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Höchste Temperaturen genau fixiert

Mit Strahlungsthermometrie auf der Basis des Planckschen Strahlungsgesetzes konnte die PTB die Schmelztemperaturen neuartiger eutektischer Metall-Kohlenstoff-Legierungen (M-C-Legierungen) bis fast 3000 °C erstmals mit geringen Messunsicherheiten bestimmen. Zur Verbesserung der industriellen Hochtemperaturmessung sollen mit diesen M-C-Legierungen künftig Hochtemperaturfixpunkte festgelegt werden.

Blick in eine Re-C-Zelle während der Schmelze bei 2475 °C. Die Zelle wurde im Rahmen des EU-Projekts HIMERT entwickelt.

Die Messung hoher und höchster Temperaturen ist entscheidend für die effiziente Nutzung von Ressourcen z. B. in der Energie- oder der Luft- und Raumfahrttechnik. So halbiert eine um 20 °C falsche Betriebstemperatur die Lebensdauer einer bei 1500 °C betriebenen Turbine, und auch die Sicherheit kann von genauen Hochtemperaturmessungen abhängen, beispielsweise beim Wiedereintritt von Raumfähren in die Erdatmosphäre.

Die derzeit gültige Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90) ist mithilfe einer Reihe von Fixpunkten mit festgelegten Temperaturen definiert. Dabei ist die höchste Fixpunkttemperatur von 1085 °C die Erstarrungstemperatur von Kupfer; jenseits dieser Temperatur ist die ITS-90 auf Extrapolation mit zunehmender Messunsicherheit angewiesen. Bisher begrenzt deshalb das Fehlen noch höherer, reproduzierbarer Schmelz- bzw. Erstarrungstemperaturen die Genauigkeit der Hochtemperaturmessung.

Aussicht auf eine Verbesserung bot 1999 der Vorschlag des japanischen Staatsinstituts, eutektische M-C-Legierungen für solche Hochtemperaturfixpunkte zu nutzen, denn die Kohlenstofflegierungen verschiedener Metalle haben Schmelzpunkte von 1150 °C bis über 3000 °C. Um den Transfer dieser Materialien in die industrielle Anwendung vorzubereiten, wurden sie von der PTB im Rahmen eines EU-Projekts und in Zusammenarbeit mit dem japanischen und dem russischen Staatsinstitut eingehend untersucht. Dabei gelang der PTB erstmals die genaue Bestimmung der Schmelztemperaturen von M-C-Legierungen bis zu Temperaturen von 2880 °C. Für Re-C (Schmelztemperatur 2475 °C) konnte beispielsweise eine erweiterte Messunsicherheit unter 1 °C bei einer Reproduzierbarkeit zwischen verschiedenen Fixpunktzellen von weniger als 0,2 °C erreicht werden.

Aktuell beteiligt sich die PTB an einem globalen Projekt zur Verbesserung der Internationalen Temperaturskala durch Implementierung der neuen Hochtemperaturfixpunkte.

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