Medidas Eléctricas I EE238 – Sección N INFORME DE LABORATORIO N.º 5 PATRONES DE MEDIDA Integrantes: Docente a cargo: Noviembre, 2022 I. INTRODUCCIÓN por su función y aplicación en las siguientes categorías: ¿A qué se llaman patrones de medida? Patrones internacionales Un patrón de medidas es el hecho aislado y conocido que sirve como fundamento para crear una unidad de medida. Muchas unidades tienen patrones, pero en el sistema métrico sólo las unidades básicas tienen patrones de medidas. Los patrones nunca varían su valor. ¿Qué características debe presentar un patrón de medida? -Ser inalterable, es decir, no ha de cambiar con el tiempo ni en función de quién realice la medida. Ejemplo: en una regla, se dilata con la temperatura - Ser universal, es decir, ampliamente utilizado o al menos reconocido. Sino, no vale para su propósito. - Ha de ser fácilmente reproducible. No debe ser muy costoso fabricar una regla que con cierta tolerancia en la medida me pueda decir lo que mide algo sobre lo que he dibujado, y además debe existir trazabilidad con el patrón padre. II. RESUMEN El patrón de medida es una medida convencional, es decir, una medida que se establece conforme a un convenio o acuerdo, para poder establecer un sistema de medición que pueda ser de aplicación generalizada y con validez en cualquier parte (a diferencia de los sistemas de medida locales en los que no hay un patrón de medida o estándar). III. MARCO TEÓRICO CLASIFICACIÓN DE LOS PATRONES Un patrón de medición es una representación física de una unidad de medición. Una unidad se realiza con referencia a un patrón físico arbitrario o a un fenómeno natural que incluye constantes físicas y atómicas. Así como existen unidades fundamentales y derivadas de medición también existen diferentes tipos de patrones de medición, los cuales se clasifican Se definen por acuerdos internacionales. Representan ciertas unidades de medida con la mayor exactitud que permite la tecnología de producción y medición. Estos patrones se encuentran en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas y no están disponibles como instrumentos de medición de uso ordinario o para propósitos de comparación o calibración. Patrones primarios Los patrones primarios representan unidades fundamentales y algunas de las unidades mecánicas y eléctricas derivadas, se calibran independientemente por medio de mediciones absolutas en cada uno de los laboratorios nacionales. Los resultados de estas mediciones se comparan entre sí, con lo cual se obtiene una representación promedio mundial para el patrón primario. Los patrones primarios no están disponibles para utilizarse fuera de los laboratorios nacionales. Una de las principales funciones de los patrones primarios es la verificación y calibración de los patrones secundarios. Patrones secundarios Los patrones secundarios son los patrones básicos de referencia que se usan en los laboratorios industriales de medición. Los patrones secundarios por lo general, se envían periódicamente a los laboratorios nacionales para su calibración y comparación con los patrones primarios, luego son devueltos al usuario industrial con un certificado del valor de medición en términos del patrón primario. Patrones de trabajo Los patrones de trabajo son las herramientas principales en un laboratorio de mediciones. Se utilizan para verificar y calibrar la exactitud y comportamiento de las mediciones efectuadas en las aplicaciones industriales. PATRONES PARA MASA LONGITUD Y VOLUMEN precisión de 1 ppm (parte por millón) y pueden verificarse con los patrones primarios de la NBS. Patrones de medida para masa La unidad de masa se definió como la masa de un decímetro cúbico de agua a una temperatura de máxima densidad. A 4 ºC (máxima densidad de un gramo por centímetro cúbico). En el comercio, se pueden obtener los patrones de trabajo en una amplia gama de valores para satisfacer cualquier aplicación. Precisión de 5 ppm. Estos se verifican con los patrones secundarios. La libra (lb) La libra fue establecida por la Weights and Measures Act, de 1963 (que entró en vigor el 31 de enero de 1964). La libra se define como 0.45359237 kg exactamente. Todos los países que conservan la libra como unidad básica de medición han adoptado la nueva definición, que reemplaza el patrón inicial de platino. La definición actual está dada para el kilogramo, y se desprende de la constante de Planck (h), de la siguiente manera: Gráfico de la densidad del agua vs la temperatura La representación material de esta unidad es el Kilogramo Patrón Internacional, que se halla en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. 