Berührungslose Temperaturmessung ist die Methode der Wahl, um Temperaturen oberhalb 1000 °C zu bestimmen. Gemäß der Internationalen Temperaturskala von 1990 müssen Temperaturen in diesem Temperaturbereich durch Vergleich der vom Messobjekt emittierten spektralen Strahldichte bei einer Wellenlänge mit der eines Referenzstrahlers bei der Temperatur von erstarrendem Silber, Gold oder Kupfer gemessen werden. Einen typischen Verlauf der Erstarrung des PTB Goldfixpunktes zeigt Abbildung 1:
Abbildung 1: Goldfixpunkt-Strahler der PTB (links) und normiertes Photostromsignal des Gold-Erstarrungsplateaus (rechts).
Wie aus Abbildung 1 ersichtlich lässt sich die Strahlungstemperatur der Golderstarrung (TSchmelz=1064,18 °C) mit diesem Fixpunkt-Strahler über 90 min auf +/- 10 mK genau realisieren.
Da es bisher keine zuverlässigen Hochtemperaturfixpunkte oberhalb des Erstarrungspunktes von Kupfer (TSchmelz=1084,62 °C) gibt, ist die erreichbare Unsicherheit bei Temperaturmessungen oberhalb 1084 °C prinzipiell limitiert. Um diesen Mangel zu beheben führt die PTB in enger internationaler Zusammenarbeit Forschungsarbeiten zur Entwicklung von Hochtemperaturfixpunkten durch. Erfolgversprechende Materialien für solche Hochtemperaturfixpunkte sind eutektische Metall-Kohlenstoff (MC) Legierungen, die erstmals im Jahre 1999 vom japanischen Staatsinstitut vorgeschlagen wurden. Die systematische Entwicklung und Untersuchung dieser Materialien als Fixpunkte wurde im EU geförderten Projekt Novel high-temperature metal carbon eutectic fixed points for radiation thermometry, radiometry, and thermocouples (HIMERT) weltweit koordiniert. Die Ergebnisse dieses Projekts wurden im April 2005 einer breiten Öffentlichkeit im Rahmen des Seminars High-temperature fixed-points for industrtial and scientific applications (LINK ZU WORKSHOP WEBSITE) präsentiert (siehe Abbildung 2).
Abbildung 2: Teilnehmer des Workshops High-temperature fixed-pionts for industrial and scientific applications am 14. und 15. April 2005 an der PTB in Berlin
Als Ergebnis des HIMERT Projektes stehen kurzfristig stabile und reproduzierbare MC-Eutektika zur Verfügung, deren thermodynamische Temperatur bereits mit Unsicherheiten unterhalb 0,5 K bei Temperaturen bis 2500 °C bestimmt werden konnten. Abbildung 3 zeigt eine typische Schmelz- und Erstarrungskurve von Re-C .
Abbildung 3: Typische Schmelz- und Erstarrungskurve einer Re-C Fixpunktzelle.
Da die Schmelz- und Erstarrungskurven der eutektischen MC-Fixpunkte relativ stark gekrümmt sind hat man sich international darauf geeinigt, den Wendepunkt dieser Schmelzkurve als repräsentativen Schmelzpunkt zu verwenden. Abbildung 4 verdeutlicht die hohe Reproduzierbarkeit dieses Wendepunktes.
Abbildung 4: Grafik zur Veranschaulichung der Reproduzierbarkeit des Wendepunktes der Metall-Kohlenstoff Eutektika am Beispiel des Pt-C.
Um die Reproduzierbarkeit und die relative Abweichung unterschiedlicher eutektischer MC-Fixpunktzellen verschiedener Hersteller zu untersuchen, wurde an der PTB ein umfangreicher Vergleich durchgeführt.
Abbildung 5: Untersuchte eutektische Metall-Kohlenstoff Fixpunktzellen
15 Zellen (siehe Abbildung 5) von drei verschiedenen Instituten (LNE-INM/CNAM (Frankreich), NPL (Großbritannien), NMIJ (Japan)) wurden in zwei baugleichen Öfen mit zwei Strahlungsthermometern miteinander verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs ist in Abbildung 6 zu sehen.
Abbildung 6: Abweichung der Schmelztemperatur unterschiedlicher eutektischer Metall-Kohlenstoff Fixpunktzellen verschiedener Hersteller vom jeweiligen Mittelwert.
Die Abweichung der Schmelztemperaturen der Zellen unterschiedlicher Hersteller ist kleiner als 200 mK für Co-C, Pt-C, Re-C und kleiner als 400 mK für Pd-C, Ru-C. Für einen Teil der untersuchten Zellen wurde zudem die absolute Schmelztemperatur bestimmt und mit Messungen am NIST (USA) verglichen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 7 gezeigt.
Abbildung 7: Vergleich der absoluten Schmelztemperaturen der vom NIST und der PTB gemessenen Zellen des NPL. Die gestrichelte Linie zeigt die kombinierte Unsicherheit der beiden Messungen.
Die Abbildung 7 verdeutlicht die sehr gute Übereinstimmung der am NIST und an der PTB bestimmten absoluten Schmelztemperaturen, die im Rahmen der kombinierten Unsicherheit liegt.
Die derzeitigen Forschungsschwerpunkte konzentrieren sich auf die Optimierung der Herstellungsprozesse der Eutektika und der Hochtemperaturöfen. Nach erfolgter Optimierung werden die absoluten Schmelztemperaturen ausgewählter eutektischer MC-Legierungen im Rahmen eines iMERA Projektes bestimmt. Als Ergebnis dieses Projekts werden dann ausgewählte Eutektia dem CCT (Konsultativ-Komitee für Thermometrie des Internationalen Komitees für Maß und Gewicht) zur Implementierung in eine neue Internationale Temperaturskala vorgeschlagen.
Literatur
K. Anhalt , J. Hartmann, D. Lowe, G. Machin , M. Sadli , Y . Yamada: A comparison of Co-C, Pd-C, Pt-C, Ru -C, and Re-C eutectic fixed-points independently manufactured by three institutes, Proceedings of Newrad 2005 Davos ( Schweiz )
K. Anhalt , J. Hartmann, D. Lowe, G. Machin , M. Sadli , , Y. Yamada, P. Bloembergen : A comparison of Co-C, Pd-C, Pt-C, Ru -C, and Re-C eutectic fixed-points independently manufactured by three institutes, Proceedings of Newrad 2005 Davos ( Schweiz )
J. Hartmann, K. Anhalt, P. Sperfeld , J. Hollandt , M. Sakharov , B. Khlevnoy , Yu . Pikalev , S. Ogarev , V. Sapritsky : Thermodynamic measurements for the melting curves of Re-C, TiC -C, and ZrC -C eutectics, in Proceedings of Tempmeko 2004, D. Zvizdic (Ed.) , LPM/FSB, Zagreb (2005) 189-194
G. Machin , G. Beynon , F. Edler , S. Fourrez , J. Hartmann, D. Lowe, R. Morice , M. Sadli , and M. Villamanan : HIMERT: A Pan-European Project for the Development of Metal-Carbon Eutectics as Temperature Standards,
AIP Conference Proceedings 684, 285-290 (2003)
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2011-11-17,
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