Temperatuurschalen

Inhoud

1. Wat is temperatuur?
2. De Internationale Temperatuurschaal van 1990 (ITS-90)
3. De vaste punten van ITS-90
4. Samenvatting

Wat is temperatuur?

Begrijpen hoe temperatuur wordt gedefinieerd is een belangrijke basis voor thermokoppel- en weerstandsthermometrie. Hoewel het concept eenvoudig lijkt, is temperatuur een van de complexere fysische grootheden om nauwkeurig te definiëren en te meten.

In de meetwetenschap is een referentiesysteem van eenheden vereist om nauwkeurige vergelijkingen mogelijk te maken. Temperatuur is een van de zeven basishoeveelheden die worden gedefinieerd door het Internationaal Stelsel van Eenheden (SI). Echter, in tegenstelling tot andere basisgrootheden zoals lengte of massa, kan temperatuur niet direct worden gemeten. Zij moet worden afgeleid uit andere meetbare fysische eigenschappen, zoals weerstand, druk of spanning.

De standaardeenheid van temperatuur is de kelvin (K), gedefinieerd als 1/273.16 van de thermodynamische temperatuur van het tripelpunt van water — de unieke toestand waarin water gelijktijdig in vaste, vloeibare en dampfase voorkomt. Dit komt overeen met 0.01°C op de Celsiusschaal. De Celsiusschaal en Kelvinschaal hebben identieke intervallen; het enige verschil is het nulpunt, waarbij 0 K gelijk is aan -273.15°C.

Traditioneel zijn het ijspunt (0°C) en het stoompunt (100°C) als handige referentietemperaturen gebruikt. In precisiemetingen kunnen deze referentiepunten echter licht variëren door factoren zoals atmosferische druk en luchtsaturatie. Zo wordt het tripelpunt van water gedefinieerd in afwezigheid van lucht, terwijl het ijspunt luchtverzadigd water onder standaarddruk betreft.

Modern onderzoek heeft alternatieve vaste punten geïntroduceerd, zoals het tripelpunt van gallium (~30°C), die onder laboratoriumomstandigheden meer reproduceerbaarheid kunnen bieden. Deze ontwikkelingen helpen de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van temperatuurmeting te verfijnen.

De Internationale Temperatuurschaal van 1990 (ITS-90)

De ontwikkeling van internationale temperatuurschalen heeft een cruciale rol gespeeld in de moderne thermometrie. De eerste breed aanvaarde standaard, ITS-27, werd in 1927 ingevoerd en bood een kader voor consistente temperatuurbepaling met behulp van vaste punten en gekalibreerde sensoren. Deze liep van -200°C (net onder het kookpunt van zuurstof) tot 1,065°C (het vriespunt van goud), met platinaweerstandsthermometers (PRT's) tot 445°C en Pt-10%Rh vs Pt-thermokoppels (type S) voor hogere temperaturen.

In 1968 werd deze vervangen door IPTS-68, die verbeterde interpolatieformules en een breder temperatuurbereik introduceerde. Toch bleven er uitdagingen, vooral in het gebied 630–961°C, waar thermokoppels interpolatiefouten en discontinuïteiten introduceerden.

Op 1 januari 1990 werd de Internationale Temperatuurschaal van 1990 (ITS-90) ingevoerd, wat een significante sprong voorwaarts in nauwkeurigheid en bruikbaarheid betekende. Belangrijke verbeteringen waren onder meer:

• Uitbreiding van platinaweerstandsthermometrie tot 961.78°C (vriespunt van zilver), waardoor thermokoppels in dit bereik niet langer nodig zijn
• Afbouw van thermokoppels (bijv. type S) als bepalende instrumenten wegens beperkte reproduceerbaarheid (±0.2°C), vervangen door nauwkeurigere PRT's
• Verwijdering van verouderde vaste punten, waaronder de kookpunten van neon, zuurstof en water
• Uitbreiding van het temperatuurbereik tot 0.65 K met dampdrukthermometrie
• Nauwkeurigere interpolatievergelijkingen voor verbeterde precisie tussen vaste punten
• Introductie van deelbereiken, waardoor PRT's over beperkte trajecten kunnen worden gekalibreerd en de blootstelling aan extreme temperaturen wordt verminderd

ITS-90 verdeelt de temperatuurschaal in vijf overlappende bereiken, elk met zijn eigen meettechniek:

• 0.65 K tot 5 K met gebruik van de dampspanning van helium
• 3 K tot 24.5561 K via gasthermometrie bij constant volume
• 13.8033 K tot 273.16 K met verhoudingsthermometrie met tripelpunten
• 0°C tot 961.78°C met gekalibreerde platinaweerstandsthermometers
• Boven 961.78°C met stralingsthermometrie gebaseerd op de wet van Planck

Hoewel thermokoppels zoals de types S, R en B niet langer deel uitmaken van de bepalende schaal, worden ze nog steeds gebruikt als secundaire standaarden en voor praktische temperatuurmetingen in de industrie.

ITS-90 is geen perfecte representatie van de thermodynamische temperatuur, maar het is de meest nauwkeurige en stabiele schaal die ooit is geïmplementeerd en vormt de basis voor temperatuurkalibratie en herleidbaarheid wereldwijd.

De vaste punten van ITS-90

Samenvatting

• Temperatuur kan niet rechtstreeks worden gemeten en moet worden afgeleid uit gerelateerde fysieke eigenschappen.
• De kelvin is de SI-eenheid van temperatuur, gedefinieerd aan de hand van het tripelpunt van water.
• De ITS-90-schaal biedt een internationaal aanvaarde, zeer nauwkeurige methode voor temperatuurmeting over een groot bereik.
• Weerstandsthermometrie heeft in toepassingen met hoge precisie thermokoppels grotendeels vervangen vanwege de superieure reproduceerbaarheid.

Verder lezen

Wat is een thermokoppel en hoe werkt het?
Ontdek de werkingsprincipes van thermokoppels en hoe ze EMK opwekken.

Wat is een PRT?
Ontdek hoe PRT's (RTD / Pt100)-sensoren werken en welke gangbare uitvoeringen er zijn

Hoe kalibreer je thermokoppels
Lees over de verschillende methoden om een thermokoppel te kalibreren.