Normál Weston cella , higany-kadmium cella - galvánelem , amelynek EMF -je nagyon stabil az idő múlásával, és esetről esetre reprodukálható. Referencia feszültségforrásként (ION) vagy feszültségszabványként használják a metrológiában állandó feszültségek reprodukálásakor és mérésekor .
Megjegyzendő, hogy a "normál" elemek a Weston elemen kívül még tartalmaznak
Ezek azonban észrevehetően kevésbé stabilak.
Edward Weston javasolta 1892 - ben . Hivatalosan metrológiai célokra 1908-ban fogadták el. Az 1970-es évekig, amikor megjelentek a Josephson-effektuson alapuló kvantumfeszültség-szabványok , az elemek képezték a nemzeti volt-szabványok alapját (más fizikai hatásokkal szembeni időszakos ellenőrzéssel), és széles körben alkalmazták a laboratóriumi és ipari gyakorlatban is a pontos mérésekhez. Az 1970-es évek óta aktívan kiszorították őket a félvezető eszközökön alapuló feszültség-referenciaforrások, amelyek egyre pontosabbak lettek. 2000-re ez a folyamat majdnem befejeződött; a normál elemek (a régi készülékek kivételével) célszerű felhasználásának területe leszűkült, kizárólag a hazai és nemzetközi Volta szabványok részeként történő felhasználásra, illetve egyéb olyan esetekre, amikor stacionárius körülmények között rendkívül alacsony, rövid távú feszültségeltolódás szükséges.
A pontos mérésekhez a kényelem érdekében a ppm (parts per million) mértékegységet használják - egy milliomod, ppm. 1 ppm = 0,0001%.
A termosztált telített elemek garantált időbeli stabilitása eléri a 2 ppm-et évente (0,5 ppm, figyelembe véve a szisztematikus sodródást), a telítetleneké pedig a 40 ppm-et évente. A termosztatikusan szabályozott telített cellák egy csoportjának átlagos feszültsége esetén a stabilitás eléri a 0,1 ppm-et évente. Jó temperált elemek csoportjának standard eltérése (RMS) (a feszültségnek az átlagtól való gyökér-négyzetes eltérése, rövid időközönként - perctől napig mérve, a kiszámítható szisztematikus sodródás figyelembevétele nélkül; rövid távú instabilitást jellemez) 8 óra alatt eléri a 0,005 ppm-et, hét közben pedig a 0,02 ppm-et.
A legközelebbi versenytárs a félvezető eszközökön alapuló referencia feszültségforrások (szilárdtest feszültségmérés), amelyek közül a legpontosabbak rejtett szerkezetű, hőmérséklet-vezérelt zener-diódák . A mechanikai igénybevétellel szembeni ellenállás szempontjából kedvezően viszonyulnak a normál elemekhez; 2000-re garantált éves stabilitásuk elérte az évi 2 ppm-et (0,5 ppm szisztematikus sodródással) és 0,5 ppm-et 30 nap alatt (1980-ban az adatok körülbelül 10-szer rosszabbak voltak). A normál elemek előnye velük szemben a nagy rövid távú (rövid periódusú) stabilitás: szilárd méréseknél, több mértékcsoport stresszének átlagolásakor is csak 0,1 ppm (pár perc alatt 0,02 ppm) az elért RMS. amiatt, hogy a megahertztől (ami nem olyan fontos) a hertz ezredrészéig zajosak (és ezeket a frekvenciákat rendkívül nehéz kiszűrni).
Pozitív elektród - higany (2) higany-szulfát (I) Hg 2 SO 4 (3) és kadmium-szulfát-hidrát CdSO 4 * 8 / 3H 2 O (4) kristálypasztáival érintkezve . Az ún. telítetlen NE kadmium-szulfát-hidrát (4) hiányzik.
Negatív elektród - 8 ... 12,5% amalgám (higanyoldat) kadmium (1) érintkezésbe kerül egy kadmium-szulfát-hidrát kristálypasztával CdSO 4 * 8 / 3H 2 O (4) . A telítetlen elemekben a kadmium-szulfát-hidrát (4) szintén hiányzik.
