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!