Standard Cell Enclosure Spannungsnormal Guildline 9152

Allgemeines:

Die Guildline Instrument Type 9152 ist ein vierfach Spannungsnormal auf Basis von gesättigten Weston Elementen. Eine patentierte schaltungstechnische Besonderheit ist die mit sehr hoher Präzision geregelte Temperaturkammer der Standardzellen. Die Kammer dieses Guildline Type ist nominal auf 35 Grad eingestellt, manche Typen auch auf 30°C. Die Langzeitstabilität der Temperatur ist mit +/-0.01°C angegeben. Die Temperatur kann manuell um +/-0,08 Grad gestellt werden und somit ein minimaler Einfluß auf die Zellenspannung ausgeübt werden oder die mögliche Drift der Heizung ausgeglichen werden kann. Wie die Temperatur der Heizung zu überprüfen ist, darüber fehlen mir leider die Unterlagen. Sie steht jedenfalls immer auf 0.0°C, wie seit eh und je.

Die Spannung der Zellen ist temperaturabhängig, um diese Abhängigkeit zu minimieren befinden sich die Zellen in einer beheizten und isolierten Kammer. Der Stromverbrauch dazu ist, durch die gute Isolierung gering. Zwei grüne Lampen ON oder OFF zeigen an ob die Heizung an ist oder nicht. Die Hysterese dieser ON OFF Lampem beträgt geschätzt etwa 30 Sekunden bis 1 Minute, je nach Raumtemperatur. Falls die Netzspannung ausfallen sollte, schaltet das Gerät auf eine externe 12V Batterie um. Die Batterieversorgung dient auch zum Transport.

Eingebaut ist ein kalibrierter Thermistor um die Ofentemperatur mittels einer Meßbrücke und einem Nullpunkt Galvanometer exakt bestimmen zu können. Vier Zellen sind eingebaut, um eine Serienschaltung der Normale durchzuführen, damit auch höhere Spannungen als nur 1,017...Volt zu erreichen sind; zu dem besteht so die Möglichkeit von Vergleichsmessungen der einzelnen Zellen zueinander.

Die verbauten Zellen sind gesättigte Zellen. Im Gegensatz zu ungesättigten Zellen, haben die gesättigten eine geringere Selbstentladung über die Jahre, ihr Temperaturkoeffizient ist allerdings höher verglichen zu Ungesättigten. Der Einbau gesättigter Zellen in temperaturgeregelter Umgebung ist unbedingt sinnvoll.

Historie dieses Gerätes:

Das Instrument wurde 1964 gefertigt und wurde von Fachpersonal über vier Jahrzehnte gehegt und gepflegt. Ständig am selben Standort bis ca. 2003, ständig im eingeschalteten "beheizten" Zustand, sie wurde nur zu Transport- und Kontrollzwecken der Zellen selbst bewegt, und während des Transports die Heizung über eine Batterie versorgt. Ob nicht doch gelgentlich eine Fehlbehandlung passierte, kann ich nicht sagen.

Sie ging etwa Anfang der Neunziger Jahre in den Ruhestand wegen Ersatz mit einem besseren moderneren Standard. Die Messwerte wurden jedoch vom Kalibirierlabor aus Eigeninteresse ständig weiter beobachtet, für Kalibrierzwecke wurde sie jedoch seit langem nicht mehr genutzt und folglich auch kaum mehr Ströme gezogen etwa seit Anfang der Neunziger Jahren.

Um den in der Elektrotechnik weniger versierten Personenkreis nochmals zu verdeutlichen, thermisch geregelte elektrochemische Elemente hatten über viele Jahrzehnte hinweg einen führenden Platz in der Gruppe der genauesten Spannungsnormale, die die Elektrotechnik zu bieten hatte.

Dieses hier vorgestellte Instrument ist von 1978 bis 1999 ein Musterbeispiel für "Rückführbarkeit" über einen sehr langen Zeitraum, die Aufzeichnungen von 1964 bis 1978 waren leider nicht mehr auffindbar, der Vorbesitzer meint sich erinnern zu können es seien noch die ersten Zellen.

