Standardplatinamotståndstermometer (SPRT)

Introduktion

Standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er) är högprecisa termometrar som använder det elektriska motståndet hos platina för att mäta temperaturer med högsta noggrannhet och reproducerbarhet. Den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) använder SPRT:er som interpolationsinstrument för att etablera en globalt enhetlig och tillförlitlig bas för temperaturmätningar och temperaturkalibreringar.

Vad är SPRT:er och varför är de viktiga?

I världen av precisionsmätteknik spelar standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er) en central roll när det gäller den ytterst noggranna mätningen av temperaturer. Dessa specialiserade termometrar utnyttjar egenskapen att det elektriska motståndet hos rent platina ändras på ett förutsägbart sätt med temperaturen, för att leverera mätvärden av högsta noggrannhet och reproducerbarhet.

Denna noggrannhet gör termometrarna till ett viktigt verktyg i laboratorier och industrier över hela världen, där de fungerar som primära referensenheter. De är guldstandarden inom temperaturmätning, som internationella normer och kalibreringar förlitar sig på för att säkerställa jämförbarhet av temperaturmätningar över gränser och discipliner. Deras användning är grundläggande för att upprätthålla den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90), som fungerar som en global riktlinje för temperaturmätning och därmed stöder kvaliteten och noggrannheten inom vetenskap, medicin, industri och miljöövervakning.

SPRT och temperaturskalan?

Den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) är den aktuella temperaturskalan som globalt har etablerats som grund för precisa temperaturmätningar. Målet med ITS-90 är att tillhandahålla en enhetlig, noggrann och globalt erkänd skala för att säkerställa jämförbarheten av temperaturmätningar. Till skillnad från tidigare skalor baseras ITS-90 huvudsakligen på temperaturerna för definierande fixpunkter, som bestäms av de fysikaliska egenskaperna hos rena ämnen. Här används särskilt trippelpunkterna – tillstånd där ett ämne samtidigt existerar i fast, flytande och gasformig fas, som till exempel trippelpunkten för vatten – samt stelningspunkterna för olika metaller, som tenn, zink eller aluminium. Dessa fixpunkter erbjuder extremt precisa och reproducerbara referenstemperaturer.

Standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er) används för att kalibreras vid dessa definierande temperaturfixpunkter. Noggrannheten hos temperaturfixpunkterna och termometrarna är viktig för implementeringen av ITS-90. Genom att använda dessa fastställda temperaturfixpunkter möjliggör ITS-90 den hittills högsta noggrannheten och reproducerbarheten inom temperaturmätning, vilket gör den oumbärlig för tillämpningar inom forskning, industri och kvalitetskontroll.

Mer information om ITS-90 finns här: Den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90)

Funktionssätt för motståndstermometrar

Standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er) använder det exakt definierade sambandet mellan temperaturen och det elektriska motståndet hos rent platina för att mäta temperaturer. Genom att mäta förändringen i detta motstånd kan de bestämma temperaturer med den för närvarande högsta noggrannheten och reproducerbarheten.

Den fysikaliska grunden?

Standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er) baseras på principen att det elektriska motståndet hos en metallisk ledare, i detta fall platina, ändras med temperaturen. Detta temperaturberoende hos motståndet är särskilt väl karakteriserat och reproducerbart för rent platina, vilket gör platina till det idealiska materialet för precisa temperaturmätningar. Funktionssättet för en SPRT bygger på principen om elektriskt motstånd, mer specifikt på den fysikaliska egenskapen som kallas temperaturkoefficienten för motståndet. För platina är denna koefficient positiv, vilket betyder att motståndet ökar med stigande temperatur.

Termometrarna består av en fin platintråd som är lindad på ett icke-ledande stöd, till exempel kvarts. Konstruktionen måste säkerställa att platintråden kan expandera helt fritt från spänningar. Denna tråd är inbäddad i en skyddande atmosfär för att skydda den från miljöpåverkan och samtidigt säkerställa att den kan exponeras direkt för den temperatur som ska mätas.