Elektrolit (5) - kadmium-szulfát CdSO 4 oldata , leggyakrabban kis (általában normál 0,03 ... 0,08) kénsav hozzáadásával, hogy megakadályozza a higany-szulfát hidrolízisét, csökkenti oldhatóságát és csökkenti az üveg oldódási sebességét. semleges" és "savas" elemek).
Minden felhasznált anyag nagy tisztaságú, ami elengedhetetlen az elemek magas stabilitásának eléréséhez.
Áramképző reakció: Cd + Hg 2 2+ <—> Cd 2+ + 2Hg.
Az elemek EMF jó reprodukálhatósága és stabilitása a rendszer fázisösszetételének egyértelműségéből és a másodlagos vagy mellékreakciók hiányából adódik. A kadmium-amalgám kétfázisú rendszer: 4,5% (20 °C-on) folyékony amalgám és 14% szilárd amalgám keveréke. Az elemek tárolása során a higany-szulfát alacsony oldhatósága miatt a higanyionok a pozitív elektródáról a negatív elektródára diffundálnak, és az amalgámon érintkezik a higany; bár ebben az esetben a kadmium és a higany aránya változik, nem a két amalgámfázis összetétele, hanem csak mennyiségük aránya változik, így ez a folyamat nagyon hosszú ideig (amíg a szilárd amalgám el nem készül) szinte nincs hatással az elemek EMF-ére.
A normál cellák klasszikus kialakítása az üvegcsövek H betűje, amelyek elektrolittal vannak összekötve és feltöltve úgy, hogy a levegő szintje a központi jumper felett legyen. Hermetikusan lezárva. A két alsó ponton elektródák helyezkednek el, a kifelé vezető áramok a szerkezet aljába forrasztott platinahuzalok. A rézlemez formájú hőpajzs kiegyenlíti az elektródák hőmérsékletét, ami növeli a cella stabilitását. A teljes szerkezetet egy házba helyezik (nagy pontosságú elemekhez - egy lyukkal a hőmérő számára), amely szigeteli az egész szerkezetet a hőmérséklet-változás sebességének csökkentése érdekében.
Vannak telített és telítetlen elemek (az elektrolit koncentrációjától függően).
A telített cella olyan normál cella, amelyben az elektrolit telített (vagyis amelyben a kadmium-szulfát működési hőmérsékleten már nem oldódik; ez teszi fel nem oldódó hidrátjának jelenlétét az elektródák pasztaszerű komponenseiben) kadmium-szulfát. Egy telítetlen elem 4 °C-on telített kadmium-szulfát oldatot tartalmaz; A kadmium-szulfát oldhatósága 3 °C felett a hőmérséklet emelkedésével növekszik, így hidrátjának szilárd formában való megléte telítetlen elemben az üzemi hőmérsékleti tartományban lehetetlen.
Ez határozza meg fő előnyüket és hátrányukat egymással szemben, mivel az elemek EMF-je elsősorban az elektrolit koncentrációjától függ. Egyrészt, mivel egy telített cellában az elektrolitkoncentrációt a feleslegben vett kadmium-szulfát oldhatósága határozza meg, miközben állandó hőmérsékletet tartanak fenn, a kadmium-szulfát koncentrációja, amely bármilyen ok miatt megváltozott (pl. az áram áramlása a cellán) automatikusan helyreáll a „puffer” kadmium-szulfát feloldódása vagy ülepedése miatt, ellentétben egy telítetlen elemmel, amely áramfolyáskor „tölt” és „kisül”, megváltoztatja az EMF-jét, és még tárolás során némileg megváltozik az elektrolitkoncentráció benne. Ez a telített elem EMF-jének sokkal nagyobb időbeli stabilitását okozza. De ez a telített elem fő hátrányához is vezet - az EMF sokkal nagyobb függése a hőmérséklettől; vagy szigorúan figyelembe kell venni, vagy a telített elemet termosztálni kell, míg a telítetlen elemnél ez a legtöbb esetben nem igényli. Ebben a tekintetben a telített elemeket elsősorban laboratóriumi körülmények között, míg a telítetlen elemeket ipari és hordozható mérőműszerekben használják.