Während der aktiven Nuzung wurde dieses Gerät deutlich häufiger benutzt als nach etwa 1991. Die gute Behandlung versuche ich fortzusetzen. Im Jahr 2003 kam das Gerät in meinen Besitz und ist bis heute ständig am Netz und seitdem auch nie mehr transportiert worden.

Für eine gute Behandlung ist es außerdem wichtig zu wissen:

Standardzellen dürfen niemals mit hohem Strom belastet werden, das könnten sie sogar, aber hinterher ist der Spannungswert bestimmt um einiges weggedriftet (habe zum Glück keine persönlichen Erfahrungswerte). Selbst nur kurzes Stromziehen durch "Unfall" mit den Messleitungen ist unbedingt zu vermeiden. Im Idealfall schließt man sie auch nur so kurz als nötig an dem entsprechenden Messequipment an. Daß das Equipment möglichst hochohmig sein sollte versteht sich von selbst. Der interne 500 Ohm Widerstand verhindert das schlimmste - trotzdem, Strom aus Standardzellen ist somit einer der edelsten Batterie Ströme.

Gesättigte Standardzellen werden bei Temperaturen von +43°C zerstört. Aus diesem Grund hat dieses Gerät auch einen Übertemperaturschutz mit Bimetall und Schmelzsicherung, der im Fehlerfall der Heizungsregelung die Standardzelle vor der Zerstörung rettet. In einem Datenblatt hatte ich gelesen das Bimetall bringt bei einer Innentemperaturerhöhung von 5°C gegenüber der Normaltemperatur eine Schmelzsicherung zum Auslösen. Eine Temperatur von 43°C ist nicht besonders hoch, so etwas kann im Freien in der Sonne stehend spielend leicht erreicht werden, kann mir vorstellen, dass bei einer Lagerung im Sommer in einem Dachstuhl ganz locker ähnliche Temperaturen herrschen. In diesem Fall der zu hohen Umgebungstemperatur sind die internen Schutzmaßnahmen natürlich wirkungslos. Das Gerät steht in einem Raum, der über das Jahr hinweg relativ konstante Wohlfühl Temperaturen aufweist. Das mag alles trivial und logisch klingen, wenn man es weiß. Wer diese 43°C Zerstörungsgrenze gar nicht kennt, der ist bestimmt dankbar über diese Information und wird entsprechend aufpassen und auch schon bei "nur" 40°C anfangen zu denken.

möglichst wenig bewegen, nach einem Transport kann es Wochen dauern bis sich die Zellen wieder ihren vorherigen Wert annehmen. Die Zellen sind sehr empfindlich gegenüber Transport. (Erwin ich danke für diese Extra Information).

manche DMM belasten die Quelle recht stark (Erwin danke für die Info), kann ich nur bestätigen, bei manchen Metern wandert die Quelle rasch um 1-2 µV nach unten, nicht so beim 3457A, da ändert sich nichts, es muss sehr hochohmig sein. Aufzupassen ist auch beim Einsatz von einem DC-Nullvoltmeter, im kleinsten Messbereich ist der Eingangswiderstand deutlich reduziert, deshalb sind diese auch im ausgenullten Zustand zu betreiben mit aktiver interner Gegen EMK, erst diese bewirkt es, dass kaum Strom gezogen wird.

Um die Anschlüsse herum wurde es sehr gut gereinigt und entfettet, das möglichste wurde getan um wenigstens die externe Selbstentladung so gering als möglich zu halten.

Die Kupferanschlüsse als auch die Schrauben wurden gereinigt

An unsaturated standard cell is the Eppley Standard Cell No.100

More info about a standard cell:
http://www.humboldt.edu/~scimus/Instruments/EppCellMan/EpplyMan.html

Der Graph zeigt den Spannungsverlauf der einzelnen Zellen aus den Jahren 1978 bis 2007.

In den Jahren 78, 82, 86, 88 und 91 wurden die Zellen von der PTB, der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig gemessen, die anderen Jahre von dem besitzenden Kalibrierlabor selbst.

