Resultados del CEM en el proyecto europeo Real-K (Realizing the new kelvin)

M. J. Martin¹, J. M. Mantilla¹, C. Garcia-Izquierdo¹, E. Gómez¹, D. del Campo¹, C. Larriba^2
1Centro Español de Metrología
²SGS Tecnos S. A.

Introducción 

El proyecto Real-K se estructuró en 6 paquetes de trabajo. Cuatro paquetes de trabajo eran técnicos y dos estaban dedicados a la diseminación de resultados y a la coordinación del proyecto, respectivamente. Los cuatro paquetes de trabajo técnicos han estado dedicados a: 

1. Demostrar y establecer la trazabilidad directamente al kelvin, redefinido desde ~1300 K a ~3000 K, mediante el establecimiento de temperaturas termodinámicas de baja incertidumbre de cuatro nuevos puntos fijos de alta temperatura (high temperature fixed points, HTFPs). Estos puntos se utilizaron para realizar y diseminar temperaturas termodinámicas con incertidumbres competitivas con la escala definida (la escala internacional de temperatura de 1990, EIT-90). 

2. Demostrar la termometría primaria práctica para la realización y diseminación de la temperatura termodinámica por debajo de 25 K y demostrar así que la termometría primaria puede utilizarse para reemplazar la actualmente compleja realización de la escala EIT-90 por debajo de 25 K. 

3. Prolongar la vida de la escala definida actual (EIT-90), ofreciendo a los usuarios un acceso continuado a realizaciones de baja incertidumbre de la escala. Se investigó exhaustivamente la cuestión de la no unicidad de la escala, con el objetivo de reducir su incertidumbre en un 30 %, y se trabajó en un punto fijo adecuado que sustituyera al punto triple del mercurio. 

4. Reducir la incertidumbre en diferentes métodos de termometría primaria, aprobados para su uso en la MeP-K-19, en la región de temperaturas de 25 K y superiores, mediante la reducción de las incertidumbres de las propiedades termofísicas calculadas de los gases (por ejemplo, He, Ne, Ar), utilizados como fluidos termométricos en los termómetros primarios. 

El CEM ha participado en los paquetes de trabajo técnicos 1 y 3, obteniendo diversos resultados que se describen a continuación. 

Desarrollo 

Medida de la no unicidad tipo 3 de la escala  

Una característica de la EIT-90 es la no unicidad tipo 3 que surge de las diferencias entre los termómetros patrón de resistencia de platino (TRPPs) individuales, en un subrango determinado. Esto puede ser significativo cuando se intentan conseguir las mejores incertidumbres en las calibraciones de TRPP, pero es extremadamente difícil de determinar porque queda oculta por las incertidumbres de medida. Por lo tanto, hay poca información de calidad disponible. 

Durante este proyecto se realizaron TRPPs de alta precisión en el Instituto Nacional de Metrología del Reino Unido (NPL) y en el CEM; en concreto dos conjuntos de 8 y 6 TRPPs de diferentes fabricantes y diseños, midiéndose la relación de cada TRPP con respecto a un TRPP común en baños de líquido a temperaturas de – 95 °C a 30 °C y de – 40 °C a 80 °C, respectivamente. Los resultados se han publicado en [2]. 

Las medidas realizadas dieron un límite superior para la no unicidad tipo 3 de ± 0,1 mK, entre – 95 °C y 30 °C y de ± 0,2 mK hasta 80 °C. 

Fabricación de puntos fijos de alta temperatura de Pd-C y Fe-C 

La realización de la EIT-90 y la diseminación de la temperatura por encima del punto de la plata (~962 °C) está en un proceso de coexistencia con el enfoque de la radiometría relativa primaria descrita en el MeP-K-19, utilizando puntos fijos de alta temperatura (HTFPs) con temperaturas termodinámicas asignadas. Este enfoque puede proporcionar mejores incertidumbres (principalmente a altas temperaturas) y puede aplicarse para establecer un vínculo directo con el kelvin redefinido, utilizando puntos fijos de altas temperaturas conocidas.  

