Нормальный элемент Советский патент 1992 года по МПК H01M6/28 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Область использования нормальных элементов (НЭ) - метрология электрических измерений, обеспечение единства измерений напряжения. НЭ предназначается для осуществления эталонов и образцовых мер ЭДС, а также используются как встроенные меры ЭДС в стационарных и переносных электроизмерительных рабочих средствах для их поверки и градуировки,

НЭ насыщенного и ненасыщенного типов известны в технической литературе также под названием нормальных кадмиевых элементов или нормальных элементов Вестона, представляют собой обратимые гальванические элементы со следующей схемой электрохимической гальванической цепи: -Pt(Cd,Hg)2ф/CdS04«

iHaOiKri/CdSO.yCdSO t

V,

| H20(Kp)7HgSO%p)/Hg(«)/Pt+

для насыщенного типа НЭ и -Pt{Cd,Hg)2t/CdSO/i(M.H.p.)/Hg2SO/i(Kp)/Hg(«)/ /РИдля ненасыщенного типа НЭ, где ± Pt - платиновый потенциалоотвод (токоотвод) от электродов НЭ со знаками полярности вывода;

(Cd,Hg)) - амальгама кадмия в двухфазном состоянии, являющаяся анодным веществом элемента Вестона и электродной поверхностью;

CdS04 8/ЗН20(кр) - кристаллогидрат сульфата кадмия, избыточная соль в насыщенных интернациональных элементах Вестона ;

GdS04(H.p.) - насыщенный раствор сульфата кадмия;

Нд2504(кр) - кристаллы соли сульфата ртути (сульфат закиси ртути), катодное вещество НЭ, деполяризатор;

Нд(ж) - ртуть в жидком состоянии, катодная электродная поверхность НЭ.

Наиболее близок к предлагаемому НЭ типаХ4810.

К недостаткам известного изобретения следует отнести: в целом невысокую стабильность ЭДС,- определяющую класс элемента 0,01, что обусловлено иенась1щенн(1м характером его электролита и весьма малым сечением электродов, не превышающим 15

наличие значительного внутреннего со, противления НЭ постоянному току $ 1500 Ом, которое имеет тенденцию к возрастанию 2000-2500 Ом за время его службы, что объясняется прежде всего наличием диафрагм и их сопротивлением (НЭ ненасыщенного типа.

как правило, имеют невысокое внутреннее сопротивление 300-500 Ом);

относительно малые значения допускаемых токов через НЭ: в течение 1 мин не более

5,00 мкА с интервалом 24 ч; 0,200 мкА с интервалом включения 10 мин; 0,020 мкА при скомпенсированно.й ЭДС, что также связано с малым сечением поверхности электродов, так как увеличение тока вызовет поляризацию;

0 относительно небольшой гарантийный с рок эксплуатации НЭ 18 мес, и, будучи миниатюрным в своем .классе НЭ, тем не менее имеет габаритные размеры 25 х 85 мм; а массу $0,10 кг.,

5 К недостаткам следует также отнести ограничения по диапазону воздействия низких температур: до-10°С.

Совокупность вышеизложенных недостатков НЭ приво,цит в целом к низкой стабильности

0 ЭДС и допустимой токовой нагрузке.высокому внугреннему сипративлению и малому сроку службы. Целью предлагаемого изобретения является повышение стабильности характеристик уменьшение внутреннего сопротивления и уве5 личение срока службы НЭ,

Эта цель достигается тем, что в предлагаемом НЭ, содержащем герметичную оболочку с электролитом, токоотводы, деполяризатор, от рицательный и положительный электроды,

0 ионопроницаемую диафрагму и температурный ко мпенсационный объем, оболочка выполнена в виде двух соединенных полусфер, на внутренней поверхности каждой из которых соответственно размещены вещества электродов, диафрагмы имеют регулярную структуру сквозных каналов и выполнены в виде полусфер, внешние поверхности которых контактируют с веществами электродов, при этом деполяризатор размещен внутри каналов диафрагмы положительного электрода, а температурный компенсационный объем выполнен в виде упругой замкнутой полости, размеще14ной в центе оболочки элемента.

Эта цель достигается также тем, что избыточная нерастворимая соль электролита размещена внутри каналов диафрагм.

Предлагаемое изобретение позволяет значительно развить рабочую.поверхность электродов, зафиксировать ее пространственное

0 положение, повысить коэффициент использования реагирующих веществ элемента и, тем самым, повысить стабильность ЭДС и допустимую токовую нагрузку, уменьшить внутреннее сопротивление и увеличить срок службы. ;

5 На чертеже изображен предлагаемый НЭ,

Предлагаемый НЭ состоит из стеклянной оболочки 1 (стекло марки ХС1 или ХС2). образованной из герметично сопрягаемых

между собою двух полусфер 2 и 3, В экваториальной зоне (на широтах 15-20°) каждой из полусфер имеется потенциалоотаод (токоотвод) 4. По экваториальному поясу сопряжения полусфер 2 и 3 (внутри оболочки 1) установлен кольцевой вкладыш 5. Вкладыш 5 изготавливается из стекла марки ХС1 (ХС2)или из политетрафторэтилена (фторопласт-4). На кольцевой вкладыш 5 упираются две регулярные диафрагмы б.

