Normální Westonův článek , rtuťový-kadmiový článek – galvanický článek , jehož EMF je v průběhu času velmi stabilní a reprodukovatelný případ od případu. Používá se jako zdroj referenčního napětí (ION) nebo napěťový etalon v metrologii při reprodukci a měření konstantních napětí .
Nutno podotknout, že mezi „normální“ prvky kromě prvku Weston patří také
Jsou však znatelně méně stabilní.
Navrhl v roce 1892 Edward Weston . Oficiálně přijato pro metrologické účely v roce 1908. Až do sedmdesátých let, kdy se objevily kvantové napěťové etalony založené na Josephsonově jevu , byly prvky základem národních voltových etalonů (s periodickým ověřováním proti jiným fyzikálním vlivům) a byly také široce používány v laboratorní a průmyslové praxi pro přesná měření. Od 70. let byly aktivně nahrazovány napěťovými referenčními zdroji založenými na polovodičových součástkách, které byly stále přesnější. V roce 2000 byl tento proces téměř dokončen; oblast účelného použití normálních prvků (kromě starých zařízení) se zúžila výhradně na použití v rámci národních a mezinárodních norem Volta a v ostatních případech, kdy je ve stacionárních podmínkách nutný extrémně nízký krátkodobý drift napětí.
Pro přesná měření se pro pohodlí používá jednotka ppm (části na milion) - jedna miliontina, ppm. 1 ppm = 0,0001 %.
Zaručená časová stabilita termostatovaných nasycených prvků dosahuje 2 ppm za rok (0,5 ppm při zohlednění systematického driftu) a nenasycených prvků - 40 ppm za rok. Pro průměrné napětí skupiny termostaticky řízených saturovaných článků dosahuje stabilita 0,1 ppm za rok. Směrodatná odchylka (RMS) (mocná odchylka napětí od střední hodnoty, měřená v krátkých intervalech – od minut po dny, bez zohlednění předvídatelného systematického driftu; charakterizuje krátkodobou nestabilitu) skupiny dobře temperovaných prvků dosáhne 0,005 ppm za 8 hodin a 0,02 ppm během týdne.
Nejbližším konkurentem jsou referenční zdroje napětí na bázi polovodičových součástek (solid-state voltage measurement), z nichž nejpřesnější jsou založeny na teplotně řízených zenerových diodách se skrytou strukturou . Srovnávají se příznivě s normálními prvky, pokud jde o odolnost proti mechanickému namáhání; do roku 2000 jejich zaručená roční stabilita dosáhla 2 ppm za rok (0,5 ppm se systematickým driftem) a 0,5 ppm za 30 dní (v roce 1980 byly údaje asi 10krát horší). Výhodou normálních prvků oproti nim je vysoká krátkodobá (krátkodobá) stabilita: u pevných opatření i při zprůměrování zátěže skupiny více opatření je dosažená RMS pouze 0,1 ppm (0,02 ppm za pár minut) kvůli tomu, že jsou hlučné ve frekvenčním pásmu od megahertzů (což není tak důležité) až po tisíciny hertzů (a tyto frekvence se extrémně obtížně filtrují).
Pozitivní elektroda - rtuť (2) v kontaktu s pastami krystalů síranu rtuťnatého (I) Hg 2 SO 4 (3) a hydrátu síranu kademnatého CdSO 4 * 8 / 3H 2 O (4) . V tzv. nenasycený NE hydrát síranu kademnatého (4) chybí.
Negativní elektroda - 8 ... 12,5 % amalgámu (roztok ve rtuti) kadmia (1) v kontaktu s pastou z krystalů hydrátu síranu kademnatého CdSO 4 * 8 / 3H 2 O (4) . V nenasycených prvcích zde chybí také hydrát síranu kademnatého (4) .
Elektrolyt (5) - roztok síranu kademnatého CdSO 4 , nejčastěji s malým (obvykle normálním 0,03 ... 0,08) přídavkem kyseliny sírové, aby se zabránilo hydrolýze síranu rtuťnatého, snížila se jeho rozpustnost a snížila rychlost rozpouštění skla “ neutrální" a "kyselé" prvky).
Všechny použité materiály mají vysokou čistotu, která je nezbytná pro dosažení vysoké stability prvků.
Proudotvorná reakce: Cd + Hg 2 2+ <—> Cd 2+ + 2Hg.
Dobrá reprodukovatelnost a stabilita EMF prvků je dána jednoznačností fázového složení systému a absencí sekundárních nebo vedlejších reakcí. Amalgám kadmia je dvoufázový systém: směs kapalného 4,5 % (při 20 °C) amalgámu a pevného 14 %. Během skladování prvků v důsledku nízké rozpustnosti síranu rtuťnatého difundují rtuťové ionty z kladné na zápornou elektrodu a kontaktní precipitace rtuti na amalgámu; ačkoliv se v tomto případě poměr kadmia a rtuti mění, nemění se složení dvou amalgámových fází, ale pouze poměr jejich množství, takže tento proces po velmi dlouhou dobu (do doby, než je pevný amalgám dokončen) má téměř žádný vliv na EMF prvků.
