Celulă Weston normală , celulă cu mercur-cadmiu - celulă galvanică , a cărei EMF este foarte stabilă în timp și reproductibilă de la un exemplu la altul. Este folosit ca sursă de tensiune de referință (ION) sau ca standard de tensiune în metrologie la reproducerea și măsurarea tensiunilor constante .
Trebuie remarcat faptul că elementele „normale”, pe lângă elementul Weston, includ și
Ele sunt, totuși, vizibil mai puțin stabile.
Propus în 1892 de Edward Weston . Adoptat oficial în scopuri metrologice în 1908. Până în anii 1970, când au apărut standardele cuantice de tensiune bazate pe efectul Josephson , elementele au stat la baza standardelor naționale de volți (cu verificare periodică față de alte efecte fizice) și au fost, de asemenea, utilizate pe scară largă în practica de laborator și industrială pentru măsurători precise. Începând cu anii 1970, acestea au fost înlocuite în mod activ de surse de referință de tensiune bazate pe dispozitive semiconductoare, care au devenit din ce în ce mai precise. Până în 2000, acest proces era aproape complet; domeniul de utilizare utilă a elementelor normale (cu excepția dispozitivelor vechi) s-a restrâns exclusiv pentru a fi utilizate ca parte a standardelor naționale și internaționale Volta și în alte cazuri când este necesară o deriva de tensiune pe termen scurt extrem de scăzută în condiții staționare.
Pentru măsurători precise, pentru comoditate, este utilizată unitatea ppm (părți pe milion) - o milioneme, ppm. 1 ppm = 0,0001%.
Stabilitatea temporală garantată a elementelor saturate termostatate ajunge la 2 ppm pe an (0,5 ppm ținând cont de deriva sistematică), iar elementele nesaturate - 40 ppm pe an. Pentru tensiunea medie a unui grup de celule saturate controlate termostatic, stabilitatea ajunge la 0,1 ppm pe an. Abaterea standard (RMS) (abaterile rădăcină-medie-pătrată a tensiunii de la medie, măsurate la intervale scurte - de la minute la zile, fără a ține cont de deriva sistematică previzibilă; caracterizează instabilitatea pe termen scurt) a unui grup de elemente bine temperate atinge 0,005 ppm în 8 ore și 0,02 ppm în timpul săptămânii.
Cel mai apropiat concurent sunt sursele de tensiune de referință bazate pe dispozitive semiconductoare (măsuri de tensiune în stare solidă), dintre care cele mai precise se bazează pe diode Zener controlate la temperatură cu o structură ascunsă . Se compară favorabil cu elementele normale în ceea ce privește rezistența la stres mecanic; până în 2000, stabilitatea lor anuală garantată a atins 2 ppm pe an (0,5 ppm cu derive sistematică) și 0,5 ppm în 30 de zile (în 1980, cifrele erau de aproximativ 10 ori mai proaste). Avantajul elementelor normale față de ele este stabilitatea ridicată pe termen scurt (perioadă scurtă): pentru măsuri solide, chiar și atunci când se face media stresului unui grup de mai multe măsuri, RMS atins este de numai 0,1 ppm (0,02 ppm în câteva minute) datorită faptului că sunt zgomotoase în banda de frecvență de la megaherți (ceea ce nu este atât de important) până la miimi de herți (și aceste frecvențe sunt extrem de greu de filtrat).
Electrod pozitiv - mercur (2) în contact cu paste de cristale de sulfat de mercur (I) Hg 2 SO 4 (3) și sulfat de cadmiu hidrat CdSO 4 * 8 / 3H 2 O (4) . În așa-zisa. sulfatul de cadmiu hidrat nesaturat NE (4) este absent.
Electrod negativ - 8 ... 12,5% amalgam (soluție în mercur) de cadmiu (1) în contact cu o pastă de cristale de sulfat de cadmiu hidrat CdSO 4 * 8 / 3H 2 O (4) . În elementele nesaturate, aici lipsește și sulfatul de cadmiu hidrat (4) .
