y Elementos Patrones

Texto completo

(1)Introducción a las Mediciones Eléctricas Sistema Internacional de Unidades y Elementos Patrones.

(2) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Concepto de Medición ¿Qué es Medir? Medir es comparar una cantidad desconocida que queremos determinar con una cantidad conocida de la misma magnitud considerada como unidad (por convención), para determinar cuántas veces dicha unidad se encuentra contenida en la cantidad desconocida. Unidad: Ejemplo: longitud de la mesa = (1.53 ± 0.01) m Cantidad de una magnitud física que se usa como referencia, definida y Magnitud: Cantidad: adoptada por Toda propiedad de Se refiere al valor convención. un objeto o sistema que toma una (en este caso el que puede ser magnitud dada Incertidumbre: metro) representado con en un cuerpo o Parámetro que un número sistema concreto caracteriza la “duda” (en este caso (en este caso que se tiene sobre la longitud de la mesa) 1.53) cantidad expresada. 2.

(3) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Ejemplos de unidades utilizadas antiguamente El codo egipcio (año 3000 a.C.): Distancia del codo del faraón hasta el extremo del dedo medio con el brazo extendido más la anchura de la mano. Se cree que en el siglo X se define la pulgada originalmente como la distancia del nudillo a la punta del dedo pulgar del rey Edgardo de Inglaterra. Luego, su definición fue cambiando.. El pie. Decretado por Carlomagno como la longitud de su propio pie. Luego, en 1305, el rey Eduardo de Inglaterra redefine el pie y la pulgada decretando que “3 granos redondos de cebada hacen una pulgada, 12 pulgadas un pie. La yarda. Su origen según se cuenta se remonta al rey Enrique I. Quien estableció su medida como la distancia de su nariz hasta la punta de sus dedos de la mano. En 1588 Elizabeth I materializa la yarda con una barra de latón. Para medir el peso, los antiguos utilizaban granos de trigo o granos de cebada. El kilate utilizado para pesar piedras preciosas, se deriva de la diminuta semilla de algarrobo. 3.

(4) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Origen del Sistema Internacional de Unidades  Producida la Revolución francesa, la Asamblea Nacional en 1790 ordenó a la Academia Francesa de Ciencias estudiar y proponer un sistema único de pesas y medidas para Francia.  La Academia Francesa de Ciencias fundamentalmente es este principio: Principio: Un sistema de pesas y medidas no debe depender de objetos hechos por el hombre, sino basarse en constantes de la naturaleza.. propone. un. sistema. basado. Definen el metro: Como “la diezmillonésima parte de la distancia desde el polo al ecuador a lo largo del meridiano que pasa a través de París” Definen el “grave” o gramo: Como “la masa de un centímetro cúbico de agua destilada” 4.

(5) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Origen del Sistema Internacional de Unidades  El metro definido así fue materializado provisionalmente a través de una barra de latón en 1795.  Las propuestas de la Academia Francesa fueron aprobadas e introducidas como el Sistema Métrico de Unidades de Francia en 1795. Pasa a ser obligatorio su uso desde 1 de enero de 1840..  Este sistema métrico francés despertó considerable interés en otras partes del mundo. En 1875, 17 países firmaron la llamada Convención del Metro, adoptando legalmente el sistema métrico de 5 unidades..

(6) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Origen del Sistema Internacional de Unidades Gran Bretaña y Estados Unidos firmaron la convención, pero reconocieron su legalidad únicamente en transacciones internacionales y no aceptaron el sistema métrico para uso doméstico, usando internamente su propio sistema.  En reconocimiento a lo realizado, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) tiene su cede en Sèvres, cerca de París.. 6.