Klasickým designem normálního článku je písmeno H ze skleněných trubic propojených a naplněných elektrolytem tak, že hladina vzduchu leží nad centrální propojkou. Hermeticky uzavřeno. Elektrody jsou umístěny ve dvou spodních bodech, proudové vedení ven jsou platinové dráty připájené do spodní části konstrukce. Tepelný štít ve formě měděného plechu vyrovnává teplotu elektrod, což zvyšuje stabilitu článku. Celá konstrukce je umístěna v pouzdře (u vysoce přesných prvků - s otvorem pro teploměr), které celou konstrukci izoluje pro snížení rychlosti změny teploty.
Existují nasycené a nenasycené prvky (v závislosti na koncentraci elektrolytu).
Nasycený článek je normální článek, ve kterém je elektrolyt nasycený (tj. ve kterém se síran kademnatý již při provozní teplotě nerozpouští; to způsobuje přítomnost jeho nerozpuštěného hydrátu v pastovitých složkách elektrod) roztokem síran kademnatý. Nenasycený prvek obsahuje roztok síranu kademnatého nasycený při 4 °C; Rozpustnost síranu kademnatého nad 3 °C se zvyšuje se zvyšující se teplotou, takže existence jeho hydrátu v pevné formě v nenasyceném prvku v rozsahu provozních teplot je nemožná.
To určuje jejich hlavní výhodu a vzájemnou nevýhodu, protože EMF prvků závisí hlavně na koncentraci elektrolytu. Na jedné straně, protože koncentrace elektrolytu v nasyceném článku je určena rozpustností síranu kademnatého, přijímaného v přebytku, při udržování konstantní teploty, koncentrace síranu kademnatého, která se z jakýchkoli důvodů změnila (např. tok proudu článkem), se automaticky obnoví v důsledku rozpuštění nebo usazení „pufrového“ síranu kademnatého, na rozdíl od nenasyceného prvku, který se při průchodu proudu „nabíjí“ a „vybíjí“, mění své EMF a dokonce během skladování se v něm poněkud mění koncentrace elektrolytu. To způsobuje mnohem větší časovou stabilitu EMF nasyceného prvku. To však také vede k hlavní nevýhodě nasyceného prvku - mnohem větší závislosti EMF na teplotě; buď to musí být přísně zohledněno, nebo musí být nasycený prvek termostatován, zatímco nenasycený prvek to ve většině případů nevyžaduje. V tomto ohledu se nasycené prvky používají především v laboratorních podmínkách, zatímco nenasycené prvky se používají v průmyslových a přenosných měřicích přístrojích.
Nasycené prvky jsou komerčně dostupné ve třídách přesnosti (s limitem přípustné základní relativní chyby vyjádřené v procentech) 0,005, 0,002, 0,001, 0,0005 a 0,0002. Zaručená stabilita nasycených prvků po dobu jednoho roku se rovná jejich třídě. Z důvodu zvýšené teplotní závislosti EMF jsou nasycené prvky dodávány s teploměry (prvky třídy 0,005 - s přesností 0,2 °C) nebo termostatované (např. teplota prvků třídy 0,0002 je udržována s přesností 0,01 °C).
Teoreticky je EMF nasyceného prvku při 20 °C E(20 °C) = 1,018636 V - 6⋅10 −4 * N - 5⋅10 −5 * N 2 , kde N je normalita kyseliny sírové v elektrolyt (někdy se vyskytující číslo 1,018300 V odpovídá zastaralému „mezinárodnímu“ voltu); v důsledku této a dalších výrobních odchylek v čistotě materiálů mají skutečné nasycené prvky vhodné pro použití v souladu s GOST 1954-82 E (20 ° C) v rozsahu 1,018540 ... 1,018730 V během provozu a 1,018590 ... 1,018700 In při uvolnění z výroby. Konkrétní hodnota je uvedena v certifikátu nebo certifikátu po vydání této kopie NE nebo jeho pravidelném ověřování v metrologických orgánech.
Závislost EMF nasyceného prvku na teplotě T (s přesností podle GOST ne horší než 2 μV/°C odchylky v rozsahu 20…40 °C a ne horší než 3 μV/°C v rozsahu 10…20 °C) se vyjadřuje vzorcem:
E(T) \u003d E (20 °C) - 4,06⋅10 -5 * ∆T - 9,5⋅10 -7 * ∆T 2 + 10 -8 * ∆T 3 ,
kde ∆T = T - 20 °C.
Nenasycené prvky se vyrábějí ve třídách přesnosti 0,02 (v SSSR se vyráběly před rokem 1990), 0,01, 0,005 a 0,002. Zaručená stabilita nenasycených prvků po dobu jednoho roku se rovná dvojnásobku třídy, protože jejich certifikát / certifikát nezaznamenává naměřené EMF, ale hodnotu, která je nižší než ona o třídu přesnosti, protože tyto prvky v průběhu času pouze snižují EMF . Při působení raných verzí GOST 1954-1982 to bylo jiné: stabilita za rok se rovnala třídě a naměřené EMF bylo zapsáno do certifikátu; proto je například nový prvek ME4700 třídy 0.01 přímou náhradou za starý E-303 třídy 0.02.
