74-летний ртутный эталон напряжения всё ещё измеряет термопару почти без электроники

Нормальный элемент Вестона возрастом 74 года в составе потенциометрического термометра показал около 1.017 В при номинале порядка 1.018 В. Этого хватило для демонстрации измерений железо-константановой термопары по нулю гальванометра. Точность здесь задают стабильность рабочего тока делителя, чувствительность нулевого индикатора и температура опорных узлов.

Восстановленный потенциометрический термометр с 74-летним нормальным элементом Вестона продемонстрировал измерение термо-ЭДС железо-константановой термопары компенсационным методом. При проверке старой электрохимической ячейки было получено около 1.017 В, тогда как характерное значение насыщенного элемента Вестона составляет примерно 1.018 В. Затем прибором исследовали термопару в тающем льду, кипящей воде и в различных зонах пламени спиртовки.

Измерительный тракт построен вокруг условия баланса. Внутренний источник создаёт рабочий ток через прецизионный проволочный делитель, а нормальный элемент задаёт его калибровку: движок устанавливают на известную отметку и подстраивают ток до нулевого отклонения гальванометра. После переключения на термопару движок перемещают до следующего нуля. Напряжение на выбранном участке делителя в этой точке равно термо-ЭДС с учётом полярности.

Работу схемы удобно записать как

`Uтермопары − Uкомпенсации = 0`.

Гальванометр в такой системе служит индикатором знака и остатка ошибки, а не прибором прямого измерения микровольт. При точном равновесии измерительный ток в цепи термопары стремится к нулю. Падение напряжения на сопротивлении её проводов и контактов, вызванное входным током измерителя, почти исключается из результата. Это свойство было критично для ранних температурных измерений, где ЭДС термопар составляла единицы или десятки милливольт, а высокоомные электронные вольтметры ещё отсутствовали.

Железо-константановая пара относится к типу J. Её сигнал определяется разностью температур горячего и холодного спаев, поэтому опыт с ледяной баней и кипящей водой показывает работоспособность прибора лишь при контролируемой опорной температуре. Температура кипения также зависит от атмосферного давления. Наблюдение за спаем в пламени годится для сравнения температурных зон, но не образует самостоятельную точку калибровки.

Нормальный элемент Вестона представляет собой химический источник с кадмиевой амальгамой, ртутью, сульфатом ртути(I) и насыщенным раствором сульфата кадмия. Исторически такие ячейки применялись как переносимые опорные меры напряжения. Их ЭДС чувствительна к температуре, механическим воздействиям и даже малому отбираемому току, поэтому в потенциометре элемент подключается на время настройки и работает в режиме, близком к нулевой нагрузке.

Совпадение наблюдаемого значения с 1.018 В на уровне около 1 мВ показывает сохранность ячейки и механики прибора, однако не устанавливает современную метрологическую точность. Для такого вывода потребовались бы температура элемента при измерении, сведения о классе потенциометра, проверка сопротивлений делителя и контактов, а также сличение с прослеживаемым эталоном. В показанной установке особенно наглядно сохранился сам принцип: точность извлекается из равновесия двух напряжений, а остаточная ошибка наблюдается чувствительным нулевым индикатором.