(7) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Origen del Sistema Internacional de Unidades  En 1889 se construyen nuevos prototipos internacionales del metro y el kilogramo y se define el segundo como “1/86400 del día solar medio” y se agrega al sistema. Otro principio importante: Todas las unidades que hicieran falta se deberían derivar de las tres unidades fundamentales definidas antes; el metro, el gramo y el segundo.. Otro principio: Los múltiplos y submúltiplos de las unidades debían ser en el sistema decimal. Ejemplo: Si la velocidad es el cociente entre la distancia recorrida y el tiempo que se tarda en recorrerla se tiene: Distancia: [m] “Sistema MKS” Tiempo: [s] Entonces velocidad: [m/s] 7.

(8) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual  Con el paso del tiempo se fueron agregando nuevas unidades hasta que en 1960 la Décimo Primera Conferencia General de Pesas y Medidas le da el nombre de “Sistema Internacional de Unidades (SI)” con la forma que conocemos hoy, basado no ya en tres unidades sino en siete magnitudes y por ende siete unidades básicas. Magnitud base del SI Longitud Masa Tiempo Intensidad eléctrica Temperatura Intensidad luminosa Cantidad de sustancia. Nombre de la Unidad metro kilogramo segundo Ampere Kelvin candela mol. Símbolo m kg s A K cd mol. 8.

(9) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Origen del Sistema Internacional de Unidades  Distintas resoluciones desde 1960 hasta 1992 fueron redefiniendo las unidades base, agregando nombres y símbolos de prefijos para formar los nombres y símbolos de los múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades SI, hasta llegar a lo que conocemos hoy: Múltiplos y Submúltiplos del Sistema Internacional de Unidades (ejemplo para el segundo [s]) Submúltiplos Múltiplos Valor Símbolo Nombre Valor Símbolo Nombre −1 1 10 s ds decisegundo 10 s das decasegundo −2 2 10 s cs centisegundo 10 s hs hectosegundo −3 3 10 s ms milisegundo 10 s ks kilosegundo −6 6 10 s µs microsegundo 10 s Ms megasegundo −9 9 10 s ns nanosegundo 10 s Gs gigasegundo −12 12 10 s ps picosegundo 10 s Ts terasegundo −15 15 10 s fs femtosegundo 10 s Ps petasegundo −18 18 10 s as attosegundo 10 s Es exasegundo −21 21 10 s zs zeptosegundo 10 s Zs zettasegundo −24 24 10 s ys yoctosegundo 10 s Ys yottasegundo.

(10) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual  Las unidades del actual Sistema Internacional se dividen en tres grupos.. 1° grupo Unidades de base: son aquellas que se han elegido por convención y que no se expresan en función de las otras. Como dijimos actualmente son siete.. (cuadrados en la Figura) Fuente INTI. 10.

(11) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual  Las unidades del actual Sistema Internacional se dividen en tres grupos.. 2° grupo Unidades derivadas: son aquellas que se componen de dos o más unidades de base. (círculos en la Figura). Fuente INTI. 11.

(12) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual  Las unidades del actual Sistema Internacional se dividen en tres grupos.. 3° grupo Unidades complementarias: son aquellas que no se derivan de una magnitud física pero son necesarias para su comprensión. (triángulos en la Figura). Fuente INTI. 12.

(13) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual  Cada una de las unidades de base tiene una definición rigurosa, que puede ir cambiando en función del avance de la tecnología y del conocimiento:.  2019 se considera un año histórico para la metrología mundial porque entra en vigencia la reforma más importante del SI desde 1960.  En 2019 el Comité Internacional redefinió cuatro de las unidades de base: el Ampere, el kilogramo, el kelvin y el mol; y reformuló las definiciones del metro, el segundo y la candela. Los cambios entraron en vigencia el 20 de mayo de 2019 (día internacional de la metrología). Todas nueva definiciones se basan en constantes de la naturaleza, en lugar de artefactos, propiedades de materiales o experimentos teóricos irrealizables como sucedía hasta ahora en algunos casos (como por ejemplo con el kg). 13.

(14) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual La reforma de 2019:. Antes…. Ahora…. 14.

