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Alexander Martínez López - [email protected]
Coordinador GAT3
Subdirección de Metrología Física
2015-10-20
XV SEMINARIO SUBRED MINERÍA
Conceptos Básicos de Metrología en
Magnitudes Eléctricas
ELEMENTOS BÁSICOS DE METROLOGÍA
ELÉCTRICA
Objetivo de la
intervención
Presentar los elementos básicos de Metrología en
Magnitudes Eléctricas
XV SEMINARIO SUBRED MINERÍA: Conceptos Básicos de
Metrología en Magnitudes Eléctricas2
Trazabilidad Eléctrica
Efecto Josephson y Hall cuántico
PatrónNacional
Patrón de Referencia
Patrón de Trabajo
Instrumentode Medida
BIPM
InstitutoNacional
Metrológico
Laboratorios de
Calibración
Verificación
Obligatoria
(verificar)
Instrumentos de Medida controlados
Servicio de Calibración (calibrar)
Calibrar, Ajustar
Instrumentos de Medida Calibrados
Instrumentos de Medida Calibrados, Ajustados
Certificado
3
Instrumentación
• Generadores
• Medidores
• Medidas
Materializadas
XV SEMINARIO SUBRED MINERÍA: Conceptos Básicos de
Metrología en Magnitudes Eléctricas4
Verificación - (VIM 2.44)
Aportación de evidencia objetiva de que un
elemento satisface los requisitos especificados.
Nota 3 – Los requisitos especificados pueden ser, por
ejemplo, las especificaciones del fabricante.
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Calibración (VIM 2.39)
obtenidas a partir de los patronesde medida, y las correspondientesindicaciones con susincertidumbres asociadas y, en unasegunda etapa, utiliza estainformación para establecer unarelación que permita obtener unresultado de medida a partir deuna indicación.
Operación que bajo condiciones especificadas establece,
en una primera etapa, una relación entre los valores y sus
incertidumbres de medida asociadas
Equipo patrón
Objeto bajo prueba
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Metrología en Magnitudes Eléctricas6
Conjunto de operaciones realizadas sobre un
sistema de medida para que proporcione
indicaciones prescritas, correspondientes a
valores dados de la magnitud a medir.
Ajuste de un sistema de medida (VIM 3.11)
Sistema de medida
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Metrología en Magnitudes Eléctricas7
INSTRUMENTOS DE MEDIDAS
ELÉCTRICAS
Instrumentos analógicos y digitales
Características de los instrumentos medida
Algunos principios de medición
Causas de error en mediciones eléctricas
Especificaciones de exactitud
Guía EURAMET/cg-15/v.3
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Metrología en Magnitudes Eléctricas8
• Indicación (VIM 4.1)
Valor proporcionado por un instrumento o
sistema de medida.
Nota 1 (VIM 4.1) La indicación puede presentarse
en forma visual o acústica, o puede transferirse
a otro dispositivo. Frecuentemente viene dada
por la posición de una aguja en un cuadrante,
como salida analógica, por un numero
visualizado o impreso, como salida digital, por
un código, como salidas codificadas, o por el
valor asignado, en el caso de medidas
materializadas.
Instrumentos analógicos y digitales
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Metrología en Magnitudes Eléctricas9
• Resolución de un dispositivo o indicador (VIM 4.14)
La diferencia más pequeña entre las indicaciones de undispositivo indicador que puede ser distinguidosignificativamente.
• Deriva Instrumental (VIM 4.21)
Variación continua o incremental en el tiempo en la indicación,debido a cambios en características metrológicas de uninstrumento de medida.
Características de
los instrumentos de medida
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Metrología en Magnitudes Eléctricas10
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Metrología en Magnitudes Eléctricas11
Características de
los instrumentos de medida
• Intervalo de indicaciones (VIM 4.3)
Conjunto de valores comprendido entre las indicaciones extremas.
Nota 2 Para ciertas magnitudes se utiliza la expresión proveniente
del inglés “Rango de indicaciones”.
• Escala completa (2.8 EURAMET/cg-15/v.3)
Indicación máxima absoluta en un rango especificado.
XV SEMINARIO SUBRED MINERÍA: Conceptos Básicos de
Metrología en Magnitudes Eléctricas12
IMPEDANCIA DE ENTRADA (Ri)
Característica
InstrumentoIDEAL REAL
Medidor de tensión Infinita
No infinita
MΩ - GΩ
Medidor de corriente Nula
No nula
Centenas de ohm
Décimas de ohm
Características de
los instrumentos de medida
Medición de Señales AlternasTipo de Medición:
Valor Máximo
Valor Promedio
Valor RMS
o eficaz
Existen instrumentos que estiman
el valor RMS partiendo del valor
promedio ó del valor máximo
Valor real eficaz o TRUE RMS
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Metrología en Magnitudes Eléctricas13
T
RMS dttVT
V0
2)]([1Este es el valor equivalente a la potencia
disipada en una resistencia por una señal DC
del mismo valor.
