飽和標準電池
很多校準實驗室仍然使用飽和標準電池作為電壓標準。但是，現(xiàn)在獲得飽和標準電池變得困難了，所以許多新的實驗室可能都使用固態(tài)電壓參考標準作為本地電壓標準。在現(xiàn)有的實驗室中，固態(tài)電壓參考標準也可能會取代飽和標準電池。
飽和標準電池的特性
飽和標準電池示于圖7—16。
飽和標準電池有時又稱為惠斯登(Weston)電池。很多年以來，人們一直把它當作可以接受的實物(artifact)電壓標準。飽和標準電池又稱為“常規(guī)(normal)”電池，以區(qū)別于不飽和標準電池。精心生產(chǎn)、細心使用的電池呈現(xiàn)出很好的電壓一致性和很長的使用期限。在20℃時，飽和標準電池的標稱輸出電壓為1.018 3 V，各個電池的輸出電壓和標稱值可能有幾十微伏的差別。
飽和標準電池具有很大的溫度系數(shù)。為了保持電壓穩(wěn)定，飽和標準電池必須在嚴格控制溫度的環(huán)境下工作。其電動勢E1和溫度之間的關(guān)系方程式為：
E1-E20=[-40.6(t-20)+0.95(t-20)2 -0.01(t-20)3]×10-6
式中:
Et——在給定溫度t的電動勢;
E20——在20℃時的電動勢。
在20℃時飽和標準電池的凈溫度系數(shù)為-40ppm/℃。它是電池每一個臂的溫度系數(shù)的代數(shù)和。其中，在正端的溫度系數(shù)為+0. 000 31 V/℃，在負端為-0.000 35 V/℃。
電池的兩臂必須保持在相同的恒定溫度之下，才能保證電池具有低而穩(wěn)定的總溫度系數(shù)。通常把電池放在溫度恒定的油槽或空氣槽中。油槽或空氣槽一般在高于室內(nèi)環(huán)境的溫度下工作。這是因為只使用加熱的方法，比同時使用加熱和致冷的方法更容易實現(xiàn)精密溫度控制。商品化的電池箱一般工作在大約30℃的溫度下。
當電池的溫度發(fā)生變化，接著又回到原來的溫度時，飽和標準電池的輸出電壓表現(xiàn)出很大的變化或滯后現(xiàn)象。溫度發(fā)生變化以后，電池的電動勢就不再穩(wěn)定，然后，其電壓慢慢地漂移回到原來的數(shù)值或達到一個新的穩(wěn)定值。電池電壓的漂移可能持續(xù)60天到90天之后，才回到原來數(shù)值的0.5ppm之內(nèi)。
飽和標準電池除了對溫度的變化非常敏感以外，下列的各種因素都可能使得電池組在更長的時間里發(fā)生相當大的漂移：
■ 沖擊或振動，
■ 傾斜：
■ 在電極上形成氣泡，
■ 電流流入或流出電池。
標準電池的維護
由于單個標準電池的輸出電壓會呈現(xiàn)出不可預測的變化和漂移，所以通常使用一組標準電池來表示伏特。對電池組中的各個電池進行互相比較，以便獲得每個電池的電壓和電池組電動勢的平均值之差。電池組一般包含有4個電池，放在溫度恒定的箱子里。有的箱子里可以放置多達12個電池。
有的時候人們可能沒有發(fā)現(xiàn)標準電池共用的箱子中的溫度控制失效，這樣就會影響箱子里所有的電池。為此，通常使用幾組電池(可能是3組或4組電池)來有把握地保存精密的電壓標準。這種做法還可以把一組電池當作運輸標準，以達到保持溯源性的目的。
每個電池組中的電池應當定期進行比較，并將測量結(jié)果畫在控制圖上。進行比較測量的方法是把兩個電池反向串聯(lián)起來，使其負端連在一起，然后用電位差計或高阻微伏表測量其電壓差。已經(jīng)開發(fā)出的測試方案，能夠用最少的測量次數(shù)來獲得需要的信息。在NBS技術(shù)文章430(NBS Technical Note 430)(1967年10月9日)中對這種方案作了概述。
在使用標準電池及對它們進行比較時，極為重要的一點是避免讓電流流進或流出標準電池。即使飽和標準電池只承受了低到10-15A的電流達幾分鐘，也能引起其電壓數(shù)值的變化，并且需要很長的時間才能恢復。這就是為什么我們要把標準電池反向串聯(lián)，并使用高阻表來進行測量的原因。小的電壓差和高的電阻意味著很低的電流。
可以使用自動化的測試系統(tǒng)來收集數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進行統(tǒng)計分析。標準電池掃描器是專門設計的具有非常低的熱電動勢的開關(guān)系統(tǒng)。這種掃描器通?？梢酝ㄟ^IEEE 488接口程控。這樣，它就可以和可程控的DMM、合適的控制器以及相應的軟件包配合起來，使測量步驟自動化。這樣的系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵剡M行適當?shù)南嗷ミB接、讀取電壓差值讀數(shù)、對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并把結(jié)果繪制成圖。數(shù)據(jù)證實(Data Proof)公司的160A和320A標準電池掃描器及其軟件使人們能夠很容易、很方便地實現(xiàn)標準電池比較工作的自動化。這種設備對于固態(tài)參考電壓標準(如福祿克公司的732B)的自動化比較工作也同樣有效。
本地標準電池組之間的相互比較，并不能建立電池組和國家電壓標準相比較的穩(wěn)定性。為了建立溯源性，需要把一組電池，即運輸標準，從本地實驗室運送到國家標準實驗室。
這一過程是相當花費時間的。因為標準電池經(jīng)過運輸以后，必須要等待一段時間使它穩(wěn)定下來。例如，NIST收到電池以后，可能要等待幾周的時間使其輸出達到穩(wěn)定，然后才能對其輸出進行測量。
運輸標準返回到用戶的實驗室以后，還必須給電池以足夠的時間，使其消除運輸?shù)挠绊?，達到穩(wěn)定。如果溫度未能保持恒定，則可能需要等待10到12周的時間，電池才能達到其額定的準確度。只有到這個時候，該電池才能用于校準工作或者和實驗室保存的其它電池進行比較。使用該電池的實驗室，應負責發(fā)現(xiàn)和處理在返回運輸中產(chǎn)生的電池電壓數(shù)值變化。如果只保存一個電池組或可比較的參考標準，那么這一工作在實際上是不可能的。因為在同一組中的標準電池趨向于受到類似的影響。
小結(jié)
飽和標準電池遠不是一個理想的電壓標準。它對于負載電流或充電電流十分敏感。二者都會引起電池電壓的變化。短路將會引起電池更大的損壞，并能使電池的輸出電壓發(fā)生不可恢復的變化。標準電池的溫度系數(shù)很高，因此電池必須放在精密控制溫度的箱子內(nèi)。機械的沖擊、振動或溫度的變化都可能引起其輸出電壓發(fā)生變化，而恢復起來卻很慢。
（轉(zhuǎn)載）