1 𝑘𝑔 = ( )𝑚 −2 ℎ −34 6.62607015×10 𝑠 Patrones de medida para longitud El metro La unidad métrica de longitud, el metro, se definió 4 como la 1 / 10 parte del cuadrante del meridiano que pasa a través de París. Esto fue consecuencia de la sugerencia del astrónomo francés Pierre-Simon Laplace en 1790, ya que dividió el ángulo recto en 100 grados en lugar de 90, y cada grado en 100 minutos en lugar de 60. La medida de un metro sería la distancia recorrida en un arco de un segundo sobre la superficie de la Tierra. Réplica de un Kilogramo patrón El kilogramo El patrón primario de masa estadounidense es el Kilogramo Patrón de Estados Unidos, que se 8 encuentra en la NBS, con una precisión 1 / 10 . En algunas ocasiones se compara con el patrón de la Oficina Internacional. Los patrones secundarios de masa, dados por los laboratorios industriales, generalmente tienen una Esta definición llevó a ser representada por una barra de aleaciones de platino e iridio que se encuentra en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. Estos bloques tienen dos superficies planas paralelas, a una distancia de separación especificada. El rango de tolerancia de exactitud es de 0.5 - 0.25 micrones (1 millonésima de metro). Representación gráfica de una barra de platino con iridio donde se representa un metro En 1960, el metro se redefinió con más exactitud en términos del número de longitudes de onda emitidas por un átomo de kriptón-86. Durante más de 20 años el metro fue definido como 1 650 763.73 longitudes de onda de la radiación rojo-naranja observada cuidadosamente en una lámpara de descarga de Kriptón. Como este concepto no proporcionaba una definición original y precisa, se adoptó en 1983 un nuevo patrón. Un metro es la distancia a la que se propaga la luz en 1/299 792 segundos. Yarda y Pulgada Por definición, la yarda equivale a 0.9144 metros y la pulgada, a 25.4 mm. La yarda y los patrones de unidades inglesas se basan en patrones métricos. Esta definición de yarda y pulgada reemplaza a la anterior en términos de una yarda patrón imperial. Los pocos países que aún se basan en el sistema inglés han adoptado nuevas definiciones que utilizan los patrones métricos. Patrones de trabajo para medida de longitud Los patrones de trabajo industriales de longitud más utilizados son bloques de medida de precisión hechos de acero. La implementación de estos bloques ha reducido el costo y han hecho posible la fabricación de componentes industriales intercambiables en una aplicación muy económica de mediciones con precisión. Patrones de medida para volumen La unidad de volumen es una cantidad derivada, y no se representa por medio de un patrón internacional. Aunque la NBS ha desarrollado varios patrones primarios de volumen, calibrados en términos de las dimensiones absolutas de longitud y masa. Los patrones derivados secundarios de volumen están disponibles y se pueden calibrar según los patrones primarios de la NBS. Conforme aumenta la necesidad de contar con patrones más exactos, se desarrolla tecnología para crear y mantener estos patrones. Las bases para las medidas y pesos internacionales se modificarán hasta satisfacer las necesidades de los científicos y la comunidad comercial. Los mejoramientos y descubrimientos serán añadidos a los patrones internacionales para mantener en armonía las necesidades mundiales. PATRONES DE TIEMPO Y FRECUENCIA Patrones de medida para el tiempo Desde el origen de la humanidad, se ha buscado una manera uniforme de medir