Каждая из диафрагм 6 представляет из себя полушаровой слой, образованный из регулярных полых структур, каналы которых насквозь пронизывают диафрагму. Материал диафрагмы стекло. Внешняя, периферическая поверхность диафрагм б контактирует с прижимом с эдектродными веществами НЭ: в полуоболочке 2-е амальгамой кадмия 7. а в полуоболочке 3-е ртутью 8.

Если НЭ является насыщенным, то со своей внутренней поверхности диафрагма 6 полуоболочки 2 внутри всех своих полых каналов регулярных структур содержит соль кристаллогидрата сульфата кадмия 9, а диафрагма б полуоболочки 3 в своих полых структурах под слоем кристаллогидрата сульфата кадмия 9 содержит слои деполяризатора 10. сульфата ртути, иначе называемой сульфатом закиси ртути.

Если НЭ является ненасыщенным, то в каналах диафрагмы б полуоболочки 2 кристаллогидрат сульфата кадмия 9 отсутствует, нет его и в каналах диафрагмы б полуоболочки 3, там остается лишь деполяризатор 10.

Для обеспечения надежной фиксации диафрагм б помимо их опоры на кольцевой вкладыш 5 предусмотрено удержание их при помощи пары крестовин-оправок 11. В центре оправок 11 имеется посадочное место для размещения упругой замкнутой полости 12, играющей роль компенсатора температурных изменений. Компенсатор 12 может быть выг1олнен в виде сильфона, или в виде притертой цилиндро-поршневой пары. Материал компенсатора 12 стекло или фторопласт-4.

На полюсе стеклянной полуобблочки 2 имеется заливочное отверстие 13. образованное проходным отверстием стеклянной трубки при выдувании сферического объема для оболочки 1. Отверстие 13 позволяет осуществить заполнение оболочки 1 НЭ водным раствором 14 сульфата кадмия. Заливка раствора 14 осуществляется после того, как оболочка 1 собрана и загерметизирована (пайка стекла или склейка по экватору) из укомплектованных сборок полусфер 2 иЗ.

После операции заливки оболочки 1 отверстие 13 заваривается.

Нормальный элемент работает следующим образом.

В заготовки полусфер 2 и 3 ввариваются потенциалоотводы 4. Выступающая часть потенциалоотводов 4 внутри полусфер 2 и 3 выгибается по их поверхности. Подготовку и обработку потенциалоотводов с целью обеспечения хорошего смачивания и надежного контакта с ртутью 10 и амальг;амой кадмия 7 г роводят известным способом.

Каждая из полусфер 2 и 3 проходит положенный полный технологический цикл очистки, обезжиривания, промывки. В полуоболочки 2 и 3 вливают определенное количество электродных веществ; в предварительно разогретую полусферу 2 разогретую амальгаму кадмия 7 (полюсное отверстие 13 закрыто), а в полусферу 3 заливают ртуть 10.

Сертификаты, чистота, технология, приемы подготовки, получения очистки веществ, являющихся ингредиентами электрохимической гальванической системы НЭ, должны соответствовать принятой международной спецификации для изготовления насыщенных и ненасыщенных НЭ. Спецификация веществ, приемы и подготовки и хранения должны отражать опыт ведущих отечественных и зарубежных лабораторий: ВНИИМ. NBS. NPL. РТВ. ETL. NBN.

Затем во внутренние обьемы полусфер 2 и 3 утапливаются с небольшим усилием диафрагмы 6. При этом, если изготавливается ненасыщенный НЭ. то полости каналов регулярных структур в диафрагме б пусты, если она устанавливается в полусферу 2. а полости каналов регулярных структур диафрагмы б. устанавливаемой в полусферу 3. содержат предварительно в них введенный деполяризатор 10 в виде пасты.

При изготовлении же насыщенного НЭ в полостях диафрагмы б. устанавливаемой в полусферу 2, содержится предварительно туда введенный кристаллогидрат сульфата кадмия 9. а в полостях диафрагмы б полусферы 3 последовательно по направлению к ее периферии содержится сперва кристаллогидрат сульфата кадмия 9. а затем паста деполяризатора 10. сульфат ртути...

В полуоболочку 3 после установки диафрагмы б вставляют оправку-крестовину 11 и кольцевой вкладыш 5. В посадочный паз оправки-крестовины 11 помещают компенсатор 12. В полуоболочку 2 также устанавливают оправку-крестовину 11, а затем на экваториальную торцовую поверхность полусферы 3 устанавливают полусферу 2 так.