När en temperaturförändring sker ändras det elektriska motståndet hos platintråden på ett förutsägbart sätt. Denna förändring mäts med hjälp av en precisionsmätbrygga, som ger mycket exakta motståndsvärden. Från det uppmätta motståndet kan sedan temperaturen bestämmas med hjälp av kända relationer.

Noggrannheten bygger på renheten hos det använda platinan, termometerns konstruktion samt på precisionen hos de mätinstrument som används för att bestämma motståndet. De internationella standarderna för SPRT:er fastställs av organisationer som Internationella byrån för mått och vikt (BIPM), Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) med säte i Braunschweig och Berlin eller andra NMI:er. National Metrology Institutes (NMI:er) finns över hela världen, som Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) i Tyskland, centrala institutioner för att fastställa och bevara nationella mätstandarder och spelar en nyckelroll i den globala harmoniseringen av mätmetoder.

Att definiera de strikta kraven på konstruktion och kalibrering av dessa termometrar säkerställer att de möjliggör globalt jämförbara temperaturmätningar. Dessa standarder gör det möjligt för SPRT:er att fungera som primära referenstermometrar, som kalibreras vid temperaturfixpunkterna i den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90).

Platinas roll och varför det valdes som material.

Platina spelar en avgörande roll i funktionssättet för standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er) på grund av flera unika egenskaper som gör det till det idealiska materialet för precisa temperaturmätningar. Valet av platina baseras på följande huvudorsaker:

Hög kemisk stabilitet: Platina är en extremt inert metall, vilket betyder att den inte reagerar eller endast reagerar i mycket liten utsträckning med andra ämnen. Denna kemiska stabilitet säkerställer att materialet förblir oförändrat även vid långvarig användning under olika miljöförhållanden, vilket förbättrar tillförlitligheten och långtidsstabiliteten hos mätningarna.

Jämn temperaturberoende: Det elektriska motståndet hos platina ändras på ett förutsägbart och jämnt sätt med temperaturen. Denna egenskap gör det möjligt att utföra precisa och reproducerbara temperaturmätningar. Det linjära sambandet mellan temperatur och motstånd hos platina underlättar kalibreringen och gör mätresultaten globalt jämförbara.

Hög temperaturbeständighet: Platina kan motstå höga temperaturer utan att ändra sina fysikaliska eller kemiska egenskaper. Denna höga temperaturbeständighet utökar det användbara temperaturområdet för SPRT:er och gör dem lämpliga för ett brett spektrum av tillämpningar, från mycket låga till mycket höga temperaturer.

God elektrisk ledningsförmåga: Som metall har platina en god elektrisk ledningsförmåga, vilket är nödvändigt för den precisa mätningen av motståndsförändringar. Denna ledningsförmåga bidrar till noggrannheten och känsligheten hos temperaturmätningen.

Långtidsstabilitet: Förutom sin kemiska stabilitet uppvisar platina också en utmärkt långtidsstabilitet med avseende på sina fysikaliska egenskaper, inklusive det elektriska motståndet. Denna stabilitet är avgörande för att upprätthålla kalibreringen och för upprepade mätningar under långa tidsperioder.

SPRT:ers betydelse i ITS-90

SPRT:er fungerar inom den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) som primära interpolationsinstrument genom att möjliggöra den exakta mätningen mellan de definierande fixpunkterna.

Grunden: Kelvin och Celsius

Ett centralt element i den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) är definitionen av en rad matematiska och termodynamiska samband som är väsentliga för användningen av standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er). I centrum står Kelvin (K), basenheten för den termodynamiska temperaturen (T), som utgör grunden för precisa temperaturmätningar.