el tiempo y extrapolar a cantidades mayores. Durante mucho tiempo, la referencia de tiempo fue el movimiento de rotación de la rotación de la Tierra sobre su propio eje y traslación con respecto al Sol. Sin embargo, distintas observaciones astronómicas han detectado que este movimiento no es muy preciso, ya que existen variaciones en la velocidad de la Tierra en el movimiento de traslación. Por la falta de uniformidad, se buscaron nuevas alternativas. El tiempo solar medio daría una escala de tiempo más exacta. Un día solar medio es el promedio de todos los días del año. Un segundo solar medio es igual a 1/86400 del día solar medio. El segundo solar medio es inadecuado como unidad fundamental del tiempo, ya que está relacionado con el movimiento de traslación de la Tierra, que no es un movimiento. Sistema de tiempo universal El sistema de tiempo universal (TU), o tiempo solar medio, se basa también en la rotación de la Tierra sobre su eje. Este sistema se conoce como 𝑇𝑈0 y está sujeto a variaciones periódicas prolongadas e irregulares. Las correcciones del 𝑇𝑈0 han originado dos escalas universales de tiempo . La 𝑇𝑈1, reconoce que la Tierra está sujeta al movimiento polar, y se basa en la rotación angular real de la Tierra, corregida por el movimiento polar. La escala de tiempo 𝑇𝑈2 es la 𝑇𝑈1 con una corrección adicional por las variaciones estacionales de la rotación de la Tierra. Las variaciones estacionales incluidas en el 𝑇𝑈2 radican en que la materia sobre la superficie de la Tierra cambia dependiendo de la estación del año. El movimiento de Traslación de la Tierra conlleva a que el Sol impacte en una época sobre el Hemisferio Norte y otra época sobre el Hemisferio Sur. Los cambios de la materia en la superficie están ligados con el derretimiento de casquetes polares cuando el Sol incide directamente. Esto hace que el movimiento inercial de la Tierra se cambie durante las estaciones del año. El periodo o instante de tiempo se puede establecer con una exactitud de pocos milisegundos, pero no se distribuyen con esta misma exactitud. Tiempo efímero La búsqueda de una unidad de tiempo global ha llevado a los astrónomos a definir la unidad de tiempo llamada tiempo efímero (TE), que se basa en observaciones astronómicas del movimiento de la luna alrededor de la Tierra. En 1956 la Oficina Internacional de Pesas y Medidas definió al segundo efímero como la fracción 1/31 556 925.9747 del año tropical para enero de 1900 de las 0 a las 12 horas TE, que se adoptó como la unidad invariable fundamental de tiempo. La principal desventaja del uso del segundo efímero es que solo se puede determinar con varios años de atraso y por tanto en forma indirecta, mediante la posición del Sol y de la Luna. Resonadores atómicos - frecuencia El desarrollo y refinamiento de resonadores atómicos ha hecho posible el control de la frecuencia de un oscilador y, por lo tanto, mediante la conversión de frecuencia, la elaboración de relojes atómicos. La transición entre dos niveles de energía, E1 y E2 de un átomo está relacionadas con la emisión (o absorción) de radiación, teniendo una frecuencia por ℎη = 𝐸2 − 𝐸1 Donde h es la constante de Planck. Como los estados de energía no son afectados por condiciones externas, como campos magnéticos, la frecuencia η es una constante física, que depende únicamente de la estructura interna del átomo. Unidad atómica de tiempo - reloj atómico La unidad atómica de tiempo fue relacionada en términos de TU inicialmente, pero luego la Oficina Internacional de Pesas y Medidas expresó en términos de TE. La definición quedó en términos de la frecuencia de transición del átomo de cesio, asignándole un valor de 9 192 631 770 Hz a la transición hiperfina del átomo de cesio sin perturbaciones de campos externos. La determinación de los intervalos de tiempo se pueden efectuar ahora en pocos minutos y con mayor exactitud que las obtenidas antes por medio de mediciones astronómicas, que tardan muchos años en completarse. Un reloj atómico con precisión de 1 microsegundo por día está en operación en la