Im November 2018 einigte sich die globale Metrologie-Community auf der Generalkonferenz für Maße und Gewichte des Internationalen Büros für Maße und Gewichte (BIPM) in Versailles auf eine Revision des Internationalen Einheitensystems (Système international d’unités, SI). Die 60 anwesenden Länder stimmten einstimmig dafür, das SI so anzupassen, dass es vollständig auf unveränderlichen Eigenschaften von Naturkonstanten basiert; ein 150 Jahre alter Traum der „wissenschaftlichen Familie“.
Seit dem Weltmetrologietag am 20. Mai 2019 werden zum ersten Mal alle sieben Basiseinheiten des SI durch Naturkonstanten definiert. Dadurch ergibt sich System, das auf Naturkonstanten basiert und bei dem die numerischen Werte für jede der Basiseinheiten fest und unveränderlich sind. Für die Temperatur bedeutet das, dass anstelle des Tripelpunkts von Wasser die Boltzmann-Konstante als Basis verwendet wird.
Vor 2018 mussten die definierenden Messungen für Temperatur und Masse etwas Greifbares sein. Für die Temperatur war dies der Tripelpunkt des Wassers und für das Kilogramm die Masse eines Metallstücks, das beim BIPM in einem Tresor gelagert ist. Dieses Urkilogramm wird oft als „Le grand k“ bezeichnet. In der ursprünglichen Definition von 1793 wurde das Kilogramm als ein Liter Wasser definiert und der Meter als ein Zehnmillionstel der Entfernung vom Nordpol zum Äquator. Jede der Basiseinheiten hatte einen materiellen Gegenstand, mit dem sie verglichen werden konnten, z. B. eine Masse von Metall für das Kilogramm. Diese Objekte nutzten sich mit der Zeit ab oder verschlechterten sich, so dass es immer weniger präzise Messungen gab. Außerdem waren diese Objekte nicht für jeden zum Vergleich verfügbar, was zu mehr Fehlerquellen führte.
In einer Welt, in der so vieles von präzisen Messungen abhängt, beseitigt das neue System die Abhängigkeit von materiellen Objekten für die Genauigkeit. Das überarbeitete SI stützt sich auf physikalische Konstanten, die sich im Laufe der Zeit nicht ändern und für jeden zugänglich sein können.
Was sollten Sie tun, um über SI-Änderungen auf dem Laufenden zu bleiben?
Die kurze Antwort lautet: noch nichts. Derzeit gibt es kein Gerät, das die Boltzmann-Konstante so genau an die Temperatur binden kann wie eine Fixpunktzelle. Werfen Sie also Ihre Fixpunktzellen noch nicht weg.
Für den Profi der Temperaturkalibrierung besteht das Ziel darin, von einem Standard-Platin-Widerstandsthermometer (SPRT), bei dem die Temperatur an Fixpunkten gemessen wird, wegzukommen. Irgendwann wird die Temperaturkalibrierung zu etwas wie einem photonischen Thermometer oder einem Johnson-Rauschthermometer übergehen, das auf der Quantenmechanik basiert.
Aber im Moment ist das Wichtigste, dass Sie bei der Temperaturkalibrierung so weitermachen wie bisher; es ändert sich nichts – noch nicht. Die Fixpunkte bleiben bei denselben Temperaturen, die ITS-90 ändert sich nicht, und wir werden weiterhin SPRTs zur Temperaturmessung verwenden.
Es werden sich noch bessere Unsicherheiten entwickeln. Es wird vielleicht noch 20 Jahre dauern, bis ein Gerät auf den Markt kommt, das die Boltzmann-Konstante genauer mit der Temperatur verknüpfen kann als eine Fixpunktzelle. Aber halten Sie die Ohren offen, denn es wird kommen. Die Teilnahme an Temperaturkonferenzen wie der TEMPMEKO ist eine Möglichkeit, um auf dem Laufenden zu bleiben. Die TEMPMEKO findet alle drei Jahre statt. Die letzte Konferenz wurde 2019 abgehalten, die nächste war ursprünglich für 2022 geplant, wurde aber verschoben.
Die Neudefinition des SI und der Aufstieg der Quantenphotonik und der Johnson-Rauschthermometrie
Die Zukunft der Temperaturkalibrierung, Vorhersagen von Frank Liebmann
In Zukunft wird sich wahrscheinlich ändern, wie das Kelvin in den Kalibrierlaboratorien realisiert wird. Die derzeit verwendeten Fixpunktzellen werden durch ein Gerät ersetzt, das die Boltzmann-Konstante genauer an unsere Arbeit bindet, vielleicht ein Quantengerät oder ein Johnson-Rauschthermometer.
- Ein photonisches Thermometer verwendet in der Regel Laser und stellt einen Laser auf eine bestimmte Wellenlänge des Lichts fest, je nachdem, wie sich das Thermometer bei einer bestimmten Temperatur physikalisch verhält.
- Ein Johnson-Rauschthermometer verwendet elektrisches Rauschen, um den Mittelpunkt (des Rauschens) zu ermitteln, und vergleicht ihn mit der Frequenz, um die Temperatur zu bestimmen.
Das BIPM arbeitet daran, weitere Fixpunkte für höhere Temperaturen zu definieren. In unseren zukünftigen Laboratorien werden wir uns mit der neuen Familie von Fixpunkten befassen, die derzeit entwickelt wird und Eutektika genannt wird. Eutektika (oder eutektische Gemische) sind eine Reihe von Stoffen, die als Flüssigkeit bei einer einzigen Temperatur ineinander verschmelzen. Diese Temperatur ist niedriger als die Schmelzpunkte der einzelnen Stoffe oder eines beliebigen anderen Gemischs dieser Stoffe. Aktuell sind die höchsten Fixpunkte Gold und Kupfer, die auf fast 1100 °C erhitzt werden.
Die Eutektika ermöglichen Metrologen und Technikern eine bessere Rückführbarkeit von Temperaturen oberhalb des Kupferpunktes, der bei 1084,62 °C liegt. Wissenschaftler arbeiten daran, Eutektika mit Hilfe der Strahlungsthermometrie nachzuweisen. Dazu nehmen sie einen Schwarzkörperkalibrator, der nach einem ähnlichen Prinzip wie die Präzisions-Infrarot-Kalibratoren 4180/4181 von Fluke Calibration arbeitet, nur mit einem Hohlraum-Schwarzkörper statt einer flachen Platte, zusammen mit dem Eutektikum. Dann vergleichen sie es mit dem Silber-Tripelpunkt von Kupfer, Aluminium, Silber, Zink und/oder Gold. Sobald diese neue Familie definiert ist, wird sie einen großen Unterschied für die Kalibrierung von Thermoelementen machen.
In der Welt der Thermoelemente wird auch an der Untersuchung verschiedener Leiterkombinationen gearbeitet. Damit soll festgestellt werden, ob sie die Messungen höherer Temperaturen erreichen können. Bevor diese neuen Kombinationen in unseren Kalibrierlaboratorien eingesetzt werden können, muss auch herausgefunden werden, wie diese neuen Thermoelemente kalibriert werden können, so dass dieser Fortschritt wahrscheinlich noch in weiter Ferne liegt.