Termometro a resistenza standard al platino (SPRT)

Introduzione

I termometri a resistenza standard in platino (SPRT) sono termometri di alta precisione che utilizzano la resistenza elettrica del platino per misurare le temperature con la massima precisione e riproducibilità. La Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90) utilizza gli SPRT come strumento di interpolazione per stabilire una base standardizzata e affidabile a livello globale per le misurazioni e le calibrazioni della temperatura.

Cosa sono gli SPRT e perché sono importanti?

Nel mondo della tecnologia di misurazione di precisione, le termometri a resistenza standard in platino (SPRT) svolgono un ruolo centrale quando si tratta di misurare le temperature in modo estremamente accurato. Questi termometri specializzati sfruttano la proprietà della resistenza elettrica del platino puro di cambiare in modo prevedibile con la temperatura per fornire letture della massima precisione e riproducibilità.

Questa precisione rende i termometri uno strumento importante nei laboratori e nelle industrie di tutto il mondo, dove fungono da dispositivi di riferimento primari. Sono il gold standard per la misurazione della temperatura, su cui si basano gli standard e le calibrazioni internazionali per garantire la comparabilità delle misurazioni della temperatura a livello transfrontaliero e disciplinare. Il loro utilizzo è fondamentale per mantenere la Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90), che funge da linea guida globale per la misurazione della temperatura e supporta in modo significativo la qualità e l’accuratezza nella scienza, nella medicina, nell’industria e nel monitoraggio ambientale.

SPRT e la scala delle temperature?

La Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90) è l’attuale scala di temperatura che si è affermata in tutto il mondo come base per misurare con precisione la temperatura. L’obiettivo dell’ITS-90 è quello di fornire una scala uniforme, accurata e riconosciuta a livello mondiale per garantire la comparabilità delle misurazioni della temperatura. A differenza delle scale precedenti, l’ITS-90 si basa principalmente sulle temperature dei punti fissi, che sono determinati dalle proprietà fisiche delle sostanze pure. In particolare, vengono utilizzati i punti tripli – stati in cui una sostanza esiste contemporaneamente in fase solida, liquida e gassosa, come il punto triplo dell’acqua – e i punti di solidificazione di vari metalli, come stagno, zinco o alluminio. Questi punti fissi forniscono temperature di riferimento estremamente precise e riproducibili.

Le termometrie standard a resistenza di platino (SPRT) vengono utilizzate per essere calibrate su questi punti fissi di temperatura. L’accuratezza dei punti fissi di temperatura e dei termometri è importante per la realizzazione dell’ITS-90. Grazie all’utilizzo di questi punti fissi di temperatura, l’ITS-90 consente la massima accuratezza e riproducibilità nella misurazione della temperatura, rendendolo indispensabile per le applicazioni nella ricerca, nell’industria e nel controllo qualità.

Ulteriori informazioni sull’ITS-90 sono disponibili qui: La Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90)

Funzionalità delle termoresistenze

Le termoresistenze standard al platino (SPRT) utilizzano la relazione esattamente definita tra la temperatura e la resistenza elettrica del platino puro per misurare le temperature. Misurando la variazione di questa resistenza, possono determinare le temperature con la massima precisione e riproducibilità.

La base fisica?

Le termoresistenze standard al platino (SPRT) si basano sul principio che la resistenza elettrica di un conduttore metallico, in questo caso il platino, cambia con la temperatura. Questa dipendenza dalla temperatura della resistenza è particolarmente ben caratterizzata e riproducibile per il platino puro, il che rende il platino il materiale ideale per misurare con precisione la temperatura. Il funzionamento di un SPRT si basa sul principio della resistenza elettrica, più precisamente sulla proprietà fisica nota come coefficiente di resistenza alla temperatura. Per il platino, questo coefficiente è positivo, il che significa che la resistenza aumenta con l’aumentare della temperatura.

I termometri sono costituiti da un sottile filo di platino avvolto su un supporto non conduttivo, come il quarzo. Il design deve garantire che il filo di platino possa espandersi completamente senza tensioni. Il filo è inserito in un’atmosfera protettiva per proteggerlo dalle influenze ambientali e allo stesso tempo per garantire che possa essere esposto direttamente alla temperatura da misurare.