NBS, como patrón primario de frecuencia. PATRONES ELÉCTRICOS El Ampere absoluto EI Sistema Internacional de Unidades (SI) define el ampere (unidad fundamental de corriente eléctrica) como la corriente constante que, al mantenerse a través de dos conductores paralelos de longitud infinita y sección circular despreciable alejados estos 1 metro en el vacío, se produce una fuerza igual a 2x10-7 newtons por metro de longitud. Las mediciones previas del valor absoluto del ampere se hicieron con una balanza de corriente, la cual mide la fuerza entre dos conductores paralelos. Por acuerdo internacional, el valor del ampere internacional se basó en un depósito electrolítico de plata a partir de una solución de nitrato de plata. El ampere internacional se definió entonces como la corriente que deposita plata metálica a una razón 1.118 mg/segundo a partir de una solución patrón de nitrato de plata. En 1948 el ampere absoluto reemplazó al internacional. La determinación del primero se realizó por medio de la balanza de corriente, a cuál pesa la fuerza ejercida entre dos bobinas que conducen una corriente. El mejoramiento en las técnicas de medición de campos de fuerza da un valor para el ampere muy superior a las mediciones iniciales. El ampere absoluto es actualmente la unidad fundamental de corriente eléctrica en el SI y se acepta a nivel internacional. El voltaje, la corriente y la resistencia están relacionados por la ley de Ohm de proporcionalidad constante (E = IR). La especificación de dos cantidades cualesquiera, determina la tercera. Dos tipos de patrones materiales forman una combinación, la cual sirve para mantener el ampere con alta precisión durante largos periodos: la resistencia patrón y la celda patrón (para voltaje). Cada una se describe a continuación. Patrones de Resistencia El valor absoluto del Ohm en el sistema SI se define en términos de las unidades fundamentales de longitud, masa y tiempo. La NBS mantiene un grupo de esos patrones primarios (resistencias patrones de1-Ω), las cuales se comparan de manera periódica y en ocasiones se verifican con mediciones absolutas. La resistencia patrón es una bobina de alambre de alguna aleación, como la manganina, la cual tiene una elevada resistividad eléctrica y un bajo coeficiente de temperatura-resistencia (casi una relación constante entre temperatura y resistencia). Estas resistencias patrón se construyen de una aleación de alambre resistente, como manganina o Evanohm. La figura 2 es la fotografía de un patrón secundario de laboratorio, llamado algunas veces resistencia de transferencia. El coeficiente de temperatura α es generalmente menor de 10 x 10-6, mientras que el coeficiente β varía entre -3 x 10-7 y -6 x 10-7. Figura 1. Vista seccional de una resistencia patrón de doble pared. Las resistencias de transferencia encuentran aplicaciones en laboratorios industriales, de investigación, de calibración y de patrones. En aplicaciones típicas, la resistencia de transferencia sirve para determinar otras resistencias o para la construcción de divisores de décadas ultra lineales, los cuales se utilizan en la calibración de conjuntos de relaciones universales, cajas de voltaje y divisores Kelvin-Varley. Patrones de voltaje Se desarrolla un voltaje mediante la unión y relación con la frecuencia de irradiación: −34 h: 6. 63𝑥10 𝐽𝑠 (Constante de Planck) −19 e: 1. 602𝑥10 Figura 2. Resistencia Patrón de 25 y 100 Ohm El informe de calibración, que acompaña a la resistencia especifíca su trazabilidad de acuerdo con los patrones de la NBS e incluye los coeficientes de temperatura α y β. Aun cuando el alambre seleccionado para la resistencia proporciona un valor casi constante en una amplia escala de temperatura, el valor exacto de la resistencia a cualquier temperatura se puede calcular a partir de la siguiente expresión 2 𝑅1 = 𝑅25°𝐶 + α(𝑡 + 25) + β(𝑡 + 25) donde: 𝑅1 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒, 𝑡. 𝑅25°𝐶 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 25°𝐶. α, β = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎. 