Teoreticky je EMF nenasyceného článku při 20 °C E(20 °C) = 1,01899 V (při koncentraci elektrolytu odpovídající tomuto EMF se EMF článku nemění s teplotou blízko bodu 25 °C), ale z důvodu výrobních odchylek a nutnosti vytvoření rezervy EMF stárnutí skutečných nenasycených prvků vhodných pro použití podle GOST má E(20 °C) v rozsahu 1,018800…1,019600 V během provozu a 1,019000…1,019600 V během výroby. Konkrétní hodnota je uvedena v certifikátu nebo certifikátu prvku.
Průměrný teplotní koeficient EMF nenasyceného prvku (průměrovaný v celém teplotním rozsahu) podle GOST není horší než 5 μV / ° C v rozmezí 10 ... 40 ° C a ne horší než 10 μV / ° C v rozmezích 5 ... 10 ° C a 40 ... 50 ° C . Přesný popis závislosti EMF na teplotě pro nenasycené prvky se provádí zřídka, protože se stárnutím a změnou E (20 ° C) se jeho forma mění. S přesností 0,5 µV/°C odchylky od 20 °C v teplotním rozsahu 15…45 °C je vyjádřena vzorcem:
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 ,
kde ∆T = T - 20 °C.
Normální prvky mají znatelný vnitřní odpor - typicky od 100 do 3000 ohmů, což při průchodu proudu odchyluje jejich napětí od EMF. Navíc, když proud teče již v několika mikroampérech (µA) během několika minut, NE selže úplně nebo na dlouhou dobu (od minut až po týdny). Proto je nepřetržitý proud přes normální prvek, přesahující zlomky μA, nepřijatelný.
Typická struktura kalibrovaného zdroje napětí (například jako součást potenciometru) s normálním prvkem tedy nepočítá s využitím napětí prvku jako zdroje energie pro výstupní napětí, ale s vytvořením přídavný relativně výkonný, ale ne tak stabilní zdroj regulovaného napětí (VVR), který se periodicky nebo plynule (automaticky) přizpůsobuje napětí normálního prvku měřením napětí opačně připojeného normálního prvku a tzv. IRN. nulový orgán - voltmetr, který umožňuje určit okamžik vyrovnání (rovnost napětí normálního prvku a IRN, při kterém je rozdílové napětí nulové).
Mechanická a tepelná odolnost běžného prvku je také nízká. Otřesy a vibrace mohou ovlivnit EMF článku (ale obvykle reverzibilně; kvůli tomu se doporučuje, aby se po přepravě normální článek nechal usadit několik hodin až týdnů v závislosti na požadované přesnosti). Změny teploty ovlivňují i normální prvky a poté, co se teplota vrátí do výchozího bodu, se EMF také okamžitě neobnoví. Normální prvek klasické konstrukce není možné převrátit a dokonce i naklonit o více než 30°, protože v tomto případě se prvek může stát nevratně nepoužitelným v důsledku smíchání složek různých elektrod mezi sebou. Mnoho nenasycených prvků má však tzv. utěsněná struktura, u které je tomu prakticky zabráněno pomocí porézních přepážek; takové prvky jsou schopny odolat mírnému mechanickému namáhání bez poškození.
Jak již bylo uvedeno, nasycené prvky jsou stabilnější než nenasycené. EMF vysoce kvalitních nasycených prvků s řízenou teplotou často zůstává v rozsahu několika mikrovoltů po celá desetiletí. EMF nenasycených prvků, dokonce i bez použití, klesá, typicky o 75 ... 85 μV / rok pro staré a 20 ... 40 μV / rok pro moderní prvky se zlepšenými přepážkami mezi elektrodami, při 25 ° C; jak stárnou, proces se zrychluje a po 10 ... 20 letech se stávají nepoužitelnými. Rychlost stárnutí prvků se zdvojnásobí, když teplota vzroste o 12 °C. Malé články, jinak jsou stejné, jsou méně stabilní kvůli větší změně koncentrace materiálu v důsledku toku proudu a protože difúze rtuťových iontů k záporné elektrodě je rychlejší po kratší dráze.
Vzhledem k přítomnosti značného množství (desítky gramů) toxické rtuti a kadmia (a jejich sloučenin) je manipulace s normálními články nebezpečná, nelze je opravit a v případě poruchy by měly být zlikvidovány způsobem předepsaným pro výrobky. obsahující tyto kovy.
| Zdroje referenčního napětí | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Oddělený | Integrální | |||||||||
| Westonský prvek | Rtuťový prvek zinek | Plynem plněná zenerova dioda | Stabistor | Zenerova dioda | Na zenerových diodách se skrytou strukturou | Bandgap | Na diferenciálních párech tranzistorů s efektem pole (XFET) | Tranzistor s plovoucím hradlem (FGA) | ||
| doutnavý výboj | koronový výboj | Konzistentní | Paralelní | |||||||