Element normalny Westona — norma naprężeń i odniesienie do naprężeń w metrologii

Główny i jedyny typ przykładowe środki pola elektromagnetycznego obecnie są to pierwiastki normalne, nasycone i nienasycone (tzw. kadm).

Najczęstszymi „normalnymi” przedmiotami są:

• pierwiastek rtęciowo-kadmowy Westona;

• amalgamat rtęciowo-cynkowy pierwiastek Clarka;

• Normalny pierwiastek cynku rutyny.

Pierwszy normalny pierwiastek nasycony został stworzony przez amerykańskiego chemika Edwarda Westona (1850-1936). W 1908 roku elementy te zostały przyjęte do użytku w celach metrologicznych.

Normalne nasycone ogniwo składa się ze szklanej skorupy w kształcie litery H wypełnionej określonymi substancjami wewnątrz, uszczelnionej na górnych końcach oraz z platynowymi drutami przylutowanymi do spodu każdej z elektrod rozgałęźnych.

Diagram elementów normalnych autorstwa Edwarda Westona

Gałąź „dodatnia”, która ma w dolnej części dwa przewężenia, ma następujące wypełnienie: 1 — rtęć (do pierwszego przewężenia); 2 — pasta depolaryzująca składająca się z mieszaniny rozdrobnionych kryształów siarczanu kadmu CdSO4 8/332O i siarczanu rtęci Hg2SC4; 3 — kryształy siarczanu kadmu.

Gałąź „ujemna” ma wypełnienie: 4 - amalgamat kadmu (12% kadmu, 88% rtęci) i 3' - kryształy siarczanu kadmu, jak w gałęzi dodatniej.

Środkowe części dwóch gałęzi są wypełnione nasyconym wodnym roztworem siarczanu kadmu - 5.

Przewężenia wykonane w dolnych partiach dwóch odgałęzień naczynia zapobiegają mieszaniu się części składowych wypełnienia elementu w przypadku jego wstrząsania.

Przy ścisłym przestrzeganiu ustalonej technologii produkcji możliwe jest uzyskanie elementów normalnych (nasyconych) o wysokim stopniu jednorodności pod względem ich właściwości pomiarowych.

Wartości EMF normalnych elementów Westona mieszczą się w bardzo wąskich granicach — od około 1,0185 V do 1,0187 V przy temperaturze elementu równej +20°C, czyli rozbieżność w EMF poszczególnych elementów nie przekracza 200 μV.

Bardzo ważną właściwością normalnych ogniw Westona jest wysoka stabilność wartości EMF każdego pojedynczego ogniwa w odpowiednich warunkach przechowywania i użytkowania. Wartość EMF normalnego elementu może pozostać niezmieniona przez wiele lat z dokładnością do kilkudziesięciu mikrowoltów.

Wartość EMF normalnego elementu jest dość silna, ale naturalnie zależy od temperatury.

Normalnie nasycone elementy mają rezystancję wewnętrzną 500 — 1000 omów iw żadnym wypadku nie powinny być obciążane prądem większym niż 1 μA, w przeciwnym razie wartość ich pola elektromagnetycznego może stać się niestabilna.

Niemożliwym jest na przykład zmierzenie pola elektromagnetycznego normalnego elementu za pomocą woltomierza, ponieważ ten ostatni musiałby mieć rezystancję wewnętrzną co najmniej kilku megaomów. Gdy podłączysz woltomierz o niższej rezystancji, normalny element ulegnie awarii.

Nienasycone normalne elementy w swojej strukturze różnią się od nasyconych głównie tym, że w temperaturach powyżej + 4 ° C roztwór siarczanu kadmu w nich jest nienasycony, nie ma wolnych kryształów.

Ponadto, ponieważ pierwiastki nienasycone przeznaczone są głównie do mierników przenośnych, do wnętrza gablot wprowadzono cienkie korki w pobliżu powierzchni amalgamatu kadmu w jednej gałęzi i pasty depolaryzującej w drugiej. Dzięki swojej porowatości zatyczki te nie utrudniają procesów elektrolitycznych zachodzących w ogniwie i jednocześnie zapobiegają mieszaniu się składników ogniwa, nawet gdy ogniwo jest odwrócone.

Pierwiastki nienasycone różnią się od pierwiastków nasyconych właściwościami pomiarowymi:

• znacznie mniejsza zależność EMF od temperatury, tylko 2 — 3 μV na 1 ° C, tj. 15 — 20 razy mniej niż pierwiastków nasyconych, co jest ich główną zaletą;

• nieco wyższa wartość EMF: 1,0185 — 1,0195 V przy 20 ° C i niższy opór wewnętrzny;

• znacznie mniejsza stabilność pola elektromagnetycznego, zwłaszcza w warunkach ich regularnego użytkowania;

• wyższe dopuszczalne obciążenie prądowe — do 10 μA — ze względu na mniejsze wymagania dotyczące dokładności odwzorowania wartości pola elektromagnetycznego.

Według GOST pierwiastki nasycone są produkowane w dwóch klasach — I i II, pierwiastki nienasycone — jako pierwiastki klasy III.

Elementy klasy I powinny być zamknięte w metalowych perforowanych obudowach i zanurzone w wannach wypełnionych suchym olejem transformatorowym w celu wyrównania temperatury gałęzi elementu.

Przedmioty klasy II muszą być zamknięte w obudowach drewnianych lub plastikowych i umożliwiać pomiar temperatury wewnątrz obudowy za pomocą termometru.

Elementy nienasycone klasy III powinny być zamknięte w plastikowych lub metalowych obudowach o specjalnym kształcie, ze specjalnym układem śrub dociskowych przystosowanych do mocowania tych elementów w przenośnych lub stacjonarnych przyrządach i przyrządach pomiarowych.

Oprócz powyższych środków ostrożności wymaganych podczas używania zwykłych elementów klasy I i II, należy przestrzegać szeregu innych warunków; nie przenosić ich z miejsca na miejsce i nie narażać na uderzenia, przewracanie, nie używać wcześniej niż kilka dni po transporcie lub po nagłych zmianach temperatury.

Podczas eksploatacji normalne elementy Weston muszą być szczególnie chronione przed nierównomiernym nagrzewaniem lub wychłodzeniem ich gałęzi – pod wpływem promieni słonecznych, pobliskich grzejników czy zimą zimnych okien.