直流电动势工作基准检定规程

JJG719—20211直流电动势工作基准检定规程1范围本规程适用于直流电动势工作基准计量器具的首次检定、后续检定和使用中检查。2引用文件本规程引用了下列文件:GB3929—1983标准电池凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规程;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规程。3术语和计量单位3.1直流电动势副基准装置facilityofsecondarystandardofDCelectromotiveforce用于保存直流电压主基准或直流电压作证基准复现电压单位的装置,可开展相应的量值传递工作。该装置由直流电动势副基准器、电动势差值测量系统、温度测量系统及恒温油槽组成。3.2直流电动势工作基准装置facilityofworkingstandardofDCelectromotiveforce用于保存直流电动势副基准传递电压单位的装置,可开展相应的量值传递工作。该装置由直流电动势工作基准器、电动势差值测量系统、温度测量仪表及恒温油槽组成。3.3差值法differencemethod通过测量被测量和参考量的差值来获得与测量结果有关的数据,对该数据进行运算得到测量结果的测量方法。本规程中的被测量可以是作为标准的标准电池的电动势值,也可以是作为被检的标准电池的电动势值;参考量是指过渡用标准电池的电动势值,或其他仪器输出与标准电池电动势值特性相当的电压值。3.4差值替代法differencesubstitutionmethod替代法是一种异时比较法,由已知被测量确定一个测量系统的工作参数,保持工作参数不发生变化,用未知被测量代替已知被测量,从测量系统中获取与测量结果有关数据的测量方法。差值替代法是指替代法中相互替代的被测量为一个差值的测量方法。3.5闭环对称观测法closedloopsymmetricalobservationmethod采用差值替代法进行测量时,被测量数量较多,测量持续的时间较长,测量系统的工作参数要随时间发生变化,这种变化以线性变化为主。为了消除线性变化带来的系统误差,把所有参与测量的被测量按时间顺序进行等时两次测量,第一次正顺序测量,第二次反顺序进行测量,每一个被测量的两次测量数据的平均值作为计算测量结果的依据,这种测量方法称为闭环对称观测法。24概述直流电动势工作基准器通常由6只或10只饱和标准电池组成。饱和标准电池正极为汞,负极为10%的镉汞齐[Gd(Hg)],正极上覆盖有一层硫酸亚汞(Hg2SO4)糊状物,电解液为硫酸镉饱和水溶液。电解液中存在硫酸镉结晶体(3CdSO4·8H2O)及少量硫酸,所有化学物质密封在“H”形的玻璃管内,其结构见图1。在20℃时电池的电动势值约为1.0186V。图1饱和标准电池的结构示意图1—汞(Hg),标准电池的正极;2—10%的镉汞齐[Gd(Hg)],标准电池的负极;3—硫酸亚汞(Hg2SO4),去极剂;4—硫酸镉结晶体(3CdSO4·8H2O);5—硫酸镉饱和水溶液,电解液;6—铂引线;7—玻璃容器标准电池的电路符号为“”。饱和标准电池具有以下特点:a)电动势值与保存的温度有关温度恒定电动势才有可能稳定。对直流电动势工作基准器中饱和标准电池通常给出20℃下标准电池电动势值,若使用时保存标准电池的温度偏离20℃,相应温度下电动势值按公式(1)计算。Et=E20-[a(t-20)+b(t-20)2-c(t-20)3]×10-6(1)式中:Et—在温度t时的电动势值,V;JJG719—20213E20—在温度20℃时的电动势值,V;a—一次温度系数39.9,V/℃;b—二次温度系数0.94,V/℃2;c—三次温度系数0.009,V/℃3;t—标准电池保存温度,℃。b)电动势值具有滞后效应当标准电池受到突然的温度变化时,其电动势值不能立即随温度的变化而变化,要消除滞后效应,必须恒温足够的时间,通常在7天左右,个别标准电池消除滞后效应时间会更长。