3. Міри е.Р.С., напруги та струму

3.1. Міри електрорушійної сили

3.2. Міри напруги на основі стабілітронів

3.3. Джерела опорної напруги на основі ширини забороненої зони напівпровідника

3.4. Перспективні напрямки розвитку джерел опорної напруги

3.1. Міри електрорушійної сили та напруги

Мірою електрорушійної сили є нормальний елемент (НЕ) - гальванічний елемент з точно відомою та стабільною в часі ЕРС [2, 26]. Електролітом елементу служить водяний розчин сульфату кадмію 3, додатнім електродом - ртуть 5 і сульфат закису ртуті 4, а від'ємним - амальгама кадмію (розчин кадмію ртуті) 1 у двофазовому (твердому та рідкому) стані (рис.3.1). Нормальні елементи виготовляють як Н-подібної (рис 3.1,а і б) так і циліндричної форми (рис 3.1,в).

Р ис. 3.1. Структура нормальних елементів

В залежності від стану електроліту нормальні елементи бувають насиченими та ненасиченими. У всьому робочому діапазоні температур в електроліті насичених елементів (рис.3.1.а) кристали 2 сульфату кадмію знаходяться в залишковому стані, а в ненасичених елементах (рис.3.1.б і в) - електроліт ненасичений, а між амальгамою кадмію, як між сульфатом закису ртуті встановлені захисні коркові або пластмасові кільця, обтягнені шовковою тканиною. Балон НЕ розташований у тепловирівнювальному пластмасовому або металевому корпусі, який одночасно захищає від механічних пошкоджень. Нормальні елементи не допускають трясок, вібрацій, ударних навантажень, після яких в них виникають незворотні зміни ЕРС.

Основні технічні та метрологічні характеристики НЕ нормуються міждержавним стандартом ГОСТ 1954-89 “Меры электродвижущей силы. Общие технические условия» (табл. 3.1.).

ЕРС насичених НЕ при температурі відмінній від 20 ⁰С визначається за формулою

, (3.1)

де E_t, Е₂₀ - ЕРС відповідно при температурі t та +20°C.

Слід зауважити, що Е₂₀ для окремих елементів можуть бути дещо різними

Таблиця 3.1

Основні технічні та метрологічні характеристики НЕ

Тип НЕ	Клас точності	Значення ЕРС при 20°С, В	Відхилення ЕРС за 1 рік, мкВ, не більше
Насичений	0,0002 0,0005 0,001 0,002 0,005	від 1,018590 до 1,0180700	±2 ±5 ±10 ±20 ±50
Ненасичений	0,002 0,005 0,01 0,02	від 1,0190000 до 1,0190600	±20 ±50 ±100 ±200

(технологічний розкид). Їх значення визначають при випуску НЕ і вказують в паспорті. Температурна нестабільність нормальних елементів з насиченим розчином сульфату кадмію складає приблизно 40 мкВ/К, а ненасичених елементів дещо менша і не перевищує 5 мкВ/К в діапазоні температур від +10 до 40 °С та 10 мкВ/К - в діапазоні від +5 до +10 °С і від +40 до 50 °С.

Для НЕ, розміщених в активному термостаті відпадає необхідність у визначенні значення його ЕРС при зміні робочих температур.

Відтворюваність ЕРС ненасичених елементів дещо гірша порівняно із насиченими, але через менше значення температурного коефіцієнту ЕРС виключається необхідність розрахунку її значення відповідно до температури довкілля.

Основною метрологічною характеристикою НЕ є показник класу точності, що встановлює межі допустимих відхилень ЕРС нормального елемента за 1 рік. Для забезпечення нормальної роботи НЕ, крім уникнення трясок, вібрацій, ударів, нормальні елементи не повинні перевантажуватись струмами понад 0,1...1 мкА для насичених та 1...5 мкА для ненасичених елементів.

На ВАТ “Мікроприлад” (м. Львів) виготовляють одні з найкращих у Європі нормальні елементи. Так, ненасичені елементи типів Х485 та Х4810 мають клас точності 0,01 та 0,005; їх ЕРС - в межах 1,01880...1,01896 В; температурний коефіцієнт ЕРС не перевищує ±4 мкВ/К; внутрішній опір не більший за 1500 Ом; річна нестабільність ЕРС не перевищує 250 та 100 мкВ. Термостатовані насичені елементи типів Х488/1 та Х489 мають клас точності 0,001 та 0,0005; ЕРС в межах - 1,01813...1,01873 В; внутрішній опір не більший за 1000 Ом; річна нестабільність - 10 та 5 мкВ.

Основними недоліками НЕ є гістерезис, потрібно забезпечувати при експлуатації відсутність трясок, вібрацій, ударів, їх потрібно витримувати тільки у вертикальному положенні, не можна транспортувати при температурах нижчих +10 °С або вищих +35 °С (або тільки в активних термостатах). При різких змінах температури та тиску виникає гістерезис. Тому сучасні прецизійні НЕ виготовляються разом із термостатами.

Перспективними мірами напруги, позбавленими експлуатаційних недоліків нормальних елементів при задовільній стабільності напруги, є напівпровідникові стабілітрони та транзисторні міри напруги.