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攀上基准电池研制的高峰

发布时间:2020-09-09 作者:胡衍瑞 来源:中国计量杂志 浏览:186
+走进计量大院  
1962年,我从武汉大学化学系毕业后与同校的谢声洛及仇乃荣赴国家计量局报到。到北京站后直奔中关村,到处打听也没有人知道从事计量科研的部门(有人甚至要我们去找粮食部门——计算粮食)。第二天通过国家科委才得知在小黄庄。记得人事处张凤山同我们谈话时说:“有两项工作要干,一个是pH值,另一个是制造用作基准的标准电池,你们看谁干哪一个?”我俩大眼瞪小眼,心想这两种仪器都很不起眼,还要我们两个大学毕业生干什么?张见我们都不作声,就“乱点鸳鸯谱”了,指着我说:“那你做标准电池,谢声洛搞pH值吧!”就这样,让我与标准电池结下了40多年的不解之缘!

到国家计量局时正值我国经济困难时期,条件很艰苦,但是在党的领导下,领导和群众同甘共苦、心情舒畅、干劲很足。有一次,实验室主任罗振之给我一张半个巴掌大的油印小票,让我去人民大会堂听周恩来总理关于国内外形势的报告,使我有幸亲眼目睹周总理的风采,总理不用稿子讲了一下午,令我终生难忘!想不到30多年后的2001年我又迈进人民大会堂,参加国家科技奖励大会,不仅坐在前排,还走上主席台从党和国家领导人手中接过国家技术发明奖奖状。以下通过我制造标准电池获国家技术发明二等奖来看我国计量科技艰难发展的奋斗历程。

进入标准电池的研制领域 
我到电磁处(现为中国计量科学研究院电学量子所,编者注)后,接过何锡蘅同志从苏联学习带回的有关标准电池记录的笔记本,并请北京师范大学化学系王琏教授作顾问。当时学术氛围十分民主,领导放手让你干,并强调“理论联系实际”,我从书本及生产实际两方面着手开始研制工作。在武汉大学学习时,我的导师是中国科学院院士查全性教授(因文革后一次会议上第一个向邓小平同志提出要尽快恢复高考而闻名全国)。有一次我们师生同时参加一个学术会议时,我开玩笑说:“查先生,您教我的‘电极过程动力学’我只用了点皮毛,可您教我的科研方法及如何查资料、如何入手,我可正发扬光大呢!”他笑着说:“那就够了,这才是重要的。”我从《美国化学文摘》(C.A.)入手,从韦斯顿(Weston)1892年发明标准电池开始查阅,1年、5年、10年,主题、作者等索引开始查阅,一直查阅到20世纪60年代世界上近70年来已发表的300多篇有关论文,再一一做简介、摘要并整理成册,还以文章作者、主题、文种、年代等作索引分类汇编。由于我在大学时学俄语,而今大部分资料是英文的,日文、德文及法文资料也不少,我只好硬着头皮自学外语,除英文外,连日、德文也拿着字典慢慢地可看明白文章的大致内容,对重要的工艺过程、操作方法一定要弄清楚,就采用一边请情报室同志口译,我一边笔录的方式。凭这本文摘(以后又不断补充直到退休)我较好地掌握了国外标准电池的发展和最新情况。领导还派我(还有樊文敏及搞电阻的崔广英、杨家桂等同志)去上海电工仪器厂实习,学会了除电池封口外的全部制造工艺。此时我既有了理论基础,又有了实践经验,并掌握了国外90%以上的文献资料,遇到什么问题,查查国外是怎样克服的?如没有现成的方法,也有启示作用,真正做到了知己知彼。大干一场的条件也已具备了。

不巧的是“文革”开始了,我因家庭问题受到严重冲击,但只要有机会,我仍去图书馆补充索引。记得曾向当时的电磁处领导申德洙提出过:美国正在研究采用约瑟夫森效应保存电压单位的信息,并建议电磁处组织力量研究。“文革”期间,标准电池制造工作时断时续,时任电磁处处长张启超让我参加有关标准电池制造的讨论会,在会上我提出要增加用电解法制造的电池,因当时制造厂为了批量生产低档标准电池,采用化学沉淀法。张启超处长小结时决定两种方法都各制造一批,现今采用电解法制备的标准电池已占绝对优势就证明当时的决定是正确的。以我当时在“文革”中的处境,居然不仅让我参加会议还采纳我的建议,可见当时计量院学术氛围十分民主,没有“学霸”,大家都在努力工作,谁有道理就听谁的!