RMS: Root mean square
Valor RMS ó eficaz
Medición de Señales Alternas
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Metrología en Magnitudes Eléctricas14
VALOR MAXIMO
Medición de Señales Alternas
2maxV
VRMS
Indican valores RMS para ondas senoidales solamente.
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Metrología en Magnitudes Eléctricas15
Valor medio. Valor del área que forma con el eje de abscisas dividido por su
período. El área se considera positiva si está por encima del eje de abscisas y
negativa si está por debajo.
Como en una señal sinusoidal el semiciclo positivo es idéntico al negativo, su
valor medio es nulo. Por eso el valor medio de una onda senoidal se refiere a
un semiciclo.
T
promedio dttVT
V0
)(1
Medición de Señales Alternas
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Metrología en Magnitudes Eléctricas16
Para una señal
senoidal se tiene:
2maxV
VRMS
En conclusión:
max
2VVpromedio
promedioRMS VV 11.1
Medición de Señales Alternas
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Errores en lecturas
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Metrología en Magnitudes Eléctricas18
Medición de resistencia
Circuito serie
Fuente de corriente cte.
1 mA/ 100 nA
Mide tensión
Basada en relación de ohm
R =V
I
XV SEMINARIO SUBRED MINERÍA: Conceptos Básicos de
Metrología en Magnitudes Eléctricas19
Resistencia de referencia Rs
Divisor de tensión
Lo importante es la estabilidad
en I.
Relación de tensiones
Medición de resistencia
Rx =VxVsRs
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Metrología en Magnitudes Eléctricas20
Efecto termoeléctrico
FEM Térmicas
Juntura cobre con: Coeficiente
Aprox. µV/oC
Cobre Oro Plata Latón Berilio Cobre Aluminio Aleación Kovar 42 Silicio Oxido de cobre Soldadura estaño Cadmio Soldadura estaño plomo
Manganina (CuMn12Ni) Níquel
Constatan (CuNi44)
<0.3 0.5 0.5 3 5 5
40 500
1000 0.2 5
1.7 10 40
Este efecto es importante
para la medición de bajas
tensiones eléctricas
Causas de error en mediciones eléctricas
XV SEMINARIO SUBRED MINERÍA: Conceptos Básicos de
Metrología en Magnitudes Eléctricas21
Técnicas para contrarrestar FEM térmicas:
Esperar que la temperatura del ambiente se estabilice,
para que el sistema alcance la estabilidad térmica
Limpiar los bornes y las puntas de conexión con etanol
o alcohol isopropílico
Conexiones con los mismos materiales
Evitar los gradientes de temperatura
La exigencia en los cuidados con las FEM térmicas
dependen de la exactitud del instrumento.
Causas de error en mediciones eléctricas
XV SEMINARIO SUBRED MINERÍA: Conceptos Básicos de
Metrología en Magnitudes Eléctricas22
Errores por carga en medición de tensión DC
Vs = Tensión ideal del
instrumento de prueba
Rs = Resistencia
instrumento de prueba
Ri = Resistencia interna del
Multímetro (>10 MΩ)
DUT
Causas de error en mediciones eléctricas
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 % =−100𝑅𝑠𝑅𝑠 + 𝑅𝑖
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Errores en medición de corriente DC
Vs = Tensión fuente
Rs = Resistencia interna fuente
Vb = Tensión carga amperímetro
R = Resistencia derivadora
amperímetro
s
b
V
VError
Cuando la tensión de la fuente Vs se aproxima a
la tensión de carga el error aumenta.
Causas de error en mediciones eléctricas
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Metrología en Magnitudes Eléctricas25
Tensión de carga en medición de corriente
Parts and specifications
Manual de usuario Multímetro FLUKE 287/289
Pag. 16
25
APLICANDO“ESPECIFICACIONES DE
EXACTITUD”
DERIVA
√(No Años) o Lineal
Hardware, fabricación,
Amplificadores,
Resistencias,
Convertidor analógico digital (linealidad),
Indicador (resolución), etc.
Condiciones ambientales
Condiciones de funcionamiento
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Incertidumbres relativas
Incertidumbres absolutas
APLICANDO “ESPECIFICACIONES DE EXACTITUD”
XV SEMINARIO SUBRED MINERÍA: Conceptos Básicos de
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Para laboratorios de calibración es importante
conservar valores medios de humedad relativa,
se recomienda (45 ± 10) %.
