Grundlagen

In diesem einführenden Kapitel wird auf grundlegende Fragen zum Thema Kalibrierung eingegangen. Es soll an dieser Stelle nur ein kurzer Überblick über diese komplexe Materie gegeben werden, da allzu umfangreiche Erläuterungen den Rahmen dieses Wegweisers durch den Arbeitsbereich der Temperaturmessung sprengen würde.

Was ist Temperatur?

Der Begriff Temperatur ist ein im Alltag viel benutztes Wort, doch was genau ist Temperatur? Zunächst einmal muss streng zwischen der physikalischen Größe Temperatur und dem Begriff Wärme unterschieden werden.

Viele wissenschaftliche Erklärungen beziehen sich auf die Theorie der Kinetik. Die Temperatur wird beschrieben als ein Maß für die durchschnittliche Energie der ungeordneten Bewegung von Molekülen aus denen ein Körper besteht.

Aus dieser Überlegung folgt der Gedanke, dass es eine minimale erreichbare Temperatur geben muss. Diese Temperatur herrscht dann vor, wenn die molekulare Energie am geringsten ist. Diese „niedrigste“ Temperatur liegt bei „absolut 0 Grad“ und wird in den Gesetzen der Thermodynamik aufgegriffen. (Auf den 0. Hauptsatz der Thermodynamik wird im Kapitel „Die Zwei Methoden der Kalibrierung“ näher eingegangen.)

Die Gesetzmäßigkeiten eines idealen Gases wurden von Wissenschaftlern und Physikern verwendet, um die „Kelvin Thermodynamic Temperature Scale“ (KTTS) zu beschreiben. Diese Gasgesetze definieren das Verhältnis zwischen Druck und Volumen eines Gases.

Ein ideales Gas verhält sich folgendermaßen:

 PV = NkT

= Druck von Gas

= Volumen von Gas

= Anzahl der Moleküle des Gases

= Bolzmannsche Konstante (1,3807 x 10 – 23 J/K)

= thermodynamische Temperatur

Das folgende Bild zeigt eine vereinfachte Skizze eines Gasthermometers:

Gasthermometer

Gasthermometer

Im flüssig-festen Gleichgewichtszustand des Wassers (Eispunkt) und unter atmosphärischem Druck herrscht eine Temperatur von 273,15 K.

An dem zylindrischen Kolben, der ein konstantes Volumen vorgibt, ist ein U-Rohrmanometer angeschlossen. Auf der anderen Seite des U-Manometers befindet sich ein Quecksilberreservoir mit einem Kolben zur Einstellung der Quecksilberhöhe. Der, sich in der Graphik links befindende, Kolben und die daran angeschlossene Röhre enthalten ein ideales Gas. Das Volumen des idealen Gases ist konstant. Wird nun dieser Gaskolben erhitzt, dehnt sich das Gas aus und die Quecksilberhöhe im Manometer steigt an. Mit dieser Vorrichtung kann also anhand physikalischer Begebenheiten ein Temperaturunterschied gemessen werden. Die Verwendung solch eines Gasthermometers, aber auch anderer, vereinfachter Messverfahren zur Bestimmung thermodynamischer Temperaturen, ist jedoch nicht sehr genau.

Dieser Entwurf des Gasthermometers wurde verwendet, um daran angeknüpft die „ Kelvin Thermodynamic Temperature Scale“ zu entwickeln. Die weitaus praktischere „Internationale Temperaturskala“ wurde später von dieser thermodynamischen Temperaturskala abgeleitet. Die derzeit gültige Skala ist die Internationale Temperaturskala von 1990, die so genannte ITS-90. Die Skala basiert auf physikalischen Naturkonstanten. Das sind gegebene Gleichgewichtszustände der reinen Substanzen. So genannte fixe Temperaturen oder Fixpunkte können von diesen abgeleitet werden. Näheres über Fixpunkte ist in dem Kapitel „Die Zwei Methoden der Kalibrierung“ zu lesen.

Warum unterscheidet sich die Messung der Temperatur von der Messung anderer Parameter?

Die Messung der Temperatur unterscheidet sich von Messungen anderer Parameter, da sie zum Beispiel nicht einfach addiert werden kann, wie bei Gewichten. Werden einer Masse von 3 kg weitere 2 kg hinzugeführt, ergibt sich eine Gesamtmasse von 5 kg. Die Temperatur verhält sich anders. Schüttet man zwei Tassen mit 40 °C warmen Kaffee zusammen, ergibt es zwar die doppelte Menge aber keinen 80 °C warmen Kaffee.

Mit der Thematik der Temperaturmessung bzw. der Messtechnik setzt sich die Metrologie auseinander. Um Temperaturen messen zu können, werden Hilfsmittel benötigt, wie z.B. ein Quecksilberthermometer, bei dem die Veränderung der Quecksilbersäule gemessen wird. Oder es können elektrische Thermometer verwendet werden, bei denen die Änderung des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperaturänderung gemessen wird. Es kann also niemals „die Temperatur“ direkt gemessen werden, sie muss immer anhand anderer, vor allem messbarer, Parameter abgeleitet werden.