Quando si verifica una variazione di temperatura, la resistenza elettrica del filo di platino cambia in modo prevedibile. Questa variazione viene misurata con un ponte di misura di precisione, che fornisce valori di resistenza molto precisi. La temperatura può quindi essere determinata in base alla resistenza misurata utilizzando relazioni note.

L’accuratezza si basa sulla purezza del platino utilizzato, sul design del termometro e sulla precisione degli strumenti di misura utilizzati per determinare la resistenza. Gli standard internazionali per gli SPRT sono stabiliti da organizzazioni come l’Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure (BIPM), il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) con sede a Braunschweig e Berlino o altri INM. Gli Istituti Nazionali di Metrologia (INM) di tutto il mondo, come il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Germania, sono istituzioni centrali per la definizione e il mantenimento degli standard di misurazione nazionali e svolgono un ruolo chiave nell’armonizzazione globale delle procedure di misurazione.

La definizione di requisiti rigorosi per la costruzione e la calibrazione di questi termometri garantisce che essi forniscano misurazioni della temperatura comparabili in tutto il mondo. Questi standard consentono agli SPRT di fungere da termometri di riferimento primari, calibrati in base ai punti fissi di temperatura della Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90).

Il ruolo del platino e il motivo per cui è stato scelto come materiale.

Il platino svolge un ruolo cruciale nel funzionamento delle termometrie a resistenza standard in platino (SPRT) grazie a diverse proprietà uniche che lo rendono il materiale ideale per misurare con precisione la temperatura. La scelta del platino si basa sulle seguenti ragioni principali:

Elevata stabilità chimica: il platino è un metallo estremamente inerte, il che significa che non reagisce con altre sostanze, o lo fa solo in misura minima. Questa stabilità chimica fa sì che il materiale rimanga inalterato anche durante l’uso a lungo termine in diverse condizioni ambientali, migliorando l’affidabilità e la stabilità a lungo termine delle misurazioni.

Dipendenza uniforme dalla temperatura: la resistenza elettrica del platino cambia in modo prevedibile e uniforme con la temperatura. Questa proprietà permette di effettuare misurazioni della temperatura precise e riproducibili. La relazione lineare tra temperatura e resistenza nel platino facilita la calibrazione e rende i risultati delle misurazioni comparabili in tutto il mondo.

Resistenza alle alte temperature: il platino può resistere alle alte temperature senza modificare le sue proprietà fisiche o chimiche. Questa resistenza alle alte temperature estende l’intervallo di temperature utilizzabili degli SPRT e li rende adatti a un’ampia gamma di applicazioni, da temperature molto basse a molto alte.

Buona conducibilità elettrica: come metallo, il platino ha una buona conducibilità elettrica, necessaria per misurare con precisione le variazioni di resistenza. Questa conducibilità contribuisce all’accuratezza e alla sensibilità della misurazione della temperatura.

Stabilità a lungo termine: oltre alla stabilità chimica, il platino mostra un’eccellente stabilità a lungo termine in termini di proprietà fisiche, tra cui la resistenza elettrica. Questa stabilità è essenziale per mantenere la calibrazione e per effettuare misurazioni ripetute per lunghi periodi di tempo.

L’importanza degli SPRT nell’ITS-90

Gli SPRT servono come strumenti di interpolazione primaria all’interno della Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90), consentendo una misurazione accurata tra i punti fissi di definizione.

Le basi: Kelvin e Celsius

Un elemento centrale della Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90) è la definizione di una serie di relazioni matematiche e termodinamiche che sono essenziali per l’utilizzo delle termoresistenze standard al platino (SPRT). Il Kelvin (K), l’unità di base della temperatura termodinamica (T), che costituisce la base per misurare con precisione la temperatura, è al centro della scena.

Nelle applicazioni pratiche, le temperature sono spesso specificate come temperature Celsius t90, la cui conversione è la seguente:

In questo modo è possibile utilizzare efficacemente sia i gradi Kelvin che i gradi Celsius (°C) a seconda del contesto. Il Kelvin è particolarmente indicato per le temperature inferiori al punto di congelamento, mentre i gradi Celsius sono utilizzati al di sopra di questo punto.