𝐶 (carga del electrón) f: frecuencia de irradiación de las microondas El voltio patrón tiene una relación directa con la frecuencia. Si la frecuencia se mide con un patrón de frecuencia o un reloj atómico, tendremos una exactitud de uno en 100 M. El método de transferencia del voltio patrón es conocido como celda patrón, celda saturada o celda Weston normal, basado en la unión de Josephson patrones secundarios para la calibración. CELDA WESTON NORMAL Estas celdas pueden ser patrones por 1 o 2 décadas con todas las indicaciones y cuidados pertinentes En las celdas Weston sin saturar, encontramos los patrones secundarios. Deben tener un exacto control de temperatura. La variación del voltaje es de 1.018 V a 1.020 V y entre 10ºC a 40ºC varia un 0.01%. El flujo de corriente obtenido es menor a 100 uA, la resistencia interna se encuentra dentro de 500 a 800 ohmios. Los patrones de trabajo de laboratorio con más versatilidad tienen una exactitud que se asemeja a las celdas patrón, se conocen como patrón de transferencia. La temperatura controlada se encuentra en ±0.03ºC en un rango de 0ºC a 50ºC de temperatura ambiente, ofreciendo una estabilidad de salida de 10 ppm por mes. Esta celda tiene un electrodo de mercurio (positivo) y otro de amalgama de cadmio (negativo), como electrolito tiene una solución de cadmio, todos los componentes se disponen de la manera vista (forma de H). Tiene 4 salidas: 1. Fuente de 0 a 1000 uV, conocida como Δ, resolución de 1 uV. 2. Referencia de 1.000 V, mediciones potenciométricas. 3. Referencia de 1.018 + Δ para comparaciones de celda saturada. 4. Referencia de 1.0190 + Δ para comparaciones de celda no saturada. De este tipo de celda también se tiene la no saturada (tiene coeficiente de temperatura despreciable) y la −6 saturada (varia -40𝑥10 𝑉 por cada incremento de 1ºC). Se utilizan las celdas saturadas como patrón primario en los laboratorios de patrones nacionales, como la NBS, para el voltaje. Dichas celdas se mantienen en aceite para que su temperatura esté en 0.01 ºC, la fem de la celda de Weston a diferentes temperaturas se obtiene así: 2 𝑒𝑡 = 𝑒20º𝐶 − 0. 000046(𝑡 − 20) − 0. 000000(𝑡 − 20) 3 + 0. 00000001(𝑡 − 20) Siendo 𝑒20º𝐶: 1.01858 V (Tensión de la celda de Weston a 20º𝐶). Patrones de capacitancia −6 Por lo general, decrece aproximadamente 10 V por año. Dado que la unidad de resistencia se representa con la resistencia patrón y la unidad de voltaje con la celda Weston patrón, muchas unidades eléctricas y magnéticas se pueden expresar en términos de estos patrones. La unidad de capacitancia (faradio) puede medirse con un puente conmutable DC de Maxwell, en el que la capacitancia se calcula a partir de las ramas resistivas del puente y la frecuencia de la conmutación de DC. Incluso cuando la derivación exacta de la expresión para la capacitancia en términos de las resistencias y la frecuencia es complicada, es factible medir el capacitor con este método. Ya que la resistencia y la frecuencia se pueden determinar con gran precisión, el valor de la capacitancia se puede medir de la misma forma. Los capacitores patrón suelen estar formados por placas metálicas intercaladas con aire como material dieléctrico. El área de las placas y la distancia entre ellas deben conocerse con exactitud; puesto que a partir de estas dimensiones básicas se puede determinar la capacitancia. El patrón de inductancia primaria se deriva del ohmio y del faradio en lugar de los inductores construidos geométricamente para la determinación del valor absoluto del ohm. Los patrones de trabajo de capacitancia disponen de un rango de valores muy amplio. Normalmente los valores más pequeños son capacitores de aire, mientras que los capacitores más grandes utilizan materiales dieléctricos sólidos. Las constantes dieléctricas elevadas y las capas dieléctricas muy angostas son la base de los patrones más compactos. En la termodinámica, algunas de las cantidades básicas son la intensidad luminosa y la temperatura. Empezaremos primero hablando de la temperatura, esta magnitud tiene como unidad el