A telített elemek 0,005, 0,002, 0,001, 0,0005 és 0,0002 pontossági osztályokban kaphatók a kereskedelemben (a megengedett alapvető relatív hiba határértékével, százalékban kifejezve). A telített elemek egy évre szóló garantált stabilitása megegyezik az osztályukkal. Az EMF fokozott hőmérséklet-függése miatt a telített elemeket hőmérőkkel (0,005 osztályú elemek - 0,2 ° C pontossággal) vagy termosztált (például a 0,0002 osztályú elemek hőmérsékletét 0,01 pontossággal tartják fenn) hőmérőkkel látják el. °C).
Elméletileg egy telített elem EMF-je 20 °C-on E(20 °C) = 1,018636 V - 6⋅10 -4 * N - 5⋅10 -5 * N 2 , ahol N a kénsav normalitása elektrolit (néha előforduló 1,018300 V, amely az elavult "nemzetközi" voltnak felel meg); ennek és az anyagok tisztaságának egyéb gyártási eltérései miatt a GOST 1954-82 szerinti használatra alkalmas valódi telített elemek E (20 °C) 1,018540 ... 1,018730 V tartományban vannak működés közben és 1,018590 ... 1,018700 A gyártásból való kiadáskor. A konkrét érték az NE jelen példányának kiállítását vagy annak a mérésügyi hatóságoknál történő időszakos hitelesítését követően kerül feltüntetésre a tanúsítványban vagy bizonyítványban.
Egy telített elem EMF-jének függése a T hőmérséklettől (a GOST szerinti pontossággal nem rosszabb, mint 2 μV/°C eltérés a 20…40°C tartományban, és nem rosszabb, mint 3 μV/°C a tartományban 10…20 °C) a következő képlettel fejezzük ki:
E(T) \u003d E (20 °C) - 4,06⋅10 -5 * ∆T - 9,5⋅10 -7 * ∆T 2 + 10 -8 * ∆T 3 ,
ahol ∆T = T - 20 °C.
A telítetlen elemeket 0,02 (a Szovjetunióban 1990 előtt), 0,01, 0,005 és 0,002 pontossági osztályban állítják elő. A telítetlen elemek egy évre garantált stabilitása az osztály kétszeresével egyenlő, mivel a tanúsítványuk/tanúsítványuk nem a mért EMF-et rögzíti, hanem a pontossági osztály szerint annál kisebb értéket, mivel ezek az elemek csak idővel csökkentik az EMF-et. . A GOST 1954-1982 korai verzióinak hatására ez más volt: az év stabilitása megegyezett az osztállyal, és a mért EMF szerepel a tanúsítványban; ezért például az új ME4700 0.01 osztályú elem közvetlenül helyettesíti a régi E-303 0.02 osztályt.
Elméletileg egy telítetlen cella EMF-je 20 °C-on E(20 °C) = 1,01899 V (ennek az EMF-nek megfelelő elektrolitkoncentráció mellett a cella EMF-je nem változik a 25 °C-hoz közeli hőmérséklettel), de a gyártási eltérések és a tartalékképzés szükségessége miatt A GOST szerinti felhasználásra alkalmas valós telítetlen elemek öregedő emfje üzem közben 1,018800…1,019600 V, gyártás közben 1,019000…1,019600 V tartományban E(20 °C). A konkrét érték az elem tanúsítványában vagy tanúsítványában van feltüntetve.
A telítetlen elem EMF-jének átlagos hőmérsékleti együtthatója (átlagosan a teljes hőmérsékleti tartományban) a GOST szerint nem rosszabb, mint 5 μV / ° C a 10 ... 40 ° C tartományban, és nem rosszabb, mint 10 μV / ° C 5 ... 10 ° C és 40 ... 50 ° C tartományban . A telítetlen elemek EMF hőmérséklettől való függésének pontos leírását ritkán készítik, mivel az öregedés és az E (20 ° C) változása következtében alakja megváltozik. 0,5 µV/°C pontossággal, 20 °C-tól 15–45 °C hőmérséklet-tartományban eltéréssel a következő képlettel fejezzük ki:
E(T) = E(20°C) + [ 1,7⋅10 −6 - 5,6⋅10 −3 * (E(20°C) - 1,0188) ] * ∆T - 1,2⋅ 10 −7 * ∆T 2 + 6,8⋅10 −9 * ∆T 3 ,
ahol ∆T = T - 20 °C.
