飽和標(biāo)準(zhǔn)電池
很多校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室仍然使用飽和標(biāo)準(zhǔn)電池作為電壓標(biāo)準(zhǔn)。但是，現(xiàn)在獲得飽和標(biāo)準(zhǔn)電池變得困難了，所以許多新的實(shí)驗(yàn)室可能都使用固態(tài)電壓參考標(biāo)準(zhǔn)作為本地電壓標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室中，固態(tài)電壓參考標(biāo)準(zhǔn)也可能會(huì)取代飽和標(biāo)準(zhǔn)電池。
飽和標(biāo)準(zhǔn)電池的特性
飽和標(biāo)準(zhǔn)電池示于圖7—16。
飽和標(biāo)準(zhǔn)電池有時(shí)又稱為惠斯登(Weston)電池。很多年以來，人們一直把它當(dāng)作可以接受的實(shí)物(artifact)電壓標(biāo)準(zhǔn)。飽和標(biāo)準(zhǔn)電池又稱為“常規(guī)(normal)”電池，以區(qū)別于不飽和標(biāo)準(zhǔn)電池。精心生產(chǎn)、細(xì)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(shí)，飽和標(biāo)準(zhǔn)電池的標(biāo)稱輸出電壓為1.018 3 V，各個(gè)電池的輸出電壓和標(biāo)稱值可能有幾十微伏的差別。
飽和標(biāo)準(zhǔn)電池具有很大的溫度系數(shù)。為了保持電壓穩(wěn)定，飽和標(biāo)準(zhǔn)電池必須在嚴(yán)格控制溫度的環(huán)境下工作。其電動(dòng)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(dòng)勢;
E20——在20℃時(shí)的電動(dòng)勢。
在20℃時(shí)飽和標(biāo)準(zhǔn)電池的凈溫度系數(shù)為-40ppm/℃。它是電池每一個(gè)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(fù)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?yàn)橹皇褂眉訜岬姆椒ǎ韧瑫r(shí)使用加熱和致冷的方法更容易實(shí)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(dāng)電池的溫度發(fā)生變化，接著又回到原來的溫度時(shí)，飽和標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(dá)到一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)間里發(fā)生相當(dāng)大的漂移：
■ 沖擊或振動(dòng)，
■ 傾斜：
■ 在電極上形成氣泡，
■ 電流流入或流出電池。
標(biāo)準(zhǔn)電池的維護(hù)
由于單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池的輸出電壓會(huì)呈現(xiàn)出不可預(yù)測的變化和漂移，所以通常使用一組標(biāo)準(zhǔn)電池來表示伏特。對電池組中的各個(gè)電池進(jìn)行互相比較，以便獲得每個(gè)電池的電壓和電池組電動(dòng)勢的平均值之差。電池組一般包含有4個(gè)電池，放在溫度恒定的箱子里。有的箱子里可以放置多達(dá)12個(gè)電池。
有的時(shí)候人們可能沒有發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電池共用的箱子中的溫度控制失效，這樣就會(huì)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(biāo)準(zhǔn)。這種做法還可以把一組電池當(dāng)作運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到保持溯源性的目的。
每個(gè)電池組中的電池應(yīng)當(dāng)定期進(jìn)行比較，并將測量結(jié)果畫在控制圖上。進(jìn)行比較測量的方法是把兩個(gè)電池反向串聯(lián)起來，使其負(fù)端連在一起，然后用電位差計(jì)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(biāo)準(zhǔn)電池及對它們進(jìn)行比較時(shí)，極為重要的一點(diǎn)是避免讓電流流進(jìn)或流出標(biāo)準(zhǔn)電池。即使飽和標(biāo)準(zhǔn)電池只承受了低到10-15A的電流達(dá)幾分鐘，也能引起其電壓數(shù)值的變化，并且需要很長的時(shí)間才能恢復(fù)。這就是為什么我們要把標(biāo)準(zhǔn)電池反向串聯(lián)，并使用高阻表來進(jìn)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(dòng)化的測試系統(tǒng)來收集數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。標(biāo)準(zhǔn)電池掃描器是專門設(shè)計(jì)的具有非常低的熱電動(dòng)勢的開關(guān)系統(tǒng)。這種掃描器通常可以通過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(yīng)的軟件包配合起來，使測量步驟自動(dòng)化。這樣的系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行適當(dāng)?shù)南嗷ミB接、讀取電壓差值讀數(shù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并把結(jié)果繪制成圖。數(shù)據(jù)證實(shí)(Data Proof)公司的160A和320A標(biāo)準(zhǔn)電池掃描器及其軟件使人們能夠很容易、很方便地實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電池比較工作的自動(dòng)化。這種設(shè)備對于固態(tài)參考電壓標(biāo)準(zhǔn)(如福祿克公司的732B)的自動(dòng)化比較工作也同樣有效。
本地標(biāo)準(zhǔn)電池組之間的相互比較，并不能建立電池組和國家電壓標(biāo)準(zhǔn)相比較的穩(wěn)定性。為了建立溯源性，需要把一組電池，即運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)，從本地實(shí)驗(yàn)室運(yùn)送到國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。
這一過程是相當(dāng)花費(fèi)時(shí)間的。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)電池經(jīng)過運(yùn)輸以后，必須要等待一段時(shí)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(shí)間使其輸出達(dá)到穩(wěn)定，然后才能對其輸出進(jìn)行測量。
運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)返回到用戶的實(shí)驗(yàn)室以后，還必須給電池以足夠的時(shí)間，使其消除運(yùn)輸?shù)挠绊懀_(dá)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(shí)間，電池才能達(dá)到其額定的準(zhǔn)確度。只有到這個(gè)時(shí)候，該電池才能用于校準(zhǔn)工作或者和實(shí)驗(yàn)室保存的其它電池進(jìn)行比較。使用該電池的實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)和處理在返回運(yùn)輸中產(chǎn)生的電池電壓數(shù)值變化。如果只保存一個(gè)電池組或可比較的參考標(biāo)準(zhǔn)，那么這一工作在實(shí)際上是不可能的。因?yàn)樵谕唤M中的標(biāo)準(zhǔn)電池趨向于受到類似的影響。
小結(jié)
飽和標(biāo)準(zhǔn)電池遠(yuǎn)不是一個(gè)理想的電壓標(biāo)準(zhǔn)。它對于負(fù)載電流或充電電流十分敏感。二者都會(huì)引起電池電壓的變化。短路將會(huì)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(fù)的變化。標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械的沖擊、振動(dòng)或溫度的變化都可能引起其輸出電壓發(fā)生變化，而恢復(fù)起來卻很慢。
（轉(zhuǎn)載）