集体协作攻难关 
十年“文革”后,我从河南确山五七干校回到计量院工作,此时人已步入中年,很有紧迫感,举目看看国外的发展,下决心奋起直追。情报室袁先富研究员建议我在收集了那么多国外资料的基础上写个综述,于是我写了几万字的综述,总结了当时已收集到的所有国外资料中的精华内容,并详细摘录一万余字刊登在1978年第一期的《国外计量》杂志上,文中最后提出的电压单位保存方式的五个发展方向直到20多年后我退休时仍有现实意义。此时,我还通过《化学通报》看到扬州师范学院诸询治教授发表的一篇有关标准电池的很好的论文。经多方打听找到诸教授,我到现场一看,深感扬州师院比制造厂更适合研制基准电池。当时大学的教学任务并不重,扬州师院领导也很支持,并让诸教授的两位学生(已留校的穆绍林等)参与此项工作。1976年唐山地震时,我们住抗震棚也未间断电池制造工作,全部电池均采用我一直坚持的电解法制备的方法制造。据当时国家计量局物资处的张晓惠同志讲,扬州师院生产的标准电池产值与全局下属所有计量实验工厂的总产值相当了。与此同时,上海电工仪器厂、上海计量局附属工厂、天水长城电工仪器厂等电池制造厂也与我们协作以研制更好的标准电池。于是,我们组织全国标准电池生产厂及计量部门下属厂共计八个单位开展标准电池电动势-温度系数测试工作,昼夜不停历时半年多,测得数以万计的数据,采用算盘及手摇计算机处理,所得到的结果比同期进行此类工作并被认为是世界上最好的美国国家标准局(NBS)和西德联邦物理技术研究院(PTB)的还要好,所写的论文在我国最高学术刊物《中国科学》上发表,并获1978年全国科技大会奖,这大大地增强了我们的信心。

刚进国家计量局时曾听老同志介绍世界上最好的计量天平不是发达国家大公司制造的,而是奥地利一家世袭的家庭作坊生产的,当时我深受鼓舞,决心把标准电池做到世界先进水平!此时通过多年大量测试考察近千只新制造的标准电池,发现其电动势值一直普遍升高,这是有违电化学原理的。我怀疑作为其测试标准的、从苏联进口的国家基准电池组的数值正在逐年下降,应作整体淘汰并更换补充新电池。但是,由于新电池需经过几年考核才能区分出优劣,于是,我总结出新的筛选方法,新电池经人为老化后,短期(3个月)即可判定其优劣,这大大地缩短了实验周期,新电池的生产改进速度大大加快,各制造厂都制造了一大批优良标准电池,进入我国标准电池生产的繁荣期。全国都使用国产标准电池作为电压标准,日后出口及送国际计量局(BIPM)及PTB等的基准电池也都是我从此期间生产的标准电池中经长期考察、测试后择优挑选出来的。

错失出口良机 
我国的优良标准电池生产后立即被外商盯上了。加拿大高联公司以几美元一只的低价从我国购置一大批“赤膊”电池,当时我们还非常高兴,认为国产标准电池出口赚外汇了。后据当时的水电部电气科学研究院的张叔涵研究员讲,他去高联公司参观过,该公司是个三无企业(无固定人员、无设备、无场地)。他们事先印刷十分精美的铜版纸广告、说明书寄世界各国有关部门,订单回来后根据数量从我国购买核心部分(几美元一只的“赤膊”标准电池),然后找人设计控温电池线路,其外形十分漂亮(用拉帘式硬木做),便于放在飞机座位下,内装4、6、10及12只标准电池,零部件外加工,再租场地组装成形,按订货单发货后人员解散。经组装后每台均卖几千甚至于几万美元,据说他们赚了几百万美元。然而他们没时间也不会筛选标准电池,不分优劣地卖给一些国家计量院。我去过的几个国家,看到他们都购买了多台高联公司的控温电池。也有买到不好的,其中像新加坡有一组控温电池中的一只电池不行了,我到新加坡比对标准电池时同他们一起打开该控温箱,一看才知是我国生产的标准电池。
在我们身上发洋财的不止高联公司一家,英国Tinsley公司也发财了。有次朝鲜来我院送检控温标准电池(4只装),我一看外形就说:“是中国出产的,这种低档标准电池在中国只能作二等标准(省级计量部门都不能用),一千多元人民币就可买到,我国比这好的电池多得很”。朝方则说:“铭牌明明是英文写的Tinsley公司制造的,怎么会是中国的呢?而且花了两万美金从英国进口的,是我本人亲自去香港提货的。”我笑着拿出一台北京计量仪器厂送检的中文铭牌电池对他讲:“您看看!除铭牌是中文的外,连每个螺钉都一模一样。”此英文铭牌在制造厂时我亲眼看工人做的,英文说明书还经我审校过(英文翻译不懂计量专业)。当时我真有一种被人卖了还帮别人数钱的感觉。这家公司只将这组控温电池从我国内地提到香港地区(都没有进入英国国界)就赚了十多万元人民币。

