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Wie funktionieren eigentlich Temperaturmessungen?

Cryocon S900 BB

Temperatur ist eine thermodynamische Größe, die den Zustand eines Körpers beschreibt. Um diesen Zustand zu messen, kann ein zweiter Körper in Kontakt mit dem ersten gebracht werden. Hierdurch gleicht sich die Temperatur in beiden Körpern nach einer bestimmten Zeit an.

Thermodynamisch kann der Unterschied zwischen der Temperatur von zwei Körpern immer bestimmt werden. Hieraus wurde die Temperaturskala entwickelt, die sich auf den absoluten Nullpunkt bezieht. Im SI-System ist dies die Kelvin-Skala, die in Kelvin [K] gemessen wird (weitere Skalen siehe Tabelle unten). Fixpunkte dieser Skala sind sogenannte Trippelpunkte. An diesen Punkten liegt eine atomare Spezies, bzw. eine Verbindung wie Wasser (H2O) gleichzeitig in allen drei Aggregatszuständen, sprich fest, flüssig und gasförmig vor. Dies ist bei Wasser bei 273,16 K der Fall. Dieser Punkt ist genau einem Druck und einer Temperatur zugeordnet. Die Siedetemperatur von Wasser (Temperatur beim Übergang von flüssig zu gasförmig) variiert je nach Druck und ist somit nicht eindeutig festgelegt.

 

Temperatur-Umrechnungsformeln
Grad CelsiusT[°C] = T[K]-273,15
Grad FahrenheitT[°F] = T[°C] x 1,8+32
Grad RankineT[°R] = T[K] x 1,8
Grad RéaumurT[°Ré] = (T[K] – 273,15) x 0.8

 

Zur Messung der Temperatur dienen Thermometer. Das sind Messgeräte, deren messbare Datenausgabe sich mit der Temperatur in einer reproduzierbaren Art und Weise ändert.

Generell wird zwischen primären und sekundären Thermometern unterschieden. Ein primäres Thermometer zeichnet sich dadurch aus, dass seine Abhängigkeit von der Temperatur ohne unbekannte und temperaturabhängige Größen beschrieben werden kann. So zum Beispiel bei Gasthermometern, akustischen Thermometern, Lärmthermometern und Gesamtstrahlungspyrometern.

Ein sekundäres Thermometer gibt einen Wert aus, der mit Hilfe von festen Temperaturpunkten kalibriert werden muss. Das Platin-RTD (Resistance Temperature Detector) ist ein Beispiel für ein sekundäres Thermometer und basiert auf der Änderung des elektrischen Widerstandes eines Platindrahtes in Abhängigkeit von der Temperatur.

Da primäre Thermometer groß, langsam und teuer sind, werden in der Praxis fast ausschließlich sekundäre Thermometer verwendet. Hierbei werden die sekundären Thermometer mit Hilfe von internationalen Standards und festen Temperaturpunkten kalibriert. Diese sind in der IST-90 (International Temperature Scale of 1990) und der PLTS-2000 (Provisional Low Temperature Scale of 2000) definiert.

Verantwortlich für das Definieren der Temperaturskala sind Regierungsbehörden wie NIST (National Institute of Standards and Technology), NPL (National Physical Laboratory) und die PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt).

Bei Temperatursensoren mit extrem reproduzierbaren Herstellungsprozessen werden Toleranzkurven erstellt, die angeben, wie nah die erhaltene Temperaturkurve dem Kalibrierstandard ist.

Beispiele hierfür sind Si- und Platin-Thermometer, bei denen es möglich ist, einzelne Sensoren der gleichen Bauart auszutauschen und dennoch eine genaue Messung der Temperatur zu erzielen. Das Maß an Genauigkeit wird mittels Toleranzbänder bestimmt. Die Siliziumdioden S900 von CryoCon werden mit zwei unterschiedlichen Toleranzbändern ausgeliefert. Diese besitzen für verschiedene Temperaturbereiche  unterschiedliche Genauigkeiten (siehe Tabelle).

 

S900 - Siliziumdiode1,5 K bis 30 K30 K bis 100 K30 K bis 100 K
Band A±0,1 K±0,2 K±0,2 K
Unkalibriert±0,2 K±0,4 K±0,4 K

 

Ausgelesen werden können die verschiedenen Temperatursensoren (Siliziumdioden, Platin-RTDs und NTCTemperatursensoren) mittels eines Temperaturmonitors von CryoCon.

Die angebotenen Temperaturmonitore Modell 12C, Modell 14C und Modell 18C unterscheiden sich hierbei nur in der Anzahl der Kanäle (2, 4 und 8), die zur Temperaturmessung zur Verfügung stehen. Sie bestechen durch eine komfortable Bedienung und ein einfaches Datenmanagement.

Einen Schritt weiter gehen die Temperaturkontroller, bei denen die Temperatur mittels eines Sensors gemessen und dann durch ein zusätzliches Heizelement aktiv auf den gewünschten Wert eingestellt wird. Hierbei unterscheiden sich die angebotenen Geräte Modell 22C, Modell 24C, Modell 26 und Modell 32 unter anderem in der Anzahl und der Heizleistung der einzelnen Kanäle.


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Tobias Adler
Product Manager – Cryogenics & Materials science
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