Valori W di SPRT

Un concetto chiave della Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90) è l’uso di rapporti di resistenza, comunemente noti come valori W. Questi valori W sono la base per una misurazione e una calibrazione accurate con le termoresistenze al platino standard (SPRT). Questi valori W sono la base per un’accurata misurazione e calibrazione della temperatura utilizzando termometri standard a resistenza di platino (SPRT). L’equazione di base per il valore W è definita come segue:

RT90 indica la resistenza ohmica alla temperatura T90 e R(273,16K) la resistenza ohmica al punto triplo dell’acqua, cioè a 0,01°C esatti.

La definizione e i criteri di selezione degli SPRT

Nell’ambito della Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90), i valori W sono utilizzati per la definizione e la selezione dei termometri standard a resistenza di platino (SPRT). Questi criteri assicurano che vengano utilizzati solo i termometri più precisi per effettuare misurazioni accurate della temperatura secondo gli standard ITS-90.

Un SPRT deve soddisfare specifici rapporti di resistenza, o valori W, per essere classificato come tale. I criteri sono i seguenti:

A una temperatura di 29,7646°C, il valore W deve essere almeno pari a 1,11807.

Oppure e a una temperatura di -38,8344°C, il valore W non deve superare 0,844235.

Se si utilizza una termoresistenza in platino fino al punto di solidificazione dell’argento, vale anche quanto segue:

Per i termometri utilizzati fino al punto di solidificazione dell’argento (961,78°C), un ulteriore criterio è che il valore W deve essere almeno pari a 4,2844. Questi requisiti specifici garantiscono che gli SPRT abbiano una linearità sufficiente per l’intero intervallo di temperatura.

SPRT Funzioni di riferimento e di inversione

La Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90) utilizza specifiche funzioni di riferimento e di inversione per garantire la misurazione della temperatura con termometri standard a resistenza di platino (SPRT). Queste funzioni sono definite per due intervalli di temperatura principali:

Intervallo di temperatura da 13,8033 K a 273,16 K

Per questo intervallo di temperatura, l’ITS-90 definisce una funzione di riferimento che descrive la relazione matematicamente ideale tra il valore W e la temperatura T90.

Per determinare la temperatura corrispondente da un valore W misurato, viene utilizzata una funzione inversa che consente una deviazione massima di soli 0,1 mK dalla funzione di riferimento.

I coefficienti A0, B0, Ai e Bi, che sono necessari per l’applicazione di queste funzioni, si trovano nell’ITS-90.

La temperatura varia da 0°C a 961,78°C:

Sono previste anche funzioni specifiche di riferimento e di inversione in questo ampio intervallo di temperature.

La funzione di riferimento, a sua volta, definisce il rapporto ideale per misurare con precisione la temperatura, mentre la funzione inversa, con una bassa deviazione massima di 0,13 mK, permette di determinare con precisione la temperatura T90 sulla base di un determinato valore W.

I coefficienti C0, D0, Ci e Di, anch’essi specificati nell’ITS-90, sono necessari per realizzare queste funzioni.

Funzioni di deviazione SPRT

Le funzioni di deviazione sono uno strumento essenziale della Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90). Queste funzioni permettono di calcolare con precisione le temperature corrispondenti a partire dai valori di resistenza misurati dalle termoresistenze standard al platino (SPRT). Analogamente alle funzioni di riferimento, le funzioni di deviazione sono suddivise in tre intervalli di temperatura principali:

Intervallo di temperatura da 13,8033 K a 273,16 K

Intervallo di temperatura da 83,8058 K a 273,16 K

Intervallo di temperatura da -38,8344°C a 961,78°C

Le funzioni di deviazione riflettono la relazione effettiva tra i valori di resistenza misurati e le temperature secondo l’ITS-90, consentendo un calcolo diretto e accurato della temperatura.

Un elemento chiave di queste funzioni sono i coefficienti individuali a, b, c e d, che devono essere calcolati specificamente per ogni termometro. Questi coefficienti assicurano che la funzione di deviazione tenga conto delle caratteristiche individuali di ogni termometro, rendendo necessaria una calibrazione individuale.

