Het Weston-normaalelement
Dit normaal-element, zo genoemd vanwege zijn uiterst stabiele eigenschappen, is ontworpen in 1893 door Edward Weston (middelste foto), tevens de uitvinder van de moderne draaispoelmeter.In 1908 werd door het Bureau International des Poids et Mesures als internationale volt gedefinieerd: 1/1.018580 van de electromotorische kracht (emk) van een vers Weston-element bij 20 °C.
Deze standaard-volt werd 'draagbaar' genoemd, want hij kon - anders dan bijvoorbeeld de standaard-meter - in ijklaboratoria en bij producenten van meetapparatuur exact worden gereproduceerd.
De int volt was gegeven de toenmalige meettechnieken de zo goed mogelijke benadering van de alleen op papier te definieren eenheid volt, die paste bij de (destijds gebruikelijke) basiseenheden centimeter, gram en seconde.
De huidige definitie van de volt in het Système Internationale maakt dat de bronspanning van een Westonelement - al is er aan het principe sinds 1893 niets aan veranderd - met een na 1990 geijkt instrument gemeten wordt als 1.018916 volt [1].
De emk (bronspanning) kan alleen worden gemeten in een brugschakeling, of tegenwoordig ook met een electronische voltmeter met zeer hoge ingangsimpedantie (10 MΩ of meer). Als het element te veel stroom moet leveren (meer dan ca 0.1 μA) duurt het geruime tijd voor het zich daarvan hersteld heeft. Na kortsluiting is het element zeker niet meer betrouwbaar. Doordat de bronspanning met plus of min 85 μV per jaar kan veranderen was de levensduur als erkende standaardreferentie beperkt to ca 10 jaar.
Het getoonde element (linker foto) is afkomstig uit een Engelse compensator uit omstreeks 1950. Ik heb het element ingebouwd in een nieuw kastje. Met een Fluke 83 multimeter (ingangsweerstand 10MΩ) heb ik bij 25 °C een spanning van 1,019 V gemeten. De werkelijke spanning ligt dan tussen 1,017 V en 1,021 V, gegeven de specificatie van de meternauwkeurigheid: 0.1% van de aflezing + 1 minst significante eenheid. De bronspanning is bij 25 °C ongeveer 25 μV hoger dan bij 20 °C, maar deze correctie, en het feit dat deze cel zeker niet 'vers' meer is vallen buiten de opmerkzaamheid van dit toch niet eerste-de-beste meetinstrument.
Deze cel is van het 'onverzadigde' type; dit werd verreweg het meest toegepast omdat het werkelijk vervoerbaar is, je kunt het zelfs zonder problemen op zijn kop zetten.
Het normaal-element van Weston bestaat uit glazen buisjes van H-vorm. In een van de beenen bevindt zich als positieve electrode kwik, waarover eene brij, die gemaakt is uit mercuro-sulphaat, kristallen van cadmium-sulphaat, eene geconcentreerde oplossing van cadmium-sulphaat en kwikzilver. De negatieve electrode in het andere been bestaat uit een amalgama van 1 deel cadmium en 6 deelen kwik en is met eene laag kristallen van cadmium-sulphaat bedekt. Het overige deel van de buisjes wordt met eene geconcentreerde cadmium-oplossing gevuld. De electromotorische kracht (1,026 Volt) verandert boven de 15 °C niet bij eene verhoging van temperatuur.
De Westoncel wordt tegenwoordig niet meer gebruikt. In plaats ervan wordt meestal de Zenerdiode gebruikt, in laboratorium-spanningsreferenties maar ook ingebed in toepassingen zoals analoog-digitaal converters.
De rol van de Westoncel als officiële standaard is overgenomen door de Josephson-junctie. Dit is als het ware een ideale frequentie-spanning converter, die het mogelijk maakt de eenheid volt exact aan de eenheid seconde te verbinden. Hoewel het quantummechanische Josephson-effect zich afspeelt in de buurt van het absolute nulpunt (in supergeleiders), is deze standaard toch 'draagbaar' in de eerder genoemde zin.
[1] http://iupac.org/publications/analytical_compendium/Cha01sec6.pdf.
[2] De tekening rechts is uit L. Graetz, 'Die Elektrizität', 1912.
[3] De foto van Weston is ontleend aan E. Matsumoto: 'Edward Weston', IEEE Instr. & Meas. Mag., June 2003.
