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PTB-News, Heft 1 | 2013 Dadurch ist es möglich, gewisse parasitäre Einflüsse wie eventuelle Taumelbewegungen der Zusatzmasse zu erkennen und in die Unsicherheitsangaben einzubeziehen. Mit diesem Verfahren können unterhalb der Resonanzfrequenz der Messanordnung, die von der Größe der Zusatzmasse abhängt, relative Messunsicherheiten von 0,5 % bis 1,0 %, darüber von einigen Prozent erreicht werden. Das Verfahren wird seit Kurzem als Dienstleistung der PTB angeboten. Ansprechpartner Christian Schlegel Fachbereich 1.2 Festkörpermechanik Telefon: (0531) 592-1230 E-Mail: christian.schlegel@ptb.de Wissenschaftliche Veröffentlichung Chr. Schlegel, G. Kieckenap, B. Glöckner, A. Buß, R. Kumme: Traceable periodic force calibration, Metrologia 49, 224–235 (2012) Genaue Windgeschwindigkeitsmessungen Rückgeführtes Doppler-Lidar-System zur Windpotenzialanalyse und Leistungskurvenvermessung von Windenergieanlagen Besonderes Interessant für • die Windenergiebranche Messvolumen Zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von Windparks werden Windpotenzialanalysen durchgeführt, die bislang auf der Messung von Windgeschwindigkeiten mithilfe von Messmasten beruhen. Ein in der PTB entwickeltes Doppler-Lidar-System zur rückgeführten bodengestützten laseroptischen Windgeschwindigkeitsmessung könnte in Zukunft aufwendig zu errichtende Messmasten überflüssig machen. Wesentliche Grundlage bei der Planung von Windparks sind Windpotenzialanalysen zur Bewertung der Windverhältnisse am beabsichtigten Standort. Zusammen mit der vermessenen Leistungskurve der dort aufzustellenden Windkraftanlagen kann die im Jahresmittel zu erwartende produzierte elektrische Energie berechnet werden. Dies ist unerlässlich zur Beurteilung der Rentabilität eines Windparks. Sowohl für Windpotenzialanalysen als auch für Leistungskurvenvermessungen ist es nötig, die Windgeschwindigkeitsprofile in Höhe der Rotorblätter zu erfassen. Dies geschieht bislang mit rückgeführten, also von akkreditierten Kalibrierlaboratorien kalibrierten Anemometern, die an Messmasten montiert sind. Da Windenergieanlagen tendenziell immer höher werden, wächst auch der Aufwand für den Bau dieser Masten beträchtlich. Daher wird zurzeit untersucht, ob stattdessen auch wirtschaftli- Messvolumina Links: Konventionelles Wind-Lidar-System, das den Windvektor durch Messung einzelner Geschwindigkeitskomponenten über unterschiedliche, ausgedehnte Messvolumina anhand der Dopplerverschiebung des Streulichts bestimmt. Rechts: PTB-Konzept mit räumlich getrennten Empfängern (RX) und Sender (TX), das eine vektorielle Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in einem definierten Messvolumen ermöglicht. chere Fernmessverfahren auf Basis von Doppler-Lidar-Systemen eingesetzt werden können. In der Windenergiebranche publizierte Untersuchungsergebnisse weisen auf vielversprechende Möglichkeiten der Lidar-Technik hin. Doch fehlen noch geeignete Verfahren zur messtechnischen Rückführung. Die in der Windenergiebranche eingesetzten Wind-Lidar-Systeme enthalten üblicherweise eine gemeinsame Sende-/ Empfangsoptik (Abbildung links), sodass Sende- und Empfangsstrahl übereinander liegen (monostatisch, monoaxial). Bei diesem Verfahren wird die Strömungsge- schwindigkeitskomponente in Strahlrichtung mit einer Höhenauflösung von ca. 20 m gemessen, wobei der Strahl zur vollständigen Erfassung des Geschwindigkeitsvektors in verschiedene Richtungen geschwenkt wird. Für den geplanten Einsatzzweck wäre jedoch eine bessere Höhenauflösung wünschenswert. Außerdem können in unebenem Gelände Strömungsinhomogenitäten über den Schwenkbereich des Strahls zu Verfälschungen des Messergebnisses führen. Die Folge sind Messabweichungen von bis zu 10 %, die eine Rückführung von Lidar-Windgeschwindigkeitsmessungen Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut 4