Questa personalizzazione è fondamentale per l’accuratezza delle misurazioni della temperatura ed evidenzia la necessità di una calibrazione precisa e individuale di ciascun SPRT secondo ITS-90.

Vantaggi e limiti degli SPRT

Gli SPRT offrono un’eccezionale precisione e riproducibilità nelle misurazioni di temperatura, supportate dal loro ruolo fondamentale nell’ITS-90. I limiti includono un costo elevato, una certa suscettibilità alle influenze meccaniche e chimiche e un’utilizzabilità limitata in intervalli di temperatura estremi o in ambienti difficili.

Vantaggi degli SPRT rispetto ad altri tipi di termometro

Le termometri a resistenza standard in platino (SPRT) offrono un’eccezionale precisione e riproducibilità nella misurazione della temperatura che le distingue da altri tipi di termometri. La loro precisione è dovuta alla variazione stabile e prevedibile della resistenza elettrica del platino in funzione della temperatura, che li rende strumenti privilegiati per le misurazioni di riferimento primarie e per la calibrazione di altri termometri. Inoltre, l’elevata stabilità chimica del platino e la sua bassa suscettibilità ai processi di invecchiamento consentono di ottenere letture coerenti a lungo termine, il che è essenziale per le applicazioni in cui è fondamentale un’elevata precisione per lunghi periodi di tempo.

Rispetto ad altri tipi di termometri, come i termistori, le termocoppie o i termometri a liquido in vetro, gli SPRT offrono una precisione e una stabilità nettamente superiori. Queste proprietà li rendono la prima scelta per la ricerca scientifica e le applicazioni metrologiche in cui la precisione è fondamentale. Mentre altri tipi di termometri possono essere preferiti per alcune applicazioni grazie alla loro semplicità, alla loro robustezza o a specifici intervalli di temperatura, l’impareggiabile precisione e affidabilità degli SPRT rimane ineguagliata per gli standard di temperatura fondamentali e per le attività di misurazione di alta precisione.

Limiti o sfide nell’uso degli SPRT

Nonostante la loro straordinaria accuratezza e riproducibilità, le termometrie a resistenza di platino standard (SPRT) presentano anche dei limiti e delle sfide che devono essere prese in considerazione quando le si utilizza. Una delle principali limitazioni degli SPRT è il loro prezzo d’acquisto relativamente alto e il costo della calibrazione, che li rende meno praticabili per le applicazioni quotidiane o industriali in cui sono richieste grandi quantità o soluzioni economiche. Inoltre, gli SPRT sono sensibili alle sollecitazioni meccaniche e alla contaminazione, il che significa che devono essere maneggiati e conservati con cura per mantenerne l’accuratezza e la longevità.

Un’altra sfida è rappresentata dall’intervallo di temperature in cui gli SPRT possono essere utilizzati. Sebbene siano adatti a un’ampia gamma di temperature, non sono ottimali per le temperature estremamente elevate o per le condizioni molto difficili, dove tipi di termometri alternativi come le termocoppie possono essere più adatti. Inoltre, l’utilizzo di tutta l’accuratezza degli SPRT richiede l’uso di apparecchiature di misura specializzate e l’esperienza necessaria per effettuare misurazioni precise e interpretare correttamente i dati. Questi requisiti limitano in genere il loro utilizzo ad ambienti di laboratorio o ad applicazioni industriali specializzate, dove sono disponibili le risorse e le competenze necessarie.

Applicazioni degli SPRT nella pratica

I termometri a resistenza standard al platino (SPRT) e la Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90) sono utilizzati in una serie di applicazioni in cui sono richieste precisione e affidabilità nella misurazione della temperatura. Una delle principali aree di applicazione degli SPRT è la calibrazione di altri termometri e la metrologia, dove fungono da termometri di riferimento primari. Negli istituti di metrologia nazionali, gli SPRT vengono utilizzati per realizzare gli standard di temperatura necessari per la tracciabilità delle misure di temperatura nell’industria, nella ricerca e nell’assicurazione della qualità.

