technische temperaturmessungen - grundlagen und Übersicht Über besondere temperaturmeßverfahren

7/24/2019 Technische Temperaturmessungen - Grundlagen Und bersicht ber Besondere Temperaturmeverfahren

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ICS 17.200.20 VDI/VDE-RICHTLINIENMrz 1996

March 1996

VEREIN DEUTSCHERINGENIEURE

VERBAND DEUTSCHERELEKTROTECHNIKER

Technische Temperaturmessungen

Grundlagen und bersichtber besondere Temperaturmeverfahren

Temperature Measurement in Industry

Principles and Special Methodsof Temperature Measurement

VDl/VDE 3511

Blatt 1/Part 1

Ausg. deutsch/englischIssue German/English

Die deutsche Version dieser Richtiinie ist verbindlich. The German Version of this Guideiine shall be tal


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-2- VDI/VDE 351 1 Blatt 1/Part 1 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1996

Vorbemerkung

Die Neuausgabe der Richtlinie VDI/VDE 3511Technische Temperaturmessung" wird nach Vorliegen aller Bltter die bisherige Ausgabe VDI/VDE351 1 vom Februar 1967 ersetzen. Sie wurde vollkommen neu berarbeitet, erweitert und ergnzt und zur

besseren Handhabung in fnf Bltter unterteilt:Blatt 1: Grundlagen und bersicht ber besondere

Temperaturmeverfahren

Blatt 2: Berhrungsthermometer

Blatt 3: Meverfahren und Mewertverarbeitung frelektrische Berhrungsthermometer

Blatt 4: Strahlungsthermometrie

Blatt 5: Einbau von Thermometern

In Blatt 5 ist auer den frheren Hinweisen aus VDI/

VDE 351 1 auch der Inhalt aus VDI/VDE 3512 Bl. 2Meanordnungen fr Temperaturmessungen" aufgenommen worden.

Um dem Anwender einen berblick ber den gesamten Inhalt der Richtlinie zu vermitteln, vmrde das Inhaltsverzeichnis aller Bltter jedem Teilblatt beigefgt.

Die vorliegenden fnf Bltter der Richtlinie entsprechen dem zur Zeit der Verffentlichung geltendentechnischen Standard. Um Weiterentwicklungen undneue wissenschaftliche Erkenntnisse in die Richtlinieeinflieen zu lassen, ist vorgesehen, in einem Teil 6mit den Blttern 6.1 und folgende Ergnzungen zuverffentlichen.Diese Ergnzungen werden in unregelmiger Folge erscheinen und Themen behandelnwie z.B. Temperaturskala, Kalibriermethoden,Signal-umformung und elektrische Mewertverarbeitung, Zeitverhalten, Strahlungsthermometrie.

Preliminary note

The new edition of the VDI/VDE Guideline 3511"Temperature Measurement in Industry" will replacethe previous edition of VDI/VDE 3511 of February1967 following Submission of all parts. It has beencompletely revised, extended and supplemented and

divided into five parts for easier use:Part 1 : Principles and overview of special tempera

ture measuring methods

Part2: Contact thermometers

Part 3: Measuring systems and measured quantityprocessing for electrical contact thermometers

Part4: Radiation thermometry

Part 5: Installation of thermometers

In addition to the earlier information from VDE/VDI3511, Part 5 also includes the contents of VDE/VDI3512 Part 2 "Measuring Arrangements for Temperature Measurements".

In Order to provide the user with an overview of theentire contents of the Guideline, the table of contentsof all parts has been included with each individualpart.

The current five parts of the Guideline correspond tothe applicable technical Standard at the time of publi-cation. In order to allow further developments andnew scientific findings to be incorporated into theGuideline, the intention is for these to be published in

a Part 6, with sheets 6.1 and subsequent supplements.These supplements will appear irregularly and will beconcemed with subjects such as temperature scale,calibration methods, signal shaping and electricalmeasured variable processing, dynamic behaviour, radiation thermometry.


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Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1996 VDI/VDE 3511 Blatt 1 /Part 1 -3-

1 Zweck und Geltungsbereich

In der Richtlinie VDI/VDE 3511 Technische Temperaturmessungen" werden Hinweise fr die zweckmige Durchfhrung von Temperaturmessungen gegeben sowie die wesentlichen Gesichtspunkte zur Beurteilung der Meunsicherheiten dargelegt. Grund

kenntnisse der Temperaturmessung werden vorausgesetzt. Beschreibungen von Gerten und Schaltungen werden deshalb nur so weit behandelt, wie siezum Verstndnis der Richtlinie erforderlich sind. DieMegerte sind fr die jeweiligen Messungen entsprechend den Mebedingungen und den gefordertenFehlergrenzen auszuwhlen.

Fr Abnahmeversuche wird man im allgemeinen einekleinere Meunsicherheit fordern als fr Betriebsmessungen, bei denen es oft mehr auf Zuverlssigkeitund soliden Einbau der Meeinrichtung ankommt.

Bei Temperaturmegerten, die von einer Eichbehrde geeicht oder in einer Kalibrierstelle kalibriertbzw. geprft vmrden (Rckfhrbarkeit auf die gesetzliche Temperaturskala), mu sichergestellt sein, dadie bei der Eichung oder Kalibrierung ermitteltenWerte beim Einsatz der Megerte noch gelten (Mebestndigkeit).

Eine bersicht ber die gebruchlichsten Temperaturmegerte sowie ber besondere Temperaturmeverfahren gibt Tabelle 1.

Abschnitt 2 enthlt grundlegende Ausfhrungen zurTemperaturmessung, insbesondere ber den Anschluvon Temperaturmegerten an die internationaleTemperaturskala. In den Abschnitten 3 und 4 werdendas Thermometer als Fremdkrper im Temperaturfeldsowie Meabweichung, Meunsicherheit und Fehlergrenzen behandelt. Eine bersicht ber besondereTemperaturmeverfahren enthlt Abschnitt 5.

Die in dieser Richtlinie verwendeten Begriffeentsprechen den Begriffsbestimmungen der NormDIN 16160 und DIN 1390.

1 Field of application and scope

VDI/VDE 35 1 1 "Temperature Measurement in Indus-try" contains Information for expedient Performanceof temperature measurements and reveals the main as-pects for the assessment of measuring uncertainties.Basic knowledge of temperature measurement is as-

sumed. Descriptions of equipment and circuitry aredealt with therefore only to the extent necessary forunderstanding the Guideline. Measuring equipmentshall be selected for the measurements concemed inaccordance with the measuring conditions and the error limits required.

In general, a smaller measuring uncertainty is required for acceptance tests than for industrial measurements, where often greater importance is placed onreliability and rugged construction of the measuringdevice.

In the case of temperature measuring equipmentwhich has been calibrated or tested by an official cal-ibration Station (traceability to statutory temperaturescales), it shall be ensured that the values obtainedduring adjustment or calibration are still applicablewhen the measuring equipment is used (measuringstability).

Table 1 provides an overview of the commonest temperature measuring Instruments along with specialtemperature measuring systems.

Clause 2 contains principal considerations regardingtemperature measurement, particularly concerningthe standardization of temperature measuring equipment on the international temperature scale. Clauses3 and 4 examine the aspects of the thermometer as aforeign body in the temperature field as well as measuring error, measuring uncertainty and error limits.Clause 5 contains an overview of special temperaturemeasuring methods.

The defmitions used in this Guideline correspond tothe definitions in DIN 16160 and DIN 1390.


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4 VDI/VDE 3511 Blatt 1 /Part

1

AII rights reserved Verein Deutsclier Ingenieure, Dsseldorf 1996

Tabelle 1. Temperaturmegerte und besondere Temperaturmeverfahren

Beschrieben in Megert Temperaturbereich in C

Fehlergrenzen Fernmessung,Registrierungmglich?

Besonderheiten

Blatt Abschnitt

2 2

2.1

MechanischeBerhrungsthermometerFlssigkeits-GIasthermo-meter mit nicht benetzender (metallischer) ther-mometrischer Flssigkeit

(- 58) - 38bis 630 (1000)

Eichfehlergrenzens. Tabelle 4 und 5,Fehlergrenzen vonBetriebsthermometerns. DIN 16178-1

nein

mit benetzender(organischer) thermo-metrischer Flssigkeit

-200 bis 210

2.2 ZeigerthermometerFlssigkeitsfederthermometer

- 35 bis 500 1 bis 2 % desAnzeigebereiches

jakeine Zusatzgerteerforderlich

Dampfdruckfederthermometer

(- 200) - 50 bis350 (700)

1 bis 2 % derSkalenlnge ja

Staubausdehnungs-thermometer

Obis 1000 1 bis 2 % desAnzeigebereiches

nein

Bimetallthermometer - 50 bis 400 1 bis 3 % desAnzeigebereiches

FernmessungneinRegistrierung

ja

2 3

3.1

ElektrischeBerhrungsthermometerThermoelementeCu-CuN Typ LI u. TFe-CuNi Typ L u. JNiCr-Ni Typ K u. N

-200 bis 400 (600)-200 bis 700 (900)0 bis 1000 (1300)

0,75 % des Sollwertesder Temperatur,mindestens jedochnach DIN lEC 584

ja

PtRh-PtTyp R u. SPtRHso-PtRhg Typ B

Obis 1300 (1600)0 bis 1500 (1800)

0,5 % des Sollwertesder Temperatur,mindestens jedochnach DIN lEC 584

Ja vielseitig verwendbar,Signalverarbeitung nurmit Zusatzeinrichtungen

2 3.2 Widerstandsthermometermit Metall-MewiderstndenPt-Widerstands-thermometer

(- 250) - 220bis 850 (1000)

0,3 bis 4,6 Cje nach Temperatur(nach DIN lEC 751)

Ja

Ni-Widerstands-thermometer

- 60 bis 250 0,4 bis 2,1 Cje nach Temperatur(nach DIN 43760)

ja

2 3.3 Widerstandsthermonetermit Halbleiter-MewiderStnden

Heileiter-Widerstandsthermometer, Thermistoren

(-100) -40bis 180 (400)- 60 bis 200-100 bis 400

je nach Temperatur

0,1 bis 1 C0,5 bis 2,5 C

ja

Kaltleiter-Widerstandsthermometer

5 bis 200 2 bis 10 C ja Verwendung als Grenzwertschalter im Bereich25 bis 180 C

Silizim-Mewiderstnde -70 bis 175 0,2 bis 1 C ja

3.4 Halbleiterdioden undintegrierte Temperatur

aufnehmer

-70 bis 160 je nach Temperatur0,1 bis 3 C

ja

Kryodioden -272 bis 130 bis 0,01 C


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Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf1996VDI/VDE 3511 Blatt 1 / Part1 5

Tabelle 1 (Fortsetzung)

Beschrieben in Megert Temperaturbereich in C

Fehlergrenzen Fernmessung,Registrierungmglich?