类似实例还真不少。在国际电学咨询委员会会议上,因瑞典保存电压单位的基准电池不行了,其一位代表问:“何处可买到好的标准电池?”国际计量局局长指着我国代表说:“China”,于是我国参会代表在会议上作了介绍。他回国一个多月后看到我才想起此事,连忙告诉我地址,我赶快写信给瑞典代表,其回信称:“很高兴知道优良标准电池来源于中国,但我们已从东德买到基准电池,谢谢!”原来在会议上,东德代表团因当时东、西德合并,东德基准电池不需要了,一散会马上找到瑞典代表成交了,我们拖了近2个月而错失了良机。
更可惜的事是:BIPM专门从事电压单位研究的D.Reymann先生多次测量我们的标准电池后评价很高,1982年9月8日专门给我来信问:“几个国家电学实验室的同行们对这些标准电池取得的结果非常感兴趣,并希望能为他们的实验室购买这些标准电池。如果可能的话请通知我在什么条件下可以供给标准电池”。结果由于我国体制方面的原因,亦未办成而错失良机。

首次国际交往  
1980年组织上派我第一次出国是我的事业登上高峰的主要原因之一。当时电磁处决定派人参加在德国举行的国际精密电磁计量大会(CPEM),提交论文的作者有十多人,除我外都学过英语,政审特别严格,我在“文革”中又受过冲击,故不想去参加外语考试。经马达处长批评我才去参加考试。他认为PTB制造的标准电池水平很高,连BIPM都用他们的标准电池作基准,让我去制造现场参观学习机会十分难得,而且我的论文与PTB及日本两位专家的观点不同,这两位专家都是大会主席团及技术委员会的领导成员,万一提出要同作者相互交流,我们派出的都是学电测量的,不懂化学,找人代宣读论文不好,马达处长坚持由我本人去参加CPEM会议。

由于研制的低温度系数标准电池是创新产品,会后我宣读的论文不仅入选IEEE杂志还全文刊登,苏联方面也很感兴趣,译为俄文在苏联发表。除几个发达国家科学家感兴趣外,芬兰、捷克、波兰、阿根廷等国家的计量专家也来信索取该论文(当时复印技术还不普及)。几年后我赴巴基斯坦参加国际展览会时了解到,上述国家计量部门专家就是通过该论文得知我国标准电池制造水平很高,还通过我国驻巴使馆提出与我们合作,在巴研制标准电池以向阿拉伯世界及中东出口。墨西哥计量部门就是通过BIPM的介绍得知我国标准电池很好而向我们购买的。

在西德开会期间,经请示团长同意后我还主动向PTB提出两院互换标准电池进行研究,并与F.Melchert教授达成协议。1年后,PTB代表团来我国访问时还带了一组PTB制造的控温电池来华,这张交接电池的相片刊登在当年PTB的年报首页上,成为中德双方计量部门友好合作的象征。

攀上基准电池研制的高峰  

从1980年到1994年,我们曾先后5次赠送基准电池给BIPM及PTB。由于1982年互换的电池经多年测试性能良好,PTB对我国制造的电池评价很高。1989年PTB希望我们提供一组年变化小于1μV的控温电池以用作PTB的电能标准。为了回报PTB无偿援建我院电能实验室,计量院领导决定将其作为礼品回赠PTB并将任务交给我。我于1990年年初将标准电池组建后又经一年测试考查,发现其每年平均升高0.11μV。于是PTB派有关专家来我国提货,验收后对该组控温电池十分满意,这位专家回国前亲笔写了封感谢信并附上交响乐名曲的录音带作礼品交陆祖良研究员转给我,以表感谢之情。回PTB后用他们的基准装置及设备测量,该组控温电池的电动势值一年平均升高0.09μV,与我们在国内测得的0.11μV值十分接近,远小于1μV的指标要求,并从侧面证明我们的测试手段及基准变化与PTB十分接近。1994年7月26日,PTB电学处处长H.Bochmair教授来信称:“对潘必卿院长访德时赠送的可倒置标准电池新产品很感兴趣,愿在全欧EUROMET会议上向与会代表推荐。”