c)具有较大的内阻且不能进行充放电新生产的标准电池内阻一般小于700Ω;标准电池充放电会改变其电动势值,严重时可能永久性受到损坏,瞬时允许通过的电流应不大于0.1μA。d)具有不可恢复性正负极短路或使用时充放电电流太大;倒置或倾斜超过45°;运输过程中温度超出(15~25)℃。这几种情况都可能造成不可恢复的后果。直流电动势工作基准装置用于对一等及以下标准电池进行量值传递工作。检定直流电动势工作基准的装置为直流电动势副基准装置。5计量性能要求5.1电动势范围20℃下工作基准电动势值的范围为(1.0186000~1.0186700)V。5.2稳定性指标5.2.1年稳定性工作基准电池组中单只标准电池电动势值年变化不超过1.0μV,整组工作基准组中各标准电池电动势平均值年变化不超过0.7μV。5.2.2短期稳定性测量期间工作基准电池组中单只标准电池电动势变化不超过0.3μV。6通用技术要求工作基准电池组应具有下列标志:名称、型号、产品编号、制造厂名、正负极标志,接线柱旁应有对应的标准电池序号等。非控温标准电池应有漏油孔。7计量器具控制7.1检定条件7.1.1环境条件环境温度:20℃±1℃,相对湿度:40%~75%。7.1.2所使用的计量标准器及配套设备JJG719—202147.1.2.1直流电动势副基准器直流电动势副基准器通常由10只到20只饱和标准电池组成,电动势值溯源到直流电压基准或直流电压作证基准,电动势值范围为(1.0186000~1.0186700)V,单只年变化不超过0.5μV,成组年变化不超过0.2μV。7.1.2.2恒温油槽恒温油槽用于存放直流电动势副基准器及被检的直流电动势工作基准电池及其他参与测量的饱和标准电池的设备,变压器油或白矿油作为恒温介质。测量期间恒温油槽的温度稳定性及均匀性指标见表1,测温方法见附录D。表1恒温油槽温度稳定性及均匀性项目短期稳定性/℃长期稳定性/℃水平梯度/℃垂直梯度/℃要求0.00050.0010.0010.0017.1.2.3电压差值测量系统电压差值测量系统主要有两种类型,标准电池比较仪测量电压差值的系统及数字电压表测量电压差值的系统。a)标准电池比较仪测量电压差值的系统系统包括标准电池比较仪、检流计及光电放大器、过渡标准电池、校准工作电流用标准电池、稳定的供电电源及切换开关等。标准电池比较仪测量范围为1.0179000V~1.0202110V,准确度等级为0.01级;检流计及光电放大器灵敏度为0.1μV变化1格;过渡标准电池不低于0.005级,短期稳定性应优于0.2μV/60min,内阻应小于300Ω;校准工作电流用标准电池不应低于0.005级;切换开关的热电势应不大于0.05μV。b)数字电压表测量电压差值的系统包括精密数字电压表、过渡标准电池、低热电势程控开关、计算机及控制软件等。精密数字电压表分辨力应不大于0.01μV,数字电压表(预热后)5min的电压变差应小于0.05μV,24h的最大允许误差为±0.3μV。过渡标准电池不低于0.005级,内阻应小于300Ω;低热电势程控开关热电势应不大于0.05μV。7.1.2.4温度测量系统为了确定20℃下标准电池电动势值,必须进行温度测量。温度测量系统的测量温度的扩展不确定度应优于0.002℃(k=2)。注:如果被检工作基准电池和直流电动势副基准放在同一恒温油槽中,只需要测量温度的变化。7.2检定项目检定项目见表2。5表2检定项目一览表检定项目首次检定后续检定使用中检查外观检查+++电动势值检定+++年稳定性考核-+-短期稳定性+++注:符号“+”表示需要检定,符号“-”表示不需检定。7.3检定方法7.3.1外观检查检查被检工作基准电池组上的符号或标志,应符合第6章的要求。7.3.2电动势值检定用标准电池比较仪检定工作基准电池组应采用差值替代的闭环对称观测法,用直流电动势副基准电池电动势的平均值对其进行传递。用数字电压表检定工作基准电池组应采用差值替代法,用直流电动势副基准电池电动势的平均值对其进行传递。