Besonderheiten

Blatt Abschnitt

4 4.1 Strahlungsthermometer - 100 bis 3500(5000)

0,5 bis 1 ,5 % derTemperatur,

mindestens jedoch0,5 bis 2 C im

ja berhrungslosrckwirkungsarm

Einstellzeiten:0,1 ms bis 10 sSpektralpyrometer 20 bis 3500 (5000)

Bandstrahlungspyrom.-100 bis 2000

Bereich - 100 bis400 C

Gesamtstrahlungspyrom.

Verhltnispyrometer 150 bis 3000

4 4.2 Thermografie-Gerte -50 bis 1500 Messung derTemperaturverteilungTemperaturdifferenz bis0,1 C auflsbar

1 5.1 Segerkegel 600 bis 2000 zeigen das Erreichenoder berschreiten

bestimmterTemperaturen an

1 5.2 Temperaturkennkrper 100 bis 1600 ca. 7 C zeigen das Erreichenoder berschreitenbestimmterTemperaturen an

1 5.3 Quarzthermometer - 80 bis 250 Auflsung 0,1(0,01) C

digitalisierbares

MesignalAuflsung 0,1 mK

1 5.4 Rauschthermometer - 269 bis 970 1 %o hoher Gerteaufwand

1 5.5 Ultraschallthermometer bis 3300 ca. 1 %

12 5.62.2Gasthermometer

-268 bis 1130 von Bauart abhngig wissenschaftlichesThermometer

1 5.7 Optische MeverfahrenTemperatur-Mefarben 40 bis 1350 ca. 5 C Fr Temperaturfelder

geeignet

1 Flssigkristalle - 20 bis 70 ca. 1 C Farbumschlag reversibel, fr Temperaturfelder geeignet

1 FaseroptischeLumineszenzthermometer

bis 400 0,5 C ja unempfindlich gegeneiektromagn. Strungen,einfacher Ex-Schutz

Die in Klammern gesetzten Temperaturen sind nur mit erhhtem Aufwand erreichbar.


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6 VDIA^DE3511 Blatt 1 /Part

1

ah rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1996

Table 1 . Temperature measuring Instruments and special temperature measuring methods

Described in Measuring instrument Temperature rngein C

Error limits Telemetering,recordingpossible?

Special conditions

Page Section

2 2

2.1

Mechanical contact thermometer

LIquid-in-glass thermometer with non-wetting(metallic) thermometricfluid

(- 58) - 38to 630 (1000)

Calibration error limitss. tables 4 and 5,

error limits of industrialthermometerss. DIN 16178-1

No

with Wetting (organic)thermometric fluid

-200 to210

2.2 Dial thermometerLiquid expansion thermometer w. pressuregauge

- 35 to 500 1 to 2 % of theindicating rnge

Yes No ancillary instrumentrequired

Vapour pressurethermometer

(-200)-50to

350 (700)

1 to 2 % of the Scalelength Yes

Solid expansionthermometer

Oto 1000 1 to 2 % of theindicating rnge

No

Bimetallic thermometer - 50 to 400 1 to 3 % of theindicating rnge

TelemeteringNoRecording Yes

2 3

3.1

Electrical contactthermometerThermocouplesCu-CuN Type U & T

Fe-CuNi Type L & J

NiCr-Ni Type K & N

-200 to 400 (600)

-200 to 700 (900)

Oto 1000 (1300)

0.75 % of the set pointof the temperature,but at least acc.to DIN lEC 584

Yes

PtRh-Pt Type R & SPtRHgo-PtRhaType B Oto 1300(1600)Oto 1500(1800) 0.5 % of the set pointof the temperature, butat least acc. to DINlEC 584

Yes Versatile inapplica-tion,Signal processing only

with ancillary devices

2 3.2 Resistance thermometerwith metallic measuringresistancesPt resistance thermometer

(-250) -220

to 850 (1000)

0.3 to 4.6 Cacc. to temperature(acc. to DIN lEC 751)

Yes

Ni resistance thermometer

- 60 to 250 0.4 to 2.1 C acc. totemperature (acc. toDIN 43760)

Yes

2 3.3 Resistance thermometer

w. semiconductor measuring resistances

Semiconductor resistance thermometer,thermistors

(-100) -40

to 180 (400)

- 60 to 200

-100to 400

Acc. to temperature0.1 to 1 C

0.5 to 2.5 C

Yes

PTC therm istorresistance thermometer

5 to 200 2to 10 C Yes Use as limit switch in thernge 25 to 1 80 C

Silicon precision resistors -70 to 175 0.2 to 1 C Yes

3.4 Semiconductor diodesand integrated tempera

ture sensors

-70 to 160 depending on temperature 0.1 to 3 C

Yes

Cryodiodes -272 to 130 up to 0.01 C


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Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf1996VDI/VDE 35 1 1 Blatt 1 /Part1 7

Table 1 (continued)

Described in Measuring instrument Temperature rngeinC

Error limits Telemetering,recordingpossible?

Special conditions

Page Section

4 4.1 Radiation thermometer -100to 3500 (5000) 0.5 to 1.5 %of

temperature, butat least 0.5 to2 C in the rnge-lOOto 400 C

Yes Non-contact low-

reaction

settling times

0.1 ms to 10 s

Monochromatic pyrom. 20 to 3500 (5000)

Spectral band pyrom.-lOOto 2000

Total radiation pyrom.

Ratio Pyrometer 150to3000

4 4.2 Thermographic devices -50 to 1500 Measurement of temperature distribution. Temperature difference canbe resolved to 0.1 C

1 5.1 Seger cone 600 to 2000 Indicate that specifictemperatures have been

reached or exceeded

1 5.2 Fusion cone lOOto 1600 approx. 7 C Indicate that specifictemperatures have beenreached or exceeded

1 5.3 Quartz thermometer - 80 to 250 Resolution 0.1(0.01) C

Digitizable measuringSignal, resolution0.1 mK

1 5.4 Noise thermometer - 269 to 970 1 %o High equipmentexpenditure

1 5.5 Ultrasound thermometer up to 3300 approx. 1 %

1

2

5.62.2

Gas thermometer -268 to 1130 According to design Scientific thermometer

1 5.7 Optical measuring method,temperature measuringcolours

40 to 1350 approx. 5 C Suitable for temperaturefields

1 Liquid crystals - 20 to 70 approx. 1 C Change of colourreversible, suitable fortemperature fields

1 Fibre-optic luminescencethermometer

up to 400 0.5 C Yes Insensitive to electro-magn. interference, simple Exprotection

The temperatures in parenthesis can be reached only with considerable equipment expenditure.


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-8- VDWDE 3511 Blatt 1 /Part 1 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1996

2 Grundstzliches zur Temperaturmessung

Die thermodynamische Temperatur T eines Mestoffsist eine die gesamte Thermodynamik kennzeichnendeGre, die von Stoffeigenschaften unabhngig ist. Siestimmt mit der durch die Zustandsgieichung fr idealeGase definierten thermodynamischen Temperatur

berein. Auch andere aus dem zweiten Hauptsatz derThermodynamik herleitbare Gesetze ber die Planck-sche Strahlung und das Widerstands-Rauschen knnen zur Bestimmung von T verwendet werden.

Auerdem ergibt sich daraus der Nullpunkt der thermodynamischen Temperaturskala (absoluter Nullpunkt). Es gengt, die Temperatureinheit als einenbestimmten Teil einer eindeutig festgelegten thermodynamischen Temperatur zu definieren. Hierzu dientnach einem Beschlu der 10. Generalkonferenz frMa und Gewicht im Jahre 1954 der Wassertripelpunkt, dem die thermodynamische Temperatur =273,16 K zugeordnet wurde. Damit ist die Temperatureinheit Kelvin definiert durch

2 Principles of temperature measurement

The thermodynamic temperature T of a measured medium is a quantity characterizing the entire thermody-namics, which is dependent on the characteristics ofthe medium. It agrees with the thermodynamic temperature for ideal gasses as defined by the equation of

State. Other laws derived from the second law of ther-modynamics conceming Planck radiation and thermalnoise can be used to determine "J". This also pro-vides the zero point of the thermodynamic temperature Scale (absolute zero). It is suflficient to define thetemperature unit as a specific part of a clearly estab-lished thermodynamic temperature, i.e. by means ofthe triple point of water giving the thermodynamictemperature 7^^=273.16 K in line with a resolution ofthe lOth General Conference for Measurement andWeights in 1954. The Kelvin temperature unit is thusdefined by

1 K = 273,16 (1)1 K =

Anstelle von T verwendet man hufig die CelsiusTemperatur t

/ = r- To= 273,15 K (2)

Die Einheit der Celsius-Temperatur ist der Grad Cel

sius (Einheitenzeichen C). Dem Nullpunkt derCelsius-Temperaturskala entspricht die thermodynamische Temperatur Tq = 273,15 K. Er liegt 0,01 K tiefer als die Temperatur des Wassertripelpunktes undstimmt im Rahmen der Meunsicherheit mit der Temperatur des Eispunktes berein. Einem Skalenteil von1 K entspricht ein Skalenteil von 1 C.

Da die Messung thermodynamischer Temperaturen(siehe Abschnitt 5.6) auerordentlich schwierig istund die Meunsicherheiten erheblich grer als dieReproduzierbarkeit der besten praktischen Thermo

meter sind, hat man zuerst im Jahre 1927 eine internationale Temperaturskala eingefhrt, um eine mglichst gute Vergleichbarkeit von Temperaturmessungen zu erreichen.

Die Gltigkeit der international festgelegten Temperaturskala ist begrenzt. Von Zeit zu Zeit wird sie demFortschritt von Wissenschaft und Technik angepat.

Die deutschen gesetzlichen Bestimmungen werdenjeweils den internationalen angeglichen, so da dieInternationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90)zur Zeit die gesetzliche Temperaturskala ist [1; 3].

Bis zum 31. Dezember 1989 galt die InternationalePraktische Temperaturskala von 1968 (IPTS-68) [2].

273.16

T is often replaced by the Celsius Temperature t

^= 70 = ^-273. 15 K

(1)

(2)

The Celsius temperature unit is degree Celsius (unit

Symbol C). The thermodynamic temperature Tq =273. 15 K corresponds to zero on the Celsius temperature Scale. It is 0.0 IK lower than the temperature ofthe triple point of water and within the framework ofthe measuring uncertainty corresponds to the temperature of the ice point. A scale division of the 1 C corresponds to a Scale division of 1 K.

Because measurement of thermodynamic tempera-tures (see subclause 5.6) is extremely difficult and themeasuring uncertainties are considerably greater thanthe reproducibility of the best practical thermometers,

an international temperature scale was first introducedin 1927 in order to obtain the best possible compari-son between temperature measurements.

The validity of the intemationally established temperature scale is limited. It is adapted from time to timeto advances in science and technology.

German legal requirements are harmonized with international requirements, so that the InternationalTemperature Scale of 1990 (ITS-90) is at present thelegal temperature scale [1; 3].

The International Practical Temperature Scale of 1968(IPTS-68) was in force up to 31 December 1989 [2].


