Patrones de tensión eléctrica en corriente continua (cc)

Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Patrones de tensión eléctrica
en corriente continua (cc)
Dionisio Hernández
David Avilés
CENAM
ENME 2005
Incertidumbre aumenta
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
0.001 ppm
1 ppm
10 ppm
100 ppm o mas
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Requerimientos de un patrón de
tensión en cc
•
•
•
•
•
•
Estable en el tiempo
Bajo ruido
Coeficiente de temperatura despreciable
Baja impedancia de salida
Inmune a vibraciones
Inmune a variaciones de la tensión de
línea
• Múltiples salidas de tensión
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Patrones eléctricos cuánticos
• El volt - efecto Josephson
Microonda de Frecuencia f
Aislante
Superconductor
Vj
Vj = (h/2e) f n
Kj = 2e/h = 483597.9 GHz/V
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Chip de uniones Josephson
Una unión a 70 GHz produce ≅ 140 µV
⇒ se requieren 18 992 uniones para
-15 V < Vj < 15 V
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Diagrama a bloques del patrón de efecto
Josephson
B
U
S
I
E
E
E
Frecuencímetro
Fuente de
alimentación
Mezclador
Oscilador
microondas
Atenuador
V I
Osciloscopio
Fuente de
polarización
Vóltmetro
digital
Vsal.
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Referencias Zener
I
V
Vz
ENME 2005
1
0
Desviación (ppm)
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Compensación en temperatura
-1
-2
5.611 mA
5.541 mA
5.681 mA
-3
-4
-5
-6
-7
20
25
30
35
40
Temperatura (ºC)
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Circuito típico de una referencia Zener
Control de
temperatura
Preregulador
Vca
10 V
1,018 V
Fuente de
tensión en
cc
-
Batería
Diodo Zener
Tensiones de salida de 10 V
1,018 V
y
1V
ENME 2005
D e s v ia c ió n d e l v a lo r n o m in a l
ppm
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Zener 732 A 10 V
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
28/10/1995
y = 0,004x - 130,83
1.5 ppm/año
11/03/1997
24/07/1998
06/12/1999
19/04/2001
01/09/2002
Tiempo
ENME 2005
Desviación del valor nomina
ppm
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Zener 732 B 10 V
6,0
5,8
5,6
5,4
5,2
5,0
4,8
4,6
4,4
4,2
4,0
11/03/1997
y = 0,0007x - 20,447
2
R = 0,9488
0.25 ppm/año
24/07/1998
06/12/1999
19/04/2001
01/09/2002
14/01/2004
tiempo
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Referencias Zener
Características:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Efectos de temperatura
Efectos de Humedad
Efectos de Presión
Impedancia de salida
Es posible sacarles corriente
Insensible a vibraciones
Patrón robusto comparado con pilas patrón
Nivel de ruido de baja frecuencia
Estabilidad a largo plazo
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Pilas Patrón
Weston Cell (pila patrón
saturada) V = 1,018 V
Conjunto de Weston Cell (pilas patrón saturadas)
Con baño termostático
Pila patrón no saturada
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Weston cell (pila patrón saturada)
Solución saturada
de CdSO4
Cd SO4. 8/3 H2O
Cd SO4. 8/3 H2O
Hg2SO4
Amalgama
de Cd
Hg
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Weston cell (pila patrón saturada)
Características:
• Sensible a cambios de temperatura
• Sensible a vibraciones (problemas de
transporte)
• Sensible a efectos de carga (no sacarle
corriente)
• Muy buena estabilidad a largo plazo
• Deriva lineal
• Bajo nivel de ruido
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Medición de referencias de tensión en c.c.
por serie oposición
Vóltmetro
VM1
+
-
Vref
Vcal
fem
VM 1 + = Vref − Vcal + fem + offset
Vóltmetro
VM2
+
Vcal
fem
-
VM 2 + = Vcal − Vref + fem + offset
VM = (VM 1 − VM 2) / 2 = Vref − Vcal
Vref
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Escalamiento a partir de pilas patrón o
referencias Zener
• Linealidad de un multímetro
V
T
• Divisores resistivos
R1
DN
Vref
10V
R2
.
.
.
R10
• Conexión en serie de referencias de tensión
ENME 2005
Centro Nacional de Metrología. Derechos Reservados 2005
Conclusiones
• En México no es necesario depender del extranjero para
tener trazabilidad internacional en la magnitud de
tensión eléctrica en corriente continua.
• La diseminación o transferencia de la exactitud del
patrón nacional de tensión eléctrica en corriente
continua permite disminuir la incertidumbre de medición
de magnitudes eléctricas derivadas de este.
ENME 2005