Vattentrippelpunkten är ett speciellt tillstånd där vatten förekommer i de tre aggregationstillstånden (fast, flytande och gasformigt) samtidigt och i termodynamisk jämvikt. Vattnets trippelpunkt är en viktig referenstemperatur för kalibrering av temperaturgivare och termometrar.

Vattnets trippelpunkt i fasdiagrammet

Vattnets trippelpunkt kan identifieras i vattnets fasdiagram. Detta visar de olika tillstånden (faserna) av vatten under olika tryck- och temperaturförhållanden. Vatten kan existera i tre huvudtillstånd: fast (is), flytande (vatten) och gasformigt (ånga). Vattnets fasdiagram visar under vilka tryck- och temperaturförhållanden var och en av dessa faser är stabil.

Viktiga punkter och kurvor i vattnets fasdiagram:

1. Vattnets trippelpunkt Här möts kurvorna för det fasta, flytande och gasformiga tillståndet. Vid denna trippelpunkt för vatten kan alla tre faserna existera samtidigt i jämvikt. För vatten ligger trippelpunkten vid 0,01 °C och 611,657 Pascal. Eftersom vattnets trippelpunkt definieras av temperatur och tryck är den utmärkt som temperaturfixpunkt för kalibrering av termometrar.
2. Smältkurva: Smältkurvan separerar det fasta tillståndet från det flytande tillståndet. Längs denna linje smälter is till vatten eller fryser vatten till is. Denna fasövergång kan användas som en sekundär fixpunkt för kalibrering av termometrar. Den är dock tryckberoende och ligger vid ca 0 °C.
3. Kokpunktkurva: Denna linje separerar det flytande tillståndet från det gasformiga tillståndet. Längs denna linje avdunstar vatten till ånga eller kondenserar ånga till vatten. Kokpunkten kan också användas som en sekundär fixpunkt för kalibrering av termometrar. Vattnets kokpunkt ligger vid atmosfäriskt tryck vid ca 100 °C.
4. Sublimeringskurva: Denna linje separerar det fasta från det gasformiga tillståndet. Längs denna linje kan vatten sublimera från fast (is) direkt till gasformigt (ånga) eller vice versa, utan att passera genom det flytande tillståndet.
5. Kritisk punkt: Denna punkt markerar slutet på kokpunktskurvan. Bortom denna punkt kan den flytande och gasformiga fasen inte längre särskiljas, och de blir en superkritisk vätska. För vatten ligger denna punkt vid ca 374 °C och ett tryck på 22,06 MPa.

Särskilt anmärkningsvärt i vattnets fasdiagram är den negativa lutningen på smältkurvan. Det betyder att under stigande tryck sjunker isens smältpunkt. Detta är ovanligt och skiljer sig från de flesta andra ämnen. Det förklarar också varför is flyter på vatten.

Idrifttagning av en vattentrippelpunktscell – ”Mätkanalsmetoden”

Standardmetoden för att förbereda en ismantel runt mätkanalen i en vattentrippelpunktscell är ”Mätkanalsmetoden”. Här bildas ismanteln från insidan och ut genom kylning av mätkanalen. Beroende på vilket kylmedel som används (krossad fast CO2, doppkylare med värmerör, flytande kvävekyld stav eller flytande kväve) kan olika varianter tillämpas, som kan sammanfattas enligt följande:

1. Krossad fast CO2: Mätkanalen fylls med krossad fast CO2 upp till vattenytan i cellen och sådan CO2 tillsätts tills en mantel av önskad tjocklek bildas. Ca 1 ml etanol tillsätts före CO2 för att främja värmeöverföringen och en tjockare mantel i botten.
2. Doppkylare med värmerör: Först tillsätts ca 1 ml etanol och 5 ml finfördelad fast CO2 i mätkanalen för att främja kristallbildning och en tjockare mantel i botten och för att skydda vattnet i cellen från underkylning. Doppkylaren förs sedan in i mätkanalen och utrymmet mellan mätkanalen och värmeröret fylls med etanol. En värmeledningskrets börjar och ismanteln bildas.
3. Med flytande kvävekyld stav: Mätkanalen fylls med etanol och en metallstav som är förkyld i flytande kväve förs in. Flera upprepningar är nödvändiga för att skapa en tillräcklig mantel.
4. Flytande kväve: Denna variant kan ha olika undervarianter. Oftast leds kylan in i mätkanalen i vattentrippelpunktscellen genom ett värmerör med kylare, där det flytande kvävet finns.

I alla ovan beskrivna varianter måste vattentrippelpunktscellen förkylas i förväg till en temperatur nära 0 °C. Under kylningsprocessen måste man se till att ingen fast bro av is bildas på den övre ytan. Dessutom är det viktigt att avlägsna allt vatten från mätkanalen före beredningen av ismanteln, till exempel genom att skölja med högrent etanol.