(15) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual El segundo: Se definía hasta el 2019 como “la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del isótopo 133 del átomo de cesio (133 Cs)”.. La nueva definición del segundo: (no cambia, solo se reescribe como): El segundo, cuyo símbolo es s, es la unidad de tiempo del SI. Se lo define estableciendo el valor numérico fijo de la frecuencia del cesio, ΔνCs, la frecuencia de la transición entre niveles hiperfinos del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio 133, igual a 9 192 631 770 cuando es expresada en unidades de Hz, que es igual a s-1”. El segundo se materializa con un conjunto de relojes de Cesio: El reloj atómico FOCS 1 de fuente de cesio frío continuo en Suiza que comenzó a funcionar en 2004 con una incertidumbre de un segundo en 30 millones de años (Fuente: INACAL). 15.

(16) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual El metro: Se definía hasta el 2019 como “la distancia que recorre la luz en vacío, en un intervalo de tiempo de 1 / 299 792 458 segundos”. La nueva definición del metro: (no cambia, solo se reescribe como): El metro, cuyo símbolo es m, es la unidad de longitud del SI. Se lo define estableciendo el valor numérico fijo de la velocidad de la luz en el vacío, c, igual a 299 792 458 cuando es expresada en unidades de m s-1, donde el segundo es definido en términos de la frecuencia del cesio ΔνCs El metro se materializa con un experimento con láseres, que permiten medir la longitudes de bloques de metal. 16.

(17) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual El kilogramo: Se definía hasta el 2019 como “la masa de un artefacto sólido o pesa, de forma cilíndrica, de 39 mm de altura y 39 mm de diámetro, fabricado con una aleación de 90% de platino y 10% de iridio”. Se eligieron estas dimensiones para lograr que la masa de 1 dm3 de agua sea aproximadamente de 1 kg. Esta pesa, construida 1879, denominada IPK (siglas en inglés de Prototipo Internacional del Kilogramo) se custodia en las instalaciones del BIPM (Bureau Internacional de Pesas y Medidas) en Sèvres, cerca de París, existiendo distintas copias de esta pesa en distintos institutos de metrología a lo largo del mundo. No se estaba cumpliendo con aquel principio fijado por los franceses ya que era un objeto hecho por el hombre. Esta definición cambió en 2019 17.

(18) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual La nueva definición del kilogramo: El kilogramo, cuyo símbolo es kg, es la unidad de masa del SI. Se lo define estableciendo el valor numérico fijo de la constante de Planck, h, igual a 6,626 070 15 x 10-34 cuando es expresada en unidades de J s, que es igual a kg m2 s–1, donde el metro y el segundo son definidos en términos de c y ΔνCs La definición anterior del kilogramo fijaba el valor de la masa del prototipo internacional del kilogramo igual a un kilogramo exactamente, y el valor de la constante de Planck “h” tenía que determinarse experimentalmente. La nueva definición fija el valor de “h” exactamente, y la masa del prototipo internacional del kilogramo ahora tiene que ser determinada experimentalmente.. Experimento 1: La balanza de Watt o balanza de Kibble es una de las opciones para medir la masa en función de cantidades eléctricas Experimento 2: Construir una esfera con 28Si puro, medir su talla y deducir el número de átomos en la esfera. A partir de la masa de un átomo se saca 18 la masa de la esfera.

(19) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual Con la nueva definición del kilogramo en 2019 se resolvió el problema de utilizar una pesa, es decir su variación. El IPK se sacaba de su campana de protección dos o tres veces por siglo y se lo comparaba con sus copias. Se han observado variaciones en su masa (unos 50 μg).. 19.