Electrolit (5) - o soluție de sulfat de cadmiu CdSO 4 , cel mai adesea cu un mic (de obicei normal 0,03 ... 0,08) adăugare de acid sulfuric pentru a preveni hidroliza sulfatului de mercur, a reduce solubilitatea acestuia și a reduce viteza de dizolvare a sticlei " elemente neutre" și "acide").
Toate materialele utilizate sunt de înaltă puritate, ceea ce este esențial pentru a obține o stabilitate ridicată a elementelor.
Reacție de formare a curentului: Cd + Hg 2 2+ <—> Cd 2+ + 2Hg.
Reproductibilitatea și stabilitatea bună a EMF a elementelor se datorează lipsei de ambiguitate a compoziției de fază a sistemului și absenței reacțiilor secundare sau secundare. Amalgamul de cadmiu este un sistem în două faze: un amestec de amalgam lichid 4,5% (la 20 °C) și solid 14%. În timpul depozitării elementelor, din cauza solubilității scăzute a sulfatului de mercur, ionii de mercur difuzează de la electrodul pozitiv la cel negativ și precipitarea de contact a mercurului pe amalgam; deși raportul dintre cadmiu și mercur se modifică în acest caz, nu compoziția celor două faze de amalgam se schimbă, ci doar raportul cantităților acestora, așa că acest proces pentru o perioadă foarte lungă de timp (până la terminarea amalgamului solid) are aproape niciun efect asupra EMF al elementelor.
Designul clasic al unei celule normale este litera H a tuburilor de sticlă interconectate și umplute cu electrolit, astfel încât nivelul aerului să se afle deasupra jumperului central. Sigilat ermetic. Electrozii sunt amplasați în cele două puncte inferioare, conductoarele de curent către exterior sunt fire de platină lipite în partea de jos a structurii. Un scut termic sub forma unei foi de cupru egalizează temperatura electrozilor, ceea ce mărește stabilitatea elementului. Întreaga structură este plasată într-o carcasă (pentru elemente de înaltă precizie - cu o gaură pentru un termometru), care izolează întreaga structură pentru a reduce rata de schimbare a temperaturii.
Există elemente saturate și nesaturate (în funcție de concentrația electrolitului).
O celulă saturată este o celulă normală în care electrolitul este o soluție saturată (adică în care sulfatul de cadmiu nu se mai dizolvă la temperatura de funcționare; aceasta este ceea ce face prezența hidratului său nedizolvat în componentele păstoase ale electrozilor) o soluție de sulfat de cadmiu. Un element nesaturat conține o soluție de sulfat de cadmiu saturată la 4 °C; Solubilitatea sulfatului de cadmiu peste 3 °C crește odată cu creșterea temperaturii, astfel încât existența hidratului său sub formă solidă într-un element nesaturat în intervalul de temperatură de funcționare este imposibilă.
Acest lucru determină principalul lor avantaj și dezavantaj unul față de celălalt, deoarece EMF-ul elementelor depinde în principal de concentrația electrolitului. Pe de o parte, deoarece concentrația de electrolit într-o celulă saturată este determinată de solubilitatea sulfatului de cadmiu, luat în exces, menținând o temperatură constantă, concentrația de sulfat de cadmiu, care s-a modificat din orice motiv (de exemplu, fluxul de curent prin celulă), este restabilit automat datorită dizolvării sau sedimentării sulfatului de cadmiu „tampon”, spre deosebire de un element nesaturat, care, atunci când curge curentul, „se încarcă” și „se descarcă”, schimbându-și EMF și chiar în timpul depozitării, concentrația de electroliți din acesta se modifică oarecum. Acest lucru determină o stabilitate temporală mult mai mare a EMF a unui element saturat. Dar acest lucru duce și la principalul dezavantaj al unui element saturat - o dependență mult mai mare a EMF de temperatură; trebuie fie luate în considerare cu strictețe, fie elementul saturat trebuie termostatat, în timp ce elementul nesaturat nu necesită acest lucru în majoritatea cazurilor. În acest sens, elementele saturate sunt utilizate în principal în condiții de laborator, în timp ce elementele nesaturate sunt utilizate în instrumentele de măsură industriale și portabile.
