饱和标准电池

　　很多校准实验室仍然使用饱和标准电池作为电压标准。但是，现在获得饱和标准电池变得困难了，所以许多新的实验室可能都使用固态电压参考标准作为本地电压标准。在现有的实验室中，固态电压参考标准也可能会取代饱和标准电池。

　　饱和标准电池的特性

　　饱和标准电池示于图7—16。

　　饱和标准电池有时又称为惠斯登(Weston)电池。很多年以来，人们一直把它当作可以接受的实物(artifact)电压标准。饱和标准电池又称为“常规(normal)”电池，以区别于不饱和标准电池。精心生产、细心使用的电池呈现出很好的电压一致性和很长的使用期限。在20℃时，饱和标准电池的标称输出电压为 3 V，各个电池的输出电压和标称值可能有几十微伏的差别。

　　饱和标准电池具有很大的温度系数。为了保持电压稳定，饱和标准电池必须在严格控制温度的环境下工作。其电动势E1和温度之间的关系方程式为：

　　E1-E20=[-40.6(t-20)+(t-20)2 (t-20)3]×10-6

　　式中:

　　Et——在给定温度t的电动势;

　　E20——在20℃时的电动势。

　　在20℃时饱和标准电池的净温度系数为-40ppm/℃。它是电池每一个臂的温度系数的代数和。其中，在正端的温度系数为+0. 000 31 V/℃，在负端为 35 V/℃。

　　电池的两臂必须保持在相同的恒定温度之下，才能保证电池具有低而稳定的总温度系数。通常把电池放在温度恒定的油槽或空气槽中。油槽或空气槽一般在高于室内环境的温度下工作。这是因为只使用加热的方法，比同时使用加热和致冷的方法更容易实现精密温度控制。商品化的电池箱一般工作在大约30℃的温度下。

　　当电池的温度发生变化，接着又回到原来的温度时，饱和标准电池的输出电压表现出很大的变化或滞后现象。温度发生变化以后，电池的电动势就不再稳定，然后，其电压慢慢地漂移回到原来的数值或达到一个新的稳定值。电池电压的漂移可能持续60天到90天之后，才回到原来数值的之内。

　　饱和标准电池除了对温度的变化非常敏感以外，下列的各种因素都可能使得电池组在更长的时间里发生相当大的漂移：

　　■ 冲击或振动，

　　■ 倾斜：

　　■ 在电极上形成气泡，

　　■ 电流流入或流出电池。

　　标准电池的维护

　　由于单个标准电池的输出电压会呈现出不可预测的变化和漂移，所以通常使用一组标准电池来表示伏特。对电池组中的各个电池进行互相比较，以便获得每个电池的电压和电池组电动势的平均值之差。电池组一般包含有4个电池，放在温度恒定的箱子里。有的箱子里可以放置多达12个电池。

　　有的时候人们可能没有发现标准电池共用的箱子中的温度控制失效，这样就会影响箱子里所有的电池。为此，通常使用几组电池(可能是3组或4组电池)来有把握地保存精密的电压标准。这种做法还可以把一组电池当作运输标准，以达到保持溯源性的目的。

　　每个电池组中的电池应当定期进行比较，并将测量结果画在控制图上。进行比较测量的方法是把两个电池反向串联起来，使其负端连在一起，然后用电位差计或高阻微伏表测量其电压差。已经开发出的测试方案，能够用最少的测量次数来获得需要的信息。在NBS技术文章430(NBS Technical Note 430)(1967年10月9日)中对这种方案作了概述。

　　在使用标准电池及对它们进行比较时，极为重要的一点是避免让电流流进或流出标准电池。即使饱和标准电池只承受了低到10-15A的电流达几分钟，也能引起其电压数值的变化，并且需要很长的时间才能恢复。这就是为什么我们要把标准电池反向串联，并使用高阻表来进行测量的原因。小的电压差和高的电阻意味着很低的电流。

　　可以使用自动化的测试系统来收集数据，并对结果进行统计分析。标准电池扫描器是专门设计的具有非常低的热电动势的开关系统。这种扫描器通常可以通过IEEE 488接口程控。这样，它就可以和可程控的DMM、合适的控制器以及相应的软件包配合起来，使测量步骤自动化。这样的系统能够对电池进行适当的相互连接、读取电压差值读数、对数据进行统计分析，并把结果绘制成图。数据证实(Data Proof)公司的160A和320A标准电池扫描器及其软件使人们能够很容易、很方便地实现标准电池比较工作的自动化。这种设备对于固态参考电压标准(如福禄克公司的732B)的自动化比较工作也同样有效。

　　本地标准电池组之间的相互比较，并不能建立电池组和国家电压标准相比较的稳定性。为了建立溯源性，需要把一组电池，即运输标准，从本地实验室运送到国家标准实验室。

　　这一过程是相当花费时间的。因为标准电池经过运输以后，必须要等待一段时间使它稳定下来。例如，NIST收到电池以后，可能要等待几周的时间使其输出达到稳定，然后才能对其输出进行测量。

　　运输标准返回到用户的实验室以后，还必须给电池以足够的时间，使其消除运输的影响，达到稳定。如果温度未能保持恒定，则可能需要等待10到12周的时间，电池才能达到其额定的准确度。只有到这个时候，该电池才能用于校准工作或者和实验室保存的其它电池进行比较。使用该电池的实验室，应负责发现和处理在返回运输中产生的电池电压数值变化。如果只保存一个电池组或可比较的参考标准，那么这一工作在实际上是不可能的。因为在同一组中的标准电池趋向于受到类似的影响。

　　小结

　　饱和标准电池远不是一个理想的电压标准。它对于负载电流或充电电流十分敏感。二者都会引起电池电压的变化。短路将会引起电池更大的损坏，并能使电池的输出电压发生不可恢复的变化。标准电池的温度系数很高，因此电池必须放在精密控制温度的箱子内。机械的冲击、振动或温度的变化都可能引起其输出电压发生变化，而恢复起来却很慢。