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Genaue Temperaturbestimmung

Internationale Temperaturskala (ITS)

Die Messung von Temperaturen mithilfe eines Gasthermometers ist eine zeitraubende Aufgabe und auch nicht in jedem Temperaturbereich möglich. Aus diesem Grund und um die verschiedenen nationalen Temperaturskalen zu harmonisieren, hat das Internationale Komitee für Maß und Gewicht 1927 die Internationale Temperaturskala aufgestellt, die in ihrer jüngsten Fassung von 1990 (ITS-90) per Gesetz eingeführt ist. Die ITS-90 ist so gewählt, dass sie so weit wie möglich exakte thermodynamische Temperaturen abbildet. Die Abweichungen der darin beschriebenen Messmethoden liegen innerhalb der kleinsten Messfehlergrenzen, die erreichbar waren, als sie veröffentlicht wurde.

Thermometrische Fixpunkte der ITS-90

Auch die ITS-90 ist durch thermometrische Fixpunkte (Abb. 1) bestimmt, wozu 17 Schmelz-, Tripel- und Siedepunkte ausgewählter Stoffe zählen. Ihre Temperaturen wurden in den wissenschaftlichen Staatsinstituten verschiedener Länder genau bestimmt. In Deutschland übernimmt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) solche Aufgaben.

Abb.1
Thermometrische Fixpunkte der Internationalen Temperaturskala von 19901)

a) Das Isotopenverhältnis aller Substanzen - mit Ausnahme von He3 und Wasser2) - entspricht ihrer natürlichen Zusammensetzung; e-H2: Gleichgewichtswasserstoff, in dem Para- und Orthowasserstoff in einem (temperaturabhängigen) Gleichgewicht stehen.   V: Siedepunkt, Darstellung durch Temperatur-Dampfdruck-Beziehung; G: Siedepunkt, Darstellung durch Gasthermometer; Tp: Tripelpunkt; M: Schmelzpunkt (bei einem Druck von 101.325 Pa); F: Erstarrungspunkt (bei einem Druck von 101.325 Pa)

Temperaturbereiche und Messmethoden der ITS-90

Die ITS-90 erstreckt sich über einen Temperaturbereich von 0,65K bis zur höchsten Temperatur, die nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz mit monochromatischer Strahlung messbar ist. Temperaturen werden mit Widerstands- und Gasthermometern sowie Strahlungsmessgeräten genau bestimmt (Abb. 2) , die über die Fixpunkte geeicht werden. Für die Berechnung der Temperaturwerte aus den Messgrößen der verschiedenen Geräte sind genaue Vorschriften einzuhalten.3)

Abb.2
Methode und Temperaturbereich für die Temperaturmessung

a)Für den Temperaturbereich von 0,65 bis 5,0K wird die Dampfdruckgleichung von He3 und He4 verwendet.

Dass der Temperaturbereich der ITS-90 nicht bis zum absoluten Nullpunkt, sondern nur bis 0,65K reicht, hat messtechnische Gründe: Die Temperaturen am unteren Ende der ITS-90 bestimmt man über den Dampfdruck von He3 und He4. Dieser beträgt bei 0,65K nur 100Pa. Versucht man Drücke zu messen, die unter diesem Wert liegen, überschreitet die relative Messunsicherheit 0,1 Prozent, was einer Temperatur von 0,1mK entspricht. Da in der ITS-90 festgeschrieben ist, dass die relative Messunsicherheit 0,1mK nicht überschreiten darf, endet ihr Temperaturbereich bei 0,65K. Der Temperaturbereich von 0,9mK bis 1K ist mittlerweile über die provisorische Niedrigtemperatur-Skala (PLTS-2000) definiert.4)

3)Preston-Thomas, H. (1990): . In: metrologia. Springer-Verlag27 (1) , 4-8
  • Quelle
  • 4)Fischer, J.; Fellmuth, B. (2005): Temperature metrology. In: Reports on Progress in Physics. 68 (5) , 1065-1071
  • Quelle
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