2. Меры электрических величин

2.1. Меры эдс на основе нормальных элементов

Название нормального элемента (НЭ) происходит от немецкого Normal – эталон, стандарт. Полное его наименование – кадмиевый насыщенный (или ненасыщенный) нормальный элемент Вестона – сегодня практически не употребляется.

Впервые кадмиевый нормальный элемент с кадмием в качестве отрицательного электрода и раствором серно-кислого кадмия в качестве электролита приготовил и применил Эдвард Вестон в 1892 г. В 1908 г. международная конференция по электрическим единицам и эталонам рекомендовала его в качестве эталона международного вольта. Вскоре применение нормального элемента Вестона приобретает международный характер и официально признается правительственными актами различных государств. В таком виде с небольшими изменениями НЭ дошли до наших дней.

Длительное время, вплоть до 1980-х годов, нормальные элементы применялись в качестве исходных эталонов и являлись основой измерений постоянного напряжения. С внедрением в метрологическую практику эталонов Вольта на основе квантового эффекта Джозефсона в ряде стран мира, в том числе и в нашей стране, НЭ утратили роль первичного эталона, но благодаря своим достоинствам продолжают выполнять функции вторичных и рабочих эталонов, а также высокоточных рабочих средств измерений.

Нормальные элементы являются обратимыми гальваническими элементами, состоящими из ряда разнородных соприкасающихся веществ, которые на границах однородности вызывают обмен и образование ионов. Обмен ионами вызывает в гальваническом элементе появление электродвижущей силы (ЭДС). Гальванический элемент называют обратимым, если направление происходящих в нем процессов может быть изменено приложением бесконечно малой силы.

Устройство нормального элемента показано на рис. 2.1. НЭ состоит из запаянного стеклянного сосуда Н-образной формы, в нижней части ветвей которого впаяны платиновые проволочки. Положительным электродом является ртуть, поверх которой расположен слой пасты, состоящей из смеси сернокислой закиси ртути Hg₂SO₄ с кристаллами сернокислого кадмия CdSO₄. Отрицательным электродом является амальгама кадмия. В качестве электролита использован насыщенный раствор сернокислого кадмия CdSO₄+8/3H₂O. Для поддержания насыщения раствора в обоих электродах поверх них помещены кристаллы сернокислого кадмия. В состав НЭ могут также входить добавки, улучшающие некоторые его свойства.

Рис. 2.1.

Кристаллы сернокислого кадмия обладают свойством слегка спаиваться между собой и образовывать корку, предохраняющую ртуть, пасту и амальгаму кадмия от перемещения при случайных наклонах и встряхиваниях сосуда.

Сосуд нормального элемента заключается в футляр с хорошо изолированными зажимами, к которым внутри футляра подсоединяются проводники от электродов.

НЭ такого устройства при тщательном изготовлении с применением химически чистых веществ имеет ЭДС около 1,0186…В, остающуюся с высокой точностью почти неизменной в течение десятков лет.

Если электролит в виде раствора сернокислого кадмия находится в ненасыщенном состоянии, то такой нормальный элемент называется ненасыщенным. Ненасыщенные НЭ обладают несколько худшими характеристиками стабильности значения ЭДС и срока службы по сравнению с насыщенными.

На нормальные элементы распространяется межгосударственный стандарт ГОСТ 1954-82 "Меры электродвижущей силы. Элементы нормальные. Общие технические условия", согласно которому изготавливают меры ЭДС на основе нормальных элементов классов точности от 0,02 до 0,0002.

Нормальные элементы обладают высокой долговременной стабильностью значения ЭДС, характеризующейся отклонением ЭДС за год не более 2 мкВ у НЭ класса точности 0,0002, а у лучших экземпляров – менее 1 мкВ/год, что определяет их применение в качестве вторичных и рабочих эталонов высоких разрядов. В верхних звеньях поверочной схемы для единицы ЭДС и постоянного напряжения – Вольта – в качестве мер ЭДС на основе насыщенных НЭ используют групповые меры, состоящие из 4-10 нормальных элементов, помещенных в один термостат. Среднее значение ЭДС такой меры имеет еще более стабильное значение, чем у одиночного НЭ.

Наряду с достоинством НЭ имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их более широкое применение. К их числу относятся:

• высокое значение температурного коэффициента ЭДС, составляющего от 40 до 55 мкВ/^оС в диапазоне температур от 20 до 30^оС у насыщенных НЭ и 5 мкВ/^оС у ненасыщенных. По этой причине НЭ высоких классов точности помещают в термостат с хорошо известным и стабильным значением температуры;

• высокое значение внутреннего сопротивления, находящееся в диапазоне от 300 до 1000 Ом и определяющее малые значения допустимых для меры ЭДС токов нагрузки (не более 2.10^-8 -2.10^-10А в зависимости от класса точности). По этой причине изоляция меры ЭДС должна иметь значение сопротивления не хуже 1.10⁹ – 1.10¹¹Ом, и поэтому меру ЭДС на практике используют только при дифференциальном или компенсационном методе измерений. И именно по этой причине меры на основе нормальных элементов называют мерами ЭДС (т.е. работающими практически при отсутствии тока нагрузки);

• НЭ "не любят" тряску, их нельзя переворачивать или наклонять. Поэтому их используют в стационарных условиях без частых перемещений, а после транспортировки, например, в поверку их до начала эксплуатации следует выдержать в стационарных условия длительный промежуток времени (до 10 суток);

• НЭ содержат ртуть, поэтому их производство относится к категории вредных, и это накладывает ряд ограничений при их использовании, так, например, в самолет с перевозимыми НЭ сопровождающего не пропустят.

Несмотря на столь внушительный перечень недостатков меры ЭДС на основе нормальных элементов находят применение при самых ответственных измерениях в качестве опорного источника электродвижущей силы в компараторах, измерительных мостах, для передачи размера единицы ЭДС элементам других поверочных схем (переменного напряжения, переменного тока и т.д.).