Den tid som krävs för att bilda en ismantel beror på den valda varianten: ca 30 minuter för varianterna 1 och 3, 60 minuter eller mer för variant 2, 10 till 120 minuter för variant 4.

Med en alternativ, icke-standardiserad metod, känd som ”Mush-metoden”, bildas ismanteln från utsidan och in. Även om denna metod har praktiska fördelar (den kan utföras i en industriell temperatur-blockkalibrator) och har visat sig överensstämma med ”Mätkanalsmetoden” upp till 0,1 mK, är dess användning normalt begränsad till att kontrollera stabiliteten hos referens-SPRT i sekundära temperaturkalibreringslaboratorier.

Idrifttagning av en vattentrippelpunktscell – ”Mush-metoden”

Som ett alternativ till ”Mätkanalsmetoden” kan en vattentrippelpunktscell också tas i drift mer ekonomiskt effektivt i en temperatur-blockkalibrator. Denna metod kallas också ”Mush-metoden” och möjliggör också en extremt exakt temperaturmätning och kan användas i många vetenskapliga och industriella tillämpningar.

Det första steget är att noggrant placera vattentrippelpunktscellen i kalibreringsvolymen på temperatur-blockkalibratorn. Slå sedan på temperatur-blockkalibratorn och ställ in börvärdet på -8 °C. Det är viktigt att övervaka temperaturen med en termometer i mätkanalen på vattentrippelpunktscellen under kylningsprocessen. I detta sammanhang rekommenderar vi att du använder en vätska i mätkanalen på vattentrippelpunktscellen för att optimera värmeöverföringen, till exempel en blandning av vatten och etanol.

När temperaturen i vattentrippelpunktscellen når -6 °C kan processen för ismantelbildning inledas. För detta ändamål tar du ut vattentrippelpunktscellen från temperatur-blockkalibratorn, skakar den försiktigt och observerar hur isen bildas från vattenytan till botten av cellen. Denna process leder till en ökning av temperaturen i cellen till vattnets trippelpunkt, som ligger vid 0,01 °C.

För att säkerställa stabiliteten hos is-vattenblandningen kan cellen kylas i ytterligare 45 minuter vid -6 °C. Det är viktigt att notera att under mätningarna vid vattentrippelpunkten måste man se till att ismanteln inte fryser fast vid mätkanalen eller vid cellens vägg. Om detta skulle vara fallet kan du tina ismanteln i cellen med en metallstav och värma upp den yttre manteln med handvärme.

Slutligen, för att bevara ismanteln i vattentrippelpunktscellen, bör börvärdet för temperatur-blockkalibratorn ställas in på -1 °C. Detta säkerställer att ismanteln i cellen förblir stabil och möjliggör exakta mätningar.

Sammanfattningsvis är idrifttagning av en vattentrippelpunktscell i en -temperatur-blockkalibrator en komplex men genomförbar process. Genom att noggrant följa de steg som presenteras här kan du utföra exakta och tillförlitliga temperaturmätningar och kalibrera termometrar.

Hur vattentrippelpunkter sparar kostnader och minimerar risker

I en värld av precisionstermometri, där exakta temperaturmätningar är avgörande för en mängd olika tillämpningar, spelar vattentrippelpunktsceller och galliumsmältpunktsceller en nyckelroll.

Användningen av dessa temperaturfixpunkter i temperaturlaboratorier, särskilt för användare av standard-platinmotståndstermometrar (SPRT) eller industriella platinmotståndstermometrar av hög kvalitet (PRT) kan spara kostnader och minimera risker.

Värdet av regelbundna kontroller

Medan användningen av dessa precisionstermometrar är beroende av en extern kalibrering av specialiserade temperaturkalibreringslaboratorier, uppstår frågan: Vad händer mellan kalibreringscyklerna? Termometrar kan påverkas under transport eller vid felaktig hantering, vilket kan leda till förändringar i deras värden (termometerdrift). En sådan förändring, som först upptäcks vid nästa kalibrering, kan få allvarliga konsekvenser, t.ex. den möjliga ogiltigförklaringen av alla tidigare mätningar, vilket skulle kräva ett återkallande av all kalibrerad utrustning. Sådana incidenter kan starkt påverka förtroendet för temperaturkalibreringen och orsaka betydande kostnader. Dessa risker kan dock minimeras genom regelbundna kontroller av termometrarna vid vattentrippelpunkten och vid galliums smältpunkt.

