Sensationelle Technik von früher: das Weston-Normalelement

Wer heute eine Spannung präzise messen will, verlässt sich auf Halbleiter-Referenzen oder, in den nationalen Instituten, auf den Josephson-Effekt der Quantenphysik. Bis vor wenigen Jahrzehnten war das ganz anders: Grundlage des Volt war eine chemische Zelle, kaum größer als eine Hand. Das Weston-Normalelement ist ein Stück Messtechnik-Geschichte, das bis heute beeindruckt.

Die Erfindung

Erfunden hat das Normalelement der Elektrotechniker Edward Weston, der es 1893 patentieren ließ. Es löste die ältere Clark-Zelle ab, deren Spannung stark von der Temperatur abhing. Westons Zelle war deutlich unempfindlicher und setzte sich schnell durch: Ab 1908 bildete sie die Grundlage des Volt in den USA, ab 1911 war sie international als Normal für die elektrische Spannung anerkannt.

Die pfiffige Idee

Das Weston-Element ist eine galvanische Zelle, im Prinzip also eine Batterie. Es besteht aus einem H-förmigen Glasgefäß. Im einen Schenkel liegt Cadmium-Amalgam, im anderen Quecksilber mit einer Paste aus Quecksilbersulfat. Beide sind über eine Cadmiumsulfat-Lösung verbunden.

Der Trick steckt im Elektrolyten: Die Lösung ist gesättigt, und am Boden liegen zusätzlich Cadmiumsulfat-Kristalle. Verändert sich die Konzentration, lösen sich Kristalle auf oder es fallen neue aus. Die Konzentration stellt sich so immer von selbst auf denselben Wert ein.

Damit hängt die Spannung nicht mehr davon ab, wie viel Material noch vorhanden ist oder wie alt die Zelle ist. Sie wird allein von der Chemie der beteiligten Stoffe bestimmt: rund 1,0186 V bei 20 °C. Eine Batterie, die nicht leer wird und deren Spannung von einer Naturkonstante der Chemie festgelegt ist, das war die geniale Idee.

Erstaunlich stabil

Die Stabilität gut gepflegter Weston-Elemente war beeindruckend. Die US-Normungsbehörde NBS (heute NIST) beobachtete Driften von nur einigen Teilen in 10⁸ pro Jahr. Bei 1 V sind das wenige zehn Nanovolt im Jahr. Nationale Institute betrieben ganze Gruppen solcher Zellen in temperaturgeregelten Bädern und verglichen sie regelmäßig untereinander. Zellen, die vom Mittelwert abwichen, wurden aussortiert.

Für den Einsatz außerhalb der Institute gab es eine ungesättigte Bauform. Sie hängt weniger stark von der Temperatur ab und war daher praktischer, driftete aber merklich, etwa 80 µV pro Jahr, und musste regelmäßig gegen eine gesättigte Zelle kalibriert werden. Solche Zellen steckten in Kompensatoren und Präzisionsmessgeräten weltweit (Im Foto Bild ist eine Zelle des Herstellers Muirhead & Co. Ltd. aus einem hochauflösenden Multimeter zu sehen)

Die Schwächen

So genial die Idee war, im Alltag war das Weston-Element eine Diva:

• Keine Last: Es durfte praktisch kein Strom entnommen werden. Gemessen wurde nur im Abgleich, etwa mit einem Kompensator, bei dem im Moment der Messung kein Strom fließt.
• Temperatur: Die gesättigte Zelle ändert ihre Spannung mit der Temperatur und braucht nach Temperaturänderungen Zeit, bis sie wieder stabil ist.
• Transport: Erschütterungen, Kippen oder Transport konnten die Spannung verändern. Ein Normal einfach zur Kalibrierung zu verschicken, war riskant. Viele Zellen trugen deshalb eine Markierung wie ‘TOP’, damit sie immer aufrecht eingebaut und transportiert wurden.
• Inhaltsstoffe: Quecksilber und Cadmium sind giftig. Heute wäre ein solches Bauteil kaum noch zulässig.

Warum es ausgestorben ist

Den Todesstoß versetzte dem Weston-Element die Quantenphysik. Der Josephson-Effekt verknüpft eine Spannung mit einer Frequenz und einer Naturkonstante. Damit lässt sich das Volt überall auf der Welt identisch und mit bis dahin unerreichter Genauigkeit darstellen. Seit dem 1. Januar 1990 ist das Josephson-Normal international die Grundlage des Volt.

Für den Laboralltag übernahmen Halbleiter-Referenzen mit Zener-Dioden die Aufgabe. Sie sind belastbar, robust, transportabel und kommen ohne giftige Stoffe aus. In Kalibrierlaboren wie unserem sind sie heute das Arbeitspferd für die Weitergabe des Volt.

Das Weston-Element hat damit fast hundert Jahre lang die Spannungsmessung der Welt getragen. Eine beachtliche Leistung für ein kleines Glasgefäß.