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Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1996

Tabelle 2. Definierende Fixpunkte der ITS-90

Gleichgewichtszustand Tqq in K ^90

Dampfdruck des Heliums 3 bis 5 -270,15 b.-268,15

Tripelpunkt des Gleichgewichtswasserstoffs 13,8033 -259,3467

Dampfdruck des Gleichgewichtswasserstoffs 17 -256,15

Tripelpunkt des Neons 20,3 -252,85

Tripelpunkt des Sauerstoffs 24,5561 -248,5939

Tripelpunkt des Argons 54,3584 -218,7916

Tripelpunkt des Queck 83,8058 -189,3442

silbers 234,3156 -38,8344

Tripelpunkt des Wassers

Schmelzpunkt des 273,16 0,01

Galliums 302,9146 29,7646

Erstarrungspunkt desIndiums 429,7485 156,5985

Erstarrungspunkt des Zinns

Erstarrungspunkt des Zinks 505,078 231,928

Erstarrungspunkt des 692,677 419,527

Aluminiums 933,473 660,323Erstarrungspunkt desSilbers 1234,93 961,78

Erstarrungspunkt desGoldes 1337,33 1064,18

Erstarrungspunkt desKupfers 1357,77 1084,62

2.1 Die Internationale Temperaturskala von 1990

Definition der ITS-90

Die ITS-90 erstreckt sich von 0,65 K bis zu den hchsten Temperaturen, die praktisch mit Hilfe desPlanckschen Strahlungsgesetzes mebar sind. Siesttzt sich auf 17 gut reproduzierbare thermodynami-sche Gleichgewichtszustnde, die definierenden Fixpunkte, denen bestimmte Temperaturen zugeordnetsind. Diese sind die Mittelwerte der in verschiedenenmetrologischen Staatsinstituten bestimmten thermo-dynamischen Temperaturen, die als die heute gltigenBestwerte anzusehen sind. Tabelle 2 enthlt eineZusammenstellung der Fixpunkte.

Temperaturen zwischen den Fixpunkten werden mitfestgelegten Normalgerten gemessen, die an denFixpunkten kalibriert werden. Aus den Anzeigen der

Normalgerte erhlt man die Temperatur mit Hilfevorgeschriebener Definitionsgleichungen.Die Mebereiche der Normalgerte und auch der Definitionsgleichungen knnen sich berlappen. Dies kann dazufhren, da mebare Differenzen zwischen den Zahlenwerten einer Temperatur auftreten, die jedoch beiallen praktischen Temperaturmessungen vernachlssigt werden.

Temperaturbereich von 0,65 K bis 24,5561 K

In diesem Temperaturbereich gibt es mehrere gleich

wertige Definitionen der ITS-90 [4]. Die nach den Ta-verschiedenen Definitionen bestimmten Temperaturen unterscheiden sich hchstens um 0,2 mK.

VDI/VDE 3511 Blatt 1 /Parti -9-

Table 2. Defining fixed points of the ITS-90

State of Equilibrium Tqq in K fgo in C

Helium vapour pressure

Triple point of equilibriumhydrogen

Vapour pressure ofequilibrium hydrogen

Triple point of neon

Triple point of oxygen

Triple point of argon

Triple point of mercury

3to5

13.8033

1720.3

24.5561

54.3584

83.8058

234.3156

-270.15-268.15

-259.3467

-256.15 -252.85

-248.5939

-218.7916

-189.3442

-38.8344

Triple point of water

Melting point of gallium

273.16

302.9146

0.01

29.7646

Solidification point of indium 429.7485 156.5985

Solidification point of tin

Solidification point of zinc

Solidification point of

aluminiumSolidification point of silver

505.078

692.677

933.473

1234.93

231.928

419.527

660.323

961.78

Solidification point of gold 1337.33 1064.18

Solidification point of copper 1357.77 1084.62

2.1 The International Temperature Scale of 1990

Definition of ITS-90

The ITS-90 ranges from 0.65 K up to the highest tem-peratures measurable in practice with the aid of thePlanck radiation law. It is based on 17 easily repro-ducible thermodynamic states of equilibrium, whichare the defining fixed points to which certain temper-atures are assigned. These are the mean values of thethermodynamic temperatures determined in variousmetrological State Institutes, which shall be regardedas the currently valid best values. Table 2 lists thefixed points.

Temperatures between the fixed points are measuredwith specified Standard equipment calibrated at thefixed points. The temperature is obtained from the

readings on the Standard equipment with the aid ofprescribed defining equations. The measuring rangesof the Standard equipment and also the defining equations can overlap. This can mean that measurable dif-ferences will occur between the numerical values of atemperature, but which can be ignored in all practicaltemperature measurements.

Temperature rnge from 0.65 K to 24.5561 K

In this temperature rnge, there are several equivalent

definitions of ITS-90 [4]. The temperatures determined according to the various definitions differ bynot more than 0.2 mK.


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- 1 0- VDIAO^E 3511 Blatt 1 /Part 1 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1 996

Tabelle 3. Differenz Tqq - Tqq und /gs in K zwischen der in der ITS-90 gemessenen Temperatur Tqq und der inder IPTS-68 gemessenen Temperatur TBSTable 3. Difference Tqq - Tqqand in K between the temperature Tqq measured in ITS-90 and thetemperature Tqq measured in IPTS-68.

Tqo/K 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 -0.006 -0.003 -0.004 -0.006 -0.008 -0.009

20 -0.009 -0.008 -0.007 -0.007 -0.006 -0.005 -0.004 -0.004 -0.005 -0.00630 -0.006 -0.007 -0.008 -0.008 -0.008 -0.007 -0.007 -0.007 -0.006 -0.00640 -0.006 -0.006 -0.006 -0.006 -0.006 -0.007 -0.007 -0.007 -0.006 -0.00650 -0.006 -0.005 -0.005 -0.004 -0.003 -0.002 -0.001 0.000 0.001 0.00260 0.003 0.003 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 0.006 0.007 0.00770 0.007 0.007 0.007 0.007 0.007 0.008 0.008 0.008 0.008 0.00880 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.00890 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.009 0.009 0.009

Tgo/K 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100 0.009 0.011 0.013 0.014 0.014 0.014 0.014 0.013 0.012 0.012200 0.011 0.010 0.009 0.008 0.007 0.005 0.003 0.001

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90-100 0.013 0.013 0.014 0.014 0.014 0.013 0.012 0.010 0.008 0.008

0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.009 0.010 0.011 0.012 0.012

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 0.000 -0.002 -0.005 -0.007 -0.010 -0.013 -0.016 -0.018 -0.021 -0.024100 -0.026 -0.028 -0.030 -0.032 -0.034 -0.036 -0.037 -0.038 -0.039 -0.039200 -0.040 -0.040 -0.040 -0.040 -0.040 -0.040 -0.040 -0.039 -0.039 -0.039300 -0.039 -0.039 -0.039 -0.040 -0.040 -0.041 -0.042 -0.043 -0.045 -0.046400 -0.048 -0.051 -0.053 -0.056 -0.059 -0.062 -0.065 -0.068 -0.072 -0.075500 -0.079 -0.083 -0.087 -0.090 -0.094 -0.098 -0.101 -0.105 -0.108 -0.112600 -0.115 -0.118 -0.122 -0.125 -0.08 -0.03 0.02 -0.06 0.11 0.16700 0.20 0.24 0.28 0.31 0.33 0.35 0.36 0.36 0.36 0.35800 0.34 0.32 0.29 0.25 0.22 0.18 0.14 0.10 0.06 0.03

900 -0.01 -0.03 -0.06 -0.08 -0.10 -0.12 -0.14 -0.16 -0.17 -0.181000 -0.19 -0.20 -0.21 -0.22 -0.23 -0.24 -0.25 -0.25 -0.26 -0.26

wc 0 100 200 300 400 500 600 700 800 9001000 -0.26 -0.30 -0.35 -0.39 -0.44 -0.49 -0.54 -0.60 -0.662000 -0.72 -0.79 -0.85 -0.93 -1.00 -1.07 -1.15 -1.24 -1.32 -1.413000 -1.50 -1.59 -1.69 -1.78 -1.89 -1.99 -2.10 -2.21 -2.32 -2.43

Zwischen 0,65 K und 5 K wird die Temperatur ^90mit Hilfe eines Dampfdruckthermometers aus demDampfdruck des ^Heliums oder ''Heliums bestimmt.^Helium kami im Bereich von 0,65 K bis 3,2 K und''Helium im Bereich 1,25 K bis 5 K als Megas die

nen. Die Temperaturen berechnen sich aus drei in derITS-90 vorgeschriebenen Dampfdruckgleichungen,deren Koeffizienten je nach Gas und Temperaturbereich festgelegt sind.Im Temperaturbereich von 3,0 K bis 24,5561 K wirddie Temperatur ^90 mit einem speziellen Gasthermometer bestimmt, das je nach Mebereich mit ^Heliumoder "^Helium gefllt ist. Die Temperaturen berechnensich aus vorgeschriebenen Gleichungen, deren Konstanten durch Kalibrierung bei drei Temperaturen bestimmt werden. Diese sind die Temperaturen des Was-

serstofftripelpunktes und des Neontripelpunktes sowie eine Temperatur zwischen 3 K und 5 K, die ausdem Dampfdruck des Heliums ermittelt wird.

Between 0.65 K and 5 K, the temperature ^90 is deter-mined from the vapour pressure ^Helium or ''Heliumusing a vapour pressure thermometer. ^Helium can beused as measuring gas in the rnge from 0.65 K to3.2 K and ''Hehum in the rnge 1.25 K to 5K. The

temperatures are calculated from three vapour pressure equations prescribed in ITS-90, whose coeffi-cients are specified according to gas and temperaturernge.

In the temperature rnge from 3.0 K to 24.5561 K, thetemperature ^90 is determined with a special gas thermometer filled with ^Helium or ''Helium according tomeasuring rnge. The temperatures are calculatedfrom prescribed equations whose constants are determined by calibrating at three temperatures. These arethe temperatures of the triple point of water and the

triple point of neon, as well as a temperature between3 K and 5 K obtained from the vapour pressure of helium.


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Oberhalb von 13,8033 K kann die Temperatur 790auch mit Hilfe des Platin-Widerstandsthermometersdefiniert werden.

Temperaturbereich von 13,8 K bis 1234,93 K

Im Temperaturbereich von 13,8033 K bis 1234,93 K

(961,78 C) dienen Platin-Widerstandsthermometerbesonderer Bauart als Normalgerte. Die Temperaturwird aus dem Widerstandsverhltnis

TOo) = TOo)/^ (273,16K)(3)

berechnet. In dieser Beziehung ist ^^(^90) der gemessene Widerstand bei der Temperatur ^90 undJ?(213,16K) der Widerstand am Wassertripelpunkt.Hier ist zu bemerken, da die Definition von WiT^^von den entsprechenden Definitionen der VorluferITS-27, IPTS-48 und IPTS-68 abweicht. Fr alle altenSkalen war W{T) auf die Referenztemperatur 0 C be

zogen, die seit 1954 als 273,15 K definiert ist.Fr die Realisierung der ITS-90 sind nur Thermometer geeignet, deren Mewiderstand aus sehr reinemPlatin besteht, das frei von mechanischen Spannungen ist. Ein Ma fr die Reinheit und die Span-nungsfireiheit ist der Temperaturkoeflfizient des elektrischen Widerstandes. Es gibt keine Platin-Widerstandsthermometer, die fr die Realisierung der Temperaturskala im gesamten Temperaturbereich von13 K bis 1235 K (962 C) geeignet sind. Die heuteverwendeten Thermometer lassen sich in drei Gruppen einteilen:

1. Die Kapsel-Thermometer. Sie haben ein nur etwa40 mm langes Schutzrohr aus Platin oder Edelstahl. Sie werden vor allem bei tiefen Temperaturen verwendet, da sie sich gut in Kryostateneinbauen lassen. Ihre obere Verwendungsgrenzeliegt bei etwa 200 C (Bild 1).

