Temperaturskalen

Inhalt

1. Was ist Temperatur?
2. Die Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90)
3. Die Fixpunkte von ITS-90
4. Zusammenfassung

Was ist Temperatur?

Das Verständnis der Temperaturdefinition ist eine wichtige Grundlage für die Thermoelement- und Widerstandsthermometrie. Obwohl das Konzept einfach erscheint, ist Temperatur eine der komplexeren physikalischen Größen, die präzise definiert und gemessen werden müssen.

In der Messtechnik ist ein Referenzsystem von Einheiten erforderlich, um genaue Vergleiche zu ermöglichen. Die Temperatur ist eine der sieben Basisgrößen des Internationalen Einheitensystems (SI). Im Gegensatz zu anderen Basisgrößen wie Länge oder Masse lässt sie sich jedoch nicht direkt messen. Sie muss aus anderen messbaren physikalischen Eigenschaften wie Widerstand, Druck oder Spannung abgeleitet werden.

Die Standardeinheit der Temperatur ist Kelvin (K) , definiert als 1/273,16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von Wasser – der einzigartige Zustand, in dem Wasser gleichzeitig in fester, flüssiger und gasförmiger Phase vorliegt. Dies entspricht 0,01 °C auf der Celsius-Skala. Die Celsius- und Kelvin-Skala haben identische Intervalle; der einzige Unterschied ist der Startpunkt: 0 K entspricht -273,15 °C.

Traditionell wurden der Eispunkt (0°C) und der Dampfpunkt (100 °C) als praktische Referenztemperaturen verwendet. Bei Präzisionsmessungen können diese Referenzpunkte jedoch aufgrund von Faktoren wie Luftdruck und Luftsättigung leicht variieren. Beispielsweise wird der Tripelpunkt von Wasser in Abwesenheit von Luft definiert, während der Eispunkt luftgesättigtes Wasser unter Standarddruck beschreibt.

Die moderne Forschung hat alternative Fixpunkte eingeführt, wie zum Beispiel den Tripelpunkt von Gallium (~30 °C), was unter Laborbedingungen eine bessere Reproduzierbarkeit ermöglicht. Diese Entwicklungen tragen dazu bei, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Temperaturmessung zu verbessern.

Die Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90)

Die Entwicklung internationaler Temperaturskalen hat in der modernen Thermometrie eine entscheidende Rolle gespielt. Der erste weit verbreitete Standard, ITS-27 , wurde 1927 eingeführt und bot einen Rahmen für die konsistente Temperaturmessung mit Fixpunkten und kalibrierten Sensoren. Der Temperaturbereich reichte von -200 °C (knapp unter dem Siedepunkt von Sauerstoff) bis 1.065 °C (dem Gefrierpunkt von Gold), wobei Platin-Widerstandsthermometer (PRTs) bis 445 °C eingesetzt wurden und Pt-10 % Rh vs. Pt-Thermoelemente  (Typ S) für höhere Temperaturen spezifiziert wurden.

Im Jahr 1968 wurde diese ersetzt durch die IPTS-68 , die verbesserte Interpolationsformeln und einen größeren Temperaturbereich einführte. Es blieben jedoch Herausforderungen bestehen, insbesondere im Bereich von 630–961 °C, wo Thermoelemente Interpolationsfehler und Diskontinuitäten verursachten.

Am 1. Januar 1990  , wurde die  Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90) eingeführt, was einen deutlichen Fortschritt in puncto Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit darstellt. Zu den wichtigsten Verbesserungen gehörten:

• Erweiterung der Platin-Widerstandsthermometrie bis zu 961,78 °C (Gefrierpunkt von Silber), wodurch Thermoelemente in diesem Bereich überflüssig werden
• Auslaufen der Thermoelemente (z. B. Typ S) als definierende Instrumente aufgrund der eingeschränkten Reproduzierbarkeit (±0,2 °C), ersetzt durch präzisere PRTs
• Entfernung veralteter Fixpunkte , einschließlich der Siedepunkte von Neon, Sauerstoff und Wasser
• Erweiterung des Temperaturbereichs bis zu 0,65 K mittels Dampfdruckthermometrie
• Genauere Interpolationsgleichungen für verbesserte Präzision zwischen Fixpunkten
• Einführung von Unterbereichen , wodurch PRTs über begrenzte Zeitspannen kalibriert werden können und die Belastung durch extreme Temperaturen reduziert wird

Die ITS-90 unterteilt die Temperaturskala in  fünf überlappende Bereiche , jeweils mit eigener Messtechnik:

• 0,65 K bis 5 K unter Verwendung des Dampfdrucks von Helium
• 3 K bis 24,5561 K mittels Gasthermometrie mit konstantem Volumen
• 13,8033 K bis 273,16 K mittels Verhältnisthermometrie mit Tripelpunkten
• 0 °C bis 961,78 °C mit kalibrierten Platin-Widerstandsthermometern
• Über 961,78 °C mittels Strahlungsthermometrie basierend auf dem Planckschen Strahlungsgesetz

Obwohl Thermoelemente  wie die Typen S, R und B nicht mehr Teil der definierenden Skala sind, werden sie immer noch als  Sekundärstandards und für praktische Temperaturmessungen in der gesamten Industrie verwendet.

Die ITS-90 stellt keine perfekte Darstellung der thermodynamischen Temperatur dar, ist jedoch die genaueste und stabilste Skala, die jemals implementiert wurde, und bildet die Grundlage für die Temperaturkalibrierung und Rückverfolgbarkeit weltweit.

Die Fixpunkte der ITS-90

Zusammenfassung

• Die Temperatur kann nicht direkt gemessen werden und muss aus verwandten physikalischen Eigenschaften abgeleitet werden.
• Kelvin ist die SI-Einheit der Temperatur, definiert über den Tripelpunkt des Wassers.
• Die ITS-90-Skala bietet eine international anerkannte, hochpräzise Methode zur Temperaturmessung über einen weiten Bereich.
• Aufgrund ihrer besseren Reproduzierbarkeit hat die Widerstandsthermometrie Thermoelemente in hochpräzisen Anwendungen weitgehend ersetzt.

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