Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku (ITS-90)

Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku (ITS-90) to uznawana na całym świecie skala temperatur, wprowadzona przez Międzynarodowy Komitet Miar i Wag (CIPM). Służy jako globalny standard precyzyjnych pomiarów temperatury i opiera się na koncepcji temperatury termodynamicznej. ITS-90 jest zmienioną wersją poprzedniej Międzynarodowej Praktycznej Skali Temperatur z 1968 roku (IPTS-68).

W ITS-90 do określania temperatur stosuje się różne, dokładnie określone punkty stałe temperatury i metody interpolacji. Punkty stałe temperatury to temperatury przemian fazowych określonych substancji, takich jak punkty krzepnięcia lub punkty potrójne.

ITS-90 używa kelwinów (K) jako jednostki, zastępując w ten sposób skalę Celsjusza stosowaną w IPTS-68. Jednak obie jednostki są nadal używane, przy czym 1 kelwin i 1 stopień Celsjusza mają tę samą wielkość, a zero Celsjusza leży przy 273,15 K.

Aby przeliczyć temperaturę ze skali Kelvina (K) na skalę Celsjusza (°C), wystarczy odjąć 273,15 od temperatury w kelwinach: T(°C) = T(K) – 273,15.

Punkty stałe temperatury ITS-90

Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku (ITS-90) wykorzystuje różne „punkty stałe temperatury” jako zdefiniowane temperatury. Punkt stały temperatury to temperatura charakteryzująca się określonym, powtarzalnym zjawiskiem fizycznym, takim jak zmiana fazy danej substancji.

Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku (ITS-90) wykorzystuje punkty potrójne, punkty topnienia i punkty krzepnięcia:

• Punkt potrójny: Punkt potrójny substancji to unikalna temperatura i unikalne ciśnienie, w których trzy fazy substancji – stała, ciekła i gazowa – mogą istnieć w równowadze. W tej specyficznej kombinacji temperatury i ciśnienia substancja może istnieć jednocześnie jako ciało stałe, ciecz i gaz. Znany przykład punktu potrójnego to punkt potrójny wody, który osiąga się w temperaturze 0,01 °C (273,16 K) i przy określonym ciśnieniu 611,657 paskali.
• Temperatura topnienia: Temperatura topnienia to temperatura, w której ciało stałe zaczyna się topić i przechodzi w stan ciekły. Temperatura ta jest specyficzna dla każdej substancji i jest mierzona pod normalnym ciśnieniem. ITS-90 wykorzystuje na przykład temperaturę topnienia galu, która wynosi 29,7646 °C.
• Temperatura krzepnięcia: Temperatura krzepnięcia to temperatura, w której ciecz zaczyna krzepnąć i przechodzi w stan stały. Na przykład temperatura krzepnięcia aluminium wynosi 660,323 °C.

Oto najważniejsze punkty stałe temperatury używane przez ITS-90:

Zakresy kalibracji ITS-90

Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku (ITS-90) określa nie tylko definiujące punkty stałe temperatury z odpowiednimi temperaturami, w których kalibruje się termometry, ale także odpowiednie zakresy kalibracji.

Z definicji istnieją dwa zakresy: jeden dla ujemnego zakresu temperatur, który zaczyna się od około 13 K i sięga do punktu potrójnego wody przy 0,01 °C, oraz jeden dla dodatniego zakresu temperatur. Ten ostatni zaczyna się od punktu potrójnego wody przy 0,01 °C (lub w zakresie od punktu potrójnego rtęci przy -38,8344 °C do temperatury topnienia galu przy 29,7646 °C) i sięga do punktu krzepnięcia srebra przy 961,78 °C.

W zależności od zakresu temperatur definiowane są parametry dla funkcji odchylenia ITS-90. W zakresie od punktu potrójnego argonu do krzepnięcia srebra stosuje się parametry a, b, c i d. Ten zakres temperatur jest jednocześnie praktycznym zakresem, który jest wykorzystywany w laboratoriach kalibracyjnych do kalibracji termometrów. W ekstremalnych zakresach przy bardzo niskich temperaturach, takich jak punkt potrójny tlenu, występuje dodatkowo parametr ci, który jest jednak używany tylko w tych ekstremalnych temperaturach.

Grafika przedstawia wizualizację odpowiednich definiujących temperatur ITS-90 w punktach stałych temperatury oraz powiązanych z nimi temperatur. Na przykład temperatura punktu krzepnięcia aluminium wynosi 660,323 °C.

Ważne jest, aby wiedzieć, że termometrami, które zostały skalibrowane w punktach stałych temperatury ITS-90, można tylko interpolować, a nie ekstrapolować.

Oznacza to, że jeśli na przykład ma być mierzona temperatura około 500 °C, to najwyższym punktem kalibracji musi być punkt krzepnięcia aluminium przy 660,323 °C, a nie punkt krzepnięcia cynku przy 419,527 °C. Ponieważ przy 419 °C trzeba by ekstrapolować do 500 °C. Dlatego zakres jest zawsze dobierany tak, aby mierzona temperatura mogła być obliczona przez interpolację.

