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METROLOGÍA ELECTRICA
en INTI
Disertante:
Lic. Lucas Di LilloUT ELECTRICIDAD
¿QUÉ HACE EL INTI?
Asistencia Técnica, Análisis y Ensayos
Investigación y Desarrollo
Metrología, Calidad y Certificación
Capacitación
Extensión
AeronáuticaAmbienteBiotecnologíaCarnesCauchoCelulosa y PapelCereales y OleaginosasConstruccionesCuero y CalzadoElectrónica e InformáticaEnergíaEnvases y EmbalajesTecnologías Blandas
Física y MetrologíaFrutas y HortalizasLácteosMadera y MueblesMecánicaPlásticosProcesos SuperficialesQuímicaReglamentos para Obras
Civiles (CIRSOC)Tecnologías para la Salud y
la DiscapacidadTextiles
ÁREAS DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
El INTI está presente a
lo largo del país con
Centros de
Investigación y
Desarrollo,
Delegaciones
Regionales, Unidades
de Extensión y Oficinas
de Información.
Concepción del Uruguay: Alimentos.
Córdoba: Metalurgia y materiales, Mecánica, Química, Metrología, Electrónica.
Centro Oeste: Abarca las provincias de La Rioja, Catamarca, Santiago del Estero y norte de Córdoba. Sectores olivícola, maderero, textil y de productos orgánicos.
Mar del Plata: Alimentos: productos frescos y congelados, conservas, preservas, calidad, ingeniería económica, equipos, ensilados biológicos.
Mesopotamia: Abarca la provincia de Entre Ríos, sur de Corrientes y litoral de Santa Fe. Industria arrocera, citrícola y de la actividad apícola.
Neuquén: Química, Petroquímica y Medio Ambiente: suelos, agua, gas natural.Alimentos Regionales: frutas, verduras y hortalizas, miel, productos avícolas.Gestión Empresarial y de la calidad.
¿DÓNDE ESTAMOS?
INTI – Física y Metrología
Unidades Técnicas:
• Electricidad
• Mecánica
• Masa
• Acústica
• Luminotecnia
• Óptica
• Calor
• Calidad y Administración
Estructura
UNIDAD TECNICA
ELECTRICIDAD
Lucas Di Lillo
PATRONES
CUANTICOS
MEDIDORES
ELECTRICOSALTA TENSION DC Y BAJAS
FRECUENCIAS
Alejandra Tonina
Marcos Bierzychudek
Mariano Real
Martin Curras
Daniel Perez
Diego Luna
Lucas Di Lillo
Javier Quintana
Carlos Iannone
Gustavo Martinez
David Leiva
Sebastian Ruocco
Juan Pablo Catolino
Diego Sweitzer
Jose Luis Casais
Juan Cabanellas
Andres Kastner
Ricardo Iuzzolino
Jorge Cioffi
Andres Toran
Eliana Yasuda
Marcelo Cazabat
Emilio Choleva
Luciano Dominguez
Alberto Alvarez
UNIDADES
El Sistema Internacional de Unidades (SI)
kilogramo
El kilogramo es la unidad de masa; es igual a la masa del prototipo
internacional del kilogramo
El prototipo internacional del kilogramo, un artefacto hecho de platino-iridio, es guardado
en el BIPM bajo las condiciones especificadas por la CGPM
El Sistema Internacional de Unidades (SI)
segundo
El segundo es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos entre dos niveles hiperfinos de el
estado en reposo del átomo de cesio 133
ampere
El ampere es la corriente constante que, mantenida en dos conductores paralelos rectos
de longitud infinita, de sección circular despreciable, y separados 1 m en el vacío,
produciría entre ellos un fuerza igual a 2 x 10–7 newton por metro de longitud.
El Sistema Internacional de Unidades (SI)
metro
El metro es la longitud del camino recorrido por la luz en vacío
durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 segundos.
Unidades derivadas
m
kg
s
A
FUERZA
ENERGÍA
POTENCIA
TENSIÓN
RESISTENCIA
CAPACIDAD
INDUCTANCIA
2s
mkgN
2
2
s
kgmNmJ
3
2
s
kgm
s
JW
As
kgm
A
WV
3
2
23
2
As
kgm
A
V
kgm
As
V
AsF
2
24
22
2
As
kgm
A
VsH
s1410
kg
A
N2.. smkg
710.4
V
710
322 .. sAmkg312 ... sAmkg
Capacitor
calculable
Balanza de
corriente Balanza
de tensión
m1110
710
C U
z
F Fe = mm
F m gm =
2
2
2
M
E
W mg S
U CW
mg SU
C
Current circulates in opposite directions in the red pair of large stationary coils producing
a radial B in the horizontal plane.