Above 13.8033 K, the temperature can also be de-fined using the platinum resistance thermometer.

Temperature rnge from 13.8 K to 1234.93 K

In the temperature rnge firom 13.9033K to 1234.93K

(961.78 C), platinum resistance thermometers of aspecial design are used as Standard equipment. Thetemperature is calculated from the resistance ratio

(273.16K)(3)

In this equation, ^^(^90) is the resistance measured attemperature and (273.16 K) is the resistance atthe triple point of water. It should be noted here thatthe definition of W{T^^ deviates from the correspond-ing definitions of the former ITS-27, IPTS-48 andIPTS-68. For all old scales, W{T) was based on thereference temperature 0 C, which since 1954 is de-

fined as 273. 15 K.In Order to put ITS-90 into effect, only thermometersare suitable whose measuring resistor consists of verypure platinum free of mechanical stresses. A measurefor the purity and freedom from stress is the temperature coefificient of the electrical resistance. There isno platinum resistance thermometer which is suitablefor the Provision of a temperature scale over the entiretemperature rnge from 13 K to 1235 K (962 C).Thermometers currently used can be divided intothree groups:

1. Capsule thermometers. These have a protectivetube only about 40 mm long of platinum or stain-less Steel. They are mainly used at low temperatures, because they can be easily incorporated intocryostats. Their upper useful limit is around 200C(Fig.1).^

-40-

Bild 1 . Platin-Widerstandsthermometer (Kapselthermometer)1Zuleitung

2Platin-Medraht3Keramikrohr

4Trgerkrper aus Gold

4

Fig. 1 . Platinum resistance thermometer (capsule thermometer)1Supply conductor

2Platinum measuring wire3Ceramic tube4Gold substrate


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2.Thermometer fr den Temperaturbereich 83 K bis800 K. Ihr Schutzrohr besteht vorwiegend ausQuarzglas oder Edelstahl, die Lnge betrgt etwa600 mm, der Durchmesser 6 bis 10 mm. Der Mewiderstand ist blicherweise wie beim KapselThermometer aufgebaut. Diese Thermometer

lassen sich leicht in Bder einbauen, ohne da derThermometerkopf mit demAnschlu der Zuleitungen erwrmt wird.

3.Thermometer fr hohe Temperaturen. Diese Thermometer wurden speziell fr den Temperaturbereich 500 C bis 962 entwickelt. Die Schutzrohre bestehen heute ausschlielich aus Quarzglas.Der Mewiderstand besteht aus erheblich dickerem Draht als bei den brigen Thermometertypen,so da sich ein Widerstand von wenigen Ohm amWassertripelpunkt ergibt. Der dicke Draht bewirkteine grere Stabilitt des Thermometers bei

hohen Temperaturen.Aus den gemessenen Werten des Widerstandsverhltnisses W(TgQ) gem Gl. (3) wird die Temperatur nachdem folgenden Rechenverfahren bestimmt:

Fr die Temperaturbereiche 13,8033 K bis 273,16 K(- 269,3467 bis + 0,01 C) und0 bis 961,78 C(273,15 Kbis 1234,93 K) sind je eine Bezugsfunktiondefiniert, die die Temperaturabhngigkeit des Widerstandsverhltnisses W^Tgo) eines bestimmtenPlatin-Widerstandsthermometersbeschreiben, dasals Bezugsthermometer ausgewhlt wurde. Frje

des Thermometer mu eine Abweichungsfunktion^('^9o) ~ ^r(^9o) bestimmt werden; W(TgQ) ist das gemessene Widerstandsverhltnis. Je nach Temperaturbereich gelten drei verschiedeneAbweichungsfunktionen, deren Koeffizienten aus den Mewertendes Widerstandes an den definierenden Fixpunktenbestimmt werden. Temperaturen zwischen den Fixpunkten lassen sich mit Hilfe derAbweichungsfunktion und der Bezugsfunktion leicht berechnen.

Temperaturbereich oberhalb desSilbererstarrungspunktes (961 ,78 C)

Temperaturen oberhalb von 1234,93 K (961,78 C),der Temperatur des Silbererstarrungspunktes, werdenmit dem Spektralpyrometer gemessen. Die Gleichung

definiert in diesem Bereich die Temperatur. ist diespektrale Strahldichte der Strahlung eines SchwarzenKrpers mit der Temperatur ^905X die auf das

Vakuum bezogene Wellenlnge und C2 die 2. Planck-sche Konstante mit dem vorgeschriebenen WertC2= 0,014388 m-K.

2.Thermometers for the temperature rnge 83 K to800 K. Their protective tube consists primarily ofquartz glass or stainless steel with a length ofapproximately 600 mm and a diameter of 6 to10 mm. The measuring resistance is usuallydesigned in the same manner as with the capsule

thermometer. These thermometers are easy toinstall in baths without the thermometer headbeing heated with the connection of the supplyconductors.

3.Thermometers for high temperatures. These thermometers have been specially developed for thetemperature rnge 500 C to 962 C. The protective tubes are today made exclusively of quartzglass. The wire for the measuring resistance isconsiderably thicker than for the other types ofthermometer, thereby producing a resistance of afew ohms at the triple point of water. The thick

wire produces a better thermometer stability athigh temperatures.

The temperature is obtained from the measured valuesof the resistance ratio W{T^^ according to equation(3) using the following method of calculation:A reference fiinction is defined for each of the temperature ranges 13.8033 K to 273. 16 K (- 269.3467 C to+ O.Ol C) and0 to 961.78 (273.15 K to1234.93 K), which describe the temperature depend-ence of the resistance ratio WXTgo) of a particular plat-inum resistance thermometer which has been selected

as reference thermometer. A deviation fiinction^(^90) ~ ^r(^9o) shall be determined for each thermometer; WiTgo) is the resistance ratio measured. De-pending on temperature rnge, three different deviation functions apply whose coefficients are determined from the measured values of the resistance atdefined fixed points. Temperatures between the fixedpoints are simple to calculate using the deviationfunction and the reference function.

Temperature rnge above thesolidification point of silver (961 .78 C)

Temperatures above 1234.93 K (961.78 C), the temperature of the silver solidification point, are measured with the monochromatic pyrometer. The equation

(4)

defines the temperature in this rnge. is the spec-tral radiance of the radiation from a black body attemperature TgQ, X the wavelength based on the vac-

uum and C2 the 2nd Planck constant with the pre-scribed value2= 0.014388 m-K.

(^90)(


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Die Referenztemperatur (Referenz) ist wahlweisedie Temperatur des Silber- (1234,93 K), des Gold-(1337,33K) oder des Kupfererstarrungspunktes(1357,77 K).

2.2 Sekundrthermometer

Im Temperaturbereich von 0,65 K bis etwa 20 Kgehren Eisenrhodium-Widerstandsthermometer zuden besten Przisionsmegerten. Ihr Widerstand betrgt in diesem Temperaturbereich mehrere Ohm, derleicht gemessen werden kann. Nachteilig ist, da dieThermometer an verhltnismig vielen Fixpunktenkalibriert werden mssen, damit man eine gengendgenaue Ausgleichsfunktion fr die Temperaturabhngigkeit des Widerstandes berechnen kann. Bei etwasgeringeren Anforderungen an die Meunsicherheiteignen sich auch Germanium-Widerstandsthermometer fr diesen Temperaturbereich.

Im Temperaturbereich von 631 C bis 1064 C wirdman trotz der verhltnismig groen Meunsicherheit von 0,2 C bis zu 0,5 C das Platinrhodium (10 %Rhodium)/Platin-Thermoelementweiterhin in Technik und Forschung verwenden. Es mu dann jedochdurch Vergleich mit dem Widerstandsthermometer frhohe Temperaturen und dem Teilstrahlungspyrometeroder aber nach den in Blatt 2, Abschnitt 5 angegebenen Methoden kalibriert werden. Wegen der groenMeunsicherheit der Thermoelemente ist die Kali

brierung nach Blatt 2, Abschnitt 5 fr alleAnwendungen in der Praxis ausreichend genau.In den letzten Jahren ist ein neues Thermoelement,das Gold/Platin-Thermoelement,entwickelt worden,das bis 930 C hervorragend verwendbar ist. SeineMeunsicherheit ist erheblich kleiner als 0,1 K. Nachdem heutigen Kenntnisstand ist es gut fr die Weitergabe der Temperaturskala geeignet.Untersuchungen an sogenannten technischen Wider-standsthermometem haben gezeigt, da einige Bauarten bis 800 C sehr reproduzierbare Ergebnisse liefern

unddaher fr

die Weitergabe derSkala

geeignetsind,

wenn keine zu kleine Unsicherheit gefordert wird.Bei Temperaturen ber 930 K wird die Temperaturdurch kalibrierte Wolfram-Bandlampen und Spektralpyrometer weitergegeben.

Sekundre Realisierung der ITS-90

Da die Realisierung der ITS-90 in bestimmten Teilbereichen sehr schwierig und aufwendig ist, wird dasInternationale Bro fr Ma und Gewicht ein Dokument mit dem Titel Verfahren zur Annherung andie ITS-90" [5] herausgeben. Darin werden Verfahrenbeschrieben, nach denen Sekundrthermometer wiez.B. Edelmetallthermoelemente und technische

The reference temperature ^90 (reference) is option-ally the temperature of the silver (1234.93 K), thegold (1337.33 K) or the copper solidification point(1357.77 K).

2.2 Secondary thermometers

In the temperature rnge from 0.65 K to about 20 K,iron rhodium resistance thermometers are among thebest precision measuring Instruments. Their resistance in this temperature rnge amounts to severalohms which is easy to measure. The disadvantage isthat the thermometers shall be calibrated at a rela-tively large number of fixed points in order to be ableto calculate a sufficiently accurate compensationfiinction for the temperature dependence of the resistance. Where the requirements in respect of measuringuncertainty are less stringent, germanium resistancethermometers are also suitable for this temperature

rnge.In the temperature rnge from 63 1 C to 1064 C, theplatinum rhodium (10 % rhodium)/platinum thermo-couple will continue to be used in industry and for research purposes despite the relatively large measuringuncertainty from 0.2 C to 0.5 C. However, calibration then has to be carried out by comparison with theresistance thermometer for high temperatures and thenarrow-band pyrometer or by using the methods specified in Part 2, Clause 5. Because of the large measuring uncertainty of thermocouples, calibration accord

ing to Part 2, Clause 5 is sufficiently accurate for allpractical applications.

