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標(biāo)準(zhǔn)電池的等級一般由國家計量部門制定的國家計量檢定系統(tǒng)表和有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定。中華人民共和國規(guī)定,作為計量標(biāo)準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)電池,按其在計量檢定系統(tǒng)表中的位置分為計量基準(zhǔn)、計量標(biāo)準(zhǔn)和工作計量器具三檔。按計量檢定系統(tǒng)表的規(guī)定,較低檔標(biāo)準(zhǔn)電池的量值由較高檔傳遞。

直流電動勢基準(zhǔn)是最高檔的標(biāo)準(zhǔn)電池,保存在國家計量技術(shù)機構(gòu),用于復(fù)現(xiàn)和保存法定電壓單位。為了提高電動勢基準(zhǔn)量值的穩(wěn)定性,通常用多個高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)電池組成基準(zhǔn)組,取其電動勢值的平均值作為所保存的電動勢量值。直流電動勢基準(zhǔn)組的年變化為 10-7量級。其電動勢值的絕對值需用絕對測定的方法來確定(見電單位的絕對測定)。絕對測定的不確定度(見電磁測量誤差)為10-6量級。

為了使用方便,標(biāo)準(zhǔn)電池的穩(wěn)定度也常用級別來表示。例如0.01級標(biāo)準(zhǔn)電池,表示其年變化在規(guī)定的參考條件下小于0.01%。中國的標(biāo)準(zhǔn)電池從0.0002~0.02級,共分為7個級別。

飽和標(biāo)準(zhǔn)電池和不飽和標(biāo)準(zhǔn)電池的結(jié)構(gòu)基本相同,正極為汞(Hg)、負(fù)極為鎘汞齊(Hg Cd齊),二者的區(qū)別在于飽和電池的硫酸鎘(CdSO4)溶液飽和,并有適量的硫酸鎘晶體(見附圖)。飽和標(biāo)準(zhǔn)電池的內(nèi)阻約為700Ω,隨著時間的增加,內(nèi)阻逐漸稍有增大。若從標(biāo)準(zhǔn)電池中輸出電流,則端電壓要下降。因此,使用標(biāo)準(zhǔn)電池作為標(biāo)準(zhǔn)的電路時必須具有非常高的阻抗。不過,從標(biāo)準(zhǔn)電池中瞬時輸出電流,一般并不永久損壞標(biāo)準(zhǔn)電池,但恢復(fù)原狀要花時間。一只良好的標(biāo)準(zhǔn)電池若短路1s,要花約6h才能恢復(fù)。 質(zhì)地優(yōu)良的飽和標(biāo)準(zhǔn)電池具有長期穩(wěn)定的電動勢。不過,會受機械沖擊、熱沖擊或溫度變化的影響。通常,機械沖擊的影響比溫度變化影響小,幾小時甚至幾分鐘就能恢復(fù)。只要電池處于良好狀態(tài),運輸后的標(biāo)準(zhǔn)電池也能在幾天之內(nèi)恢復(fù)原狀。當(dāng)然,對劇烈的振動仍應(yīng)避免。

溫度變化對標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢影響很大,這種影響有兩種形式:一是電動勢隨溫度變化,二是滯后影響。

標(biāo)準(zhǔn)電池不允許晃動、側(cè)放,并避免劇烈震動或倒置,否則會引起不可逆的變化,甚至損壞。標(biāo)準(zhǔn)電池不能作為輸出電功率的原電池,在使用時通過標(biāo)準(zhǔn)電池的電流一般不能超過 1微安。過大的電流將使電動勢產(chǎn)生不可恢復(fù)的改變。

飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢的溫度系數(shù)較大,約為4×10-5/開,一般情況下應(yīng)該保證檢定時和使用時的溫度相一致。如果兩者有差別,則需要用插值公式進行修正。在精密測量中,為了保證標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢值的穩(wěn)定,需要把標(biāo)準(zhǔn)電池放在自動控制溫度的油槽中。油槽的溫度變化范圍約為±0.01開,高質(zhì)量的油槽可達到±0.001開。70年代以來,發(fā)展了用電子裝置控制的空氣恒溫槽,其溫度穩(wěn)定性較高,而且可以做成便攜式的,因而得到廣泛使用。

不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢的溫度系數(shù)較小,約為5×10-6/開左右,對機械沖擊的敏感性也較小。其缺點是穩(wěn)定性不如飽和式的高。不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的年變化約為(50~100)×10-6。

由于標(biāo)準(zhǔn)電池有脆弱、不易運輸、溫度系數(shù)較大等缺點,20世紀(jì)70年代以來發(fā)展了一系列可用作電壓標(biāo)準(zhǔn)的精密穩(wěn)壓二極管,端電壓為1~10伏,溫度系數(shù)小于1×10-6/開,年變化可小于2×10-6,在很多場合下可取代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電池。

從標(biāo)準(zhǔn)電池的原理、結(jié)構(gòu)、特性可知,在使用標(biāo)準(zhǔn)電池時需注意以下五點。

1、標(biāo)準(zhǔn)電池不允許傾斜,更不允許搖晃和倒置,否則會使玻璃管內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)混成一體,從而影響電動勢值和穩(wěn)定性,甚至不能使用。凡運輸后的標(biāo)準(zhǔn)電池必須靜置足夠時間后才能再用;凡被顛倒過的電池經(jīng)考核合格后方可使用。

2、不能過載。標(biāo)準(zhǔn)電池一般僅允許通過小于1μA的電流,否則會因極化而引起電動勢不穩(wěn)定;流過標(biāo)準(zhǔn)電池的電流不能超過允許值;不要用手同時觸摸兩個端鈕,以防人體將兩極短路;絕不允許用電壓表或萬用表去測量標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢值,因為這種儀表的內(nèi)阻不夠大,會使電池放電電流過大。

3、使用和存放的溫度、濕度必須符合規(guī)定。溫度波動要小,以防滯后效應(yīng)帶來誤差。溫度梯度要小,以防兩電極溫度不一致,若兩極間溫度差為0.1℃,則會有約30pV的電動勢偏差。因此,電池附近不能有冷源、熱源,移動到新溫度下時必須保持恒溫一段時間后方可使用。

4、不應(yīng)受陽光、燈光直射。因為標(biāo)準(zhǔn)電池的去極化劑硫酸亞汞是一種光敏物質(zhì),受光照后會變質(zhì),將使極化和滯后都變得嚴(yán)重。

5、標(biāo)準(zhǔn)電池的極性不能接反。由于齊納二極管的端電壓與反向電流在小范圍內(nèi)的波動幾乎無關(guān),也可將其作為電動勢標(biāo)準(zhǔn),用于儀器中,代替標(biāo)準(zhǔn)電池。