Para ello, durante el proyecto se desarrollaron una serie de HTFPs que cubrían un gran margen de temperaturas por encima de la temperatura de solidificación del cobre, el actual punto fijo más alto de la EIT-90. Estos nuevos puntos fijos debían complementar a los actuales puntos fijos de alta temperatura Co-C (1324 °C), Pt-C (1738 °C) y Re-C (2474 °C), en temperaturas intermedias y ampliar el rango de temperaturas hasta 2745 °C. El CEM participó en esta tarea del proyecto y, más concretamente, se encargó de la construcción de HTFPs de Fe-C (1162,8 °C) y Pd-C (1492 °C) [3]. 

En total se construyeron en el CEM 4 células de Fe-C (tres de 3 mm de apertura y una de 6 mm para tareas de diseminación, ver último apartado de esta sección) y 4 de Pd-C de 3 mm de apertura (ver Figura 1). Se midió la calidad de sus mesetas de fusión y de solidificación, su reproducibilidad y el efecto del horno (0,09 °C y 0,15 °C como valores máximos para Fe-C y Pd-C, respectivamente [3]. Una de las células de Fe-C fabricadas en el CEM fue seleccionada para la asignación de temperaturas termodinámicas del proyecto. 

El CEM participó además en la comparación de todas las células de Pd-C fabricadas en el proyecto por los Institutos Nacionales de Metrología de China (NIM), Japón (NMIJ) y el propio CEM, para su selección inicial y para la comprobación de su estabilidad tras las medidas de asignación de valores de temperatura termodinámica realizadas durante el proyecto (ver siguiente apartado de esta sección) [4]. El sistema de medida se muestra en la Figura 2, con medidas diarias de los puntos fijos de Pd-C y el punto fijo del Cu de referencia del CEM. 

Medida de las temperaturas termodinámicas de HTFPs 

Una vez fabricadas y seleccionadas las células de HTFPs de Fe-C, Pd-C, Ru-C y WC-C, se realizó una medida de las temperaturas termodinámicas de dichos puntos fijos por los participantes y colaboradores del proyecto [4]. En concreto, se realizaron dos lazos de comparación: CEM, PTB (Alemania), LNE-CNAM (Francia) y NPL (Reino Unido); y UME (Turquía) y NIM (China). 

Las medidas de temperatura termodinámica de las células de HTFPs en el CEM se realizaron con un termómetro de radiación patrón KE LP4, con un filtro interferencial de longitud de onda central 650 nm. El LP4 se puede utilizar de dos formas para medir temperatura termodinámica: 

• Conociendo su respuesta espectral absoluta, como se explica en [5] (termometría radiométrica primaria absoluta) 
• Con referencia al punto fijo del Cu del CEM, con T = (1357,78 ± 0,21) K previamente asignada (k = 2) (termometría radiométrica primaria relativa) 

Para este proyecto se usó la segunda opción. Las células de Ru-C, Pd-C y Fe-C se instalaron en un horno IR-R80 CHINO y las células WC-C se instalaron en un horno de alta temperatura Ultratherm BB3200M. 

Los resultados obtenidos por el CEM se encuentran publicados en [4] y son compatibles con el resto de las medidas de los otros Institutos Nacionales de Metrología (INMs). Las incertidumbres aportadas por el CEM en la medida de la temperatura termodinámica también están en la línea del resto de INMs (0,23 °C; 0,34 °C; 0,54 °C y 1,01 °C para Fe-C, Pd-C, Ru-C y WC-C, respectivamente, k = 2) Los valores finales obtenidos han sido comunicados en 2024 al Comité Consultivo de Temperatura (CCT) del Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) para que sean añadidos a la MeP-K, a alta temperatura. 

Diseminación de la temperatura termodinámica  

En este proyecto no solo era importante la asignación de temperaturas termodinámicas (T) a HTFPs, sino que se dio un paso más y se hicieron varias tentativas de diseminación de la temperatura termodinámica en el siguiente paso de la cadena de trazabilidad: a INMs sin capacidad de medida de T, a laboratorios acreditados y a la industria [6]  

El CEM diseminó al laboratorio acreditado español SGS la medida de la temperatura termodinámica a 1100 °C utilizando un punto fijo de Fe-C de 6 mm de apertura diseñado específicamente para esta actividad.  La apertura tenía que ser lo suficientemente grande para poder utilizar los termómetros de radiación patrón de los que disponía SGS. En la figura 3 se puede ver una foto del montaje en SGS. 