In recent years, a new thermocouple has been devel-oped, the gold/platinum thermocouple, which hasproved to be excellent up to 930 C. Its measuring uncertainty is considerably less than 0. 1 K. Accordingto the present State of knowledge, it is very suitablefor transmission of the temperature scale.

Examinations on what are termed industrial resistancethermometers have shown that several types providevery reproducible results up to 800 C, and are therefore suitable for transmission of the scale, providedthat too small a measuring uncertainty is not required.At temperatures above 930 K, the temperature istransmitted by calibrated tungsten-ribbon lamps andmonochromatic pyrometers.

Secondary realization of the ITS-90

Since it is very difficult and complicated to put ITS-90into eflFect in certain partial ranges, the InternationalBureau for Weights and Measures has published adocument entitled "Techniques for Approximating theITS-90" [5]. This describes techniques according towhich secondary thermometers such as, for example,noble metal thermocouples and industrial resistance


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Widerstandsthermometer einfach kalibriert werdenknnen, so da sie die ITS-90 im Rahmen der Reproduzierbarkeit dieser Thermometer annhern. (Zur Zeitwerden von der International Electrotechnical Com-mission (lEC) neue Referenzfunktionen fr Thermoelemente und technische Widerstandsthermometerin Abhngigkeit von ^90 aufgestellt.) Diese beidenMegertetypen knnen dann bei wenigen Temperaturen, z.B. an Fixpunkten, kalibriert werden. DieTemperatur in der ITS-90 erhlt man dann mit Hilfeder Referenzfunktion und der gemessenen Abweichungen. Das Dokument wird femer eine Liste vonTemperaturbezugspunkten mit den entsprechendenTemperaturen in der ITS-90 enthalten. An diesen Fixpunkten knnen z.B. Thermometer angeschlossenwerden, die nur in einem kleinen Temperaturbereichverwendet werden sollen.

Anmerkung: Infolge der Einfhrung der ITS-90 sind keineswegs

smtliche Temperaturmegerte neu zu kalibrieren. Tabelle 3 unddie Gleichungen (5) bis (7) ermglichen es, die Temperaturangabenim Rahmen der Reproduzierbarkeit der Megerte umzurechnen.Die nderung der Temperaturskalawird nur auf wenige Przisionsmessungen einen mebaren Einflu haben.

thermometers can be easily calibrated, so that they ap-proximate ITS-90 within the framework of the repro-ducibility of these thermometers. (At present, newreference functions for thermocouples and industrialresistance thermometers are being established in relation to ^90 by the International Electrotechnical Com-mission (lEC).) These two types of measuring instrument can then be calibrated at just a few temperatures,e.g. at fixed points. The temperature in the ITS-90 isthen obtained using the reference function and the de-viations measured. The document will also contain alist of temperature reference points with the corre-sponding temperatures in the ITS-90. Thermometersintended to be used only in a small temperature rnge,for example, can then be connected to these fixedpoints.

Note: Following the introduction of the ITS-90, on no account are

all temperature measuring instruments to be recalibrated. Table 3and equations (5) to (7) allow the temperatures to be converted within the framework of the reproducibility of the measuring instruments. Changes in the temperature scale will have a measurable in-fluence only in a few precision measurements.

2.3 Unsicherheit der Darstellung der ITS-90

Die Unsicherheit der Darstellung der ITS-90 wirddurch die Mebestndigkeit der Interpolationsinstrumente und durch die Reproduzierbarkeit der Realisierung der definierenden Fixpunkte bestimmt. AlsAnhaltspunkte mgen folgende Werte dienen: Im Be

reich des Widerstandsthermometers betrgt dieMeunsicherheit etwa 1 mK bei 13,8 K, 5 mK bei933 K (660 C) und 10 mK bei 1235 K (962 C),whrend Messungen mit dem Spektralpyrometer bei1235 K um 10 mK und bei 2500 K (ca. 2200 X) um2 K unsicher sind.

Anmerkung: Die in DIN lEC 584-1, Ausgabe 1988, angegebenenGrundwerte fr Thermoelemente und die in DIN lEC 751 ,Ausgabe1990, angegebenen Grundwerte fr Platin-Widerstandsthermometer beziehen sich auf Temperaturwerte nach der IPTS-68. Biszur Neuauflage der genannten Vorschriften sind deren Temperaturwerte auf die ITS-90 nach Tabelle 3 oder nach folgenden Gleichun

gen umzurechnen:Temperaturbereich - 100 C bis 631 C

7

('9()-'68)/C=Xa,.(//631C)''(5)/= 1

Temperaturbereich 63 1 C bis 1064 C

5

('90-W/C=X^(r/C)'(6)/ = 0

Temperaturen oberhalb von 1064 C [5]

(',-


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Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1996 VDI/VDE 35 11 Blatt 1 /Parti -15-

Tabelle 4. Koeffizienten derGleichungen (5) und (6)

/ aj

0 0,489146645521 10^

1 -0,14368 -0,307124434782 10^

2 -0,35608 0,757789084965 10*23 1,15197 -0,919167445020 lO'^

4 3,59964 0,548853543502 lO"

5 -13,88542 -0,129284496663 lO'^^

6 14,37391

7 -4,86621

Table 4. Contains the coefficientsof equations (5) and (6)

/

0 0.489146645521 10^

1 -0.14368 -0.307124434782 10^

2 -0.35608 0.757789084965 10*23 1.15197 -0.919167445020 lO"

4 3.59964 0.548853543502 lO"

5 -13.88542 -0.129284496663 10""

6 14.37391

7 -4.86621

2.4 Darstellung thermometrischer Fixpunkte

Im folgenden werden beispielhaft einige Darstellun

gen von Fixpunkten zur Realisierung der ITS-90 undzur Kalibrierung von Thermometern beschrieben[6; 7], siehe auch Blatt 2, Abschnitt 5.

Die definierenden Fixpunkte sind thermodynamischeGleichgewichtszustnde zwischen den Phasen reinerSubstanzen (siehe Tabelle 2). Bei den Erstarrungspunkten gelten die angegebenen Temperaturen immerfr den Zustand bei 101,325 kPa (1 atm). Bild 2 zeigtschematisch das Druck-Temperatur-Diagramm einesStoffes, der sich beim Erwrmen ausdehnt. Zu unterscheiden sind die Zustandsgebiete des Festkrpers,der Flssigkeit und des Gases. Sie sind durch drei

Kurven, die Schmelzdruckkurve, die Dampfdruckkurve und die Sublimationsdruckkurve, getrennt. Diese drei Kurven treffen sich in einem Punkt,der als Tripelpunkt bezeichnet wird. Er entsprichtdem einzigen Zustand, bei dem die drei Phasen Gas,Flssigkeit und Festkrper im thermodynamischenGleichgewicht stehen. Die Dampfdruckkurve endetim kritischen Punkt.

2.4 Illustration of thermometric fixed points

Well illustrated in the following are a few examples of

fixed points to put into effect ITS-90 and for calibrating thermometers [6;7], see also Part 2, Clause 5.

The defining fixed points are thermodynamic states ofequilibrium between the phases of pure substances(see Table 2). At the solidification points, the temperatures stated apply always to the State at 101.325 kPa(1 atm). Figure 2 is a schematic Illustration of thepressure-temperature graph of a substance which ex-pands when heated. It is necessary to distinguish between the phase areas of the solid body, the liquid andthe gas. These are separated by the three curves, the

melting point pressure curve, the vapour pressurecurve and the Sublimation pressure curve. These threecurves meet at a point which is called the triple point.It represents the only condition at which the threephases gas, liquid and solids are in thermodynamicequilibrium. The vapour pressure curve ends at thecritical point.

Critical point

Pcrit

^ Afe/f pressure curve / |

y "^crit

So/id body Liquid / Gas

Vapour pressure curve

>Melting point Blling point

^riple point

Sublimation pressure curve

Temperature T ^

Bild 2. Schematisches p, T-Diagramm eines Stoffes, der sichbeim Erwrmen ausdehnt

Fig. 2. Schematic p, T graph of a substance which expandswhen heated


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Bei hheren Temperaturen als der kritischen Temperatur gibt es keine definierte Grenze zwischen derGasphase und der flssigen Phase. Man fat daherFlssigkeiten und Gase unter der gemeinsamen Bezeichnung Fluide zusammen.Die Gleichgewichtszustnde flssig-gasformig liegen

auf der Dampfdruckkurve, die Gleichgewichtszustnde flssig-fest auf der Schmelzdruckkurve. DerDampfdruck hngt stark von der Temperatur ab, whrend Schmelz- bzw. Erstarrungspunkte nur eine geringfgige Druckabhngigkeit zeigen.

2.4.1Metallfixpunkte

Die Erstarrungstemperaturen von Metallen hoherReinheit sind als Fixpunkte besonders gut geeignet,weil sie nur wenig vom Druck abhngen. Die normalen atmosphrischen Druckschwankungen haben keinen mebaren Einflu, whrend sich die Gleichge

wichtstemperatur mit zunehmender Eintauchtiefe indie Metallschmelze erhht. Diese Temperaturzunahme infolge des hydrostatischen Druckes betrgtbei blicher Eintauchtiefe der Thermometer z.B. frZink 0,4 mK (Hhe des Graphittiegels ca. 15 cm).Sehr gut reproduzierbare Erstarrungspunkte lassensich whrend des langsamen Erstarrens der Schmelzeverwirklichen. Der Schmelzpunkt ist im allgemeinennicht so gut reproduzierbar wie der Erstarrungspunkt.Eine ausfhrliche Beschreibung einer Apparatur zurDarstellung von Metallerstarrungspunkten ist inBlatt 2, Abschnitt 5.3.3 angegeben.

2.4.2WassertripelpunktAm Wassertripelpunkt befinden sich die drei PhasenEis, Wasser und Wasserdampf im thermodynamischen Gleichgewicht.Bild 3 zeigt eine Apparatur zur Darstellung des Wassersiedepunkts. Das geschlossene Gef aus Glasoder Quarzglas enthlt Wasser hoher Reinheit. Es besteht aus einem ueren Rohr, in dessen Achse zurAufnahme des Thermometers ein inneres Rohr eingeschmolzen ist. Zur Verbesserung des Wrmeberganges zwischen Tripelpunktgef und Thermometer

enthlt das innere Rohr eine gut wrmeleitende Flssigkeit (z.B. Wasser). Zur Vorbereitung des Tripel-punktgefes fr die Messung wird um das innereRohr herum ein dicker Eismantel erzeugt. Dies kannz. B. dadurch geschehen, da in das innere Rohr zerkleinertes, festes Kohlendioxid gefllt wird. NachEntfernen des festen Kohlendioxids fllt man Wasservon Raumtemperatur kurzzeitig in das innere Rohr,um eine Wasser-Eis-Grenzflche in unmittelbarerNhe des inneren Rohres zu erzeugen. Mit einem ineinem Eisbad aufbewahrten Tripelpunktgef ltsich eine auf ungefhr 0,1 mK konstante Temperatur

ber mehrere Wochen aufrechterhalten. Wichtige Einzelheiten zur Darstellung des Wassertripelpunktessind in [4] angegeben.

