Основными и единственными видами образцовых мер ЭДС в настоящее время являются нормальные элементы, насыщенные и ненасыщенные (так называемые кадмиевые).
Наиболее распространенные "нормальные" элементы:
-
Ртутно-кадмиевый элемент Вестона;
-
Ртутно-цинк-амальгамный элемент Кларка;
-
Рутутно-цинковый нормальный элемент.
Первый нормальный насыщенный элемент создан американским химиком Эдвардом Вестоном (1850 — 1936). В 1908-м году эти элементы были приняты для использования в метрологических целях.
Нормальный насыщенный элемент состоит из Н-образной стеклянной оболочки, заполненной внутри определенными веществами, запаянной в верхних концах и имеющей впаянные в дно каждой из ее ветвей платиновые проволочки — электроды.
Схема нормального элемента Эдуарда Вестона
"Положительная" ветвь, имеющая в нижней своей части две перетяжки, имеет следующее заполнение: 1 — ртуть (до первой перетяжки); 2 — пасту-деполяризатор, состоящую из смеси размельченных кристаллов сернокислого кадмия CdSO4 8/3H2O и сернокислой закиси ртути Hg2SC4; 3 — кристаллы сернокислого кадмия.
"Отрицательная" ветвь имеет заполнение: 4 — амальгаму кадмия (12% кадмия, 88% ртути) и 3' — кристаллы сернокислого кадмия, как и в положительной ветви.
Средние части обеих ветвей заполнены насыщенным водным раствором сернокислого кадмия — 5.
Перетяжки, сделанные в нижних частях обеих ветвей сосуда, служат для предотвращения перемешивания составных частей заполнения элемента в случае его сотрясений.
При точном соблюдении установленной технологии изготовления можно получить нормальные (насыщенные) элементы с высокой степенью однотипности в отношении их измерительных свойств.
Значения ЭДС нормальных элементов Вестона укладываются в очень узкие границы — примерно от 1,0185 В, до 1,0187 В при температуре элемента, равной +20° С, т. е. расхождение в ЭДС отдельных элементов не превышает 200 мкВ.
Очень важным свойством нормальных элементов Вестона является высокая стабильность значения ЭДС каждого отдельного элемента при надлежащих условиях хранения и применения. Значение ЭДС нормального элемента может сохраняться неизменным в течение многих лет с точностью до нескольких десятков микровольт.
Значение ЭДС нормального элемента довольно сильно, но весьма закономерно зависит от температуры.
Нормальные насыщенные элементы обладают внутренним сопротивлением 500 — 1000 Ом и не должны ни при каких обстоятельствах нагружаться током более 1 мкА, иначе значение их ЭДС может сделаться неустойчивым.
Нельзя, например, измерять ЭДС нормального элемента с помощью вольтметра, так как последний должен был бы иметь внутреннее сопротивление не менее нескольких мегом. При включении же вольтметра с меньшим сопротивлением нормальный элемент будет поврежден.
Ненасыщенные нормальные элементы по своему устройству отличаются от насыщенных в основном только тем, что при температурах выше +4° С раствор сернокислого кадмия в них ненасыщен, свободные кристаллы отсутствуют.
Кроме того, поскольку ненасыщенные элементы предназначаются главным образом для переносных измерительных устройств, во внутрь стеклянных оболочек вводятся вплотную к поверхностям амальгамы кадмия в одной ветви и деполяризующей пасты в другой ветви тонкие корковые пробки. Эти пробки вследствие своей пористости не затрудняют электролитических процессов внутри элемента и в то же время предотвращают перемешивание составных частей элемента даже при его перевертывании.
По своим измерительным качествам ненасыщенные элементы отличаются от насыщенных:
-
значительно меньшей температурной зависимостью ЭДС, всего 2 — 3 мкВ на 1°С, т. е. в 15 — 20 раз меньше, чем у насыщенных элементов, что является основным их достоинством;
-
несколько большим значением ЭДС: 1,0185 — 1,0195 В при 20° С и меньшим внутренним сопротивлением;
-
значительно меньшей стабильностью ЭДС, в особенности в условиях регулярного применения их;
-
большей допустимой нагрузкой током — до 10 мка — вследствие пониженных требований к точности воспроизведения значения ЭДС.
Согласно ГОСТ насыщенные элементы выпускаются двух классов — I и II, ненасыщенные элементы выпускаются в качестве элементов III класса.
Элементы I класса должны быть заключены в металлические перфорированные кожухи и допускать погружение их в ванны, наполненные сухим трансформаторным маслом для выравнивания температуры ветвей элемента.
Элементы II класса должны быть заключены в деревянные или пластмассовые кожухи и допускать измерение температуры внутри кожуха термометром.
Элементы ненасыщенные, III класса, должны быть заключены в пластмассовые или металлические кожухи специальной формы, с особым расположением зажимов-винтов, приспособленные для монтажа этих элементов внутри переносных или стационарных измерительных устройств и приборов.
Помимо указанных выше предосторожностей, необходимых при применении нормальных элементов I и II классов, следует соблюдать также и ряд других условий не передвигать их с места на место и не подвергать сотрясениям, не опрокидывать, не пользоваться ими ранее, чем через несколько суток после их перевозки или после резких колебаний температуры.
Нормальные элементы Вестона при эксплуатации следует особенно оберегать от неодинакового нагрева или охлаждения их ветвей — под действием солнечных лучей, близко расположенных отопительных устройств или холодных окон в зимнее время.