Erwin gab mir die freundliche Information:

"die Historie zeigt einen Knick bei 1990. Das ist nur auf den ersten Blick nicht schön, denn das internationale Volt wurde 1990 angepasst. Vielleicht ist eine Erwähnung wert."

Aber sicher doch, ich danke Dir sehr für diese Information, ich dachte schon das Personal hatte die Zellen in diesem Jahr besonders intensiv genutzt.

Nach 1999 wurden die Zellen nicht mehr offiziell vermessen, die Messung aus dem Jahr 2003 stammt von zwei HP 3457A digital Multimeter, deren Messwert gemittelt wurde. Die DMM sind ein paar Wochen vorher an einem Normal kalibriert worden, die bekannte DMM Abweichung ihrer Anzeige im Display wurde hier mit berücksichtigt, diese Zeitspanne ist aber schon viel zu lang und behaftet den Transfer mit einem gewissen Fragezeichen. Einen Fehler kann ich bei der 2003 Messung gemacht haben, die Zeitdauer der Messung vom Transport zur Messung war mit Sicherheit kleiner als eine Woche, ebenso habe ich mir weder Warmlaufzeiten der DMM (ich glaube sie war unter 1h) noch die Raumtemperatur notiert.

Es lies mir keine Ruhe und eine

Vermessung am 16.04.2007

stand an, hierbei wurde nur ein DMM genutzt, dem zweiten traue ich momentan nicht mehr ganz so wie der No. 20

Zelle 1 bis 4

Vermessen wurde mit dem 3457A, meiner No.20 von dem ich ausgehe es ist mein genauestes. Sieht gar nicht mal so schlecht aus, kann sein es zeigt ein paar µV zuviel an. Eine Stunde später sind die Messwerte nochmals um ca +1µV angestiegen. Der sich auf gleicher Höhe befindliche Quecksilber Thermometer zeigt fast 24°C zum Ende der Messung. Der Ofen steht auf 0%. Anschließend wurde noch mit dem DC Null Voltmeter die Differenzspannung zwischen den fast identischen Zellen 2 und 3 gemessen, etwa ein halbes µV.

Betrachtung der Kurve:

Geht man vereinfacht von einer linearen Alterung aus, so verlieren die Zellen jedes Jahr etwa 1 Mikrovolt. Berücksichtigt man aber die Anpassung des internationalen Volt im Jahr 1990, so würde sich die Steigung der Reggressionsgerade jedoch abflachen. Ich werde in naher Zukunft ein neues Diagram erstellen, mit Regressionsgeraden aus den Jahren vor 1990 und danach.

Zelle 1 hat konstant etwa 8µV mehr als die anderen. Beachtlich Zelle 2 und 3 sind bereits seit Jahren immer im Gleichlauf.

Diese Zellen befinden sich hoffentlich noch in ihren guten Jahren - daran muss ich zumindest glauben. Bei einem Normal dieser Qualitätsklasse, da kann ich nur noch "daran glauben" oder es ganz bleiben lassen. Mit diesen Standardzellen hier ist das Ende der "Rückführbarkeit" meiner Messinstrumente erreicht. Eine nochmalige Überprüfung bei der PTB sprengt den Rahmen privater Nutzung, es sei denn es sponsert mir jemand diese Investition.

Aussicht:

Irgendwann werde ich eine Transfermessung machen mittels DMM, diese ein paar Stunden zuvor an einem guten bekannten Standard in diesem Spannungsbereich prüfen lassen und am selben Tag dann die Standardzellen messen.

The Guildline Instruments Type 9152 is a voltage standard based on a saturated Weston Cell. This Guildline Type consists of a temperature controlled oven to keep the temperature stable at 35 degrees celsius. The temperature can be adjusted by +/-0.08 degrees. To heat the cells is necessary to keep the influence of the voltage temperature coefficient low as possible. Also included an calibrated thermistor for exact temperature measurements. Four cells are included to reach by serial connection higher voltages as only 1.018..volts, gives also a change for "mean" measurements. The sticker shows the last measurement, listed consecutively over the years. Never short cut terminals. Saturated standard cells will be destroyed for more than 43°C! The instrument was manufactored in the year 1964 and was maintainted by qualified personnel for four decades. Was heated continously and stored on the same place, only transported for checking the cells itself, during transport supplied by batteries. The device has been retired due replacing by low maintenance newer test equipment.

