Wasser-Tripelpunkt

Der Wasser-Tripelpunkt ist ein spezieller Zustand, bei dem Wasser in den drei Aggregatzuständen (fest, flüssig und gasförmig) gleichzeitig und im thermodynamischen Gleichgewicht vorliegt. Der Tripelpunkt des Wassers ist eine wichtige Referenztemperatur für die Kalibrierung von Temperatursensoren und Thermometern.

Wasser-Tripelpunkt

Grundwissen

Der Wasser-Tripelpunkt tritt bei einem bestimmten Druck auf, der normalerweise als 611,657 Pa (0,0060366 atm) definiert ist. Bei diesem Druck liegt die Temperatur, bei der die drei Phasen von Wasser im Gleichgewicht sind, bei genau 273,16 Kelvin (0,01°C). Dieser Wert ist die Basis für die Kelvin-Temperaturskala, die eine absolute Skala ist, bei der der Nullpunkt der absoluten Nullpunkt ist, der der theoretischen Temperatur entspricht, bei der alle Moleküle und Atome eines Stoffes ihre Mindestenergie aufweisen.

Die Definition des Tripelpunkts von Wasser bietet eine präzise und reproduzierbare Referenztemperatur, die bei der Kalibrierung von Thermometern und Temperatursensoren verwendet wird. Es ist auch eine wichtige Referenztemperatur für andere wissenschaftliche Anwendungen, wie z.B. für die Bestimmung von Materialkonstanten und für die Entwicklung von thermodynamischen Modellen.

Der Wasser-Tripelpunkt im Phasendiagramm

Der Wasser-Tripelpunkt kann am Phasendiagramm von Wasser erkannt werden. Dieses stellt die verschiedenen Zustände (Phasen) von Wasser unter verschiedenen Bedingungen von Druck und Temperatur dar. Wasser kann in drei Hauptzuständen existieren: fest (Eis), flüssig (Wasser) und gasförmig (Dampf). Das Phasendiagramm von Wasser zeigt, unter welchen Druck- und Temperaturbedingungen jede dieser Phasen stabil ist.

Der Wasser-Tripelpunkt im Phasendiagramm

Wichtige Punkte und Kurven im Phasendiagramm von Wasser:

  1. Der Wasser-Tripelpunkt Hier treffen die Kurven für den festen, flüssigen und gasförmigen Zustand aufeinander. Bei diesem Tripelpunkt von Wasser können alle drei Phasen gleichzeitig im Gleichgewicht existieren. Für Wasser liegt der Tripelpunkt bei 0,01°C und 611,657 Pascal. Da der Tripelpunkt von Wasser durch Temperatur und Druck definiert ist, eignet er sich hervorragend als Temperatur Fixpunkt zum Kalibrieren von Thermometern.
  2. Schmelzkurve: An der Schmelzkurve trennt den festen Zustand von dem flüssigen Zustand. Entlang dieser Linie schmilzt Eis zu Wasser oder gefriert Wasser zu Eis. Dieser Phasenübergang kann als Sekundärfixpunkt zum Kalibrieren von Thermometern verwendet werden. Er ist jedoch druckabhängig und liegt bei ca. 0 °C.
  3. Siedekurve: Diese Linie trennt den flüssigen Zustand von dem gasförmigen Zustand. Entlang dieser Linie verdampft Wasser zu Dampf oder kondensiert Dampf zu Wasser. Der Siedepunkt kann ebenfalls als Sekundärfixpunkt zum Kalibrieren von Thermometern verwendet werden. Der Siedepunkt von Wasser liegt bei atmosphärischen Druck bei ca. 100 °C.
  4. Sublimationskurve: Diese Linie trennt den festen von dem gasförmigen Zustand. Entlang dieser Linie kann Wasser von fest (Eis) direkt zu gasförmig (Dampf) sublimieren oder umgekehrt, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen.
  5. Kritischer Punkt: Dieser Punkt markiert das Ende der Siedekurve. Jenseits dieses Punktes können die flüssige und gasförmige Phase nicht mehr unterschieden werden, und sie werden zu einer überkritischen Flüssigkeit. Für Wasser liegt dieser Punkt bei etwa 374°C und einem Druck von 22,06 MPa.