Gli SPRT svolgono un ruolo importante anche nella ricerca e nello sviluppo, in particolare nelle scienze fisiche e dei materiali, dove il controllo e la misurazione precisa della temperatura sono fondamentali per comprendere le proprietà e i fenomeni termici. Nell’industria farmaceutica e biotecnologica, gli SPRT e l’ITS-90 sono utilizzati per il controllo preciso della temperatura nella produzione e nello stoccaggio di prodotti sensibili alla temperatura, come vaccini e farmaci. Gli SPRT e l’ITS-90 sono molto importanti anche nel monitoraggio ambientale e nella ricerca, dove sono necessari dati precisi sulla temperatura per la modellazione del clima e gli studi ecologici.

L’accurata conformità all’ITS-90 consente di effettuare misurazioni della temperatura comparabili a livello globale, il che è essenziale per le relazioni commerciali internazionali, gli standard di qualità e le norme di sicurezza. Che si tratti della garanzia di qualità degli alimenti, del monitoraggio dei processi industriali o della calibrazione di apparecchiature mediche, la precisione e l’affidabilità degli SPRT e la conformità all’ITS-90 garantiscono fiducia e sicurezza in molti aspetti della vita quotidiana e della scienza.

Come si raffredda un termometro a resistenza al platino standard (SPRT)?

Una discussione comune che emerge sempre è la domanda: come dovrebbero essere adeguatamente raffreddati i termometri di precisione come i termometri a resistenza al platino standard (SPRT)? Spesso le opinioni divergono sulla questione se debbano essere raffreddati velocemente, lentamente o con rampe di temperatura.

Oltre agli effetti termici e meccanici che possono verificarsi durante il riscaldamento e il raffreddamento, anche l’ossidazione tridimensionale del platino gioca un ruolo importante. È interessante notare che non esiste una risposta universale a questa domanda. Tuttavia, ci sono due ottime pubblicazioni che possono aiutare:

Pubblicazione speciale NIST 250-81: “Taratura standard del termometro a resistenza al platino dall’Ar TP all’Ag FP” di GF Strouse

Questa pubblicazione del National Institute of Standards and Technology (NIST) descrive una procedura dettagliata per il raffreddamento degli SPRT utilizzati a temperature fino a 675°C . Il processo è il seguente:

• L’SPRT viene riscaldato da 475°C a 675°C in un periodo di 30 minuti.
• Viene quindi mantenuto a 675°C per 2,5 ore .
• Il raffreddamento avviene lentamente riducendo la temperatura da 675°C a 475°C in tre ore .
• Infine, l’ HTSPRT viene tolto dal forno a 475°C .

Guida CCT: “Guida alla Realizzazione dell’ITS-90: Termometria a Resistenza al Platino”

Questa pubblicazione, che fa riferimento alla scala internazionale di temperatura (ITS-90) , descrive la procedura per raffreddare gli SPRT utilizzati fino a 660 °C . Il processo è il seguente:

• Innanzitutto, l’SPRT viene ricotto in un forno di invecchiamento a una temperatura compresa tra 480 °C e 500 °C .
• La temperatura viene quindi aumentata lentamente fino a circa 675°C in un periodo da 45 a 60 minuti .
• L’SPRT viene ricotto a questa temperatura per quattro ore per ridurre gli stress termici.
• Il raffreddamento avviene lentamente fino a circa 480°C in un periodo di quattro ore prima che l’SPRT venga portato direttamente a temperatura ambiente.

Entrambi gli approcci sono utili e forniscono indicazioni, ma non sono identici. Sarebbe sicuramente auspicabile un approccio uniforme. Entrambi i metodi mirano a minimizzare le sollecitazioni nel platino dell’SPRT, ma differiscono nei dettagli. Entrambi gli approcci sono provati, ma non è stata stabilita una procedura uniforme. Quale sia l’approccio giusto dipende spesso dai requisiti e dalle applicazioni specifici.