The smaller blue moveable coil is positioned in the same plane and carries current in the
direction dl to produce the force balancing the weight in the right arm of the
balance.
The standard uncertainty of such ampere determinations was 3 to 5 ppm
Thompson-Lampard theorem:
A right cylinder of infinite length and
arbitrary cross-section is divided into 4
segments by narrow gaps and placed in a
medium of permittivity e. If C1 and C2 are
the opposing cross-capacitances per unit
length then
If C1 @ C2 then the mean capacitance per
unit length, C, in vacuum, is given by
C0' = ε0·ln2 /
Configuration – conventional arrangement of four
cylindrical electrodes in cylindrical shield
Calculated capacitance is mean of increase of the two
cross capacitances as the upper guard electrode is
moved through a measured distance from the lower to
the upper position
Capacitance between opposite electrodes is delimited
by two guard electrodes
0
ln 2C l
S m A
Thompson Lampard 1 pF
escala: 1 pF 10 nF
Puente de cuadratura
10 nF 10 kΩ
escala: 10 kΩ 1kΩ
1 kΩ AC/DC
escala: 1 kΩ RH (2)
Trazabilidad
Multimetros
CALIBRADORES
Efecto Hall cuantico
Volt 2.10-9
Efecto Hall cuantico
I
UR T
H RH=f(T,B,, , , )
B
2DEG
Ux
HU
I
I
Efecto Hall cuantico
0 2 4 6 8 10 12
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
RH /
B / T
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
i=4
i=3
i=2T = 0.3 K
Rx /
RH = 1/i h/e2 con i = 1; 2; 3
Efecto Hall cuantico
Comparador de corrientes a cuatro terminales
Resistores
Efecto Josepshon
Volt 2.10-9
Efecto Josepshon
Superconductor
(Nb)
Superconductor
(Nb)
Aislante (Al2O3)
I
I
f
V
Efecto Josepshon
902
j
jK
fn
e
hnfV
V
GHz
h
eK j 9,483597
290
Efecto Josepshon
Pilas y Zeners
Patrones de tensión alterna
AC
I DCU DC P DCDC
Transferencia ac-dc
U AC I AC P AC
Resistencias
patrones
Referencias, zener, pilas,
patrones
Diseminación
Efecto hall cuánticoEfecto JosephsonSETReproducción vía
constantes
fundamentales
Capacitor calculableBalanza de tensiónBalanza de corrienteRealización
Ω=s-3 m2 kg A-2 V=s-3 m2 kg A-1ADefinición
OhmVoltAmpere
Patrones de Tensión Alterna
Patrones de ac – Valor eficaz
• El valor eficaz (o RMS) es un parámetro importante para la descripción
de una señal, dado que está relacionado con el contenido energético,
independiente de la forma de onda.
• Es definido como el valor equivalente de DC que produce la misma
disipación de potencia promedio en un resistor que la señal de AC.