I praktisk tillämpning anges temperaturer ofta som Celsiustemperaturer t90, där omvandlingen är som följer:

Detta gör det möjligt att effektivt använda både Kelvin och grader Celsius (°C) beroende på sammanhang. Särskilt vid temperaturer under fryspunkten föredrar man Kelvin, medan man ovanför den arbetar i grader Celsius.

W-värden för SPRT:er

Ett nyckelkoncept inom den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) är användningen av motståndsförhållanden, som allmänt kallas W-värden. Dessa W-värden är grunden för den precisa temperaturmätningen och -kalibreringen med standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er). Den grundläggande ekvationen för W-värdet definieras som följer:

Här står RT90 för det Ohmska motståndet vid temperaturen T90 och R(273,16K) för det Ohmska motståndet vid vattnets trippelpunkt, alltså vid exakt 0,01 °C.

Definition och urvalskriterier för SPRT:er

Inom den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) används W-värdena vid definitionen och urvalet av standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er). Dessa kriterier säkerställer att endast de mest precisa termometrarna används för noggranna temperaturmätningar enligt ITS-90-standarder.

En SPRT måste uppfylla specifika motståndsförhållanden, eller W-värden, för att klassificeras som sådan. Kriterierna är som följer:

Vid en temperatur av 29,7646 °C måste W-värdet vara minst 1,11807.

Eller respektive och vid en temperatur av -38,8344 °C får W-värdet högst vara 0,844235.

Om en platinamotståndstermometer används upp till silverns stelningspunkt gäller dessutom:

För termometrar som används upp till silverns stelningspunkt (961,78 °C) är ett ytterligare kriterium att W-värdet måste vara minst 4,2844. Dessa specifika krav garanterar att SPRT:er har tillräcklig linjäritet över hela temperaturområdet.

SPRT referens- och omvändningsfunktioner

Den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) använder specifika referens- och omvändningsfunktioner för att säkerställa temperaturmätningar med standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er). Dessa funktioner definieras för två huvudtemperaturområden:

Temperaturområde från 13,8033 K till 273,16 K

För detta temperaturområde definierar ITS-90 en referensfunktion som beskriver det matematiskt ideala förhållandet mellan W-värdet och temperaturen T90.

För att bestämma motsvarande temperatur från ett uppmätt W-värde används en omvändningsfunktion som tillåter en maximal avvikelse på endast 0,1 mK från referensfunktionen.

Koefficienterna A0, B0, Ai och Bi, som är nödvändiga för tillämpningen av dessa funktioner, finns i ITS-90.

Temperaturområde från 0 °C till 961,78 °C:

I detta breda temperaturområde tillhandahålls också specifika referens- och omvändningsfunktioner.

Referensfunktionen definierar återigen det ideala förhållandet för precisa temperaturmätningar, medan omvändningsfunktionen med en liten maximal avvikelse på 0,13 mK möjliggör att temperaturen T90 kan bestämmas exakt baserat på ett givet W-värde.

För implementeringen av dessa funktioner krävs koefficienterna C0, D0, Ci och Di, som också anges i ITS-90.

SPRT Avvikelsefunktioner

Avvikelsefunktioner är ett väsentligt instrument i den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90). Dessa funktioner gör det möjligt att beräkna motsvarande temperaturer exakt från de uppmätta motståndsvärdena för standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er). Analogt med referensfunktionerna är avvikelsefunktionerna indelade i tre huvudtemperaturområden:

Temperaturområde från 13,8033 K till 273,16 K

Temperaturområde från 83,8058 K till 273,16 K

Temperaturområde från -38,8344 °C till 961,78 °C

Avvikelsefunktioner återspeglar det faktiska förhållandet mellan de uppmätta motståndsvärdena och temperaturerna enligt ITS-90, vilket möjliggör en direkt och noggrann temperaturberäkning.

En nyckelfaktor i dessa funktioner är de individuella koefficienterna a, b, c och d, som måste beräknas specifikt för varje termometer. Dessa koefficienter säkerställer att avvikelsefunktionen tar hänsyn till de individuella egenskaperna hos varje termometer, vilket kräver en individuell kalibrering.