Il futuro della misurazione della temperatura e il ruolo degli SPRT

Il futuro della misurazione della temperatura si prospetta come un continuo sviluppo verso una precisione, un’affidabilità e delle aree di applicazione ancora maggiori, con le termometrie a resistenza standard in platino (SPRT) che continueranno a svolgere un ruolo centrale. Con la ricerca di materiali migliori, tecniche di misurazione più avanzate e l’integrazione di tecnologie digitali, si prevede che l’accuratezza e l’applicabilità delle misure di temperatura continueranno ad aumentare. Gli SPRT, che già costituiscono la base per la misurazione della temperatura ad alta precisione, potrebbero migliorare ulteriormente le loro prestazioni e la loro versatilità grazie a queste innovazioni.

Allo stesso tempo, l’importanza della Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90) sarà probabilmente integrata o ampliata dallo sviluppo di scale di temperatura nuove e riviste che forniranno standard di misurazione ancora più accurati e universalmente applicabili. La ricerca nel campo della fisica quantistica e le nuove scoperte nella scienza dei materiali potrebbero portare ad approcci completamente nuovi alla misurazione della temperatura, dando vita a SPRT in nuove configurazioni o addirittura a tipi di termometri di riferimento completamente nuovi.

Nonostante questi sviluppi futuri, è probabile che il ruolo degli SPRT come strumenti standard di alta precisione per la misurazione della temperatura rimanga, soprattutto nelle aree in cui sono richieste la massima precisione e affidabilità di misurazione. La loro capacità di fungere da riferimento fondamentale per la calibrazione e la verifica di altri termometri continuerà a essere cruciale per garantire la comparabilità delle misure di temperatura in tutto il mondo.

Conclusione

In sintesi, i termometri standard a resistenza di platino (SPRT) e la Scala Internazionale di Temperatura del 1990 (ITS-90) sono componenti indispensabili nel campo della misurazione precisa della temperatura. Gli SPRT offrono un’eccezionale accuratezza e riproducibilità grazie alle loro proprietà uniche – come l’elevata stabilità chimica, la precisa dipendenza dalla temperatura della resistenza e la stabilità a lungo termine – che li rendono strumenti essenziali per la calibrazione e per le applicazioni scientifiche e industriali. L’ITS-90 definisce questi strumenti di precisione per consentire una misurazione della temperatura coerente e comparabile a livello globale, essenziale per la ricerca, il controllo qualità e una serie di processi industriali.

Il ruolo degli SPRT e dell’ITS-90 nel garantire l’accuratezza delle misurazioni non può essere sottovalutato, poiché contribuiscono direttamente alla sicurezza, all’efficienza e all’innovazione in molte aree della vita quotidiana e dell’economia globale. Gli sviluppi futuri nella misurazione della temperatura, guidati dai progressi tecnologici e dalla ricerca scientifica, promettono metodi di misurazione ancora più precisi e versatili. Si prevede che gli SPRT ed eventualmente i loro successori avanzati continueranno a svolgere un ruolo centrale, definendo gli standard di precisione e affidabilità.

L’importanza di misurazioni accurate della temperatura e il ruolo degli SPRT e dell’ITS-90 vanno ben oltre il laboratorio. Sono fondamentali per far progredire le conoscenze scientifiche, migliorare i processi industriali e garantire la qualità dei prodotti, il che contribuisce a migliorare la qualità della vita e la sicurezza ambientale. Il continuo sviluppo e adattamento di questi standard e tecnologie di misurazione continuerà ad essere un compito importante anche in futuro per soddisfare le crescenti esigenze di un mondo in rapida evoluzione.

Fonti

• Walter Blanke: La scala internazionale di temperatura del 1990: ITS-90
• Frank Bernhard: Manuale di misurazione della temperatura tecnica, 2a edizione
• Thomas Klasmeier: libro da tavolo “Temperatura”, edizione 3
• Strouse, GF Standard Termometro a resistenza al platino Calibrazioni dall’Ar TP all’Ag FP . Pubblicazione speciale NIST 250-81, Istituto nazionale di standard e tecnologia, 2008.
• Comitato consultivo per la termometria. Guida alla Realizzazione dell’ITS-90: Termometria a Resistenza al Platino . Bureau International des Poids et Mesures, 2008.