Меры электрических величин

Электроизмерительная техника представляет собой совокупность средств и ме­тодов электрических измерений для получения достоверной количественной ин­формации о характеристиках веществ, материалов, изделий, технологических про­цессов и физических явлений. Средствами электрических измерений называются технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

Меры эдс на основе нормальных элементов

Термин нормальный элемент (НЭ) происходит от немецкого Normal - эталон, стандарт. Полное его наименование - кадмиевый насыщенный (или ненасыщен­ный) нормальный элемент Вестона - сегодня практически не употребляется.

Впервые кадмиевый нормальный элемент с кадмием в качестве отрицатель­ного электрода и раствором сернокислого кадмия в качестве электролита приго­товил и применил Эдвард Вестон в 1892 г. В 1908 г. международная конферен­ция по электрическим единицам и эталонам рекомендовала его в качестве эталона международного вольта. Вскоре применение нормального элемента Вестона при­обретает международный характер и официально признается правительственны­ми актами различных государств. В таком виде с небольшими изменениями НЭ дошли до наших дней.

Длительное время, вплоть до 1980-х гг., нормальные элементы применялись в качестве исходных эталонов и являлись основой измерений постоянного на­пряжения и других электрических величин. С внедрением в метрологическую практику эталонов вольта на основе квантового эффекта Джозефсона в ряде стран мира, в том числе и в нашей стране, НЭ утратили роль первичного эталона, но благодаря своим достоинствам продолжают выполнять функции вторичных и ра­бочих эталонов, а также высокоточных рабочих средств измерений.

Нормальные элементы являются обратимыми гальваническими элементами, состоящими из ряда разнородных соприкасающихся веществ, которые на грани­цах однородности вызывают обмен и образование ионов. Обмен ионами вызыва­ет в гальваническом элементе появление электродвижущей силы (ЭДС). Гальва­нический элемент называют обратимым, если направление происходящих в нем процессов может быть изменено приложением бесконечно малой силы.

Устройство нормального элемента показано на рис. 10.1. НЭ состоит из запа­янного стеклянного сосуда Н-образной формы, в нижние части ветвей которого впаяны платиновые проволочки. Положительным электродом является ртуть (1), поверх которой расположен слой пасты (2), состоящей из смеси сернокислой за­киси ртути Hg₂S0₄ с кристаллами сернокислого кадмия CdS0₄. Отрицательным электродом (3) является амальгама кадмия. В качестве электролита (4) исполь­зован насыщенный раствор сернокислого кадмия CdS0₄ + 8/3Н₂0. Для поддер­жания насыщения раствора в обоих электродах поверх них помещены кристал­лы сернокислого кадмия (5). В состав НЭ могут также входить добавки, улуч­шающие некоторые его свойства.

Рис. 10.1. Устройство нормального элемента

Кристаллы сернокислого кадмия обладают свойством слегка спаиваться меж­ду собой и образовывать корку, предохраняющую ртуть, пасту и амальгаму кад­мия от перемещения при случайных наклонах и встряхиваниях сосуда.

Сосуд нормального элемента заключается в футляр с хорошо изолированны­ми зажимами, к которым внутри футляра подсоединяются проводники от элек­тродов.

НЭ такого устройства при тщательном изготовлении с применением химиче­ски чистых веществ имеет ЭДС около 1,0186 В, остающуюся с высокой точно­стью почти неизменной в течение десятков лет.

Если электролит в виде раствора сернокислого кадмия находится в ненасы­щенном состоянии, то такой нормальный элемент называется ненасыщенным. Ненасыщенные НЭ обладают несколько худшими характеристиками стабильно­сти значения ЭДС и меньшими сроками службы по сравнению с насыщенными.

На нормальные элементы распространяется межгосударственный стандарт ГОСТ 1954-82 «Меры электродвижущей силы. Элементы нормальные. Общие технические условия», согласно которому изготавливают меры ЭДС на основе нормальных элементов классов точности от 0,02 до 0,0002.

Нормальные элементы обладают высокой долговременной стабильностью зна­чения ЭДС, характеризующейся отклонением не более 2 мкВ/год у НЭ класса точности 0,0002, а у лучших экземпляров - менее 1 мкВ/год, что определяет их применение в качестве вторичных и рабочих эталонов высоких разрядов. В верх­них звеньях поверочной схемы для единицы ЭДС и постоянного напряжения - вольта - в качестве мер ЭДС на основе насыщенных НЭ используют групповые меры, состоящие из 4-10 нормальных элементов, помещенных в один термостат. Среднее значение ЭДС такой меры имеет еще более стабильное значение, чем у одиночного НЭ.

Наряду с достоинством НЭ имеют ряд существенных недостатков, ограничи­вающих их более широкое применение. К их числу относятся:

• высокое значение температурного коэффициента ЭДС, составляющего от 40 до 55 мкВ/°С в диапазоне температур от 20 до 30 °С у насыщенных НЭ и 5 МкВ/°С - у ненасыщенных. По этой причине НЭ высоких классов точности помещают в термостат с хорошо известным и стабильным значением тем­пературы;

• высокое значение внутреннего сопротивления, находящееся в диапазоне от 300 до 1000 Ом и определяющее малые значения допустимых для меры ЭДС токов нагрузки (не более 2,10^-8 - 2,10^-10 А в зависимости от класса точности). По этой причине изоляция меры ЭДС должна иметь значение сопротивления не хуже 1,109-1,1011 Ом, и поэтому меру ЭДС на практике используют только при дифференциальном или компенсационном методе измерений. И именно по этой причине меры на основе нормальных элементов называют мерами ЭДС (то есть работающими практически при отсутствии тока нагрузки);

• НЭ «не любят» тряски, их нельзя переворачивать или наклонять. Поэтому их используют в стационарных условиях без частых перемещений, а после транс­портировки, например, в поверку, их до начала эксплуатации следует выдер­жать в стационарных условия длительный промежуток времени (до 10 суток);

• НЭ содержат ртуть, поэтому их производство относится к категории вредных, и это накладывает ряд ограничений на их использование - так, например, в самолет с перевозимыми НЭ сопровождающего не пропустят.

Несмотря на столь внушительный перечень недостатков, меры ЭДС на осно­ве нормальных элементов находят применение при самых ответственных изме­рениях в качестве опорного источника электродвижущей силы в компараторах, измерительных мостах, для передачи размера единицы ЭДС элементам других поверочных схем (переменного напряжения, переменного тока и т. д.).