Denna skräddarsydda anpassning är avgörande för noggrannheten i temperaturmätningarna och understryker behovet av en exakt och individuell kalibrering av varje SPRT enligt ITS-90.

Fördelar och begränsningar med SPRT:er

SPRT:er erbjuder exceptionell precision och reproducerbarhet vid temperaturmätningar, vilket stöds av deras grundläggande roll i ITS-90. Begränsningar består av höga kostnader, en viss känslighet för mekaniska och kemiska påverkan samt en begränsad användbarhet i extrema temperaturområden eller tuffa miljöer.

Fördelar med SPRT:er jämfört med andra termometertyper

Standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er) erbjuder en exceptionell noggrannhet och reproducerbarhet i temperaturmätningen, vilket skiljer dem från andra termometertyper. Deras precision beror på den stabila och förutsägbara förändringen av det elektriska motståndet hos platina beroende på temperaturen, vilket gör dem till föredragna instrument för primära referensmätningar och kalibrering av andra termometrar. Dessutom möjliggör den höga kemiska stabiliteten och den låga känsligheten för åldringsprocesser hos platina en långsiktig konsistens i mätvärdena, vilket är väsentligt för tillämpningar där hög noggrannhet över långa tidsperioder är avgörande.

Jämfört med andra termometertyper, som termistorer, termoelement eller vätske-i-glas-termometrar, erbjuder SPRT:er en betydligt högre noggrannhet och stabilitet. Dessa egenskaper gör dem till det första valet för vetenskaplig forskning och för tillämpningar inom metrologi, där precision är av största vikt. Medan andra termometertyper kan föredras för vissa tillämpningar på grund av deras enkelhet, robusthet eller specifika temperaturområden, förblir den oöverträffade precisionen och tillförlitligheten hos SPRT:er oöverträffad för grundläggande temperaturstandarder och högprecisa mätuppgifter.

Begränsningar eller utmaningar vid användning av SPRT:er

Trots sin enastående noggrannhet och reproducerbarhet har standardplatinamotståndstermometrar (SPRT:er) också begränsningar och utmaningar som måste beaktas vid deras användning. En av de största begränsningarna med SPRT:er är deras relativt höga inköpspris och kostnaderna för kalibrering, vilket gör dem mindre praktiska för vardagliga eller industriella tillämpningar där stora mängder eller kostnadseffektiva lösningar krävs. Dessutom är SPRT:er känsliga för mekanisk belastning och föroreningar, vilket innebär att de måste hanteras och lagras noggrant för att bibehålla sin noggrannhet och livslängd.

En annan utmaning är temperaturområdet där SPRT:er kan användas. Även om de är lämpliga för ett brett temperaturområde, är de inte optimala för extremt höga temperaturer eller mycket tuffa förhållanden, där alternativa termometertyper som termoelement kan vara bättre lämpade. Dessutom kräver användningen av SPRT:ers fulla noggrannhet användning av specialiserad mätutrustning och expertis för att utföra exakta mätningar och tolka data korrekt. Dessa krav begränsar vanligtvis deras användning till laboratoriemiljöer eller specialiserade industriella applikationer, där de nödvändiga resurserna och kunskapen finns tillgängliga.

Tillämpningar av SPRT:er i praktiken

Standard-platinamotståndstermometrar (SPRT:er) och den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) finner praktisk användning inom en mängd olika applikationsområden där precision och tillförlitlighet vid temperaturmätningar efterfrågas. Ett centralt användningsområde för SPRT:er är vid kalibrering av andra termometrar och inom metrologi, där de fungerar som primära referenstermometrar. Inom nationella metrologiska institut används SPRT:er för att realisera temperaturnormalerna, som krävs för spårbarhet av temperaturmätningar inom industri, forskning och kvalitetssäkring.