Besonders bemerkenswert am Phasendiagramm von Wasser ist die negative Neigung der Schmelzkurve. Das bedeutet, dass unter steigendem Druck der Schmelzpunkt von Eis sinkt. Dies ist ungewöhnlich und unterscheidet sich von den meisten anderen Stoffen. Es erklärt auch, warum Eis auf Wasser schwimmt.

Inbetriebnahme einer Wasser-Tripelpunkt-Zelle – „Messkanal-Methode“

Die Standardmethode zur Vorbereitung eines Eismantels um den Messkanal einer Wasser-Tripelpunkt-Zelle ist die „Messkanal-Methode“. Hierbei wird der Eismantel von innen nach außen durch Kühlung des Messkanals gebildet. Abhängig vom verwendeten Kühlmittel (zerstoßenes festes CO2, Tauchkühler mit Wärmerohr, mit Flüssigstickstoff gekühlter Stab oder flüssiger Stickstoff) können verschiedene Varianten angewendet werden, die wie folgt zusammengefasst werden können:

  1. Zerstoßenes festes CO2: Der Messkanal wird mit zerstoßenem festem CO2 bis zur Wasseroberfläche in der Zelle gefüllt und solches CO2 wird hinzugefügt, bis ein Mantel der gewünschten Dicke entsteht. Etwa 1 ml Ethanol wird vor dem CO2 hinzugefügt, um die Wärmeübertragung und einen dickeren Mantel am Boden zu fördern.
  2. Tauchkühler mit Wärmerohr: Zunächst werden etwa 1 ml Ethanol und 5 ml fein zerstoßenes festes CO2 in den Messkanal gegeben, um die Kristallkeimbildung und einen dickeren Mantel am Boden zu fördern und das Wasser in der Zelle vor Unterkühlung zu schützen. Der Tauchkühler wird dann in den Messkanal eingeführt und der Raum zwischen Messkanal und Wärmerohr mit Ethanol gefüllt. Ein Wärmeleitungskreislauf beginnt, und der Eismantel bildet sich.
  3. Mit Flüssigstickstoff gekühlter Stab: Der Messkanal wird mit Ethanol gefüllt und ein in flüssigem Stickstoff vorgekühlter Metallstab wird eingeführt. Mehrere Wiederholungen sind notwendig, um einen ausreichenden Mantel zu erzeugen.
  4. Flüssiger Stickstoff: Diese Variante kann unterschiedliche Unter-Varianten haben. Meist wird durch ein Wärmerohr mit Kühler, in dem sich der flüssige Stickstoff befindet, die Kälte in den Messkanal der Wasser-Tripelpunkt-Zelle geleitet.

In allen oben beschriebenen Varianten muss die Wasser-Tripelpunkt-Zelle vorab auf eine Temperatur nahe 0 °C vorgekühlt werden. Während des Kühlvorgangs muss darauf geachtet werden, dass keine feste Brücke aus Eis an der oberen Oberfläche entsteht. Zudem ist es essentiell, vor der Vorbereitung des Eismantels das gesamte Wasser aus dem Messkanal zu entfernen, beispielsweise durch Spülen mit hochreinem Ethanol.

Die für die Bildung eines Eismantels benötigte Zeit hängt von der gewählten Variante ab: etwa 30 Minuten für Varianten 1 und 3, 60 Minuten oder mehr für Variante 2, 10 bis 120 Minuten für Variante 4.