• Matemáticamente, si la señal es periódica:
Tt
t
dttxT
X )(1 2
rms
Patrones de tensión alterna
Patrones de ac – Conversores térmicos
Diferencia ac-dc
dc
dcac
U
UU
cuando o
dc
o
ac UU
Patrones de ac – Conversores térmicos
•Heater – Ni-Cr
•Soportes: dumet (Cu-Fe) o Pt
•TC: Cu- Constantan
•T= 150 K
Simple juntura
Calefactor
(heater)
Conexione
s pasantes
Ampolla de
vidrio en vacío
Gota
aislante
termocupla
nUikUo
Patrones de ac – Conversores térmicos
Patrones de tensión alterna
Patrones de tensión alterna
Patrones de Tensión AC - Muestreo
Uu
Ni
i
N
rms
21 2/
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Muestreo sincrónico
• Muestreo sobre un número entero de períodos
• Reducción del tiempo de medición ( 1 s a 30 s)
• Incertidumbres de 1 V/V (k=2) por debajo de 100 Hz
Conversores térmicos
Comparación de dos termoconversores
Termoconversores
u
H
960
400
189
89
10 100 1000Hz
µV/V
frequency
16
12
8
4
0
Diferencias ac-dc a baja frecuencia
Termoconversores
u
H
89
189
400
960
150
100
50
0
-50
-100
-1501 10 100 1000kHz
µV/V
frequency
Multijuntura – film delgado
Diferencias ac-dc a alta frecuencia
Conversores térmicos – Tensión
U
Resistor de rango Termoconversor
U tc
Conversores térmicos – Tensión
Conversores térmicos – Construcción de la escala de tensión
Hipótesis: el patrón
que realiza el salto
no cambia su valor
50 mA
10 mA
25 mA
TC –10 mA
TC –25 mA
TC –50 mA
TC –25 mA
TC –50 mA
TC –100 mA
0.4 In
0.5 In
0.5 In
In
0.2·In
0.5·In
0.25·In
0.5·In
0.4·In
In
10 mA
25 mA
PMJTC - 4 + SH - 1 PMJTC - 5 + SH - 2
PMJTC - 2
PMJTC - 3
PMJTC - 1
PMJTC - 5 + SH - 2
PMJTC - 1 + SH - 3
PMJTC - 4 + SH - 1
50 mA
PMJTC - 1 + SH - 3
PMJTC - 3 + SH - 4
PMJTC - 4 + SH - 1
In
Conversores térmicos – Construcción de la escala de tensión
Mediciones
Diferencia ac-dc
dc
dcac
U
UU
cuando o
dc
o
ac UU
x d s
odcx oacx odcs oacs
d
odcx odcs. .x s
U U U U
n U n U
AC, DC+, AC, DC-, AC
0 0
0
Convergenciaacs dcs
dcs
U U
U
> 50 ppm modifico la corriente DC
< 50 ppm tomo el valor de la medición
0acxU
0acsU
0dcxU
0dcsU
Fluke
5440B
HP 3458
(-) (+)
~
(+)
(-)
(+)(-)
TCnF 792=Fluke
5200
H H
L L
Ch2
K182
RM-1
Comparación de dos termoconversores de tensión
Conversores térmicos – Corriente
I
I
RSH TC
U tc
U
Conversores térmicos – Shunts
Distintos diseños de shunts
Conversores térmicos – Shunts
Conversores térmicos – Shunts
Comparación de dos conversores térmicos -
Corriente
RM-1
H
L
Ch2
TCx
U / I
HP 3245
TCn
Guard
Lo
Hi
Hi
Lo
Guard
=~
K182-2
K182-1
QHE
PTB CCEM
EFECTO JOSEHPSON
REFERENCIA DE
TENSION ZENER
FLUKE 732B
1 Ω.........100M Ω
Udc Idc R
Uac Iac
CALIBRADOR FLUKE 5700 A
CALIBRADORES Y MULTIMETROS
TRANSFERENCIA
AC – DC
Potencia
Volt 2.10-9
Comparador de potencia usando termoconversores
U = 20 W/VA
22
DCiuiu Uuuuu
uiDC kkR
UiuP
4
2
Patrón de potencia
U = 10 W/VA
clock
i
N
i
i iuN
P 1
1u
i
Swerlein´s algorithm
Swerlein´s algorithm choose the best sampling parameters to
minimize this error
Sampling frequency is not synchronized with the source
frequency
R.L. Swerlein, “A 10ppm Accurate Digital ac Measurement Algorithm",H.P internal publication, Aug 1991
´2
´)sin(
wT
wT
kkk xWy
Nharm
j
ijkijkk jftBjftAAV1
0 2cos2sin
k
T
kk
T
kk yWWWx1
Nharm
j
jjACRMS BAV1
22
Calculo de la Potencia
The power is computed in three steps
1. Using the parameters calculated by least squares, the
value of power is calculated per burst and per
harmonic
2. Then, an average per burst is done. As result we
obtained the value of power per harmonic
