Westons Normalelement – ​​Spannungsstandard und Spannungsreferenz in der Metrologie

Der wichtigste und einzige Typ Beispiele für EMF-Messungen Derzeit handelt es sich um normale Elemente, gesättigt und ungesättigt (sogenanntes Cadmium).

Die häufigsten „normalen“ Artikel sind:

• Westons Quecksilber-Cadmium-Element;

• Quecksilber-Zink-Amalgam-Clark-Element;

• Rutin Zink normales Element.

Das erste normal gesättigte Element wurde vom amerikanischen Chemiker Edward Weston (1850 – 1936) geschaffen. 1908 wurden diese Elemente für messtechnische Zwecke übernommen.

Eine normale gesättigte Zelle besteht aus einer H-förmigen Glashülle, die im Inneren mit bestimmten Substanzen gefüllt ist, an den oberen Enden versiegelt ist und an der Unterseite jeder ihrer Zweigelektroden Platindrähte angelötet hat.

Diagramm normaler Elemente von Edward Weston

Der „positive“ Zweig, der in seinem unteren Teil zwei Einschnürungen aufweist, hat folgende Füllung: 1 – Quecksilber (bis zur ersten Einschnürung); 2 – depolarisierende Paste, bestehend aus einer Mischung zerkleinerter Kristalle von Cadmiumsulfat CdSO4 8/332O und Quecksilbersulfat Hg2SC4; 3 – Kristalle von Cadmiumsulfat.

Der „negative“ Zweig hat eine Füllung: 4 – Cadmiumamalgam (12 % Cadmium, 88 % Quecksilber) und 3‘ – Kristalle von Cadmiumsulfat, wie im positiven Zweig.

Die mittleren Teile der beiden Zweige sind mit einer gesättigten wässrigen Lösung von Cadmiumsulfat - 5 gefüllt.

Die in den unteren Teilen der beiden Zweige des Behälters angebrachten Verengungen dienen dazu, die Vermischung der Bestandteile der Füllung des Elements im Falle seiner Erschütterung zu verhindern.

Unter strikter Einhaltung der etablierten Produktionstechnologie ist es möglich, normale (gesättigte) Elemente mit einem hohen Maß an Gleichmäßigkeit hinsichtlich ihrer Messeigenschaften zu erhalten.

Die EMF-Werte normaler Weston-Elemente liegen in sehr engen Grenzen – von etwa 1,0185 V bis 1,0187 V bei einer Elementtemperatur von + 20 ° C, d. h. die Diskrepanz in der EMF einzelner Elemente überschreitet 200 μV nicht.

Eine sehr wichtige Eigenschaft normaler Weston-Zellen ist die hohe Stabilität des EMF-Wertes jeder einzelnen Zelle unter ordnungsgemäßen Lagerungs- und Verwendungsbedingungen. Der EMF-Wert eines normalen Elements kann mit einer Genauigkeit von einigen zehn Mikrovolt über viele Jahre hinweg unverändert bleiben.

Der EMF-Wert eines normalen Elements ist recht hoch, hängt aber natürlich von der Temperatur ab.

Normale gesättigte Elemente haben einen Innenwiderstand von 500 – 1000 Ohm und sollten unter keinen Umständen mit einem Strom von mehr als 1 μA belastet werden, da sonst der Wert ihrer EMK instabil werden kann.

Es ist beispielsweise unmöglich, die EMF eines normalen Elements mit einem Voltmeter zu messen, da dieses einen Innenwiderstand von mindestens einigen Megaohm haben müsste. Wenn Sie ein Voltmeter mit einem niedrigeren Widerstand anschließen, fällt das normale Element aus.

Ungesättigte normale Elemente unterscheiden sich in ihrer Struktur von gesättigten Elementen hauptsächlich dadurch, dass bei Temperaturen über + 4 ° C die Cadmiumsulfatlösung in ihnen ungesättigt ist und keine freien Kristalle vorhanden sind.

Da die ungesättigten Elemente hauptsächlich für tragbare Messgeräte bestimmt sind, werden außerdem dünne Korken in das Innere der Glaskästen in der Nähe der Oberflächen des Cadmiumamalgams in einem Zweig und der depolarisierenden Paste im anderen Zweig eingeführt. Aufgrund ihrer Porosität behindern diese Stopfen die elektrolytischen Prozesse in der Zelle nicht und verhindern gleichzeitig die Vermischung der Zellbestandteile, auch wenn die Zelle umgedreht wird.

Ungesättigte Elemente unterscheiden sich von gesättigten Elementen durch ihre Messeigenschaften:

• deutlich geringere Temperaturabhängigkeit der EMF, nur 2 – 3 μV pro 1 °C, d.h. 15-20-mal weniger als gesättigte Elemente, was ihr Hauptvorteil ist;

• etwas höherer EMF-Wert: 1,0185 – 1,0195 V bei 20 °C und geringerem Innenwiderstand;

• viel geringere EMF-Stabilität, insbesondere unter den Bedingungen ihrer regelmäßigen Nutzung;

• höhere zulässige Strombelastung – bis zu 10 μA – aufgrund der geringeren Anforderungen an die Genauigkeit der Wiedergabe des EMF-Wertes.

Laut GOST werden gesättigte Elemente in zwei Klassen produziert – I und II, ungesättigte Elemente werden als Elemente der Klasse III produziert.

Elemente der Klasse I sollten in perforierten Metallgehäusen eingeschlossen sein und in mit trockenem Transformatoröl gefüllte Bäder eingetaucht werden, um die Temperatur der Elementzweige auszugleichen.

Gegenstände der Klasse II müssen in Holz- oder Kunststoffgehäusen eingeschlossen sein und die Messung der Temperatur im Inneren des Gehäuses mit einem Thermometer ermöglichen.

Ungesättigte Elemente der Klasse III müssen in speziell geformten Kunststoff- oder Metallgehäusen mit einer speziellen Anordnung von Klemmschrauben eingeschlossen sein, die für die Befestigung dieser Elemente in tragbaren oder stationären Messgeräten und Instrumenten geeignet sind.

Zusätzlich zu den oben genannten Vorsichtsmaßnahmen, die bei der Verwendung normaler Elemente der Klassen I und II erforderlich sind, müssen eine Reihe weiterer Bedingungen beachtet werden; Bewegen Sie sie nicht von Ort zu Ort, setzen Sie sie keinen Stößen aus, rollen Sie sie nicht um, verwenden Sie sie nicht früher als einige Tage nach dem Transport oder nach plötzlichen Temperaturschwankungen.

Während des Betriebs müssen Weston-Normalelemente besonders vor ungleichmäßiger Erwärmung oder Abkühlung ihrer Zweige geschützt werden – unter dem Einfluss von Sonnenlicht, in der Nähe von Heizkörpern oder im Winter kalten Fenstern.