Mit einer alternativen, nicht standardisierten Methode, bekannt als „Mush-Methode“, wird der Eismantel von außen nach innen gebildet. Obwohl diese Methode praktische Vorteile hat (Sie kann ein einem industriellen Temperatur-Blockkalibrator durchgeführt werden.) und gezeigt wurde, dass sie mit der „Messkanal-Methode“ bis auf 0,1 mK übereinstimmt, wird ihre Verwendung normalerweise auf die Überprüfung der Stabilität von Referenz-SPRTs in sekundären Temperaturkalibrierlaboratorien beschränkt.

Inbetriebnahme einer Wasser-Tripelpunkt-Zelle – „Mush-Methode“

Als Alternative zur „Messkanal-Methode“ kann eine Wasser-Tripelpunkt-Zelle auch wirtschaftlich effizienter in einem Temperatur-Blockkalibrator in Betrieb genommen werden. Diese Methode wird auch „Mush-Methode“ genannt und ermöglicht ebenfalls eine äußerst präzise Temperaturmessung und kann in vielen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen eingesetzt werden.

Der erste Schritt besteht darin, die Wasser-Tripelpunkt-Zelle sorgfältig in das Kalibriervolumen des Temperatur-Blockkalibrators zu platzieren. Anschließend schalten Sie den Temperatur-Blockkalibrator ein und stellen den Sollwert auf -8°C. Es ist wichtig, während des Kühlprozesses die Temperatur mit einem Thermometer im Messkanal der Wasser-Tripelpunkt-Zelle zu überwachen. In diesem Zusammenhang empfehlen wir die Verwendung einer Flüssigkeit im Messkanal der Wasser-Tripelpunkt-Zelle zur Optimierung der Wärmeübertragung, beispielsweise eine Mischung aus Wasser und Ethanol.

In eigener Sache

Temperatur-Blockkalibrator zur Inbetriebnahme von Wasser-Tripelpunkt-Zellen

Mit dem Temperatur-Blockkalibrator VENUS von ISOTECH können Sie Wasser-Tripelpunkt-Zellen in Betrieb nehmen und daran Temperatursensoren kalibrieren.

Wenn die Temperatur in der Wasser-Tripelpunkt-Zelle -6°C erreicht, kann der Prozess der Eismantelbildung eingeleitet werden. Zu diesem Zweck nehmen Sie die Wasser-Tripelpunkt-Zelle aus dem Temperatur-Blockkalibrator, schütteln sie vorsichtig und beobachten, wie sich das Eis von der Wasseroberfläche zum Boden der Zelle bildet. Dieser Prozess führt zu einem Anstieg der Temperatur in der Zelle auf den Tripelpunkt des Wassers, der bei 0,01°C liegt.

Um die Stabilität des Eis-Wasser-Gemisches zu gewährleisten, kann die Zelle für zusätzliche 45 Minuten bei -6°C gekühlt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass während der Messungen am Wasser-Tripelpunkt darauf geachtet werden muss, dass der Eismantel nicht am Messkanal oder an der Wand der Zelle anfriert. Sollte dies der Fall sein, können Sie den Eismantel in der Zelle mit einem Metallstab auftauen und den Außenmantel über die Handwärme erwärmen.

Schließlich, um den Eismantel der Wasser-Tripelpunkt-Zelle zu erhalten, sollte der Sollwert des Temperatur-Blockkalibrators auf -1°C eingestellt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Eismantel in der Zelle stabil bleibt und genaue Messungen ermöglicht werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Inbetriebnahme einer Wasser-Tripelpunkt-Zelle in einem -Temperatur-Blockkalibrator ein komplexer, aber durchführbarer Prozess ist. Durch die sorgfältige Einhaltung der hier vorgestellten Schritte können Sie genaue und zuverlässige Temperaturmessungen durchführen und Thermometer kalibriert werden.

Wie Wasser-Tripelpunkte Kosten sparen und Risiken minimieren

In der Welt der Präzisionsthermometrie, in der genaue Temperaturmessungen für eine Vielzahl von Anwendungen unerlässlich sind, spielen Wasser-Tripelpunkt-Zellen und Gallium-Schmelzpunkt-Zellen eine Schlüsselrolle.

