标准电池之我见

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标准电池概述

1.什么是标准电池
标准电池是用于复现电磁单位制中电压单位伏特的量值的标准量具,是一种化学原电池.其特点是电动势值非常稳定且均接近1.0186伏,常用作计量标准.

2.标准电池的分类
标准电池主要可分为饱和标准电池和不饱和标准电池两类.

饱和标准电池
1893年由英国化学家爱德华·韦斯顿(Edward Weston)发明,因此又称韦斯顿电池.

韦斯顿电池结构

饱和式标准电池的结构如上图所示.标准电池在密封的H形玻璃管的两边,电池阳极为w(Cd)= 0.125的镉汞齐,阴极为汞与硫酸亚汞的糊状体,糊状体下方为汞,由汞与导线接触.电解液充以硫酸镉饱和溶液.电极用白金丝引线引出.

饱和标准电池的特点是:
属于高度可逆的电池,其电动势极为稳定且在1.0186V附近,内阻几乎不随时间变化,没有化学副作用,不发生极化
内阻较大,温度系数较大(约为4×10-5/开),因此在非检定温度使用时,需要通过修正公式修正.电流输出能力很弱,一般要求控制在以微安以下.对机械冲击的敏感性大,饱和式标准电池不允许晃动、侧放,并避免剧烈震动或倒置.过大的电流和机械振荡将使电动势产生不可恢复的改变.

饱和标准电池的温度修正公式为:
En(T )=En(20)-[39.94(T-20)+0.93(T-20)^2-0.009(T-20)^3]
其中En(20)代表饱和标准电池20摄氏度时的电动势值
某些电位差计(如UJ31)中,拥有温度补偿盘,用以补偿所用饱和标准电池的温度系数


不饱和标准电池
不饱和式标准电池的结构与饱和式的基本相似,采用不饱和硫酸镉溶液作为电解质.有的不饱和式标准电池做成单管式,即正极与负极都放在同一个玻璃管中,用多孔隔片隔开.

不饱和标准电池的电动势稳定性较饱和标准电池差,但电动势的温度系数较小,约为5E-6/开左右,不必作温度修正.对机械冲击的敏感性也较小.

3.标准电池的应用
1.做为独立基准的应用

2.在仪器中的应用
在电位差计中用做电压基准

UJ31电位差计测试连接图,图中可见标准电池EN

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标准电池可能做为保存电动势的标准独立存在,也可能存在于电桥等仪器中做为仪器的一部分

BC-9型便携式饱和标准电池是一款常见的标准电池.

  

BC9饱和标准电池合格证明书

BC9的出世纸,1977至今已经很有年头了.小小一张纸片体现了仪器生产过程中的严谨,现在的仪表生产商要好好学习啊!

另外还有BC-3型饱和标准电池,内部封装有两只U型韦斯顿电池.



标准电池的接线柱,一般采用紫铜,其优点是接触电动势低,缺点是易氧化,需要良好的保存环境.

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由于饱和标准电池的电动势高度稳定,如何对它进行测试也是我们基准爱好者关心的一个问题.

因为饱和电池允许输出电流极低,传统的万用电表输入阻抗很难达到要求.甚至饱和标准电池还有说明"严禁用万用电表测量其电势".
因此传统的标准电池测试一般采用的是电位差计,这是一种差动测量方法,因为电位差很低,所以对测试用表的内阻要求不严格.

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直接测量

测量标准电池的方便而直观的方法是直接测量.
由于标准电池的电流输出不应大于0.1uA,这就要求直接测量时,测试用表的输入电阻大于10MOhm.
为了便于观察微弱的电压变化,测试用表应当有较高的电压分辨力

幸运的是,我们现在所使用的高精度数字多用表,一般都能满足其要求.

本次测量采用Advantest R6871E-DC 7.5位数字多用表
被测对象为1980年生产0.0005级BC3型饱和标准电池内部封装电池之一
测试方法为直接测量,BC3型饱和标准电池运输后经过数月的充分静置.为最大限度削除振动对其影响,在夹上测试线后,两小时后才进行测试.


记录开始时间2009-12-15 0:50:00
记录结束时间2009-12-15 2:11:51

记录点数10043个

数据导入excel,并绘图.红线为255点滑动平均

标准差(单位:ppm)
1-200点数据:0.15959
800-1000点数据:0.15506

图为标准差随时间变化情况,取当前时间点之前200个数据,单位ppm

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zhanwei

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饱和标准电池怕过流,怕振动.
现在我们所使用的数字多用表,一般在1V量程都具有比较高的内阻,过流对饱和标准电池的影响已经很低了.
但是爱好者在运输,取用过程中,难免有振动情况发生.因此振动后的恢复情况是我们比较关心的问题.

运输后的电压恢复情况
笔者手头的BC-9标准电池经过运输后,已静置了数星期.
现在再对其进行测试,看其恢复情况如何.

