標準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表和有關的國家標準所規定。中華人民共和國規定,作為計量標準用的標準電池,按其在計量檢定系統表中的位置分為計量基準、計量標準和工作計量器具三檔。按計量檢定系統表的規定,較低檔標準電池的量值由較高檔傳遞。

直流電動勢基準是最高檔的標準電池,保存在國家計量技術機構,用于復現和保存法定電壓單位。為了提高電動勢基準量值的穩定性,通常用多個高質量標準電池組成基準組,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,標準電池的穩定度也常用級別來表示。例如0.01級標準電池,表示其年變化在規定的參考條件下小于0.01%。中國的標準電池從0.0002~0.02級,共分為7個級別。

飽和標準電池和不飽和標準電池的結構基本相同,正極為汞(Hg)、負極為鎘汞齊(Hg Cd齊),二者的區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)。飽和標準電池的內阻約為700Ω,隨著時間的增加,內阻逐漸稍有增大。若從標準電池中輸出電流,則端電壓要下降。因此,使用標準電池作為標準的電路時必須具有非常高的阻抗。不過,從標準電池中瞬時輸出電流,一般并不永久損壞標準電池,但恢復原狀要花時間。一只良好的標準電池若短路1s,要花約6h才能恢復。 質地優良的飽和標準電池具有長期穩定的電動勢。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。只要電池處于良好狀態,運輸后的標準電池也能在幾天之內恢復原狀。當然,對劇烈的振動仍應避免。

溫度變化對標準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。

標準電池不允許晃動、側放,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。標準電池不能作為輸出電功率的原電池,在使用時通過標準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生不可恢復的改變。

飽和式標準電池的電動勢的溫度系數較大,約為4×10-5/開,一般情況下應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,為了保證標準電池電動勢值的穩定,需要把標準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,高質量的油槽可達到±0.001開。70年代以來,發展了用電子裝置控制的空氣恒溫槽,其溫度穩定性較高,而且可以做成便攜式的,因而得到廣泛使用。

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

由于標準電池有脆弱、不易運輸、溫度系數較大等缺點,20世紀70年代以來發展了一系列可用作電壓標準的精密穩壓二極管,端電壓為1~10伏,溫度系數小于1×10-6/開,年變化可小于2×10-6,在很多場合下可取代傳統的標準電池。

從標準電池的原理、結構、特性可知,在使用標準電池時需注意以下五點。

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

2、不能過載。標準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定;流過標準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準電池的電動勢值,因為這種儀表的內阻不夠大,會使電池放電電流過大。

3、使用和存放的溫度、濕度必須符合規定。溫度波動要小,以防滯后效應帶來誤差。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、不應受陽光、燈光直射。因為標準電池的去極化劑硫酸亞汞是一種光敏物質,受光照后會變質,將使極化和滯后都變得嚴重。

5、標準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的波動幾乎無關,也可將其作為電動勢標準,用于儀器中,代替標準電池。