(20) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual El Kelvin Se definía hasta el 2019 como “la fracción 1 / 273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.”. La nueva definición del kelvin: (cambia como): El kelvin, cuyo símbolo es K, es la unidad de temperatura termodinámica del SI. Se lo define estableciendo el valor numérico fijo de la constante de Boltzmann, k, igual a 1,380649 x 10-23 cuando es expresada en unidades de J K-1, que es igual a kg m2 s-1 K-1, donde el kilogramo, el metro y el segundo son definidos en términos de h, c y ΔνCs Para materializar el kelvin se construye una escala de temperaturas. Por ejemplo, en los laboratorios existen una serie de celdas selladas, que contienen cada una distintas substancias puras, en condiciones tales que pongan a la substancia en cierto estado al que corresponde una temperatura dada, que representa un punto fijo de definición de la escala de temperatura.. 20.

(21) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual La candela La candela de define como “la intensidad luminosa en una dirección dada de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Hz y que tiene una intensidad radiante en dicha dirección de 1/683 W por estereorradián”.. La nueva definición de la candela: La candela, cuyo símbolo es cd, es la unidad de intensidad luminosa del SI en una dirección dada. Se la define estableciendo el valor numérico fijo de la eficacia luminosa de una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Hz, Kcd, igual a 683 cuando es expresada en las unidades lm W-1, que son equivalentes a cd sr W-1, o cd sr kg-1 m-2 s3 donde el kilogramo, el metro y el segundo son definidos en términos de h, c y ΔνCs Para materializar la candela se utiliza un radiómetro (aparato donde el efecto de calentamiento de la radiación óptica es igualado con el que resulta de una potencia eléctrica que se mide). Con el radiómetro se calibran lámparas especiales.. 21.

(22) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual El mol: Hoy se define como “la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12”.. La nueva definición del mol: (cambia como): El mol, cuyo símbolo es mol, es la unidad de cantidad de sustancia (o materia) del SI. Un mol contiene exactamente 6,022 140 76 x 1023 entidades elementales. Este número es el valor numérico fijo de la constante de Avogadro, NA, cuando es expresada en unidades de mol-1 y es llamado el número de Avogadro Experimento 1: Construir una esfera con 28Si puro, medir su talla y deducir el número de átomos en la esfera.. Experimento 2: Métodos gravimétricos midiendo la masa de sustancias puras .. 22.

(23) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Sistema Internacional de Unidades (SI) actual El Amper Se definía hasta el 2019 como “la corriente constante que, si es mantenida en dos conductores rectos paralelos de longitud infinita, de sección circular despreciable y separados 1 m en el vacío, produciría entre estos dos conductores una fuerza de 2 x 10-7 Newton por metro de longitud”.. La nueva definición del Amper: (cambia como): El Ampere, cuyo símbolo es A, es la unidad de corriente eléctrica del SI. Se lo define estableciendo el valor numérico fijo de la carga elemental, e, igual a 1,602 176 634 x 10–19 cuando es expresada en unidades de A s, donde el segundo es definido en términos de ΔνCs.. 23.

(24) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Implementación práctica del Amper (En laboratorios de alta exactitud)  Puesto que implementar en forma práctica la definición del Amper actual es imposible, los laboratorios implementan el Volt y el Ohm mediante ciertas experiencias, y entonces el Amper se obtiene indirectamente por medio de la ley de Ohm, es decir, hay patrones internacionales de tensión y patrones internacionales de resistencia.. El Volt se implementa con el Efecto Josephson El Ohm se implementa con el Efecto Hall Cuántico El Amper será el cociente entre esas magnitudes. 𝐼=. 𝑈 𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐽𝑜𝑠𝑒𝑝𝑕𝑠𝑜𝑛 = 𝑅 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑜 𝐻𝑎𝑙𝑙 𝐶𝑢á𝑛𝑡𝑖𝑐𝑜 24.

(25) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Efecto Josephson  El efecto Josephson es un fenómeno cuántico que ocurre al situar dos materiales superconductores separados por una fina capa de material aislante (de pocos nm)  Irradiando la muestra con señales de microondas se puede obtener una tensión que depende de los siguientes factores:. 𝑕𝑓 𝑉=𝑛 2𝑒 Siendo:. 𝑛 = 𝑢𝑛 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑜. 𝑕 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑙𝑎𝑛𝑘 𝑓 = 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑒 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟ó𝑛. La frecuencia aplicada al sistema es medida y controlada por un contador que a su vez está referido a la señal de un reloj atómico, con lo cual la tensión generada tiene alta exactitud. 25.

