Kalibriermethoden

Die zwei Methoden einer Kalibrierung

Grundsätzlich werden zwei Methoden der Temperaturkalibrierung unterschieden: dieVergleichskalibrierung und die Fixpunktkalibrierung

1. Die Vergleichskalibrierung

Bei der Vergleichskalibrierung wird ein zu kalibrierendes Thermometer mit einem bekannten, kalibrierten Thermometer verglichen. Das Prinzip der Vorgehensweise basiert auf dem 0. Hauptsatz der Thermodynamik.

Es existieren vier Hauptsätze der Thermodynamik. Der 0. Hauptsatz wurde 1848 zwar als letzter Hauptsatz von Sir William Thomson (Lord Kelvin) entwickelt, doch wegen seiner fundamentalen Bedeutung nicht als vierter Hauptsatz, sondern als 0. Hauptsatz der Thermodynamik benannt.

Der 0. Hauptsatz besagt: „Wenn sich zwei Systeme im Gleichgewicht befinden und jedes hat die gleiche Temperatur wie ein drittes, dann haben auch alle die gleiche Temperatur wie das Dritte“. Etwas anders ausgedrückt: Wenn zwei Systeme A und B sich jeweils mit einem dritten System C im thermischen Gleichgewicht befinden, so stehen alle Systeme untereinander im Gleichgewicht. Herrscht also in A und B die gleiche Temperatur, wird in C ebenfalls diese Temperatur zu messen sein.

Kalibriereinsatz

Kalibriereinsatz

Anhand dieses Hauptsatzes kann das Prinzip der Temperaturkalibrierung erklärt werden:

Wenn also ein kalibriertes Thermometer die gleiche Temperatur angibt, wie sie tatsächlich in einem Kalibrierbad herrscht, und das zu kalibrierende Thermometer ebenfalls diese Temperatur angibt, dann messen das zu kalibrierende Thermometer und das kalibrierte Thermometer die gleiche Temperatur.

Das trifft jedoch ausschließlich dann zu, wenn ein Gleichgewichtszustand besteht. In einer realen Welt ist dieser leider nicht immer der Fall. Im Kapitel über mögliche „Fehlerquellen“ wird auf dieses Problem näher eingegangen.

Das Normalthermometer, also die Referenz, mit der das zu kalibrierende Thermometer verglichen wird, wird verwendet, um eine absolute Messung durchführen zu können. Für die Verwendung des Normalthermometers und des Temperaturanzeigers wird ein Kalibrierzertifikat benötigt, das von einem akkreditierten Labor ausgestellt wird.

Das Vergleichsbad stellt ein Kalibriervolumen mit einer konstanten Temperatur zur Verfügung, in das die Thermometer eingetaucht werden. Es wird für das Vergleichsbad kein Kalibrierzertifikat benötigt, dennoch sollte die Temperaturstabilität und Homogenität des Bades bekannt sein. Diese Werte können in einem Untersuchungsbericht aufgeführt werden. Die Leistungsfähigkeit des Vergleichsbades ist einer der Faktoren, der für die Qualität einer Kalibrierung bestimmend ist.

2. Fixpunktkalibrierung

Der Brockhaus definiert den Fixpunkt als „physikalisch sehr genau definierten, experimentell verhältnismäßig leicht einstellbaren Temperaturpunkt reiner Stoffe (wie Tripel-, Schmelz-, Erstarrungspunkte) zur gesetzlichen Festlegung einer Temperaturskala und zur Eichung von Thermometern.“ [1]

Als ein Beispiel für einen Fixpunkt kann ein Gefäß mit schmelzendem Eis betrachtet werden. Bei 0,01°C liegt der Temperaturpunkt, an dem hochreines Wasser erstarrt und Eis schmilzt.

In den vergangenen Jahrzehnten gab es bereits verschiedene Temperaturskalen, die immer weiter präzisiert wurden. 1990 löste die aktuell gültige „Internationale Temperaturskala“ (ITS-90) die davor gültige „Internationale Temperaturskala von 1968“ (IPTS) ab.

So war früher der Eispunkt ein Fixpunkt, der jedoch 1954 durch den Wassertripelpunkt ersetzt wurde. Der Wassertripelpunkt ist präziser und reproduzierbarer darstellbar als der Eispunkt.

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. 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.

Fixpunkt

Zustand

Temperatur in °C

Argon Tripelpunkt -189,3442
Quecksilber Tripelpunkt -38,8344
Wasser Tripelpunkt 0,010
Gallium Schmelzpunkt 29,7646
Indium Erstarrungspunkt 156,5985
Zinn Erstarrungspunkt 231,928
Zink Erstarrungspunkt 419,527
Aluminium Erstarrungspunkt 660,323
Silber Erstarrungspunkt 961,78

geschlossene Temperatur-Fixpunkt Zelle

geschlossene Temperatur-Fixpunkt Zelle

Die ITS-90 definiert Anforderungen an SPRTs. Und sie stellt die notwendige Mathematik zur Verfügung, um die SPRTs als Interpolationsinstrument verwenden zu können. Das heißt, die ITS-90 ermöglicht es, den elektrischen Widerstand des SPRTs in Temperatur umzurechnen.