3. The sum over all the harmonics is done
Pogliano´s algorithm
In this algorithm, the signals are modeled as Fourier functions
If the frequency is considered as an adjustable parameter, then the expressions are
expanded in series as a function of the frequency and truncated to the linear terms,
0
1
( ) 2 cos 2 2 sin 2M
ch sh
h
u t U U h ft U h ft
0
1
( ) 2 cos 2 2 sin 2M
ch sh
h
i t I I h ft I h ft
'
0
1
1
( , ) 2 cos 2 2 sin 2
2 2 sin 2 2 cos 2
M
ch sh
h
M
ch sh
h
u n f U U h ft U h ft
h t U h ft U h ft df
Umberto Pogliano, “Use of Analog-to-Digital Converters for High Precision Measurement of
Electrical Power", IEEE Trans. Instrum Meas.,vol.50, no. 5, pp. 1315-1318, Oct 2001
Flow chart
DMM Setting
sampling
Least squares
df, AkBk
RMs value and
corrections
df<
Power per Harmonic
Tsamp, Taper, N
1
t
'
' ' min
T T
A B
A A A B
A B A B
fi= fi-1+df
Software validation (RMS)
HP
3245
OptoC
HP 3458
(+)(-)
TCn
H
L
PC
Ch2
K182
RM-1 (-) (+)
Ch1
11 Hz 21 Hz 33 Hz 40.4 Hz
Swerlein -3.82 -2.33 -1.67 -1.47
Voltage transformer
PSV
1
1
0
SI
G
N
RE
F
ITV-1 X
XITV-1
Measured error in the VT at nominal input voltages of 6 V/V and 8 rad are
corrected by software. Due to the errors of the VT, we do not use a compensation
transformer.
We use a two stage voltage transformer.
It has 3 ranges for 240 V, 120 V and 60 V with a secondary of 6 V
Current transformerWe use a multirange current transformer (10..0.1/0.1 A)
10 Ω
PSV
1
1
0
SIGN
REF
IT-1 X
XIT-1
P N L K
IT-1 X
10 Ω
Errors at nominal input currents of 2 A/A and 2 rad are corrected by software.
Resistor
A resistor of 10 is connected to the
secondary of the CT, thus we get a
voltage of 1 V under nominal conditions
Differences between power thermal converter and
sampling wattmeter in W/VA.
Cos j = 1 23
Cos j = 0.5 lag -17
Cos j = 0.5 lead -23
SAMPLING
WATTMETER
SOURCE
THERMAL POWER
COMPARATOR
Measurements done at 120 V, 1 A using voltage transformer an a shunt
Patrones viajeros
Volt 2.10-9
Energia
Mesa de contraste de medidores
Volt 2.10-9
Mesa de contraste de medidores
Transformadores
Volt 2.10-9
Transformadores
Medidores eléctricos
Volt 2.10-9
CMCs
http://kcdb.bipm.org/AppendixC/search.asp?met=EM&reset=1
Comparaciones Internacionales
•Comparison of the Josephson Voltage Standards of the INTI and the BIPM (part of the ongoing BIPM keycomparison BIPM.EM-K10.a)•Bilateral Comparison of 1.018 V and 10 V Standards between the INTI (Argentina) and the BIPM, Augustto October 2009 (part of the ongoing BIPM key comparison BIPM.EM-K11.a and•CCEM K2 High Resistance comparison, noviembre de 2012•SIM.EM-K4, 10 pF fused-silica standard capacitor at 1000 Hz and 1600 Hz•SIM.EM-S4, 100 pF fused-silica standard capacitor at 1000 Hz and 1600 Hz•SIM.EM-S3, 1000 pF nitrogen gas standard capacitor at 1000 Hz•Key International Comparison of AC-DC Current Transfer Standards CCEM-K12•Key Comparison of 50/60 Hz Power SIM.EM-K5•SIM.EM-S5 Voltage, Current and Resistance Comparison•SIM.EM-K12 Comparison AC-DC current transfer difference, Abril 2010, Diciembre 2012 SIM.EM – S9.b,1 Ω and 10 kΩ•SIM.EM-K1, 1 Ω•SIM.EM-K2, 1 GΩ•SIM.EM-S6, 1MΩ
Metrology in Chemistry and Biology, Angelique Botha
• Protocolo comparacion potencia
• Informe final comparacion potencia
• Procedimiento 23A, 23B, 23C y 23D
Av. Gral Paz 5445
(1650) San Martin
Buenos Aires, Argentina
5411 4724 6200
ldili@inti.gob.ar
¡Muchas Gracias!
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