(26) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Efecto Hall Cuántico  El efecto Hall Cuántico se logra cuando se somete a una temperatura muy baja y a un campo magnético muy intenso una muestra formada por materiales semiconductores, de esta forma la muestra semiconductora toma un valor de resistencia muy estable.  Esta resistencia se llama resistencia Hall (RH) y tiene valores que son independientes de otras magnitudes físicas y sus cambios, dependiendo sólo de constantes universales como la constante de Planck y la carga del electrón. 𝑕 𝑅𝐻 = 𝑖 𝑒2 Siendo:. 𝑖 = 𝑢𝑛 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑜. 𝑕 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑙𝑎𝑛𝑘 𝑒 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟ó𝑛. Equipo para generar el efecto Hall Cuántico Fuente INTI. 26.

(27) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Diseminación de las Unidades del SI  Las realizaciones prácticas de las unidades base del SI en los laboratorios de alta exactitud constituye lo que denominamos “patrones”, en este caso por ser de la mayor calidad metrológica se los denomina “patrones primarios”. En forma general, un patrón es “una medida materializada, aparato de medición, material de referencia o sistema de medición, destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o varios valores de una magnitud para servir de referencia”. Por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones se van generando patrones de menor calidad metrológica utilizados, como elementos de referencia para otros laboratorios de menor exactitud. Todas estas comparaciones quedan registradas en certificados que aseguran la calidad formando la llamada “cadena de trazabilidad”. 27.

(28) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Diseminación de las Unidades del SI Clasificación de los patrones:. 28.

(29) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. INTI (patrones nacionales). Láseres para el metro. Lámparas para la candela. Copia del IPK para el kilogramo. Relojes atómicos de cesio para el segundo Celdas con distintas. Materiales y técnicas de referencia para lograr sustancias puras. sustancias para la temperatura. Efecto Josephson y efecto Hall Cuántico para el Amper. 29.

(30) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Clasificación de los patrones  Patrón primario: patrón que se designa o se recomienda por presentar la más alta calidad metrológica y cuyo valor se establece sin referirse a otros patrones de la misma magnitud. Ej: Patrones del BIPM  Patrón secundario: patrón cuyo valor se establece por comparación con un patrón primario de la misma magnitud. Ej: Patrones del INTI  Patrón de referencia: patrón, generalmente de la más alta calidad metrológica disponible en un lugar u organización dados, del cual se derivan las mediciones que se hacen en dicho lugar u organización, por ejemplo en un laboratorio.  Patrón de trabajo: patrón utilizado corrientemente para controlar medidas materializadas, aparatos de medición o materiales de referencia.  Patrón de transferencia: patrón empleado como intermediario para comparar patrones entre sí. 30.

(31) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Patrones de tensión usados en laboratorios eléctricos (patrones de referencia) Con los generadores de efecto Josephson se calibran otros dispositivos como las fuentes de estado sólido (fuentes con diodos Zener) que forman los patrones de referencia, de uso más común en laboratorios:  Fuente de estado sólido:. Son fuentes de corriente continua que contienen una batería y se conectan a la red eléctrica. Poseen circuitos electrónicos especialmente diseñados para producir tensiones de referencia de por ejemplo 10V o 1,018V altamente estables y en un dispositivo transportable, por lo que comúnmente se las utiliza no solo como patrones de referencia sino también de transferencia o “viajeros” para comparar patrones con distinta ubicación geográfica.. 31.