At higher temperatures than the critical temperature,there is no definite borderline between the gaseousphase and the liquid phase. Liquids and gases aretherefore grouped together under the common designation of fluids.The liquid-gaseous states of equilibrium are on the va-

pour pressure curve, while the liquid-solid states ofequilibrium are on the melting-point pressure curve.The vapour pressure depends greatly on the temperature, whereas melting and solidification points exhibitonly slight pressure-dependence.

2.4.1Fixed points of metals

The solidification temperatures of metals of high pu-rity are particularly suitable as fixed points, becausethey depend very little on pressure. The normal at-mospheric pressure fluctuations have no measurableinfluence, whereas the equilibrium temperature in-

creases with increasing Immersion depth in the metalmelt. This increase in temperature resulting from thehydrostatic temperature is, for example, for zinc0.4 mK (height of the graphite crucible approx.15 cm) at the usual immersion depth of the thermometers. Very good reproducible solidification pointscan be obtained during the slow solidification of themelt. The melting point is in general not so easily reproducible as the solidification point.Part 2, subclause 5.3.3 provides a detailed descriptionof an apparatus for the display of metal solidificationpoints.

2.4.2Triple point of water

At the triple point of water, the three phases ice, waterand water vapour are in thermodynamic equilibrium.

Fig. 3 shows an apparatus for display of the boilingpoint of water. The closed glass or quartz glass vesselcontains water of high purity. It consists of an outertube in whose axis an inner tube is sealed for insertionof the thermometer. To improve the transfer of heatbetween triple point vessel and thermometer, the innertube contains a liquid with good heat conduction (e.g.

water). To prepare the triple point vessel for measurement, a thick sheath of ice is produced around the inner tube. This can, for example, be produced byAlling the inner tube with crushed, solid carbon dioxide.After removal of the solid carbon dioxide, water atambient temperature is poured briefly into the innertube to produce a water-ice interface directly adjacentto the inner tube. Using a triple point vessel stored inan ice bath, a constant temperature of approximately0. 1 mK can be maintained over several weeks. Impor-tant details regarding display of the triple point of water are given in [4].


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Blld 3.Apparatur zur Darstellung des Wassertripelpunktes

1Temperaturfhler, z.B.Platin-Widerstandsthermometer

2Quarzwolle3Wasserdampf4Wasser5Eis6Kunststoff-Behlter7zerstoenes Eis

8Abdeckung9Thermometeranschlu

10Behlter11Isolierung12Boden mit Drainage13Auffangbehlter

Fig. 3. Apparatus for displaying the triple point of water

1 Temperature probe, e.g. 8 Coverplatinum resistancethermometer2Quartz wool3Water vapour4Water5Ice6Plastic Container7Crushed ice

9Thermometer connection10Vessel11Insulation12Base with drainage13Collector

Mit dem in Bild 3 dargestellten Tripelpunktgefakann der Wassertripelpunkt mit einer Unsicherheitvon 0,1 mK dargestellt werden. In der Przisions-thermometrie ist der Wassertripelpunkt daher von besonderer Bedeutung, z.B. bei der berprfung derStabilitt von Platin-Widerstandsthermometem.Anmerkung: Wird die geringere Meunsicherheit des Wassertripelpunktes nicht bentigt, so kann auch eine Kalibrierung derThermometer am Eispunkt im Eisbad erfolgen, siehe Blatt 2,Abschnitt 5.

2.4.3 Fixpunkte tiefsiedender Fluide

In einem engen Temperaturbereich, in dem derDampfdruck bequem gemessen werden kann, wirddie Temperaturabhngigkeit des Dampfdruckestiefsiedender Fluide wie z.B. Argon, Helium ("^He,^He) und Wasserstoff zur Temperaturmessungherangezogen [6; 8].

Zur Darstellung der Siedepunkte von H2, Ne und N2und des Taupunktes von O2 wird das mit einer definierten Stoffmenge gefllte Dampfdruckthermometergef auf eine konstante Temperatur in der Nhedes Siedepunktes beim Normdruck 101325 Pa

(1,01325 bar) gebracht. Nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes werden die Widerstnde derThermometer sowie der Dampfdruck gemessen. Die

The triple point of water can be displayed with an uncertainty of 0.1 mK using the triple point vesselshown in Fig. 3. In precision thermometry, the triplepoint of water is therefore of particular importance,e.g. for checking the stability of platinum resistancethermometers.Note: If the lower measuring uncertainty of the triple point of water is not required, the thermometer can also be calibrated at free-zing point in an ice bath, see Part 2, Clause 5.

2.4.3 Fixed points of low boiling liquids

The temperature dependence of the vapour pressureof low-boiling liquids such as, for example, argon, helium C^He, ^He) and hydrogen is used for temperaturemeasurement in a narrow temperature rnge in whichthe vapour pressure can be easily measured [6; 8].

To display the boiling points of H2, Ne and N2 and thedew point of O2, the vapour pressure thermometervessel filled with a specified amount of the substanceis brought to a constant temperature dose to the boiling point at Standard pressure 101325 Pa (1.01325

bar). When thermal equilibrium is reached, the thermometer resistances and vapour pressure shall bemeasured. The measured values shall be converted to


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Mewerte sind auf den Normdruck umzurechnen. BeiBestimmung der Temperatur aus dem Dampfdrucklassen sich Meunsicherheiten von weniger als 1 mKerreichen.

Die Darstellung der Tripelpunkte hat den Vorteil, dadie Druckmessung entfallt. Meeinrichtungen zur Be

stimmung der Tripelpunkte sind hnlich aufgebautwie die zur Bestimmung der Siedepunkte. Zur Realisierung des Tripelpunktes mu das in die Dampfdruckkammer eingelassene und kondensierte Fluidzunchst in die feste Phase berfuhrt werden.Anschlieend wird die Khleinrichtung langsam auf dieTemperatur des Tripelpunktes erwrmt und die Temperatur der Phasenumwandlung beobachtet. DieMeunsicherheit der Darstellung der Tripelpunkte desSauerstoffs und Wasserstoffs ist kleiner als 0,5 mK.Nur orientierende Messungen knnen am Sauerstoffsiedepunkt ausgefhrt werden, wenn man Thermometer in offenen Bdern mit handelsblichem, nahezureinem Sauerstoff kalibriert und den Umgebungsdruck (Luftdruck und hydrostatischen Druck des flssigen Sauerstoffs) bercksichtigt. Eine Fllstandsnderung von 1 cm flssigem Sauerstoff erhht dieTemperatur des Siedepunktes um 10 mK. Der Hauptgrund fr die grere Meunsicherheit sind Siedeverzge, die eine Temperaturerhhung im Inneren desBades von mehreren Zehnteln Kelvin zur Folge haben[7].

Standard pressure. When the temperature is determined from the vapour pressure, measuring uncer-tainties of less than 1 mK can be achieved.

Display of the triple points has the advantage that thepressure measurement is omitted. Measuring devices

for determining the triple points are similarly con-structed to those used to determine the boiling points.To obtain the triple point, the Condensed fluid allowedinto the vapour pressure Chamber shall first be con-verted to the solid phase. Then, the cooling device isslowly heated to the temperature of the triple pointand the temperature of the phase change observed.The measuring uncertainty of the display of the triplepoints of oxygen and hydrogen is less than 0.5 mK.

Only orientation measurements can be carried out atthe boiling point of oxygen when thermometers arecalibrated in open baths with commercially available,almost pure oxygen, taking into account the ambientpressure (air pressure and hydrostatic pressure of theliquid oxygen). A change in level of 1 cm of liquidoxygen increases the temperature of the boiling pointby 1 0 mK. The main reason for greater measuring uncertainty is boiling delays, which result in an increasein temperature inside the bath of several tenths of aKelvin [7].


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3 Das Thermometer als Fremdkrperim Temperaturfeld

Berhrungsthermometer

Bei Temperaturmessungen mit Berhrungsthermome-tem wird der Temperaturfuhler mit dem Stoff in Berhrung gebracht, dessen Temperatur gemessen wer

den soll. Der Temperaturfhler ist ein Fremdkrperim Temperaturfeld und ruft Strungen hervor. Dieseentstehen dadurch, da der Temperaturfhler dem zuuntersuchenden Stoff Wrme entzieht oder zufhrtund damit das Temperaturfeld verndert. Es wird daher nicht die wirklich vorhandene, sondern eine durchden Temperaturfhler vernderte Temperatur gemessen. Diese Abweichungen lassen sich in vielen Fllendurch Auswahl des geeigneten Temperaturmegertes und durch sorgfaltigen Einbau des Temperaturfhlers so weit verringern, da sie vernachlssigt wer

den knnen. Beim Einbau des Temperaturfhlers sindinsbesondere folgende Gesichtspunkte zu beachten:

-Der Wrmeaustausch zwischen dem zu untersuchenden Krper und dem Temperaturfhler mubegnstigt werden.

-Die Abfuhr oder Zufiihr von Wrme durch denTemperaturfhler mu soweit wie mglich verringert werden.

Vorschriften und Richtlinien, die sich hieraus fr Einzelfalle ergeben, werden in Blatt 2 und Blatt 5 behandelt [10] .

Strahlungsthermometer und Thermographie-gerte

Strahlungsthermometer und Thermographiegerte(Blatt 4) sind nur in geringem Mae von den vorstehend genannten Meabweichungen betroffen.Allerdings ist zu beachten, da bei der Messung von Temperaturen freistrahlender Oberflchen ihr Emmis-sionsgrad und ggf der Einflu von Fremdstrahlung zubercksichtigen ist.

3 The thermometer as foreign bodyin the temperature field

Contact Thermometers

In temperature measurements with contact thermometers, the temperature probe is brought into contactwith the substance whose temperature is to be meas

ured. The temperature probe is a foreign body in thetemperature field and causes disturbances. These occur due to the temperature probe absorbing from or in-troducing heat to the substance to be examined,thereby changing the temperature field. It is thereforenot the actual existing temperature which is measured,but a temperature changed by the temperature probe.These differences can in many cases be reduced to anegligible level by selecting a suitable temperaturemeasuring Instrument and by careful introduction ofthe temperature probe. In particular, when introduc-

ing the temperature probe, the following aspects shallbe observed:

-The heat exchange between the body to be examined and the temperature probe shall be promoted.

-The extraction or introduction of heat by the temperature probe shall be minimized.

Regulations and codes of practice which thereby re-sult for individual cases are contained in Part 2 andPart 5 [10].

Radiation thermometers and thermographicdevices

Radiation thermometers and thermographic devices(Part 4) are affected only to a slight degree by themeasuring errors mentioned above. Nevertheless,when measuring the temperatures of diffse-emittingsurfaces, account shall be taken of their emissivity andpossibly the influence of extemal radiation.