7.3.2.1标准电池比较仪检定电动势值用标准电池比较仪的差值替代法的原理线路如图2所示,用标准电池比较仪通过测量副基准标准电池或工作基准标准电池与过渡用标准电池之差值,直接读取副基准标准电池和工作基准标准电池的电动势值,通过计算可以得到被检工作基准标准电池电动势实际值,当被检的工作基准标准电池和副基准标准电池在同一温度下,计算得到的值为20℃时工作基准标准电池的电动势值。图2用标准电池比较仪的差值替代法线路En1、En2、…、Enm—用作标准的副基准标准电池;Ex1、Ex2、…、Exp—用作被检的工作基准标准电池或其他电池;Ey—校准工作电流用标准电池;Et—过渡用标准电池;B1、B2、B3—标准电池比较仪供电电池;G1—调工作电流用检流计;G2—调测量盘读取测量数据用检流计;SW0—多点切换开关JJG719—20216a)测量前的准备1)接线测量前将所用参与测量的标准电池平稳地放入恒温油槽内,负极连接在一起。副基准标准电池、被检工作基准标准电池或其他被检标准电池的正极连接到SW0对应编号的引线上,记录引线编号与各标准电池的对应关系。电压差值由SW0的公共端和过渡用标准电池的正极引出。SW0的公共端连接到标准电池比较仪的Ex端,过渡用标准电池的正极连接到标准电池比较仪的Et端。测温所用的标准电阻放入恒温油槽中,铂电阻温度计应插入油槽中,分别连接到测温电桥相应的接线端,按测温电桥使用说明书进行测温前的调试。接线方法见附录D。2)恒温启动恒温油槽,恒温时间应不少于7d。3)预热每次测量前,标准电池比较仪、检流计、光电放大器预热不少于2h。b)开始测量1)以Ey作标准调整标准电池比较仪工作电流。2)调标准电池比较仪示值盘示值等于副基准内其中一只标准电池的电动势值,多点转换开关置于相应编号上,接通检流计G2,调节未刻度补偿盘,使检流计G2指零。同时调节光电放大器及检流计相关旋钮,使测量装置灵敏度接近0.1μV变化1格。记录该只标准电池电动势值。3)用其他标准电池代替用于调未刻度补偿盘的标准电池,保持未刻度补偿盘不变,调节标准电池比较仪的测量盘,使检流计G2接近零位,同时通过检流计G2读取10-8V位的数,记录测量数据。4)测量顺序为“基准器标准电池—被检工作基准电池或其他标准电池—被检工作基准电池或其他标准电池—基准器标准电池”。第k次测量数据如下:Nk11、Nk12、…、Nk1i、…、Nk1m,Xk11、Xk12、…、Xk1j、…、Xk1p,Xk2p、…、Xk2j、…、Xk22、Xk21、Nk2m、…、Nk2i、…、Nk22、Nk21。其中,Nk11、Nk12、…、Nk1i、…、Nk1m为副基准组内标准电池的正顺序读数;Nk2m、…、Nk2i、…、Nk22、Nk21为副基准组内标准电池的反顺序读数;Xk11、Xk12、…、Xk1j、…、Xk1p为工作基准组内标准电池或其他标准电池的正顺序读数;Xk2p、…、Xk2j、…、Xk22、Xk21为工作基准组内标准电池或其他标准电池的反顺序读数。下标中k表示第k次测量,下标中i与副基准组内第i只标准电池对应,下标中m为副基准组内标准电池的数量,下标中j为参与测量的其他第j只标准电池对应,下标p为参与测量的其他标准电池的数量。JJG719—20217c)计算20℃下标准电池的电动势值副基准组内第k次测量,第i只标准电池电动势值由公式(2)计算:Eki=E0-Em+(Nk1i+Nk2i)(2)式中:Em(Nk1i+Nk2i);Eki—副基准组内第k次测量第i只标准电池的电动势值,V;E0—副基准组的保存值,该保存值溯源于直流电压基准或直流电压作证基准,V;Em—副基准组内标准电池的正反顺序读数的平均值,V。如果测量次数为n次,第i只副基准电池的测量结果为n次数据的平均值,由公式(3)计算:Ei=Ekik=1(3)式中:Ei—副基准组内第i只标准电池的测量结果,V。