Dessutom spelar SPRT:er en viktig roll inom forskning och utveckling, särskilt inom fysik och materialvetenskap, där exakt temperaturkontroll och -mätning är avgörande för förståelsen av termiska egenskaper och fenomen. Inom läkemedelsindustrin och bioteknik används SPRT:er och ITS-90 för exakta temperaturkontroller i produktionen och lagringen av temperaturkänsliga produkter, som vacciner och läkemedel. Även inom miljöövervakning och -forskning, där noggranna temperaturdata behövs för klimatmodeller och ekologiska studier, är SPRT:er och ITS-90 av stor betydelse.

Den exakta efterlevnaden av ITS-90 möjliggör globalt jämförbara temperaturmätningar, vilket är väsentligt för internationella handelsrelationer, kvalitetsstandarder och säkerhetsföreskrifter. Vare sig det gäller kvalitetssäkring av livsmedel, övervakning av industriella processer eller kalibrering av medicinsk utrustning – precisionen och tillförlitligheten hos SPRT:er och efterlevnaden av ITS-90 skapar förtroende och säkerhet i många aspekter av det dagliga livet och vetenskapen.

Hur kyler man ner en standard-platinamotståndstermometer (SPRT)?

En ofta förd diskussion, som ständigt återkommer, är frågan: Hur bör precisionstermometrar som standard-platinamotståndstermometrar (SPRT:er) kylas ner på rätt sätt? Åsikterna går ofta isär om de ska kylas ner snabbt, långsamt eller med temperaturramper.

Förutom de termiska och mekaniska effekter som kan uppstå under uppvärmning och nedkylning, spelar även den tredimensionella oxidationen av platinan en viktig roll. Intressant nog finns det inget allmängiltigt svar på denna fråga. Det finns dock två mycket bra publikationer som kan hjälpa till:

NIST Special Publication 250-81: ”Standard Platinum Resistance Thermometer Calibrations from the Ar TP to the Ag FP” av G. F. Strouse

Denna publikation från National Institute of Standards and Technology (NIST) beskriver ett detaljerat förfarande för nedkylning av SPRT:er som används vid temperaturer upp till 675 °C. Processen är som följer:

• SPRT:n värms upp från 475 °C till 675 °C under en period av 30 minuter.
• Därefter hålls den i 2,5 timmar vid 675 °C.
• Nedkylningen sker långsamt genom att temperaturen reduceras från 675 °C till 475 °C under tre timmar.
• Slutligen tas HTSPRT:n vid 475 °C ut ur ugnen.

CCT-guide: ”Guide to the Realization of the ITS-90: Platinum Resistance Thermometry”

I denna publikation, som hänvisar till den internationella temperaturskalan (ITS-90), beskrivs förfarandet för nedkylning av SPRT:er som används upp till 660 °C. Processen är som följer:

• Först glödgas SPRT:n i en åldringsugn vid 480 °C till 500 °C.
• Temperaturen ökas sedan långsamt under en period av 45 till 60 minuter till cirka 675 °C.
• SPRT:n glödgas i fyra timmar vid denna temperatur för att minska termiska spänningar.
• Nedkylningen sker långsamt till cirka 480 °C under en period av fyra timmar, innan SPRT:n bringas direkt till rumstemperatur.

Båda tillvägagångssätten är hjälpsamma och ger vägledning, men de är inte identiska. Ett enhetligt tillvägagångssätt vore verkligen önskvärt. Båda metoderna har som mål att minimera spänningar i platinan i SPRT:n, men skiljer sig åt i sina detaljer. Båda tillvägagångssätten är beprövade, men en enhetlig procedur är inte etablerad. Vilket tillvägagångssätt som är det rätta beror ofta på de specifika kraven och tillämpningarna.