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4 Meabweichung, Meunsicherheit undFehlergrenzen

4.1 AllgemeinesDurch Unvollkommenheit der Temperatur-Meeinrichtung, durch Umgebungseinflsse, Beobachtereinflsse usw. entstehen bei jeder Messung Abweichun

gen, die den ermittelten Wert unsicher machen. ZurBeurteilung der Mewerte hinsichtlich der zu erwartenden Abweichungen wird die Meunsicherheit herangezogen. Begriffe fr die Meunsicherheit und frdie Beurteilung von Meeinrichtungen sind in DIN1319-3 und in WECC DOC . 19 - 1990 festgelegt [11bis 13].

Bei Temperaturmessungen knnen Meabweichungen aufgrund folgender Einflsse entstehen:-Umgebungstemperatur auf Zuleitung, Meumfor

mer undAnzeigegerte bei mechanischen und elek

trischen Thermometern sowie auf herausragendenFaden bei Flssigkeits-Glasthermometem

-Zuleitungswiderstand bei elektrischen Thermometern-Eigenerwrmung-Zeitverhalten des Temperaturfhlers-Eintauchtiefe des Temperaturfhlers-Abweichung von der vorgeschriebenen Gebrauchs

lage-Vibration und Sto

-Umkehrspanne (Reibung bei mechanischen Mewerken)-nderung der Hilfsenergie-Zusatzeinrichtungen-Alterung

-Luftdruck, Feuchte und elektromagnetische Felder-Abweichung des Temperaturfhlers von den cha

rakteristischen Daten (z.B. Grundwertreihen vonTemperaturaufnehmem)

4.2Definition der Meunsicherheit

Die Unsicherheit eines Mewertes (Mittelwertes)X begrenzt ein Intervall x in dem der wahreWert bei einem Vertrauensniveau (einer statistischenSicherheit) von mindestens 95% liegt (siehe DIN1319-3).

In dieser Richtlinie wird die relative Meunsicherheitbenutzt. Ist die absolute Meunsicherheit gege

ben, so ist die relative Meunsicherheit

Die relative Meunsicherheit wird hufig in % angegeben.

4 Measuring error, measuring uncertaintyand error limits

4.1GeneralDue to the imperfections of the temperature measuring device, environmental influences, observer influ-ences etc., errors occur in every measurement which

make the value obtained uncertain. The measuringuncertainty is included in an evaluation of the measured values with references to the anticipated errors.Defmitions for measuring uncertainty and for theevaluation of measuring devices are contained in DIN1319-3 and in WECC DOC. 19- 1990 [11 to 13].

With temperature measurements, measuring errorscan occur as a result of the following influences:-Ambient temperature on the supply conductor,

measuring transducer and indicating Instrument in

mechanical and electrical thermometers, as well ason protruding filaments in liquid-in-glass thermometers-Conductor resistance in electrical thermometers

-Self-heating-Time response of the temperature probe-Immersion depth of the temperature probe-Deviation from the prescribed position of normal

use

-Vibration and shock

-Reversal error (friction in Instrument mechanism)

-Change in auxiliary energy-Ancillary devices-Ageing-Air pressure, moisture and electromagnetic fields-Deviation of the temperature probe from the char-

acteristic data (eg international basic-value seriesof temperature probes).

4.2Definition of measuring uncertainty

The uncertainty of a measured value (mean value)X defines an interval x in which the true value isat a Statistical confidence level of at least 95% (seeDIN 1319-3).

The relative measuring uncertainty is used in thisGuideline. When the absolute measuring uncertainty

is specified, then the relative measuring uncertaintyis

The relative measuring uncertainty is frequently expressed in %.


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Beispiel:

fr ^ = 10 C, Uf = 0,2 xC und6^ = 1% liegt der wahre Wert im Intervall 9,8 C bis10,2 C.

Die Meunsicherheit kann durch zufallige und durchunbekannte systematische Abweichungen verursacht

werden.Zur Meunsicherheit zhlen nicht die nach Vorzeichen und Wert bekannten systematischenAbweichungen und auch nicht dieAbweichungen, die bei der Kalibrierung festgestellt vmrden (z.B. Linearittsab-weichung). Diese nach Vorzeichen und Wert bekannten Abweichungen mssen korrigiert werden.

Example:

With r = 10C, 0.2 and6^ = 2 %, the true value lies in the interval 9.8 C to10.2 C.

The measuring uncertainty can be caused by randomand by unknown systematic deviations.

The measuring uncertainty does not include systematic deviations denoted by prefix and value and alsonot by the deviations established during calibration(e.g. linearity deviation). These deviations denotedaccording to prefix and value shall be corrected.

4.3 Zufllige Komponente der Meunsicherheit

Der ermittelte Wert fr die Megre Temperatur ist

grundstzlich unsicher, weil Meabweichungen auftreten. Man unterscheidet zwischen systematischenund zufalligen Meabweichungen. Die zufalligeKomponente der Unsicherheit, die diesen zufalligenAbweichungen entspricht, lt sich durch mehrfacheWiederholung der Messung bestimmen. Die zufalligeKomponente der Unsicherheit des Mittelwertes vonWiederholmessungen wird um so kleiner, je mehrMessungen durchgefhrt werden.

Bei einer Mereihe mit den Mewerten ist der Mittelwert aus n Messungen

4.3 Random components of measuringuncertainty

The value determined for the temperature is basically

uncertain because measuring errors occur. A differentiation is made between systematic and random measuring errors. The random components of the uncertainty corresponding to these random deviations canbe determined by repeating the measurement severaltimes. The random component of the uncertainty ofthe mean value of repeat measurements is reduced according to the number of measurements carried out.

With a series of measurements with the measured values Xu the mean value from n measurements is

1 ^

- IS'-l = 1

(9)1

nA^, II = 1

(9)

dessen Meunsicherheit

t";c =

(10)

whose measuring uncertainty is

t= -T' (10)

sowie dessen Standardabweichung

s =

/= 1

(11)

and its Standard deviation

' 1=1

(11)

und dessen relative Meunsicherheit

/= r

and its relative measuring uncertainty

V1^

X- Jn ~^'/\/n(n- 1) X,Xi-X

V A y(12)

Der Student-Faktor kann fr ein Vertrauensniveauvon 95 % fr Mewerte der Tabelle 5 entnommenwerden.

Die Werte der Tabelle lassen sich im Bereich2^ ^ 10^ durch die folgende Gleichung darstellen:

The Student factor can be taken from Table 5 for aconfidence level of 95 % for n measured values.

The values in the table can be represented by the following equation in the rnge 2 ^ n

Ks = ^0,242 + 0,498 n' 1-0,740 (13)

0.242 + 0.498 nt = Q, 1 - 0.740 ns (13)


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Tabelle 5. Student-Faktor fr ein Vertrauensniveauvon 95 % bei n Messungen

n 10 15 20 30 60 oo

2,26 2,15 2,09 2,05 2,00 1,96

4.4 Systematische Komponenteder Meunsicherheit

4.4.1Bekannte systematische Komponenteder Meunsicherheit

Die dieser Meunsicherheitskomponente zugrundeliegende, nach Vorzeichen und Betrag bekannte systematische Abweichung soll gem Abschnitt 4.2 korrigiert werden. Diese Unsicherheitskomponente wirddaher im folgenden nicht betrachtet.

4.4.2Unbekannte systematische Komponenteder Meunsicherheit

Die unbekannte systematische Komponente derMeunsicherheit entsteht durch systematischeAbweichungen, die weder nach Vorzeichen noch nachBetrag bekannt sind. Sie kann fr Megerte anhandder Angaben der Hersteller ber Fehlergrenzen undmaximale Einflueffekte in ihrem maximalen Betragabgeschtzt werden. Die so erhaltenen -Grenzwertegrenzen ein Intervall fr die unbekannte systematische Abweichung ein und bilden die unbekanntesystematische Komponente der Meunsicherheit, dieblicherweise mit einer Sicherheit von 100 % einge

halten wird.Der Einflu der unbekannten systematischen Komponente auf die Gesamtmeunsicherheit lt sich nichtdurch Wiederholungsmessungen unter gleichen Bedingungen verringern.

Fr die Addition der Unsicherheiten (Abschnitt 4.6)mu die unbekannte systematische Komponente inzwei Gruppen eingeteilt werden:

a) Unsicherheiten, verursacht durch unbekanntesystematische Abweichungen, die wie zufllige

Abweichungen behandelt werden knnen.

Zu dieser Gruppe gehren:-systematische Abweichungen, die streuen, weil

die Megre ber eine lngere Zeit unterzufllig streuenden Me- und Umgebungsbedingungen erfat wird, z.B. Druck und Temperatur,-systematische Abweichungen infolge nicht

linearer Kennlinie bei schwankendem Mewert,-systematische Abweichungen, die bei einer aus

Einzelkomponenten aufgebauten Meeinrich

tung in den Komponenten unterschiedlich nachVorzeichen und Betrag auftreten und voneinander unabhngig sind.

Table 5. Student Factor for a confidence level of95 % with n measurements

n 10 15 20 30 60 OO

ts 2.26 2.15 2.09 2.05 2.00 1.96

4.4 Systematic components of the measuringuncertainty

4.4.1Known systematic components of themeasuring uncertainty

The systematic deviation characterized by prefix andamount and forming the basis for this measuring uncertainty component should be corrected according tosubclause 4.2. This uncertainty component is there-fore left out of consideration in the following.

4.4.2Unknown systematic components of themeasuring uncertainty

The unknown systematic component of the measuringuncertainty occurs through systematic deviationswhich are characterized neither by their prefix noramount. They can be estimated for measuring Instruments in accordance with data provided by the manu-facturer conceming error limits and maximum influ-ence effects to the maximum extent. The limit val-ues thus obtained provide the limits for an interval forthe unknown systematic deviation, and provide theunknown systematic component of measuring uncertainty, which is usually within 100 % certainty.

The influence of the unknown systematic componenton the total measuring uncertainty cannot be reducedunder the same conditions by repeat measurements.

For addition of the uncertainties (subclause 4.6), theunknown systematic component shall be divided intotwo groups:

a) Uncertainties caused by unknown systematic deviations, which can be treated as random deviations.

Included in this group are:-systematic deviations which scatter because the

measured value is recorded over a long periodof time under randomly scattering measuringand ambient conditions, e.g. pressure and temperature,-systematic deviations resulting from non-linear

characteristic in the case of a fluctuating measured value,

-systematic deviations which vary according toprefix and amount in the components of a meas

uring device comprising individual components, and which are independent of one an-other.