工作基准电池组或其他标准电池第k次第j只标准电池的电动势值由公式(4)计算:1Ekj=E012(Nk1i+Nk2i)+12i=1(Xk1j+Xk2j)(4)式中:Ekj—工作基准电池组或其他标准电池第k次第j只标准电池的电动势值,V。如果测量次数为n次,第j只电池的测量结果为n次数据的平均值,由公式(5)计算:Ej=Ekjk=1(5)式中:Ej—工作基准电池组或其他标准电池第j只的测量结果,V。每天测量一般不多于3次,总共测量不少于5次,测量天数不少于3d。每次测量前后均应测量油槽的温度并记录。7.3.2.2数字电压表检定电动势值用数字电压表测量的差值替代法的原理线路如图3所示,通过数字电压表测量副基准标准电池或工作基准标准电池与过渡用标准电池的正向差值和反向差值,通过相应的计算可以得到被检工作基准电池电动势值,当被检的工作基准电池和副基准标准电池在同一温度下,计算得到的值为20℃时工作基准电池的电动势值。JJG719—20218图3用数字电压表测量的差值替代法线路En1、En1、…、Enm—用作标准的副基准标准电池;Ex1、Ex1、…、Exp—用作被检的工作基准标准电池或其他电池;Et—过渡用标准电池;SW1—标准电池选择开关;SW2—换向开关;DVM—数字电压表a)测量前的准备1)接线测量前将所用参与测量的标准电池平稳地放入恒温油槽内,负极连接在一起。基准器标准电池、被检工作基准标准电池或其他被检标准电池的正极连接到程控多点切换开关对应编号的引线上,记录引线编号与各标准电池的对应关系。电压差值由程控多点切换开关的公共端和过渡用标准电池的正极引出到换向开关上,换向开关输出到数字电压表。计算机通过接口与数字电压表及程控低热电势开关连接。测温所用的标准电阻放入恒温油槽中,铂电阻温度计应插入油槽中,分别连接到测温电桥相应的接线端。接线方法见附录D。2)恒温启动恒温油槽,恒温时间应不少于7d。3)预热数字电压表按说明书预热。b)开始测量测量顺序为“基准器标准电池—被检工作基准电池或其他标准电池”。通过程控开关选择测量对象,电压差值数据采集由计算机完成。第k次测量数据记录如下:Nk1+、Nk1-、Nk2+、Nk2-、…、Nki+、Nki-、…、Nkm+、Nkm-,Xk1+、Xk1-、Xk2+、Xk2-、…、Xkj+、Xkj-、…、Xkp+、Xkp-。JJG719—20219其中,Nk1+、Nk1-、Nk2+、Nk2-、…、Nki+、Nki-、…、Nkm+、Nkm-为副基准组内标准电池第k次的读数;Xk1+、Xk1-、Xk2+、Xk2-、…、Xkj+、Xkj-、…、Xkp+、Xkp-为工作基准组内标准电池或其他标准电池第k次的读数。下标中“+”符号代表正向读数,下标中“-”符号代表反向读数,下标中“k”表示第k次测量,下标中“m”表示副基准组内标准电池的数量,下标中“i”表示基准组内第“i”只标准电池,下标中“p”表示参与测量的其他标准电池的数量,下标中“j”表示工作基准组内标准电池或其他标准电池基准组内第“j”只标准电池。c)计算20℃下标准电池的电动势值副基准组第k次,第i只标准电池电动势值的由公式(6)计算:Eki=E0+(Nki+-Nki-)-Emk(6)式中:Emk=(Nki+-Nki-)Eki—副基准组内第k次测量第i只标准电池电动势值,V;E0—副基准组的保存值,该保存值溯源于直流电压基准或直流电压作证基准,V;Emk—副基准组内标准电池第k次读数的平均值,V。如果测量次数为n次,第i只副基准电池的测量结果为n次数据的平均值,由公式(7)计算:Ei=Ekik=1(7)式中:Ei—副基准组内第i只标准电池的测量结果,V。工作基准组或其他标准电池第k次第j只标准电池电动势值由公式(8)的计算:Ekj=(Xkj+-Xkj-)+E0-Emk(8)Ekj—工作基准标准电池组或其他标准电池第k次第j只标准电池电动势值,V。如果测量次数为n次,第j只电池的测量结果为n次数据的平均值,由公式(9)计算:Ej=Ekjk=1(9)式中:Ej—工作基准标准电池组或其他标准电池第j只的测量结果,V。