Die Nutzung dieser Temperatur-Fixpunkte in Temperatur-Laboratorien, insbesondere für Anwender von Normal-Platinwiderstandsthermometern (SPRT) oder industriellen Platinwiderstandsthermometern hoher Qualität (PRT) kann Kosten sparen und Risiken minimieren.

Der Wert von regelmäßigen Überprüfungen

Während die Verwendung dieser Präzisionsthermometer auf eine externe Kalibrierung durch spezialisierte Temperatur Kalibrierlabore angewiesen ist, stellt sich die Frage: Was passiert zwischen den Kalibrierungszyklen? Thermometer können während des Transports oder bei unsachgemäßer Handhabung beeinträchtigt werden, was zu Änderungen ihrer Werte führen kann (Thermometer-Drift). Eine solche Veränderung, die erst bei der nächsten Kalibrierung festgestellt wird, kann gravierende Folgen haben, wie z.B. die mögliche Ungültigkeit aller vorherigen Messungen, was einen Rückruf aller kalibrierten Geräte erfordern würde. Solche Vorfälle können das Vertrauen in die Temperaturkalibrierung stark beeinträchtigen und erhebliche Kosten verursachen. Diese Risiken lassen sich jedoch durch regelmäßige Überprüfungen der Thermometer am Wasser-Tripelpunkt und am Gallium-Schmelzpunkt minimieren.

Überprüfungen am Wasser-Tripelpunkt

Im Kalibrierzertifikat eines akkreditierten Temperatur Kalibrierlabors wird der letzte Wert des Wasser-Tripelpunkts angegeben. Nach dem Erhalt eines kalibrierten Thermometers sollte dieses am Wasser-Tripelpunkt überprüft und das Ergebnis mit diesem Wert verglichen werden. Eine solche Überprüfung ermöglicht eine Messunsicherheit von weniger als 0,001°C und ist ein wesentlicher Schritt zur Sicherung der Zuverlässigkeit des Thermometers zwischen den Kalibrierungen.

Der Gallium-Schmelzpunkt: Eine weitere Möglichkeit zur Beurteilung der Zuverlässigkeit von Thermometern

Der Galliumschmelz-Punkt ermöglicht die Messung des Widerstandswertes eines Thermometers bei 29,7646°C. Er ist einfach zu handhaben und bietet sehr geringe Messunsicherheiten. Die Kombination des Gallium-Schmelzpunktes und Wasser-Tripelpunkts ermöglicht die Berechnung des Widerstandsverhältnisses (WGA), ein entscheidender Wert zur Beurteilung der Zuverlässigkeit des Thermometers.

Dieser sogenannte W-Wert wird aus dem aktuellen Widerstand – in unserem Fall dem Widerstand am Gallium-Schmelzpunkt R(GA) – und dem zuletzt bekannten Widerstandswert des Thermometers am Wasser-Tripelpunkt R(WTP) berechnet:

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

Der Nutzen der W-Wert Berechnung

Der W-Wert ist eine wichtige Größe in der Temperaturmessung, da er praktisch die Steigung der Kennlinie eines Thermometers berechnet. Je reiner das Platin des Temperatursensors des Widerstandsthermometers ist, desto höher ist dieser W-Wert.

Es gibt bestimmte Szenarien, die zu Veränderungen in der Performance des Thermometers führen können. Nehmen wir an, der Widerstandswert des Thermometers am Wassertripelpunkt steigt, aber der W-Wert am Gallium Schmelzpunkt (WGA) bleibt konstant. In solchen Fällen zeigt dies an, dass die Kennlinie eine parallel verschoben wurde. Das ist die klassische Thermometer-Drift. Dieser Drift-Effekt kann aufgrund von mechanischen und thermischen Belastungen auftreten. Die gute Nachricht ist, dass solche Veränderungen oft reversibel sind, und eine Kalibrierung kann diese Effekte korrigieren und ist daher sinnvoll.