Elementele saturate sunt disponibile comercial în clase de precizie (cu o limită de eroare relativă de bază admisibilă, exprimată ca procent) de 0,005, 0,002, 0,001, 0,0005 și 0,0002. Stabilitatea garantată a elementelor saturate timp de un an este egală cu clasa lor. Datorită dependenței crescute de temperatură a EMF, elementele saturate sunt furnizate cu termometre (elemente din clasa 0,005 - cu o precizie de 0,2 ° C) sau termostatate (de exemplu, temperatura elementelor din clasa 0,0002 este menținută cu o precizie de 0,01). °C).
Teoretic, EMF a unui element saturat la 20 °C este E(20 °C) = 1,018636 V - 6⋅10 −4 * N - 5⋅10 −5 * N 2 , unde N este normalitatea acidului sulfuric în electrolit (uneori numărul 1,018300 V corespunde voltului „internațional” învechit); datorită acestei și altor abateri de producție în puritatea materialelor, elementele saturate reale potrivite pentru utilizare în conformitate cu GOST 1954-82 au E (20 ° C) în intervalul 1,018540 ... 1,018730 V în timpul funcționării și 1,018590 ... 1.018700 In la iesirea din productie. Valoarea specifică este indicată în certificat sau certificat după eliberarea acestei copii a NE sau verificarea periodică a acestuia în autoritățile metrologice.
Dependența EMF a unui element saturat de temperatura T (cu o precizie conform GOST nu mai slabă de 2 μV/°C abateri în intervalul 20...40 °C și nu mai rău de 3 μV/°C în intervalul de 10…20 °C) se exprimă prin formula:
E(T) \u003d E (20 ° C) - 4,06⋅10 -5 * ∆T - 9,5⋅10 -7 * ∆T 2 + 10 -8 * ∆T 3 ,
unde ∆T = T - 20 °C.
Elementele nesaturate sunt produse în clasele de precizie 0,02 (în URSS au fost produse înainte de 1990), 0,01, 0,005 și 0,002. Stabilitatea garantată a elementelor nesaturate timp de un an este egală cu dublul clasei, deoarece certificatul/certificatul lor nu înregistrează EMF măsurat, ci o valoare care este mai mică decât aceasta prin clasa de precizie, deoarece aceste elemente doar reduc EMF în timp. . Sub acțiunea versiunilor timpurii ale GOST 1954-1982, a fost diferit: stabilitatea pentru anul a fost egală cu clasa, iar EMF măsurat a fost scris în certificat; prin urmare, de exemplu, noul element ME4700 clasa 0.01 este un înlocuitor direct pentru vechiul E-303 clasa 0.02.
Teoretic, EMF-ul unei celule nesaturate la 20 °C este E(20 °C) = 1,01899 V (cu concentrația de electrolit corespunzătoare acestui EMF, EMF-ul celulei nu se modifică cu temperatura aproape de punctul de 25 °C), dar din cauza abaterilor de fabricație și a necesității de a crea o rezervă FEM de îmbătrânire a elementelor nesaturate reale adecvate pentru utilizare conform GOST are E(20 °C) în intervalul 1,018800…1,019600 V în timpul funcționării și 1,019000…1,019600 V în timpul producției. Valoarea specifică este indicată în certificatul sau certificatul elementului.
Coeficientul mediu de temperatură al EMF al unui element nesaturat (mediat pe întregul interval de temperatură) conform GOST nu este mai rău de 5 μV / ° C în intervalul 10 ... 40 ° C și nu mai rău de 10 μV / ° C în intervalele 5 ... 10 ° C și 40 ... 50 ° C . O relatare exactă a dependenței CEM de temperatură pentru elementele nesaturate este rareori făcută, deoarece odată cu îmbătrânirea și o schimbare a E (20 ° C), forma sa se schimbă. Cu o precizie de 0,5 µV/°C abateri de la 20 °C în intervalul de temperatură 15…45 °C, este exprimată prin formula:
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 ,
unde ∆T = T - 20 °C.
