeben elektrischen Einheiten sind nur auf bestem Unsicherheitsniveau relevant Vorbereitung auf die Umstellung kann bereits jetzt beginnen QM Dokumente Kalibriersoftware Rückführung Bis Mai 2018 (geplant): exakte numerische Werte 20. Mai 2019 (geplant): Einführung, das revidierte SI wird das SI Seite 27 von 27

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Bundesallee 100 38116 Braunschweig Dr.

28 Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Bundesallee Braunschweig Dr. Abteilung Elektrizität Telefon: Stand: 12/2014

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