Was macht die Kalibrierung von Thermometern notwendig?

Es gibt einen verallgemeinernden Ausspruch, der aber auf sehr prägnante Art und Weise die Frage kurz und knapp beantwortet.

„Grundsätzlich zeigen alle Thermometer falsche Werte an.“

Es müssen demnach alle Thermometer kalibriert werden, um herauszufinden, wie falsch sie messen.

Kein Thermometer ist konstant. Thermometer und Sensoren, wie beispielsweise Quecksilber- Thermometer, Thermoelemente, Thermistoren und Widerstands-Thermometer ändern mit der Zeit und unter Temperatureinfluss stetig ihre Charakteristik. Des Weiteren können Thermometer bei ihrer Anwendung kontaminiert werden.

Aufgrund von Qualitätsstandards ist im Laufe der Zeit die Notwendigkeit der Kalibrierung entstanden. Zum einen wurde sie für den Zweck von vergleichbaren Produktionen eingeführt, aber auch, um beispielsweise in medizinischen und anderen Bereichen Leben zu schützen. Kalibrierungen können zudem die Effizienz steigern. Wenn die Charakteristik eines Thermometers bekannt ist, können Messwerte viel stärker eingegrenzt und damit Kosten gespart werden. Die Nachfrage nach kalibrierten Temperaturfühlern hat in den letzten Jahren zugenommen.

Was bedeutet Rückführbarkeit?

Das internationale Wörterbuch der Metrologie definiert Rückführbarkeit als „die Eigenschaft eines Messergebnisses oder des Wertes eines Normals, durch eine ununterbrochene Kette von Vergleichsmessungen mit angegebenen Messunsicherheiten auf geeignete Normale, im allgemeinen Internationale oder Nationale Normale, bezogen zu sein“.

Die Pyramide der Rückführbarkeit

Die im Folgenden dargestellte Pyramide stellt die Hierarchie der Rückführbarkeit dar. An der Spitze steht das Primärlabor, oftmals das nationale Labor, das mit Temperatur-Normalen arbeitet, welche die ITS-90 definiert. Darunter stehen die Sekundärlabore. Die Normale, die diese Labore benutzen, sind rückführbar auf die ITS-90, da deren Fixpunkte und SPRT´s regelmäßig von einem Primärlabor kalibriert werden. Unter dem Sekundärlabor stehen die industriellen Labore sowie die industriellen Nutzer. Die in der Industrie verwendeten Normale und dazugehörigen Geräte werden mit den Normalen der Sekundärlabore verglichen. Durch das kontinuierliche Vergleichen der Thermometer untereinander können die in der Industrie eingesetzten Thermometer (Basis der Pyramide) bis hin zu den Temperatur-Normalen der Primärlabore (Spitze der Pyramide) rückgeführt werden.

Pyramide der Rückführbarkeit

Pyramide der Rückführbarkeit

Ein digitales Handthermometer mit einem Typ K Thermoelement wird beispielsweise in einer Service-Werkstatt in einem Metallblockkalibrator kalibriert. Der Metallblockkalibrator wurde zuvor in einem akktreditierten Sekundärlabor mit einem industriellen Platinwiderstandsthermometer (IPRT) kalibriert. Dieses IPRT wurde gegen ein Normal-Platinwiderstandsthermometer (SPRT) kalibriert, welches in einem Primärlabor in Fixpunktzellen kalibriert wurde. So ist das Typ K Thermoelement mit dem digitalen Handthermometer durch eine „ununterbrochene Kette von Vergleichen“ rückführbar auf die ITS-90.

Was sind eigentlich Temperatur-Normale?

Im Bereich von -189°C bis 962°C wird die ITS-90 über 9 Fixpunkte definiert. Die definierenden Fixpunkte sind thermodynamische Gleichgewichtszustände während der Phasenübergänge reiner Substanzen (Schmelzpunkte, Erstarrungspunkte oder Tripelpunkte). Die Phasen-Temperaturübergänge an den Fixpunkten werden mit festgelegten Normalgeräten gemessen, die an den Fixpunkten kalibriert werden. Die ITS-90 schreibt ein Normalplatin-Widerstandsthermometer (SPRT) für diesen Zweck vor, es wird Interpolationsgerät genannt.

Was sind akkreditierte Kalibrierdienste?

Akkreditierte Kalibrierdienste gibt es auf der ganzen Welt. In einer multilateralen Vereinbarung haben sich die Kalibrierdienste der meisten Länder zur gegenseitigen Anerkennung ihrer Kalibrierscheine verpflichtet. Die Internationale Organisation für Standardisierung hat mit der ISO/ IEC 17025 (früher: ISO Guide 25 & EN45001) die weltweiten Standards festgelegt und grundsätzliche Anforderungen an die Kompetenz von Kalibrier- und Testlabore geschaffen. Solche Vereinbarungen ermöglichen ein internationales Zusammenarbeiten. So werden in Deutschland akkreditierte Kalibrierlaboratorien regelmäßig vom Deutschen Kalibrierdienst (DKD) überwacht und die DKD-Kalibrierscheine werden weltweit als Nachweis einer rückführbaren Kalibrierung anerkannt.