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DART: Ein etabliertes Thermometriekonzept in neuem Gewand

22.10.2020

DART-Prototyp bestehend aus Messverstärker (schwarze Box) und Digitalisierungsstufe (Platine rechts). Auf der linken Seite ist die Einspeisung eines Testsignals in den Verstärkereingang zu sehen.

Wer schon einmal bei klirrender Kälte ohne Handschuhe unterwegs war, weiß wie wichtig die Kenntnis der Temperatur ist. Nicht nur im Alltag sondern auch in nahezu allen Bereichen von Wissenschaft und Technik ist sie von zentraler Bedeutung. Eine weit verbreitete Methode zur Temperaturbestimmung ist die Widerstandsthermometrie, bei der die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands als Maß für die Temperatur verwendet wird. Widerstandsthermometer sind relativ einfach und schnell und decken einen großen Temperaturbereich ab, sie müssen jedoch für rückgeführte Messungen regelmäßig kalibriert werden. Im Gegensatz dazu ist die Rauschthermometrie eine primäre Methode zur Messung der thermodynamischen Temperatur. Hierbei wird die durch die thermische Bewegung der Ladungsträger verursachte Rauschspannung gemessen. Da diese sehr klein ist, sind besonders rauscharme Messverstärker sowie aufwendige Maßnahmen zur Unterdrückung des Verstärkerrauschens notwendig. Der typische Ansatz ist hierbei die Messung des korrelierten Signalanteils von zwei möglichst identischen Verstärkerstrecken. Leider haben Rauschthermometer bis heute weder die technische Reife für einen breiten kommerziellen Einsatz erreicht noch wurde ihre Genauigkeit für metrologische Messungen über einen großen Temperaturbereich experimentell nachgewiesen.

An der PTB wird zurzeit im Rahmen eines umfangreichen internen Projekts zwischen Abteilung 2 und Abteilung 7 ein neues Thermometer entwickelt, das Dual-mode Auto-calibrating Resistance Thermometer (DART). Dieses kombiniert durch einen neuartigen Ansatz die Vorteile von Rausch- und Widerstandsthermometrie. Ziel ist es, ein praktisches selbst-referenzierendes Widerstandsthermometer für Industrie und Metrologie zu realisieren. Dank einer hochstabilen Messelektronik ist die Kalibrierung der internen Spannungsreferenz und des Frequenzgangs der Verstärkung über elektrische Quantennormale nur selten notwendig. Das neue DART der PTB wird für den industriell relevanten Temperaturbereich von 77 K bis 1000 K konzipiert. Eine spätere Erweiterung seines Messbereichs ist denkbar. In der ersten Phase wird das Thermometer für eine Unsicherheit von < 100 µK/K ausgelegt, die später auf < 10 µK/K verbessert werden soll. Damit kann das DART auch für Untersuchungen von bekannten Unterschieden zwischen der thermodynamischen Temperatur und der auf die ITS-90 zurückgeführten Temperatur eingesetzt werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchung könnten einen Beitrag zur verbesserten metrologischen Darstellung der Temperatur leisten. Das neue, kürzlich zum Patent angemeldete Konzept ist praktikabel und anwendungsorientiert. Es ermöglicht ein handliches Gerät mit USB-Speisung und erdfreier Messelektronik, das zukünftig auch kommerzialisiert werden soll.

Ansprechpartner:

D. Drung, 7.60, E-Mail: Opens local program for sending emailDietmar.Drung(at)ptb.de