(32) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Patrones de tensión usados en laboratorios Con el efecto Josephson además de calibrar las fuentes Zener también se pueden calibrar conjuntos de pilas especiales. En ejemplo de estas son las pilas de Weston: Está formada por un ánodo (polo negativo)  La pila de Weston: de amalgama de cadmio/mercurio, un cátodo (polo positivo) de mercurio puro, encima y como despolarizador se coloca una pasta de sulfato de mercurio (SO4Hg2), sulfato de cadmio (SO4Cd) y su disolución saturada. La celda Weston presenta siempre una referencia precisa 1,0183V a 20°C con un coeficiente de temperatura muy bajo (disminuye aproximadamente un 0,004% por cada grado de variación de la temperatura).. 32.

(33) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Patrones de resistencia usados en laboratorios Con los generadores de efecto Hall Cuántico se calibran resistores patrones de materiales especiales.  Resistor patrón:. Para el diseño de patrones de resistencias, se emplean hilos metálicos calibrados. Puesto que en los metales varía mucho la resistividad en función de la temperatura, se utilizan aleaciones que son más estables. Manganina: Aleación conformada por 84% de cobre, 12% de manganeso y 4% de níquel. Constantan: Aleación de cobre con 40 a 60% de níquel y una pequeña proporción de manganeso. 33.

(34) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Patrones de tensión y resistencia usados en laboratorios eléctricos  Resistencia patrón:. El diseño de cuatro bornes minimiza la influencia de la resistencia de los contactos (Rc) y de los cables de unión. • Las resistencias de contacto (Rc) que quedan en serie con la resistencia interna del voltímetro (RV) casi no influyen porque RV >> Rc. • Las resistencias de contacto (Rc) que quedan atravesadas por la corriente “I” no influyen en la caída de tensión sobre “R” que es la que se mide. 34.

(35) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Patrones de resistencia en corriente alterna  Se puede plantear un circuito equivalente: Analizándolo se llega a:. L  tg     RC   R  L L  Para que φ = 0 se tiene que dar:  RC R  C R φ.  Entonces: • para R bajas conviene L↓ y C↑:. Bobinado Bifilar. • para R altas conviene C↓ y L↑:. Arrollamiento Rowland. 35.

(36) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Patrones de tensión en corriente alterna  Usando patrones de corriente continua se pueden obtener patrones de corriente alterna usando equipos auxiliares denominados “equipos de transferencia CC-CA”.  Estos equipos comparan el calor generado en una resistencia alimentada en corriente continua (CC) con el calor generado en otra resistencia alimentada en corriente alterna (CA). Si ambas señales producen el mismo calor entonces tienen el mismo valor eficaz, sabiéndose entonces el valor de CA conocido el de CC.. 36.

(37) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Patrones de tensión en corriente alterna Funcionamiento básico de un sistema de Transferencia CC CA a termocupla: En la figura siguiente, la llave inversora “1” conecta una fuente de CC y la llave inversora “2” conecta a la fuente de tensión CA. Si en las ampollas TE1 y TE2 se genera el mismo calor, el detector “D” marcará cero. Si eso ocurre entonces la tensión de CC tiene el mismo valor eficaz que la fuente CA, habiéndose realizado la “transferencia CC-CA”. Ccc : Fuente de CC D: Detector de cero CA: Fuente de CA E1 y E2: sensores de temperatura. 37.

(38) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. Patrones de referencia de tensión y resistencia usados en laboratorios eléctricos  Modernamente existen los Calibradores: Son equipos electrónicos programables que generan señales de tensión, corriente, toman valores de resistencia, potencia, etc con elevada exactitud por lo que también se los utiliza como patrones de laboratorio para calibrar instrumentos en general.. 38.

(39) MEDICIONES ELÉCTRICAS I Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata. En resumen…  Como patrones primarios y secundarios: El efecto Josephson y el efecto Hall cuántico ya comentados.  Como patrones de referencia: Las fuentes de estado sólido La pila de Weston Las resistencias patrones. Los calibradores. Como patrones de trabajo: Los calibradores. Instrumentos de calidad.. 39.

(40)