Forschungsnachrichten bisher noch nicht mit der geforderten Messunsicherheit zulassen. Das in der PTB entwickelte bistatische Doppler-Lidar-System mit räumlich getrennten Sende- und Empfangseinrichtungen (Abbildung rechts) erlaubt räumliche Auflösungen im Kubikzentimeterbereich und die vektorielle Erfassung der Geschwindigkeit an einem einzelnen Messort. Dieses System kann sowohl zum Einmessen eines konventionellen Systems im jeweiligen Gelände als auch für die Erstellung rückgeführter Windpotenzialanalysen und Leistungskurven genutzt werden. Ansprechpartner Michael Eggert Fachbereich 1.4 Strömungsmesstechnik/Gase Telefon: (0531) 592-1317 E-Mail: michael.eggert@ptb.de Wissenschaftliche Veröffentlichung M. Eggert, H. Müller, H. Többen: Doppler- Lidar-Transfernormal zur Windgeschwindigkeitsmessung: Aktueller Entwicklungsstand. 20. Fachtagung „Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik“, S.10/1–10/6 (2012) Ungestörte Anregung mit gepulstem Licht PTB präsentiert neues Verfahren zur Laseranregung in optischen Atomuhren Besonders interessant für • Entwickler optischer Atomuhren • Quanten-Informationsverarbeitung Erstmals wurde in der PTB ein bisher nur theoretisch vorhergesagtes Verfahren experimentell bestätigt, mit dem sich sogenannte „Lichtverschiebungen“ vermeiden und somit die optische Ytterbium-Atomuhr der PTB zukünftig noch genauer machen lässt. Darüber hinaus wird die hier untersuchte „Hyper“- Ramsey-Anregung für viele Anwendungen hilfreich sein, bei denen es auf eine präzise kontrollierte Wechselwirkung zwischen Atomen und Laserlicht ankommt. Sehr genaue Information über die innere Struktur von Atomen und Molekülen erhält man durch Anregung mit resonantem Laserlicht. Leider kann eben jenes Laserlicht – sofern es intensiv ist – zu messbaren Veränderungen innerhalb der Atomhülle führen. Bei dieser „Lichtverschiebung“ wird die Lage der atomaren Energieniveaus verändert; das Ausmaß hängt von der Intensität und Wellenlänge des verwendeten Lasers ab. Ist man an den Eigenschaften des Atoms als einem ungestörten Quantenobjekt interessiert, so muss man diese Verschiebung vermeiden oder korrigieren. Bei der sogenannten „Hyper“-Ramsey- Anregung sorgt eine Folge von Laserpulsen mit einem speziellen Muster von Frequenz- und Phasensprüngen dafür, dass die ungestörte atomare Übergangsfrequenz direkt wiedergegeben werden kann. Dies war kürzlich in einer Zusammenarbeit von russischen, amerikanischen und PTB-Wissenschaftlern theoretisch gezeigt worden. Die experimentelle Realisierung der „Hyper“-Ramsey- Anregung gelang jetzt in der PTB an einem atomaren Übergang, der es erlaubt, sehr kleine Frequenzänderungen nachzuweisen, und der gleichzeitig eine große Lichtverschiebung aufweist, da zu seiner Anregung eine hohe Laserintensität benötigt wird. Es handelt sich um einen elektrischen Oktupolübergang im Yb + -Ion, der in der PTB als Basis einer optischen Uhr untersucht wird. Das Experiment konnte die theoretischen Vorhersagen über die Vorteile der „Hyper“-Ramsey-Anregung bestätigen und erreichte eine zehntausendfache Unterdrückung der Lichtverschiebung. Kombiniert man die gegenwärtig maximal erreichbare spektrale Auflösung mit einer optimierten Experimentsteuerung, lässt sich der Beitrag der Lichtverschiebung zur systematischen Unsicherheit der Ytterbiumuhr auf unter 10 –17 reduzieren; die Uhr wird also deutlich genauer. Darüber hinaus dürfte die neue Methode auch für andere Untersuchungen interessant sein, bei denen es auf eine präzise kontrollierte Wechselwirkung zwischen Ein spezielles Muster der Frequenz des Anregungslichtes mit definierten Phasensprüngen erlaubt in der Yb + -Einzelionenuhr die Unterdrückung der Lichtverschiebung und damit eine höhere Genauigkeit. Atomen und Laserlicht ankommt, etwa auf dem Gebiet der Quanten-Informationsverarbeitung. Ansprechpartner Ekkehard Peik Fachbereich 4.4 Zeit und Frequenz Telefon: (0531) 592-4400 E-Mail: ekkehard.peik@ptb.de Wissenschaftliche Veröffentlichung N. Huntemann, B. Lipphardt, M. Okhapkin, Chr. Tamm, E. Peik, A.V. Taichenachev, V.I. Yudin: Generalized Ramsey excitation scheme with suppressed light shift. Phys. Rev. Lett. 109, 213002 (2012) Physikalisch-Technische Bundesanstalt ■ Braunschweig und Berlin Nationales Metrologieinstitut 5
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