Elementele normale au o rezistență internă vizibilă - de obicei de la 100 la 3000 ohmi, care își abate tensiunea de la EMF atunci când curge curentul. În plus, atunci când un curent curge deja în câțiva microamperi (µA) în câteva minute, NE se defectează complet sau pentru o perioadă lungă de timp (de la minute la săptămâni). Prin urmare, un curent continuu printr-un element normal, care depășește fracțiuni de μA, este inacceptabil.
O structură tipică a unei surse de tensiune calibrate (de exemplu, ca parte a unui potențiometru) folosind un element normal, prin urmare, nu prevede utilizarea tensiunii elementului ca sursă de energie pentru tensiunea de ieșire, ci crearea unei sursă suplimentară relativ puternică, dar nu atât de stabilă de tensiune reglată (VVR), care se ajustează periodic sau continuu (automat) la tensiunea unui element normal prin măsurarea tensiunii elementului normal conectat opus și așa-numitul IRN. un organ nul - un voltmetru, care vă permite să determinați momentul echilibrării (egalitatea tensiunii unui element normal și IRN, la care diferența de tensiune este zero).
Rezistența mecanică și termică a unui element normal este, de asemenea, scăzută. Tremuratul și vibrația pot afecta EMF-ul celulei (dar de obicei reversibil; din această cauză, se recomandă ca, după transportul unei celule normale, să o lase să se așeze ore, până la săptămâni, în funcție de precizia necesară). Schimbările de temperatură afectează și elementele normale, iar după ce temperatura revine la punctul de pornire, EMF nu este restabilit imediat. Este imposibil să răsturnați și chiar să înclinați mai mult de aproximativ 30 ° un element normal al unui design clasic, deoarece în acest caz elementul poate deveni ireversibil inutilizabil din cauza amestecării componentelor diferiților electrozi între ele. Cu toate acestea, multe elemente nesaturate au un așa-numit. o structură etanșă, în care acest lucru este practic împiedicat prin intermediul pereților despărțitori porosi; astfel de elemente sunt capabile să reziste la solicitări mecanice moderate fără deteriorare.
După cum sa menționat deja, elementele saturate sunt mai stabile decât cele nesaturate. EMF-ul elementelor saturate de înaltă calitate controlată de temperatură rămâne adesea în intervalul de câțiva microvolți lățime timp de zeci de ani. EMF-ul elementelor nesaturate, chiar și fără utilizare, scade, de obicei cu 75 ... 85 μV / an pentru cele vechi și 20 ... 40 μV / an pentru cele moderne, cu partiții îmbunătățite între electrozi, la 25 ° C; pe măsură ce îmbătrânesc, procesul se accelerează, iar după 10 ... 20 de ani devin inutilizabile. Rata de îmbătrânire a elementelor se dublează pe măsură ce temperatura crește cu 12 °C. Celulele mici, cu alte lucruri egale, sunt mai puțin stabile din cauza schimbării mai mari a concentrației materialului datorită fluxului de curent și deoarece difuzia ionilor de mercur la electrodul negativ este mai rapidă pe o cale mai scurtă.
Datorită prezenței unor cantități apreciabile (zeci de grame) de mercur și cadmiu toxic (și compușii acestora), celulele normale sunt periculoase de manipulat, nu pot fi reparate și ar trebui eliminate în caz de defecțiune în modul prescris pentru produse. care conțin aceste metale.
| Surse de tensiune de referință | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Discret | Integral | |||||||||
| element Weston | Element de zinc mercur | Diodă zener umplută cu gaz | Stabistor | diodă Zener | Pe diode zener cu o structură ascunsă | Bandgap | Pe perechi diferențiale de tranzistoare cu efect de câmp (XFET) | Tranzistor cu poartă plutitoare (FGA) | ||
| descărcare strălucitoare | descărcare corona | Consistent | Paralel | |||||||