Framtiden för temperaturmätningar och SPRT:ers roll

Framtiden för temperaturmätningar ser en fortskridande utveckling mot ännu större precision, tillförlitlighet och användningsområden, där standard-platinamotståndstermometrar (SPRT:er) sannolikt kommer att fortsätta att spela en central roll. Med strävan efter förbättrade material, mer avancerade mätmetoder och integrationen av digital teknik, förväntas noggrannheten och användbarheten av temperaturmätningar att öka ytterligare. SPRT:er, som redan nu utgör grunden för högprecisionsmätning, kan genom dessa innovationer förbättras ytterligare i sin prestanda och mångsidighet.

Samtidigt kommer betydelsen av den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) sannolikt att kompletteras eller utökas genom utvecklingen av nya och reviderade temperaturskalor, som erbjuder ännu mer exakta och universellt giltiga mätstandarder. Forskning inom kvantfysik och nya upptäckter inom materialvetenskap kan leda till helt nya metoder inom temperaturmätning, som ger SPRT:er nya konfigurationer eller till och med helt nya typer av referenstermometrar.

Trots dessa framtida utvecklingar kommer SPRT:ers roll som högprecisionsstandardinstrument för temperaturmätning sannolikt att bestå, särskilt inom områden där högsta mätnoggrannhet och tillförlitlighet krävs. Deras förmåga att fungera som en grundläggande referens för kalibrering och verifiering av andra termometrar kommer att fortsätta att vara av avgörande betydelse för att säkerställa jämförbarheten av temperaturmätningar över hela världen.

Slutsats

Sammanfattningsvis utgör standard-platinamotståndstermometrar (SPRT:er) och den internationella temperaturskalan från 1990 (ITS-90) oumbärliga beståndsdelar inom området för precisa temperaturmätningar. SPRT:er erbjuder genom sina unika egenskaper – som hög kemisk stabilitet, exakt temperaturberoende av motståndet och långtidsstabilitet – en exceptionell noggrannhet och reproducerbarhet, vilket gör dem till essentiella instrument för kalibrering och i vetenskapliga och industriella tillämpningar. ITS-90 definierar dessa precisionsinstrument för att möjliggöra en globalt konsekvent och jämförbar temperaturmätning, vilket är av grundläggande betydelse för forskning, kvalitetssäkring och olika industriella processer.

Rollen för SPRT:er och ITS-90 i att säkerställa mätnoggrannheten får inte underskattas, eftersom de direkt bidrar till säkerhet, effektivitet och innovation inom många områden av det dagliga livet och den globala ekonomin. Den framtida utvecklingen inom temperaturmätning, som drivs av tekniska framsteg och vetenskaplig forskning, lovar ännu mer exakta och mångsidiga mätmetoder. Därvid förväntas SPRT:er och eventuellt deras avancerade efterföljare fortsätta att spela en central roll genom att sätta standarderna för precision och tillförlitlighet.

Betydelsen av precisa temperaturmätningar och rollen för SPRT:er och ITS-90 går långt utöver laboratoriet. De är avgörande för att främja vetenskapliga insikter, förbättra industriella processer och säkerställa produktkvalitet, vilket i slutändan bidrar till en förbättrad livskvalitet och miljösäkerhet. Den kontinuerliga vidareutvecklingen och anpassningen av dessa mätstandarder och tekniker kommer även i framtiden att vara en viktig uppgift för att möta de växande kraven i en snabbt utvecklande värld.

Källor

• Walter Blanke: Den internationella temperaturskalan från 1990: ITS-90
• Frank Bernhard: Handbuch der Technischen Temperaturmessung, 2. Auflage
• Thomas Klasmeier: Tabellenbuch „Temperatur“, Ausgabe 3
• Strouse, G. F. Standard Platinum Resistance Thermometer Calibrations from the Ar TP to the Ag FP. NIST Special Publication 250-81, National Institute of Standards and Technology, 2008.
• Consultative Committee for Thermometry. Guide to the Realization of the ITS-90: Platinum Resistance Thermometry. Bureau International des Poids et Mesures, 2008.