A normál elemeknek észrevehető belső ellenállása van - jellemzően 100 és 3000 ohm között, ami eltér a feszültségüktől az EMF-től, amikor áram folyik. Ezen túlmenően, ha néhány percen belül néhány mikroamperes (µA) áram folyik, az NE teljesen vagy hosszú ideig (percektől hetekig) meghibásodik. Ezért elfogadhatatlan a normál elemen áthaladó folyamatos áram, amely meghaladja a μA töredékeit.
A normál elemet használó kalibrált feszültségforrás (például potenciométer részeként) tipikus felépítése ezért nem az elem feszültségének energiaforrásként való felhasználását írja elő a kimeneti feszültséghez, hanem egy további viszonylag nagy teljesítményű, de nem olyan stabil szabályozott feszültségforrás (VVR), amelyek periodikusan vagy folyamatosan (automatikusan) igazodnak egy normál elem feszültségéhez az ellentétes csatlakozású normál elem feszültségének és az úgynevezett IRN-nek a mérésével. null szerv - egy voltmérő, amely lehetővé teszi a kiegyenlítés pillanatának meghatározását (egy normál elem és az IRN feszültségének egyenlősége, amelynél a különbség feszültsége nulla).
A normál elem mechanikai és hőállósága is alacsony. A remegés és a vibráció befolyásolhatja a cella EMF-jét (de általában reverzibilisen; emiatt javasolt a normál cella szállítása után órákig-hetekig állni hagyni, a szükséges pontosságtól függően). A hőmérsékletváltozások a normál elemeket is érintik, és miután a hőmérséklet visszatér a kiindulási pontra, az EMF sem áll vissza azonnal. Egy klasszikus kialakítású normál elem megfordítása és akár 30°-nál nagyobb megdöntése lehetetlen, mivel ebben az esetben az elem visszafordíthatatlanul használhatatlanná válhat a különböző elektródák összetevőinek egymással való keveredése miatt. Sok telítetlen elemnek azonban van egy ún. tömített szerkezet, amelyben ezt a porózus válaszfalak gyakorlatilag megakadályozzák; az ilyen elemek károsodás nélkül képesek ellenállni a mérsékelt mechanikai igénybevételeknek.
Mint már említettük, a telített elemek stabilabbak, mint a telítetlenek. A jó minőségű, hőmérséklet-szabályozott telített elemek EMF-je gyakran évtizedekig több mikrovoltos tartományban marad. A telítetlen elemek EMF-je használat nélkül is csökken, jellemzően 75 ... 85 μV / év a régieknél és 20 ... 40 μV / év a moderneknél, javított válaszfalakkal az elektródák között, 25 ° C-on; ahogy öregszenek, a folyamat felgyorsul, és 10 ... 20 év után használhatatlanná válnak. Az elemek öregedési sebessége megduplázódik, ha a hőmérséklet 12 °C-kal emelkedik. A kis cellák, ha egyéb tényezők megegyeznek, kevésbé stabilak, mivel az anyagkoncentráció nagyobb változást mutat az áram áramlása miatt, és mert a higanyionok diffúziója a negatív elektród felé rövidebb úton gyorsabb.
Jelentős mennyiségű (tíz gramm) mérgező higany és kadmium (és vegyületeik) jelenléte miatt a normál sejtek kezelése veszélyes, nem javítható, meghibásodás esetén a termékekre előírt módon kell ártalmatlanítani. amelyek ezeket a fémeket tartalmazzák.
| Referencia feszültségforrások | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Diszkrét | Integrál | |||||||||
| Weston elem | Higany-cink elem | Gáztöltésű zener dióda | Stabistor | zener dióda | Rejtett szerkezetű zener diódákon | Bandgap | A térhatású tranzisztorok differenciálpárjain (XFET) | Lebegőkapu tranzisztor (FGA) | ||
| izzó kisülés | koronakisülés | Következetes | Párhuzamos | |||||||