每天测量一般不多于4次,总共测量不少于10次,测量天数不少于3d。每次测量前后均应测量油槽的温度并记录。7.3.2.3年稳定性考核客户送检时应提供上次的检定数据,本次检定数据与上次检定数据的差值换算成年JJG719—202110变化值作为年稳定性考核的依据。7.3.2.4短期稳定性考核短期稳定性考核只针对单只标准电池,测量期间单只电池电动势值的最大变差作为短期稳定性考核的依据。7.4检定结果的处理7.4.1检定数据按四舍五入偶数法则修约,工作基准标准电池的电动势值化整到0.1μV位,判断工作基准标准电池是否合格应以化整后的结果为准。非控温的标准电池应给出20℃下的电动势值。7.4.2定级7.4.2.1进行周期检定的工作基准标准电池组,每只标准电池都满足本规程要求,给出“满足工作基准标准电池组要求”的结论。7.4.2.2工作基准标准电池组中部分(至少有3只)满足规程要求,给出“除第×只外,其余标准电池满足工作基准标准电池组要求”的结论。7.4.2.3工作基准标准电池组中部分(少于3只)满足规程要求,给出“不能满足工作基准标准电池组要求”的结论,出具检定结果通知书。不能满足本规程要求的标准电池也可以在证书中给出数据,并从下一个检定周期开始连续考察两年合格后才可重新进行编组定级。7.4.2.4初次送检的工作基准标准电池组,给出“稳定性暂不定等级”的结论,按工作基准标准电池提供检定数据。根据连续3年送检的数据给出相应结论。7.5检定周期直流电动势工作基准检定周期一般不超过1年。JJG719—202111附录A检定原始记录格式标准电池检定原始记录(用标准电池比较仪检定标准电池)1.标准装置信息主标准器直流电动势副基准副基准的保存值标准证书号准确度等级副基准有效期至主要配套设备标准电池比较仪测量范围证书编号准确度等级0.01级有效期至2.技术依据3.环境条件记录检定日期油槽温度/℃实验室温度/℃相对湿度/%124.检定数据记录副基准标准电池检定数据记录ΔEμVEi0VEiV年变化μV序号测得值1.0186(V)+尾数(μV)正序反序正序反序正序反序正序反序正序反序1234567891011121314151617181920备注:ΔE为短期稳定性;Ei0为上一个周期20℃时的电动势值;Ei为本次20℃时的电动势值。13被检工作基准检定数据记录送检单位:证书字号:样品制造厂:准确度等级:样品名称:样品型号:样品编号:检定结论:ΔEμVEj0VEjV年变化μV序号测得值1.0186(V)+尾数(μV)正序反序正序反序正序反序正序反序正序反序12345678910备注:ΔE为短期稳定性;Ej0为上一个周期20℃时的电动势值;Ej为本次20℃时的电动势值。检定员:核验员:检定日期:14标准电池检定原始记录(用数字电压表检定标准电池)1.标准装置信息主标准器直流电动势副基准副基准的保存值标准证书号准确度等级副基准有效期至配套设备数字电压表测量范围证书编号准确度等级有效期至2.技术依据:3.环境条件及测量数据保存文件名记录检定日期测量数据保存文件名初始油槽温度/℃结束油槽温度/℃实验室温度/℃相对湿度/%154.检定数据记录副基准标准电池检定数据记录ΔEμVEi0VEiV年变化μV序号测得值1.0186(V)+尾数(μV)1234567891011121314151617181920备注:ΔE为短期稳定性;Ei0为上一个周期20℃时的电动势值;Ei为本次20℃时的电动势值。16被检工作基准检定数据记录送检单位:证书字号:样品制造厂:准确度等级:样品名称:样品型号:样品编号:检定结论:ΔEμVEj0VEjV年变化μV序号测得值1.0186(V)+尾数(μV)12345678910备注:ΔE为短期稳定性;Ej0为上一个周期20℃时的电动势值;Ej为本次20℃时的电动势值。检定员:核验员:检定日期:17附录B检定证书/检定结果通知书内页格式(第2页)证书编号××××××—××××检定机构授权说明检定环境条件及地点:℃相对湿度%其他检定使用的计量(基)标准