Na grafice przedstawiono schematycznie odpowiednie zakresy kalibracji. W naszym przykładzie oznaczałoby to, że jeśli pomiar ma być wykonany przy 500 °C, użylibyśmy zakresu kalibracji do punktu krzepnięcia aluminium przy 660,323 °C i odpowiednio skalibrowali przy aluminium, cynku, cynie i w punkcie potrójnym wody. W prezentacji byłby to drugi zakres kalibracji od prawej.

Białe punkty reprezentują niezbędne punkty stałe temperatury do kalibracji. Punkty stałe temperatury przy krzepnięciu indu i temperaturze topnienia galu nie byłyby zatem konieczne. Nie wpływają one na kalibrację i późniejsze obliczanie charakterystyki – tj. funkcji odchylenia i funkcji odniesienia Międzynarodowej Skali Temperatur z 1990 roku (ITS-90).

Stosowanie ITS-90 w życiu codziennym

Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku (ITS-90) jest stosowana niemal codziennie w życiu codziennym laboratorium kalibracji temperatury. Często jednak użytkownicy nie są tego świadomi, ponieważ matematyka ITS-90 jest osadzona w urządzeniach do pomiaru temperatury i mostkach pomiarowych i działa w tle.

Ważne jest, aby zrozumieć, że temperatura nie może być mierzona bezpośrednio, ale jest obliczana na przykład na podstawie rezystancji materiału. ITS-90 zawiera podstawy matematyczne do obliczania temperatur na podstawie pomiarów rezystancji termometrów wzorcowych (SPRT) ITS-90.

Często pojawia się pytanie, w jaki sposób ITS-90 może być sensownie wykorzystywana jako charakterystyka w codziennej pracy laboratorium.

Dlatego w tym wpisie na blogu pokażę na przykładzie, jak za pomocą ITS-90 można obliczyć odpowiednią temperaturę z zmierzonych rezystancji. W moich seminariach chętnie omawiam ten przykład szczegółowo.

ITS-90 wykorzystuje tak zwane wartości W, które reprezentują stosunek zmierzonej rezystancji do ostatnio znanej wartości punktu potrójnego wody. Za pomocą tej obliczonej wartości W oraz funkcji odniesienia i odchylenia wyprowadzonych z ITS-90 można określić temperatury. Obliczenie wartości W odbywa się zgodnie z następującym wzorem:

Gdzie R(T90) reprezentuje zmierzoną rezystancję w temperaturze T90, a R(273,16 K) oznacza rezystancję w punkcie potrójnym wody (dokładniej przy 273,16 kelwinów).

W następnym kroku obliczeniowym potrzebne są funkcje odniesienia (10a i 10b) oraz funkcja odchylenia (14), które zostały zdefiniowane zgodnie z ITS-90 (International Temperature Scale of 1990). Używamy tylko funkcji, które są istotne dla naszego zakresu temperatur.

Funkcje odniesienia:

Funkcja odniesienia jest używana z następującymi parametrami:

Funkcja odchylenia wygląda następująco:

Równania i tabele pochodzą z publikacji ITS-90 autorstwa Waltera Blanke (patrz źródła).

Przykład obliczeniowy ITS-90

Załóżmy, że mierzysz wartość rezystancji 31,1428 omów. Z certyfikatu kalibracji pobierasz następujące informacje:

R(0,01°C) = 25,1648 omów

a = -1,6093e-03
b = 1,9911e-03

Najpierw obliczasz wartość W:

W(t90) = R(t90) / R(0,01°C)
W(t90) = 31,1428 omów / 25,1648 omów
W(t90) = 1,23755404

Za pomocą funkcji odchylenia (14) można następnie obliczyć wartość Wr(t90):

Wr(t90) = 1,237824

Za pomocą uzyskanej wartości można teraz obliczyć temperaturę t90 na podstawie funkcji odniesienia (10b):

t90 = 60,1873°C

W ten sposób można obliczyć odpowiednią temperaturę z zmierzonej wartości rezystancji.

Źródła odniesienia ITS-90

Międzynarodową Skalę Temperatur z 1990 roku (ITS-90) można uzyskać w kilku miejscach:

1. Niemiecki oryginalny dokument: Blanke, Walter. Die Internationale Temperaturskala von 1990: ITS-90. Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Wirtschaftsverlag NW, Verlag für Neue Wissenschaft, Braunschweig, 1989. [ISBN 3-89429-040-4].
2. Cyfrowa wersja oryginalnego dokumentu jest dostępna w National Institute of Standards and Technology (NIST). Tutaj znajdziesz dokument.
3. Strona internetowa PTB: Informacje na temat wdrożenia ITS-90 w Niemczech i inne informacje można znaleźć na stronie internetowej Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Tutaj przejdziesz do strony internetowej PTB.
4. Wikipedia: Artykuł na Wikipedii o ITS-90 oferuje dobry przegląd i może być dobrym punktem wyjścia dla tych, którzy dopiero zaczynają przygodę z tym tematem. Tutaj przejdziesz do artykułu na Wikipedii.
5. Strona internetowa ITS-90: Ta strona internetowa oferuje wiele przydatnych informacji o ITS-90 i jest doskonałym źródłem informacji dla wszystkich, którzy chcą dowiedzieć się więcej na ten temat. Tutaj przejdziesz do strony internetowej ITS-90.

Źródła:

• Walter Blanke: Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku: ITS-90
• Thomas Klasmeier: Tablice „Temperatura”, wydanie 3