Міри електричних величин

2.1. Нормальні елементи

Вимірювання будь-якої фізичної величини полягає в її порів­нянні за допомогою фізичного експерименту з прийнятим за одиницю значенням відповідної фізичної величини. В загальному випадку для такого співставлення вимірювальної величини з мірою — речовим (матеріальним) відтворенням одиниці вимі­рювання — використовують прилад порівняння. Наприклад, зразкова котушка опору застосовується як міра опору сумісно з приладом порівняння - вимірювальним мостом. Вимірювання суттєво спрощується, якщо є прилад безпосереднього відліку (який називається показуючим приладом), що показує силове значення вимірюваної величини, безпосередньо на шкалі чи циферблаті. Наприклад, амперметр, вольтметр, ватметр, лічиль­ник електричної енергії. При вимірюванні таким приладом міра (наприклад, зразкова котушка опору) не потрібна, але міра була потрібна при градуюванні шкали цього приладу. Як правило, у приладів порівняння вища точність і чутливість, але вимі­рювання приладами безпосереднього відліку простіше, швидше і дешевше.

Міра ЕРС або електричної напруги є особливо розроблені галь­ванічні нормальні елементи. Нормальні елементи виготовляють двох типів: насичені і ненасичені. Насичений нормальний елемент складається із запаяного скляного посуду Н — подібної форми, в нижній частині гілок якого впаяні платинові провідники.

Додатнім полюсом служить ртуть, поверх якої є шар пасти, який складається із суміші сірчанокислого оксиду ртуті НgS0₄ з кристалами сірчанокислого кадмія СdS0₄+⁸/₃ Н₂0. Сірчанокислий оксид ртуті служить деполяризатором. Від'ємним електродом є амальгама кадмія. Електролітом служить насичений розчин сірчанокислого кадмія. Для зберігання насичення розчину в обох колінах поміщені поверх електродів кристали сірчанокислого кадмію. Кри­стали кадмію володіють вла­стивістю легко спаюватися між собою і утворювати кіро­чку, яка запобігає від пере­міщень при випадкових пере­вертаннях і нахилах, утримує ртуть, пасту і амальгаму. Вся посудина поміщується в ме­талічний або пластмасовий футляр з добре ізольованими затискачами, до яких в середині футляра під'єднуються провід­ники до електродів.

Елемент такого пристрою при точному виготовленні із застосу­ванням хімічно чистих речовин, які входять в його склад, має ЕРС — 1,0186 В, яка залишається майже незмінною десятки років. Для забезпечення елементу через нього не можна пропускати струм більший ніж 1 мкА. В момент вимірювання струм, який проходить через нього, не повинен бути більший декількох тисяч­них долей мікроампера. Елемент потрібно оберігати від поштовхів, не повертати і не піддавати дії низьких (нижче +10 °С) і високих (вище +35 °С) температур.

Електрорушійна сила нормальних елементів залежить від температури. Ця залежність виражається формулою (2.1)

Е_t = Е₂₀ - 0,00004(t - 20) - 0,000001(t - 20)², (2.1)

Де Е_t — ЕРС при температурі t; Е₂₀ — ЕРС при температурі 20 °С.

Формула (2.1) показує, що ЕРС елементів зменшується більше ніж на 40 мкВ на кожний градус підвищення температури, що складає 0,004 %, що необхідно враховувати при точних вимірюван­нях. Внутрішній опір нормальних елементів має значення в межах від 500 до 1500 Ом.

Нормальні елементи поділяються на три класи по точності: клас 0,001; клас 0,002 і клас 0,005. Елементи класу 0,005 застосовують при точних лабораторних вимірюваннях, вони є зразковими мірами для перевірки показуючих приладів класів 0,1; 0,2 і 0,5. Елементи класів 0,001 і 0,002 застосовують тільки для особливо точних метрологічних робіт і для повірки нормальних елементів класів 0,005 і ненасичених нормальних елементів.

Ненасичені нормальні елементи відрізняються від описаних вище тільки тим, що розчин електроліту у них насичується при 4 °С і, відповідно, при звичайній кімнатній температурі він не насичений (кристали СdS0₄ відсутні). Ненасичені нормальні елементи є елементами класу 0,02 і застосовуються для технічних вимірювань в переносних і автоматичних потенціометрах. Вони мають ЕРС у межах 1,0186 до 1,0194 В при допустимій зміні її за рік на 200 мкВ. Позитивною властивістю ненасичених елементів є незначущість зміни їх ЕРС при зміні температури.

Виробництво нормальних елементів пов'язано з досить тонкою хімічною технологією. Постійність ЕРС елементів забезпечується тільки при строгому дотриманні особливої методики їх виго­товлення, яка розроблена Науково-дослідним інститутом метро­логії ім. Д. І. Менделєєва.