The graph shows the potential gradient of the individual cells from the years 1978 to 2007. In the years 78, 82, 86, 88 and 91 the cells were measured at the PTB, the Physikalisch Technische Bundesanstalt in Braunschweig (German physically technical Federal Institution), the other years of the possessing calibration laboratory. After 1999 the cells were not no more measured, the measurement from the year 2003 come from two HP 3457A digital multi meter, whose measured value was averaged. The HP 3457A was calibrated at an independent normal, of them well-known deviation of their announcement in the display to the independent normal with was considered here. Assuming a linear aging, then the cells lose each year about 1 mivrovolts.

Leser "Herbert OE3WAW" hat Fotos und Text

zu seiner Guildline 9152/4 zugesendet:

Die Temperatur des Thermostaten ist fix eingestellt mittels eines NTC (Rt1) und des zugehörigen Widerstands R1; die Temperatur bei welcher der Widerstand des Rt1 und der von R1 gleich groß sind, das ist die Thermostattemperatur; sie ist im Betrieb nicht verstellbar (wozu auch?).

Die Skala auf der Frontplatte ist eine Prüfmöglichkeit für eine ev. Abweichung der Temperatur seit der letzten Kalibrierung (sofern die Anzeige (R16) im Rahmen der Kalibrierung mittels R118 (ist der Mehrgangtrimmer auf der Leiterplatte) auf Null gestellt wurde) um eine ev. Abweichung der Spannung rechnerisch korrigieren zu können; es kann hier aber nicht die Absoluttemperatur gemessen werden. Gegebenenfalls kann da mittels eines 0-Galvanometers und des Drehknopfes die Abweichung von der Temperatur zur Zeit der Kalibrierung ermittelt werden. Eine Veränderung der Einstellung hat keinerlei Auswirkung auf die Funktion des Thermostaten da diese Monitorbrücke keine Verbindung (ausgenommen die Versorgungsspannung) mit der Regelschaltung hat; sie ist auch im Normalbetrieb abgeschaltet (Bridge On-Off). Eine Änderung der Thermostattemperatur ist nur durch Änderung von R1 möglich (s.o.); allerdings ist dann auch der Widerstand R13 von der Monitorbrücke auf den Wert von RT2 bei Solltemperatur entsprechend anzupassen, da sonst die Möglichkeit der Überprüfung der Temperaturabweichung nicht mehr gegeben ist.

Da die Weston-Elemente bei meiner 9152 schön langsam den Geist aufgeben bin ich gerade dabei diesen Standard auf 10V umzurüsten (rein interessehalber; mein Spannungsstandard ist ein FLUKE 732A). Ich plane, in den Thermostat 3 Stück REF102C von Burr Brown - Texas Instruments ( gibt´s bei RS um ca. 11 EUR/Stk.) einzubauen. Auf Grund der konstanten Temperatur im Thermostaten von + - 0,01 Grad und des Temperaturkoeffizienten der REF´s von 2,5 ppm/Grad ergibt sich rein rechnerisch eine Stabilität der Spannung von 10V + -0,25 uV (+ - 0,025 ppm) welche weit unter dem Rauschpegel der Ausgangsspannung liegt abgesehen von der angeblich sehr geringen Langzeitdrift. Das Ganze betreibe ich dann bei 35 Grad.

Beigefügt habe ich noch einige Bilder und eine Funktionsbeschreibung des 9152 zur Illustration. Den auf den Bildern 668 und 669 sichtbaren Pt100 Widerstand habe ich zur Temperatureinstellung (Rt1 - R1) anstelle der Weston Elemente eingebaut; nach dem Abgleich auf die gewünschte Temperatur mittels Parallelwiderstand zu R1 (R1 war durch Alterung zu groß) wird er wieder ausgebaut um den REF102C und dem zugehörigen Spannungsregler Platz zu machen.