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Messung der Wasserdichte bei Temperaturen zwischen 30 °C und 90 °C

31.12.2008

Reinstwasser wird als überall leicht verfügbare Kalibrierflüssigkeit für die gravimetrische Kalibrierung von Volumenmessgeräten für Flüssigkeiten eingesetzt. Bei dieser in zahlreichen Normen beschriebenen Methode wird das von einem Volumenmessgerät aufgenommene oder abgegebene Flüssigkeitsvolumen auf einer Waage gewogen und unter Verwendung der bekannten Dichte der Flüssigkeit das Volumen berechnet.

Reinstwasser wird insbesondere auch als Referenzflüssigkeit zur Kalibrierung von Dichtemessgeräten, die nach dem Oszillationsprinzip arbeiten ("Biegeschwinger") verwendet. Bei ozeanographischen Untersuchungen zur Charakterisierung des Salzgehaltes des Wassers und zur Detektion von Wasserschichtungen wird die Dichte von (Meer-)Wasser gemessen. Die verwendeten Dichtemessgeräte werden mit Reinstwasser kalibriert.

Seit etwa 100 Jahren werden Wasserdichte-Tabellen in verschiedenen Formulierungen verwendet, die auf von Thiesen und Mitarbeitern [1, 2] und von Chappius [3] um 1900 durchgeführten Messungen beruhen.

In den 1980er und 90er Jahren wurden in den metrologischen Staatsinstituten von Japan und Australien neue Messungen der Wasserdichte durchgeführt [4-7]. Diese Daten wurden von einer BIPM-Arbeitsgruppe zu einer neuen Tabelle zusammengeführt, die 2001 veröffentlicht wurde [8]. Die Tabelle ist aber auf den Temperaturbereich zwischen 0 und 40 °C beschränkt, da nur für diesen Temperaturbereich mehrere unabhängige Messreihen vorliegen. Für den Temperaturbereich zwischen 40 °C und 90 °C lag bisher nur eine Messserie von einer japanischen Gruppe vor. 

In der PTB wurden deshalb ebenfalls Wasserdichte-Messungen durchgeführt. Diese Messungen erfolgten mit eine modifizierten hydrostatischen Wägeapparatur, einer so genannten magnetischen Flotation [9]. In dieser Apparatur ist der Wägedraht, der üblicherweise ein Gehänge mit einem Senkkörper hält, durch eine magnetische Kopplung ersetzt. Das System erlaubt es, ein nahezu geschlossenes Flüssigkeitsgefäß zu verwenden. Dadurch kann die Gasfreiheit der Flüssigkeit garantiert und die Temperaturstabilität im Gefäß verbessert und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erhöht werden.

Mit dieser Messmethode, die sich von der in Japan verwendeten Methode unterscheidet, wurde die Wasserdichte im Temperaturbereich zwischen 30 °C und 90 °C gemessen. Die gemessenen Werte zeigen Abweichungen zu der in diesem Temperaturbereich bisher üblicherweise verwendeten Tabelle nach Kell [10-12] von mehr als 0,003 kg/m3.

Die relativen Abweichungen in ppm (parts per million) von der Kell-Formulierung der Wassedichte in einer an die ITS-90 angepassten Form sind zusammen mit den Abweichungen der japanischen Messreihe in Bild 1 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen zum einen die Notwendigkeit einer Neuformulierung der Wasserdichte-Tabellen auch in diesem Temperaturbereich. Sie bestätigen gleichzeitig die japanischen Werte, so dass jetzt mit diesen beiden Messreihen auch für diesen Temperaturbereich eine neue Wasserdichte-Tabelle erarbeitet werden kann.

Relative Abweichung der Messwerte von PTB und Takenaka und Masui von der an die ITS-90 angepasste Kell-Wasserdichte-Tabelle.