Es gibt unterschiedliche Typen von ITS-90 Fixpunkten. Fixpunkte können eine offene oder eine geschlossene Konstruktion haben.

Da die Ausrüstung, mit der ein nationales Labor arbeitet, sehr teuer und spezialisiert ist, ist es schwer, diese wirtschaftlich zu betreiben. Es gibt jedoch eine weitere Gruppe von Zellen, die speziell für die Anwendung in Sekundärlaboren und industriellen Laboratorien konstruiert wurden. Die Rede ist von „Schlanken Zellen“. Sie sind in der Industrie von großem Nutzen, da sie eine hohe Genauigkeit der Kalibrierungen mit hervorragenden Messunsicherheiten ermöglichen und sich dabei wirtschaftlich betreiben lassen.

Schlanke Fixpunktzellen können in industriellen Kalibriergeräten, wie zum Beispiel Blockkalibratoren, in Betrieb genommen werden.

Schlanke Temperatur-Fixpunkte

Schlanke Temperatur-Fixpunkte

Der Wasser-Tripelpunkt ist der wichtigste Fixpunkt, der zur Kalibrierung von Thermometern nach der Internationalen Temperaturskala von 1990 verwendet wird. Der Wasser-Tripelpunkt stellt sich bei der Temperatur ein, bei der hochreines Wasser in allen drei Aggregatzuständen vorliegt. Also das Wasser gleichzeitig flüssig, fest und gasförmig ist. Es ist der einzige darstellbare, definierende Fixpunkt, der sowohl bei der Kelvin thermodynamischen Temperaturskala (KTTS) und der ITS-90 vorkommt. Der zugehörige Wert dieser Skalen ist 273,16K (0,01°C).

Temperatur Fixpunkt

Temperatur Fixpunkt

Die thermodynamische Temperaturskala ist per Definition linear. Der tiefste Wert ist der absolute Nullpunkt. Er liegt bei 0K, das entspricht -273,15°C. Das ist die Temperatur, an der die molekulare Energie an ihrem absoluten Minimum liegt. Bis hierhin gelten die Regeln der Thermodynamik. Für die thermodynamische Temperaturskala wird neben dem Nullpunkt nur noch ein weiterer Punkt benötigt, nämlich der Wasser-Tripelpunkt.

Es ist zu beachten, dass eine Temperatureinteilung von 1°C identisch ist mit der Temperatureinteilung von 1K.

Steigung Temperatur

Steigung Temperatur

Ein Beispiel für eine Kalibrierung an einem ITS-90 Fixpunkt

Gallium ist ein Metall, das bei 29,7646°C schmilzt. Eine Galliumzelle besteht aus einem geschlossenen Behältnis mit reinem Gallium, das in der Mitte einen Messkanal hat, in welchem das Thermometer eingegeben wird. Die Zelle wird im Galliumkalibrator in Betrieb genommen.

Die Aufgabe des Kalibrators ist es, die Zelle entweder zu heizen oder zu kühlen.

Bei Raumtemperatur (22°C) ist das gesamte Material in der Zelle erstarrt.

Fixpunkt-Kalibrierung

Fixpunkt-Kalibrierung

Wird der Kalibrator in den Schmelzmodus geschaltet, steigt die Temperatur des Kalibrators auf 30,2°C. Anfänglich steigt dann auch die Temperatur in der Zelle bis sich ein Plateau einstellt. Das ist der Punkt, an dem das Gallium anfängt zu schmelzen, also der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand beginnt. Während dieser Übergangsphase, bis das ganze Metall geschmolzen ist, bleibt die Temperatur konstant bei 29,7646°C. Das verhält sich so, da während dieser Phase die zugeführte Wärme für den Schmelzvorgang benötigt wird. Erst wenn das gesamte, zunächst erstarrte Metall sich in flüssiges Metall gewandelt hat, steigt die Temperatur bis auf die vorgegebene Temperatur des Kalibrators.

Die zeitliche Periode der konstant gehaltenen Temperatur wird Schmelzplateau genannt und kann über viele Stunden gehalten werden. Während dieser Zeit können Thermometer zur Kalibrierung in die Zelle gegeben werden. Die Temperatur des Plateaus ist nicht abhängig von der Genauigkeit des Kalibrators, sondern nur von der Reinheit des Metalls, einer Naturkonstante.

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1 Brockhaus – Die Enzyklopädie, 20., überarbeitete und aktualisierte Auflage, Band 7, F.A. Brockhaus, Leipzig – Mannheim, 1997