测试时长3229秒
记录点数6603个

从曲线中我们可以直观的看出,标准电池振动,尤其是运输后,需要很长时间去恢复.目前此电池的电动势尚未稳定.

对平常搬运的电压恢复情况
此次参与测试的是1980年生产0.0005级BC3型饱和标准电池

在300点后,用手做振幅1.5CM,频率5HZ左右的振动
500点时,做1cm高度自由落体跌落
600点后,做最大振幅1cm的左右晃动一次

从标准差变化图上,我们更可以看出外界扰动对标准电池对电压的影响,就是标准差增大.

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还得继续.

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1.电位差计的使用(doc文档)
电位差计.zip (95 KB, 下载次数: 14)

2009-12-15 05:35 上传

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2.6871测量BC-9型标准电池的原始数据(txt,10k个数据,格式:电压+时间)
6871E-BC9.zip (13 KB, 下载次数: 9)

2009-12-15 05:35 上传

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lymex

很不错，占位顶。

“这就要求直接测量时,测试用表的输入电阻大于1000Kohm”
以上这句话，前面少了点东西，比如“标准电池输出电流不应大于0.1uA”
因此，输入电阻大于1000kOhm（不是Kohm）也应该改为10MOhm。

另外，标准方差测试得到0.16ppm，还是大了，这要么是干扰，要么是6871本身的干扰。

bgqjm

真的不错，顶一下

lmserver

3609文章不错，照片很清晰。

轩尼诗

3609文章不错，2万德相机照片很清晰。  

3609

引用第8楼lymex于2009-12-15  08:30发表的  :
很不错，占位顶。

“这就要求直接测量时,测试用表的输入电阻大于1000Kohm”
以上这句话，前面少了点东西，比如“标准电池输出电流不应大于0.1uA”
因此，输入电阻大于1000kOhm（不是Kohm）也应该改为10MOhm。

另外，标准方差测试得到0.16ppm，还是大了，这要么是干扰，要么是6871本身的干扰。

多谢老大悉心指导!

我所读到的数据,标准电池最大允许输出电流是1微安.那么计算出1000KOhm的内阻.
可能我所读到的是不严格的要求,多谢老大指点!

逆风草

学习了，收藏。

redtony

学习了

csclz

谢谢，学习

lymex

选自：《JJG 153-1996 标准电池检定规程》
6 标准电池在正常使用时，瞬时允许通过标准电池的电流:一等标准电池不超过0.1uA；二等标准电池不超过0.2uA。
JJG 153-1996 标准电池检定规程.pdf (341 KB, 下载次数: 20)

2009-12-15 18:03 上传

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以下选自《计量知识手册》

azi1974

学习学习！

lilith

记得 lymex 老大说过标准电池的噪声在他的 3458 上都不怎么测得出来  

反正我那跳大神的 3457 接到标准电池上，NPLC=10 都不跳了    不过这 77 年的电池老大说可能老化得厉害的，电压随温度变化得超级厉害  

lymex

我没用过更没有过3457A，如果测试标准电池不跳，那说明3457A本质是好的，测试别的跳，要么是别的基准不好，要么是干扰。当然，3457的基本档是3V，测试标准电池很合适。

另外，表测试基准，排除干扰外。跳动/噪音是二者共同的作用，遵从直角三角形合成原理（RSS--方均根）。

家有开心果

标准电池的接线柱,一般采用紫铜,其优点是接触电动势低,缺点是易氧化,需要良好的保存环境
我看照片上不是紫铜，是黄铜吧？
另外要有温度记录才能真实反映出标准电池受振动的影响吧，虽然它有隔热的外壳。

lilith

但是老大有 3458A 阿，3458A 速度更快吧    我一直在想，速度快的表是否本底噪声也比较大？

lymex

同一个表，速度快则噪音大，不同的表当然不同，3458A这一点表现超群。详见噪音的那帖，第四部分“万用表测试噪音”：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=998

lymex

引用第21楼家有开心果于2009-12-16  10:42发表的  :
标准电池的接线柱,一般采用紫铜,其优点是接触电动势低,缺点是易氧化,需要良好的保存环境
我看照片上不是紫铜，是黄铜吧？
另外要有温度记录才能真实反映出标准电池受振动的影响吧，虽然它有隔热的外壳。

很多人黄铜、紫铜、纯铜不分的。我买了一些U叉卖家说是纯铜的，到手看原来是黄铜。

lilith

老大的帖早就拜读过了，所以有此一问。3457A 设置不同的 NPLC 跳得也不一样，显然的 NPLC = 100 就不大跳了    NPLC = 1 除了用 3V 测标准电池，都跳的厉害，末位至少跳两个字。

看了下老大的 3458A 的 6 位半（在 NPLC=0.01 和 0.1 时）速度是 5300 次/秒和 590次/秒，这可真是够快的，不知道还有哪些表的速度是超过 50 次/秒的？