Sollte sich jedoch der W-Wert verändern (typischerweise sinkt er), ist das ein Anzeichen dafür, dass das Thermometer kontaminiert ist. Leider sind solche Veränderungen oftmals nicht reversibel und das Thermometer ist in vielen Fällen nicht mehr kalibrierfähig.

Durch regelmäßige Überprüfungen der WGA kann festgestellt werden, wie das Thermometer im Alltagsbetrieb belastet wird. Diese Überprüfungen können daher eine wertvolle Entscheidungshilfe dafür bieten, ob eine Kalibrierung sinnvoll ist oder nicht. Sie können auch dazu beitragen, die Lebensdauer und Genauigkeit des Thermometers zu maximieren und unerwartete Ausfälle zu vermeiden.

Vorteile der regelmäßigen Messung am Wasser-Tripelpunkt und W-Wert

Die regelmäßige Messung der Werte R(WTP) (Widerstand am Wasser-Tripelpunkt) und W(GA) (Verhältnis des Widerstandes am Wasser-Tripelpunkt zum Widerstand am Gallium-Schmelzpunkt) bietet eine Reihe von Vorteilen:

Kostenersparnis: Durch regelmäßige Eigenkontrollen können Anwender die Kalibrierperioden in akkreditierten, externen Laboren ausdehnen, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.

Erhöhtes Vertrauen: Durch regelmäßige Überprüfungen und somit der Bestätigung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Thermometer wird das Vertrauensniveau im Labor gestärkt.

Vermeidung von Fehlern: Durch die Identifikation und Korrektur potenzieller Probleme können fehlerhafte Messungen vermieden werden, die andernfalls zu schwerwiegenden Konsequenzen führen könnten.

Darüber hinaus erlaubt die Nutzung von Gallium Schmelzpunkten und Wasser Tripelpunkten in Temperatur-Laboratorien eine signifikante Risikominimierung, indem sie den Transport von Thermometern für externe Kalibrierungen reduziert. Dies spart nicht nur Transportkosten, sondern minimiert auch das Risiko einer Beschädigung der Thermometer.

Es ist für Anwender von SPRTs und PRTs von Vorteil, Zugang zu eigenen Wasser-Tripelpunkt- und Gallium-Schmelzpunkt-Zellen zu haben. Sie ermöglichen regelmäßige Überprüfungen und Anpassungen, erhöhen das Vertrauen in die Zuverlässigkeit der Thermometer und können die Notwendigkeit externer Kalibrierungen und damit verbundene Kosten und Risiken reduzieren. In einer Welt, in der Präzision von entscheidender Bedeutung ist, bieten Wasser-Tripelpunkte und Gallium-Schmelpunkte eine effektive Möglichkeit, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit in der Thermometrie zu gewährleisten.

Quellen

  • Walter Blanke: Die Internationale Temperaturskala von 1990: ITS-90
  • Hering, Martin, Stohrer: Physik für Ingenieure
  • Beiz, Grote: Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau
  • Thomas Klasmeier: Tabellenbuch „Temperatur“, Ausgabe 3
  • Guide to the Realization of the ITS-90 – Triple Point of Water – Bureau International des Poids et Mesures

Thomas Klasmeier

Über den Autor

Thomas Klasmeier ist seit über 20 Jahren als Metrologe und Ingenieur tätig, mit einem Schwerpunkt auf präziser Temperaturmessung. Als Unternehmer betreibt er ein Temperatur-Kalibrierlabor und produziert Präzisionsthermometer.

Darüber hinaus teilt er sein Wissen sehr gerne. Er tritt regelmäßig als Referent bei Seminaren und Fachtagungen auf, um sein Fachwissen weiterzugeben und zu diskutieren. Zudem ist er Autor des „Tabellenbuch Temperatur“.