1982年8月4日,BIPM局长贾科莫(P.Gicomo)来信称:“你们的电池组很好,漂移很小,在我们知道的电池中,你们的电池属于最好之列,这证明研究工作水平非常高。”当计量院王江院长决定赠送6只基准电池给BIPM时,该局P.Gicomo局长于1982年12月22日回信表示:“以我个人的名义和BIPM名义对贵院的慷慨大方及对我们工作的关怀表示感谢”,“贵院制造的电池是第一流的,这组电池将补充BIPM的基准电池组。当前面临着各国计量院缺少如此高质量电池之际,您所给予的礼物无疑是对BIPM的珍贵帮助”。从事标准电池测试工作几十年的BIPM电学室专家G.Lelerc先生及后来接班的D.Reymann先生多次来信称赞我国标准电池是“第一流的”、“质量非常高”、“噪声很小”、“电动势复现性很好”。
在与这些国际知名科学家打交道的过程中,他们实事求是的精神给我留下深刻印象。1985年7月10日,D.Reymann先生提供我们赠送的6只电池测试数据后,我发现其中一只标准电池测试值有点反常,与我们的测试结果相差较大,于是去信请求对方寄原始记录以便进行研究。1985年9月19日收对方复信称:“8月25日上午收到来信后,经重新测量证明7月份提供的5号电池电动势值是错误的”,并重新提供一组数据,还表示要把其中4只标准电池放入他本人设计的26℃控温箱内,此箱的图纸及电路图等全部资料均寄我参考。后经我分析,证明不是BIPM检测错误,而是我们把电池送去巴黎的路途中,可能不小心将标准电池的正、负极碰了一下,暂时短路造成电池电动势值下降,故BIPM在7月份的测试值较低,经近两个月慢慢恢复,到9月份测得的电动势值与我们测得的值又十分接近。此后我与他成了朋友,几年后他们来我国比对约瑟夫森电压标准时,他指名要见我。回国时我院送一组可倒置标准电池给BIPM,举行交接仪式时我临时得到通知,白大褂实验服都来不及脱下就把标准电池送到会议室,D.Reymann先生拉住我,让我与他共同携手拿着标准电池与领导一起照相(见下图,左二为作者)。

BIPM电学室负责人Thomas.J.Witt先生是国际知名的电学计量专家,我于1987年9月写信给BIPM局长P.Gicomo,希望早点知道我国送去比对的标准电池数据,以便为改值作参考。信转到他手中后他有点不高兴,给我回信称:“要知道标准电池经过运输后通常需要几个月才能达到其平衡状态”,意思是标准电池还未稳定,也太着急了吧!我于10月9日回信给他说:“我本人曾参与这组标准电池的制造研究工作,由于在制造过程中采取了一些措施,据我对这组电池的观察,证明该组标准电池的电动势滞后效应较小,经过运输后估计要不了1个月(其实1周时间就可以了,我有意留点余地)即可达到平衡状态,当然也许你们测量水平比较高,能测量出我们观察不出来的微小变化……”10月14日,Thomas. J. Witt先生收到我的信后立即测量,给我回信称:“测试结果看来支持您的判断,那就是这些电池要达到平衡状态只需要很短时间。”他将此信连同9月8日D.Reymann先生的信在寄给我的同时,复印一份交参加国际计量大会(CGPM)的中国政府代表团转交我。在信中他最后写道:“您的电池质量极佳,我们对此留下了非常深刻的印象,这些电池很可能是我们测量过的最好的电池。”1987年11月13日,D.Reymann先生也在信中称赞:“在我们已经测量过的所有传递标准中,你们的电池性能最好。”经BIPM多年考查表明,每年平均变化为+0.05μV(5×10-8),与PTB测得的控温电池年平均变化+0.09μV(9×10-8)十分接近。
此外,我国还以上万美元一组的价格向法国、巴基斯坦及墨西哥国家计量部门出口基准电池,美国、澳大利亚、伊朗、新加坡、马来西亚等国家计量部门都与我们联系过购买事宜。以上事实证明,我国标准电池的研制已达到国际领先水平,这已是不争的事实。

结束语 

回顾这几十年研制标准电池的经历,也从侧面反映了我国计量科技艰难发展的历程。在党及政府的领导下,经过几代人不断努力奋斗、自力更生,我们几乎是从无到有、一步一步攀登上基准电池研制的高峰的,得到了世界各国有关专家的一致好评,为祖国争得了荣誉。王大珩院士曾经讲过:“改造和发明仪器的人是真正的大师,而花大价钱买仪器,只为重复别人的实验,那是有钱的傻子也会干的事。”希望有更多的后来者踩着我们的肩膀继续努力往上攀登,创造出更多、更好的科研成果,为国争光!
本文刊发于《中国计量》杂志2014年第2期
作者:中国计量科学研究院  胡衍瑞

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