Kontroller vid vattentrippelpunkten

I kalibreringscertifikatet från ett ackrediterat temperaturkalibreringslaboratorium anges det senaste värdet för vattentrippelpunkten. Efter mottagandet av en kalibrerad termometer bör denna kontrolleras vid vattentrippelpunkten och resultatet jämföras med detta värde. En sådan kontroll möjliggör en mätosäkerhet på mindre än 0,001 °C och är ett viktigt steg för att säkerställa termometerns tillförlitlighet mellan kalibreringarna.

Galliums smältpunkt: Ytterligare ett sätt att bedöma termometrars tillförlitlighet

Galliums smältpunkt möjliggör mätning av motståndsvärdet hos en termometer vid 29,7646 °C. Den är lätt att hantera och erbjuder mycket låga mätosäkerheter. Kombinationen av galliums smältpunkt och vattentrippelpunkten möjliggör beräkning av motståndsförhållandet (WGA), ett avgörande värde för att bedöma termometerns tillförlitlighet.

Detta så kallade W-värde beräknas utifrån det aktuella motståndet – i vårt fall motståndet vid galliums smältpunkt R(GA) – och det senast kända motståndsvärdet för termometern vid vattentrippelpunkten R(WTP):

W(GA) = R(GA) / R(WTP)

Nyttan med W-värdesberäkningen

W-värdet är en viktig storhet i temperaturmätningen, eftersom det praktiskt taget beräknar lutningen på en termometers karakteristiska kurva. Ju renare platinan i temperaturgivaren på motståndstermometern är, desto högre är detta W-värde.

Det finns vissa scenarier som kan leda till förändringar i termometerns prestanda. Anta att motståndsvärdet för termometern vid vattentrippelpunkten ökar, men W-värdet vid galliums smältpunkt (WGA) förblir konstant. I sådana fall indikerar detta att den karakteristiska kurvan har förskjutits parallellt. Detta är den klassiska termometerdriften. Denna drifteffekt kan uppstå på grund av mekaniska och termiska belastningar. Den goda nyheten är att sådana förändringar ofta är reversibla, och en kalibrering kan korrigera dessa effekter och är därför meningsfull.

Om W-värdet däremot förändras (vanligtvis sjunker det) är det ett tecken på att termometern är kontaminerad. Tyvärr är sådana förändringar ofta inte reversibla och termometern kan i många fall inte längre kalibreras.

Genom regelbundna kontroller av WGA kan man fastställa hur termometern belastas i den dagliga driften. Dessa kontroller kan därför ge ett värdefullt beslutsunderlag för om en kalibrering är meningsfull eller inte. De kan också bidra till att maximera termometerns livslängd och noggrannhet och undvika oväntade fel.

Fördelar med regelbunden mätning vid vattentrippelpunkten och W-värde

Den regelbundna mätningen av värdena R(WTP) (motstånd vid vattentrippelpunkten) och W(GA) (förhållandet mellan motståndet vid vattentrippelpunkten och motståndet vid galliums smältpunkt) erbjuder en rad fördelar:

Kostnadsbesparing: Genom regelbundna egenkontroller kan användare förlänga kalibreringsperioderna i ackrediterade, externa laboratorier, vilket leder till betydande kostnadsbesparingar.

Ökat förtroende: Genom regelbundna kontroller och därmed bekräftelse av termometrarnas noggrannhet och tillförlitlighet stärks förtroendet i laboratoriet.

Undvikande av fel: Genom att identifiera och korrigera potentiella problem kan felaktiga mätningar undvikas, vilket annars kan leda till allvarliga konsekvenser.

Dessutom tillåter användningen av galliums smältpunkter och vattentrippelpunkter i temperaturlaboratorier en betydande riskminimering genom att de minskar transporten av termometrar för externa kalibreringar. Detta sparar inte bara transportkostnader, utan minimerar också risken för skador på termometrarna.

Det är fördelaktigt för användare av SPRT och PRT att ha tillgång till egna vattentrippelpunkt- och galliumsmältpunktsceller. De möjliggör regelbundna kontroller och justeringar, ökar förtroendet för termometrarnas tillförlitlighet och kan minska behovet av externa kalibreringar och därmed förknippade kostnader och risker. I en värld där precision är avgörande erbjuder vattentrippelpunkter och galliums smältpunkter ett effektivt sätt att säkerställa noggrannhet och tillförlitlighet inom termometri.

Källor

• Walter Blanke: Den internationella temperaturskalan från 1990: ITS-90
• Hering, Martin, Stohrer: Fysik för ingenjörer
• Beiz, Grote: Dubbel – Handbok för maskinteknik
• Thomas Klasmeier: Tabellbok ”Temperatur”, utgåva 3
• Guide to the Realization of the ITS-90 – Triple Point of Water – Bureau International des Poids et Mesures