чтобы потенциалоотводы 4 обеих половин были с одной стороны,

Герметизация оболочки 1, состоящей из половинок полусфер 2 и 3, проводится или склеиванием, или сваркой стекла по фланцам полусфер (на фиг.1 фланец не показан). Затем производят заполнение внутреннего объема оболочки 1 водным раствором 14 сульфата кадмия через заливочное отверстие 13. Заливку раствора 14 следует проводить под небольшим вакуумом. Затем НЭ помещается в бокс с небольшим избыточным давлением для целей осушения внутренней поверхности у полюса заливочного отверстия 13, после чего его там же и заваривают.

Вся внешняя поверхность оболочки 1 гидрофобизируется органополисилоксановым составом.

На этом операции по сборке НЭ завершаются.

Изготовленный таким образом НЭ будет обладать родом ценных свойств и улучшенных качеств по сравнению с известным, и это прежде всего определяется особой ролью диафрагмы 6, примененной в его конструкции.

Введение в НЭ диафрагмы 6 с регулярной структурой направлено на решение следующих задач: во-первых, для предельно возможного развития рабочей поверхности электродов 7 и 8 с целью снижения плотности тока; во-вторых, снижения внутреннего сопротивления НЭ, так как с увеличением площади электродов 7 и 8 снижается омическое сопротивление НЭ; в-третьих, создание условий для Максимального использования резерва реагирующих веществ (кадмия в амальгаме 7 и сульфата закиси ртути 10) для поддержания Лостоянства режима работы гальванического первичного элемента, каким является элемент Вестона.

Побочным, но немаловажным эффектом от применения диафрагмы 6 является распределение и фиксация на внутренней поверхности полусферы 3 жидкой ртути 10. а на внутренней поверхности полусферы 2 распределение и фиксация амальгамы кадмия 7, в период когда она разогрета и текуча.

Эти весьма.полезные технические результаты получены как вследствие выбранной геометрии диафрагмы 6 и ее специфической структуры, так и свойством материала диафрагмы.

Как уже упоминалось, материалом диафрагм является стекло, и не только потому, что оно инертно по отношению химических ингредиентов НЭ. Важно то, что краевой

угол в (или угол смачивания) стекла и ртути, как впрочем, стекла и амальгамы кадмия, составляет внд 128-148°. Т.е. стекло практически не смачивается ртутью и амальгамой, представляя собой лиофобную поверхность, и в то же время оно практически идеально смачивается водным раствором соли сульфата кадмия - краевой угол 2О 0°. Следовательно, каналы регулярных пустот в диафрагмах 6 будут вести себя по отношению к ртути и водным растворам по разному: препятствовать проникновению в полости их каналов ртути и амальгамы (согласно законам капиллярного смачивания) и прекрасно смачиваться, втягивать и Удерживать внутри своих полостей гидрофильные вещества: воду, пасту деполяризатора, водный кристаллогидрат сульфата кадмия (согласно тем же законам капиллярного смачивания).

Полусферический (пОлушаровой) слой диафрагмы 6 образован регулярными пустотами (полостями), пронизывающими ее тело насквозь.

Предлагаемый ИЭ при меньших габаритах по сравнению с известным имеет существенно большие значения электродных поверхностей. Из факта развития рабочей поверхности электродов вытекают два важных следствия: повышается стабильность ЭДС при токовых нагрузках, соответствующих токовым нагрузкам, допускаемым у известного элемента и уменьшается значение внутреннего сопротивления, по сравнению с его значением у известного НЭ.

При одинаковых токовых нагрузках предлагаемый НЭ имеет в 200 раз меньшую плотность тока на своих электродах, чем известный, что вызывает значительно меньшее изменение его равновесной ЭДС, т.е. он будет намного стабильней.

Еще одним достоинством предлагаемого НЭ является лучшая устойчивость его к климатическим факторам, меньшая зависимость ЭДС от градиента температуры. Для этого утверждения есть следующие аргументы: конструкция НЭ сферической геометрии имеет, как известно, минимальную поверхность теплопередачи при максимальном объеме и, значит, относительно более инерционна к колебаниям температуры при прочих равных условиях, по сравнению с любой другой формой геометрии НЭ: далее, температурное поле, проникающее внутрь НЭ, будет иметь шаровую симметрию, так как теплоемкость, теплопроводность, и температуропроводимость ртути и амальгамы кадмия (при массовом содержании кадмия в амальгаме 10%) при равенстве их объемов и

Изобретение относится к электротехнике, а именно к нормальным элементам, при-меняемым в качестве меры электродвижущей силы. Цель изобретения - повышение стабильности характеристики, уменьшение внутреннего сопротивления и увеличение срока службы. Нормальный элемент содержит герметичную оболочку 1 из двух полусфер 2 и 3 с токоотводами 4. пористые диафрагмы 6 с регулярной структурой, примыкающие X в1иутренней поверхности оболочки, отрицательный 7 и положительный 8 электроды, расположенные между оболочкой и диафрагмой, деполяризатор 10, размещенный в порах диафрагмы и температурный компенсационный объем 12, выполненный в виде упругой замкнутой полости, 1 з.п.ф-лы, 1 ил.1(Лс>&4jо ю^5^со4^ >&