SGS es un laboratorio de temperatura acreditado cuyo alcance incluye la calibración de termómetros de radiación de infrarrojo desde -30 °C a 1550 °C. SGS declara una incertidumbre expandida a la temperatura del Fe-C (1153 °C) de 4,3 °C.  Por encima de 800 °C el laboratorio dispone de un horno LAND Instruments de tres zonas como fuente de radiación térmica y un termómetro de radiación de infrarrojo patrón MIKRON M190 con una resolución de 0,1 °C y una incertidumbre expandida de 2,5 °C, desde 1000 °C a 1600 °C. 

El CEM, junto con la célula de Fe-C, proporcionó un tubo de cuarzo, una serie de aisladores de grafito y cerámica alojados en el interior del tubo y un sistema de purga de Ar (Figura 3). El tubo de cuarzo se instaló dentro de la cavidad del cuerpo negro del horno de tres zonas de SGS. 

Las medidas y los resultados obtenidos están publicados en [6]. El resultado de la temperatura de la célula obtenido en SGS es de 1153,86 °C ± 0,47 °C, el cual está de acuerdo con el valor reportado de temperatura termodinámica del Fe-C [4]. En cuanto a la mejora en la incertidumbre de medida con el termómetro de radiación patrón de SGS, ésta resultó ser 5 veces inferior a la obtenida en la calibración según EIT-90. 

Conclusiones  

En este artículo se han presentado las principales contribuciones del CEM al proyecto europeo “Realizing the new kelvin (Real-K)” (2019-2023), financiado por el programa europeo de investigación en metrología (EMPIR).  

Se han aportado medidas a la comunidad científica internacional en los siguientes puntos: 

• Nuevo valor de no unicidad tipo 3 de la EIT-90 en el rango desde – 40 °C a 80 °C 

• Fabricación de células de Pd-C y de Fe-C de alta calidad  

• Medidas de temperatura termodinámica para asignación de valores en la MeP-K de los puntos fijos de Fe-C, Pd-C, Ru-C y WC-C 

• Diseminación de la temperatura termodinámica a 1150 °C 

Agradecimientos 

El proyecto 18SIB02 Real-K “Realizing the redefined kelvin” ha recibido fondos del programa EMPIR cofinanciado por los Estado participantes y por el programa de investigación e innovación de la Unión Europea Horizonte 2020. 

Bibliografía 

[1] Resumen del proyecto Real-K https://real-k.aalto.fi/wp-content/uploads/2023/08/Publishable_Summary_SIB02_Real_K_ACCEPTED.pdf  

[2] R. Veltcheva, C. Garcia-Izquierdo, R. Rusby, J. Pearce, E. Gomez, A. Kowal. ”Investigations of Type 3 non-uniqueness in standard platinum resistance thermometers between 83 K and 353 K”. Measurement 216 (2023) 112863. 

[3] M. J. Martin, J. M. Mantilla, C- García-Izquierdo, D. del Campo. “Construction, characterization and Measurement of Fe-C and Pd-C HTFPs at CEM” Int. J. of Thermophys. 43-57 (2022)   

[4] M. Sadli, F. Bourson, D. Lowe, K. Anhalt, D. Taubert, M. J. Martin, J. M. Mantilla, F. Girard, M. Florio, C. Gozonunde, H. Nasibli, L Knazovicka, N. Sasajima, X. Lu, O. Kozlova, S. Briaudeau, G. Machin. “Realizing the redefined kelvin: thermodynamic temperatures of Fe-C, Pd-C, Ru-C and WC-C for the mise-en-practique of the kelvin up to 3020 K”. ITS10 Conference paper (2023). 

[5] M. J. Martin, J. M. Mantilla, D. del Campo, M. L. Herranz, A. Pons y J. Campos “Performance of different light sources for the absolute calibration of radiation thermometers” Int J Thermophys 38, 138 (2017). 

[6] K. Anhalt, M. J. Martin, J. M. Mantilla, H. Nasibli, M. Korkmaz, L Knazovicka, M. Kralova, M. Sadli, F. Bourson, C. Larriba-Sanchez, G. Machin. “Dissemination of thermodynamic temperature using Fe-C and Pd-C high temperature fixed point cells” Research square. https://www.researchsquare.com/article/rs-3167974/v1