kelvin (K). Se define como la temperatura del punto triple del agua que ocurre exactamente a 273.16 K. Sin embargo, como esta escala presenta dificultades, en 1927 se adoptó por tomar una escala práctica designada como celsius. La escala celsius tiene como referencia el punto de ebullición del agua a 100°C y el punto triple del agua a 0.01°C. Puente conmutable de dc de Maxwell Patrones de inductancia Los patrones de trabajo de inductancia están disponibles comercialmente en una amplia gama de valores fijos y variables. Un conjunto muy usual de patrones de inductancia fijos incluye valores de aproximadamente 100 μH a 10H, con una exactitud garantizada del 1% de la frecuencia de operación especificada. También hay disponibles inductores variables. Existe una capacitancia distribuida entre los devanados de estos inductores, y debe tenerse en cuenta el error que introduce. Estas consideraciones suelen especificarse en los equipos comerciales. PATRONES DE LUMINOSA TEMPERATURA E INTENSIDAD ● Para la intensidad luminosa, el patrón primario es un radiador total, a la temperatura de solidificación del platino (2042°K aproximadamente). La candela se define como un sesentavo de la intensidad luminosa por cm2 del radiador total. Los patrones secundarios de la intensidad luminosa son las lámparas de filamentos de tungsteno especial, operadas a una temperatura donde su distribución de potencia espectral en la región visible concuerda con los patrones básicos. Estos patrones secundarios se re calibran con los patrones básicos en intervalos periódicos. ● eléctricas pueden generarse a partir de las unidades básicas de longitud, masa y tiempo. Los patrones de medida son muy importantes porque gracias a estas materializa una medida, instrumento de medición, material de referencia o sistema de medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o más valores de una magnitud para que sirvan de referencia y esto nos ayuda a comparar magnitudes de diferentes sustancias, elementos, etc, obteniendo así sus características y propiedades. De manera general, los patrones de medida son una parte esencial de garantizar la precisión y confiabilidad de las medidas en una amplia variedad de campos. Son esenciales para la industria, la ciencia y la ingeniería y deben ser cuidadosamente mantenidos y conservados para garantizar su precisión a lo largo del tiempo. PATRONES IEEE REFERENCIAS El institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) publica y conserva un conjunto de diferentes tipos de patrones. Estos patrones no están físicamente disponibles para comparación y verificación de patrones secundarios, se trata de procedimientos, nomenclaturas, definiciones, etc. ● Un grupo importante de patrones IEEE es el método de prueba patrón para probar y evaluar varios sistemas y componentes electrónicos. Los patrones del IEEE tienen un directorio de osciloscopios de laboratorio donde se especifican los controles, funciones , etc. Así que el operador no tiene que capacitarse antes de emplear un dispositivo diferente. IV. CONCLUSIONES ● En las mediciones eléctricas y electrónicas interesan los patrones de medición eléctricos y magnéticos, los cuales se analizan en la siguiente sección. Sin embargo, las unidades ● ● ● ● W. D. Cooper and A. D. Helfrick, Electronic Instrumentation and Measurement Techniques, 3rd. ed. New Jersey: Prentice-Hill, Inc. 1970. MichellQ Teach (2020, 16 de julio). Patrones Eléctricos | Ampere, Volt, Ohm, Farad, Henry | Medidas Eléctricas #14 | [Video]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=52cFrM PueYI Luca Callero, Electrical Impedancia, 4ta ed. San Diego: Taylor-Francis Group, Inc. 2015. Baird, D.C., Experimentación: una introducción a la teoría de mediciones y al diseño experimental, Ed. Prentice Hall Hispanoamericana, México. Traducido de la segunda edición en inglés. 1991. MichellQ Teach (2020, 23 de julio). PATRONES de MEDICION de Temperatura, Intensidad Luminosa, IEEE | Curso Mediciones Eléctricas # 15 [video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=vC1E 8KHBiT8