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b) Unsicherheiten, verursacht durch unbekanntesystematische Abv eichungen, die unbedingt wiesystematische Abweichungen behandelt werdenms- sen, weil sie bei mehreren an der Messungbeteiligten Meeinrichtungen voneinander abhngig sind und sich deshalb nicht gegenseitig aus

gleichen knnen.Zu dieser Gruppe gehren:-systematische Abweichungen, die mehrfach

unter konstanten und gleichen Me- und Umgebungsbedingungen auftreten, z.B. bei einerMeeinrichtung mit mehreren gleichen Komponenten, verursacht durch gleichen Druck-und/oder Temperatureinflu (gleiche Einflueffekte),

-systematische Abweichungen, die bei einzelnenMeeinrichtungen wegen gleicher Ursache und

gleichen Fehlergrenzen in gleicher Gre undmit dem gleichen Vorzeichen auftreten, z.B. beieiner aus Komponenten aufgebauten Meeinrichtung z.B. durch Kalibrierung gleicher Komponenten auf dem gleichen Prfstand (Auswirkung der unbekannten systematischenAbweichung der Prfhormale in gleicher Greund Richtung).

4.5 Unsicherheit bei der Kalibrierung eines l\/le-gertes

Bei der Kalibrierung eines Gertes wird durch die ermittelten Mepunkte eine Regressionslinie gelegt,wobei die entsprechenden physikalischen Zusammenhnge zu bercksichtigen sind. Die Unsicherheitenenthalten die zufalligen Anteile (Streuungen des Prflings, des Verfahrens und des Normals) und die unbekannten systematischen Anteile der Unsicherheit desPrfstandes. Letztere sind nur durch einen Prf-standsvergleich anhand von Transfemormalen zu ermitteln.

Werden zufallige und systematische Anteile nicht getrennt angegeben, dann ist beim Einsatz des kali

brierten Gertes die resultierende Unsicherheit wieeine unbekannte systematische Komponente zu behandeln.

Bei getrennterAngabe ist beim Einsatz des kalibrierten Gertes zu prfen, ob der bei der Kalibrierung ermittelte zufallige Anteil weiterhin als zufallig behandelt werden darf (Hysterese). In anderen Fllen (z. B.zufalliger Anteil infolge Temperaturschwankung aufdem Prfstand) mu dieser zufallige Anteil aus derKalibrierung bei der Anwendung des Gertes als systematischer Anteil behandelt werden.

In den Herstellerangaben gem Abschnitt 4.4 sinddie Unsicherheiten der Herstellerprfstnde enthalten.

b) Uncertainties caused by unknown systematic devi-ations, which shall be treated as systematic devia-tions, because they are dependent on one another,when several measuring devices participate in themeasurement, and therefore cannot be reciprocallycompensated.

This group includes:-systematic deviations occurring a number of

times under constant and identical measuringand environmental conditions, e.g. in a measuring device with a number of identical compo-nents, caused by identical pressure and/or tem-perature influence (identical influence effects),

-systematic deviations which occur in individualmeasuring devices because of an identical cause

and identical error limits with identical magni-tude and with identical prefix, e.g. in a measuring device comprising components, e.g. by cal-ibrating identical components on the same testset-up (effect of unknown systematic deviationof the test Standard of identical magnitude anddirection).

4.5 Uncertainty in calibration of a measuringInstrument

When calibrating an Instrument, a regression line isdrawn through the measuring points obtained, inwhich the relevant physical relationships shall betaken into account. The uncertainties contain the random components (scatter of the test object, methodand Standard) and the unknown systematic components of the uncertainty of the test device. The lattercan only be obtained by means of a test set-up comparison using transfer Standards.

If random and systematic components are not statedseparately, then when using the calibrated Instrument,

the resulting uncertainty shall be treated as an unknown systematic component.

With separate data, a check shall be made when usingthe calibrated Instrument as to whether the randomcomponent determined during calibration may continue to be treated as random (hysteresis). In othercases (e.g. random component resulting from temperature fluctuation on the test set-up), this random component from the calibration shall be treated as a systematic component when using the Instrument.

The uncertainties of the manufacturer's test set-upsare contained in the manufacturer's data according tosubclause 4.4.


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4.6Addition von Unsicherheiten

Fr eine Temperatur-Meeinrichtung werden die je-weiHgen Unsicherheiten der Megerte quadratischaddiert, wenn diese wie zufllige behandelt werdenknnen. Es mu im Einzelfall geprft werden, obdiese Voraussetzung zutrifft (vgl. Abschnitt 4.4).

Liegen unbekannte systematische Abweichungen vor,dann empfiehlt es sich, zufallige und systematischeUnsicherheiten zu trennen. Die zufalligen werdenquadratisch, die systematischen entweder quadratischoder fr Grenzbetrachtungen linear addiert und im Ergebnis beide angegeben.

Fr die resultierende zufllige Komponente gilt einVertrauensniveau von 95 %, fr die resultierende systematische Komponente ein Vertrauensniveau vonmehr als 95 %.

Die sicherste Angabe ber die maximaleMeunsicherheit ergibt sich aus der linearen Additionder Betrge beider Komponenten (Vertrauensbereich100 %).

4.7Fehlergrenzen von Megertenund Meeinrichtungen

Fehlergrenzen sind vereinbarte Hchstbetrge frAbweichungen oder Anzeige von Megerten und Meeinrichtungen. Sie geben an, innerhalb welcher Grenzen ein Mewert (Meergebnis) vom richtigen Wertabweichen darf Sie sind vorwiegend durch systemati

sche Abweichungen bedingt, die meist aus Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Megerteherrhren. Die Fehlergrenzen drfen auch durch dieZufallskomponente der Meunsicherheit nicht berschritten werden.Fehlergrenzen knnen je nach Zweckmigkeit angegeben werden in-Einheiten der gemessenen Gre (z.B. K, mV, Q),-Prozent des angezeigten Wertes,

-Prozent der Skalenlnge,-Prozent des Anzeige- bzw. Mebereichs.Eichfehlergrenzen sind Fehlergrenzen, die durch denGesetzgeber in der Eichordnung vorgeschrieben sind.Verkehrsfehlergrenzen sind die bei der Verwendungeichpflichtiger Megerte in der Praxis geltendenFehlergrenzen. Sie sind s)mimetrisch, betragen dasDoppelte der Eichfehlergrenzen und sind durch denGesetzgeber vorgeschrieben.

4.6Addition of uncertainties

In a temperature measuring Instrument, the Square ofthe relevant uncertainties of the measuring instruments is added if these can be treated as random. Acheck shall be made in individual cases as to whetherthis condition applies (see subclause 4.4).

If unknown systematic deviations are present, it is ad-visable to separate random and systematic uncertainties. The Square of the random uncertainties is added,while either the Square of the systematic uncertaintiesis added or for limited observations the systematic deviations are added linearly and both stated in the result.

A confidence level of 95 % applies to the resultingrandom components and a confidence level of morethan 95 % to the resulting systematic components.

The most reliable indication of the maximum measuring uncertainty is obtained from the linear addition ofthe amunts of the two components (confidence rnge100 %).

4.7Error limits of measuring instrumentsand measuring devices

Error limits are agreed maximum amounts for deviations or readings on measuring instruments and measuring devices. They indicate within which limits ameasured value (measuring result) may deviate fromthe correct value. They result primarily from system

atic deviations mostly originating from productiontolerances in the manufacture of the measuring instruments. Furthermore, the error limits also not be ex-ceeded by the random component of the measuringuncertainty.

Error limits may be given as appropriate in

-Units of suitable magnitude (e.g. K, mV, Q),-Percentage of the indicated value,-Percentage of the scale length,-Percentage of the indicating or measuring rnge.

Calibration error limits are error limits described byStatute in the calibration order.

Commercial error limits are the error limits valid inpractice in the use of measuring instruments subject tomandatory calibration. They are Symmetrie, amountto twice the calibration error limits and are prescribedaccording to Statute.


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5 Besondere Temperaturmeverfahrenund besondere Thermometer

5. 1SegerkegelSegerkegel werden vorzugsweise in der keramischenIndustrie verwendet. Es gibt Kegel fr den Temperaturbereich von 600 C bis 2000 C mitAbstufungen

von10 bis 50 C.Die Kegel, die aus keramischen Massen verschiedener Zusammensetzung bestehen, haben eine Hhevon 2,5 bis 6 cm. Beim Erhitzen erweichen sie innerhalb eines Temperaturbereiches und neigen sich mitder Spitze der Unterlage zu. Die Temperatur, bei derder Kegel mit der Spitze die Unterlage berhrt, wirdals Segerkegelfallpunkt" hQZQichnot Diese Temperatur, die auf dem Segerkegel angegeben ist, hngt vonder Aufheizzeit ab. Da die Umsetzungen in keramischen Massen und Glasuren hnlichen Gesetzmig

keiten folgen wie die Vorgnge in Segerkegeln, gibtder Kegelfallpunkt eine Aussage ber die Garbrandtemperatur Beim Arbeiten mit Segerkegeln sind gewisse Vorschriften ber Unterlagen und Einbettung zubeachten.

5.2TemperaturkennkrperFr die Temperaturermittlung werden in der keramischen Industrie Temperaturkennkrper verwendet, diedurch ihr Schmelzen oder Erweichen anzeigen, daeine bestimmte Temperatur erreicht ist. Fr den Bereich von 100 bis 1600 C werden zylindrische Krper aus Metallegierungen hergestellt, die mitSchmelzpunkten in Abstnden von20 erhltlichsind. Sie haben meist keinen genau definiertenSchmelzpunkt, sondern schmelzen in einem mehroder weniger breiten Temperaturintervall.Auerdemist das Niederschmelzen von der Zeit abhngig. Beider Nenntemperatur sind diese Krper jedoch nachsptestens 10 min niedergeschmolzen. Die Unsicherheit wird mit 7 C angegeben.

Andere schmelzende Stoffe (z.B. Salze) werden alsTemperaturkennkrper in Form von z.B. Pulvern oder

Tabletten verwendet. Sie werden fr den Bereich von50 bis 1400 abgestuft hergestellt.

5.3QuarzthermometerDieses Meverfahren beruht auf der Abhngigkeit derResonanzfrequenz eines Quarzkristalles von der Temperatur. Zur Messung werden meist kleine Plttchenoder Scheiben verwendet, die aus dem knstlich erschmolzenen (gezogenen) Quarz-Einkristall herausgeschnitten werden. Die Temperaturabhngigkeit derResonanzfrequenz ist auch vom Schnittwinkel des

Plttchens zu den optischen Achsen des Quarzes abhngig. Man kann eine nahezu lineare Frequenzabhngigkeit von der Temperatur in einem einge-

5 Special temperature measuring methodsand special thermometers

5.1 Seger cones

Seger cones are chiefly used in the ceramic industry.There are cones for the temperature rnge from600 C to 2000X in steps of10 to 50 C.

The cones consist of ceramic bodies of various com-position and are 2.5 cm to 6 cm high. When heated,they plasticize within a temperature rnge and the tipis inclined towards the base. The temperature at whichthe tip of the cone touches the base is called the "Segercone-fusion point". This temperature given by theSeger cone depends on the heating time. Since thetransformations in ceramic bodies and glazes followsimilar rules to the processes in Seger cones, the cone-fusion point provides information on the "maturing

temperature". Certain regulations concem

technische temperaturmessungen - grundlagen und Übersicht Über besondere temperaturmeßverfahren

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