Para valores superiores al 70% de humedad
relativa, se pueden tener errores por fugas de
corriente y en valores inferiores al 20 % se
pueden presentar problemas de cargas estáticas.
APLICANDO“ESPECIFICACIONES DE
EXACTITUD”
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Metrología en Magnitudes Eléctricas28
±(incertidumbre de la indicación + incertidumbre de la escala + valor fijo)
Tipo Tipo de expresión
Incertidumbre relativa de la
lectura
% , ppm1
Incertidumbre relativa de la
escala
% , ppm1
Valor fijo Submúltiplo de unidad de la
magnitud de medida.
e.g µV, nA, mΩ, etc.
(1) La unidad relativa ppm no esta incluida en el SI de unidades. Por esta
razón se acostumbra expresarla en unidades relativas μV/V , μΩ/Ω, etc.
APLICANDO“ESPECIFICACIONES DE
EXACTITUD”
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Metrología en Magnitudes Eléctricas29
Calibración de Instrumentos de Medida
Eléctricos
• Calibración Instrumentos Analógicos
• Calibración de Instrumentos Digitales
•Guía EURAMET cg-15
•Métodos de Calibración
•Consideraciones para cada magnitud
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Calibración Instrumentos Analógicos Norma internacional CEI-IEC 60051-9 (1.2 y 2.1)
• Revisión del sistema móvil: ajuste de cero
mecánico
• Desplazamiento libre puntero
• Estabilidad Térmica : 2 horas
• Estimar resolución
• Resolución del patrón: como mínimo 1/5 de la clase
de exactitud del IBC
• Forma apropiada tomar lecturas: lupa
• Puntos:se toman por lo menos cinco puntos
equidistantes que cubran todo el rango y distribuidos
uniformemente.
• HistéresisXV SEMINARIO SUBRED MINERÍA: Conceptos Básicos de
Metrología en Magnitudes Eléctricas31
EURAMETGuía para la
calibración de
Multímetros digitales
“En ausencia de requerimientos
específicos, esta puede ser usada
por laboratorios de calibración y sus
clientes para formular un
procedimiento valido de calibración
para instrumentos semejantes”
Calibración Instrumentos Digitales
Guía EURAMET cg - 15
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Metrología en Magnitudes Eléctricas32
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¿Cuál es el criterio para seleccionar el número de
puntos de calibración?
Se identifican dos categorías principales
No más de
4 ¾ dígitos
Características avanzadas
mayor a 4 ¾ a 8 ½ dígitos
Tabla 1 Tabla 2
¿Cómo se determina el número de dígitos en un
Multímetro?
EURAMET/cg-15/v 3.0
CALIBRACION POR MÉTODO DIRECTO
Modelo Matemático:
𝐸 = 𝑉𝑚 − 𝑉𝑝
𝑉𝑚, valor medido
𝑉𝑝, valor patrón
𝐸, error de medida
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CALIBRACION POR MÉTODO DE
SUSTITUCIÓN
Modelo Matemático:
𝐸 = 𝑉𝑚 − 𝑉𝑝
Se utiliza un dispositivo
de transferencia cuyo
valor no necesita ser
conocido previamente,
que sirve para transferir
el valor entre el patrón y
el equipo a calibrar.
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Metrología en Magnitudes Eléctricas35
Consideraciones para medición de
Tensión DC
• Interferencia de Radio Frecuencia
• Reducir FEM térmicas
• Ruido causado por campos magnéticos,
Bajas Tensiones - Ley de Inducción de
Faraday
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Metrología en Magnitudes Eléctricas36
• Verificar potencia para funcionamiento óptimo de la
resistencia.
• FEM térmicas
• Cables de conexión entorchados, evitar inducción
magnética.
• Resistencia de contacto, contaminación de la
superficie de los contactos.
CALIBRACION DE RESISTENCIAS
Bajos y Medios valores
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Metrología en Magnitudes Eléctricas37
• Tiempo de estabilización de la resistencia por
capacitancia de deriva.
• Cables de conexión blindados, fenómeno de
Absorción Dieléctrica.
• Humedad relativa.
Cuidados en
Calibración de Resistencia
Valores Altos > 1 megohm
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TEST ACCURACY RATIO (TAR)
• Relación entre la exactitud del instrumento bajo calibración y la
exactitud del patrón.
• Esta relación debe ser suficientemente grande para que el valor
del patrón no afecte adversamente la medición (ANSI/NCSL
Z540-1994).
• TAR no considera otras fuentes de incertidumbre.
patrón del exactitud
ncalibració bajo oinstrument exactitudTAR
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TEST UNCERTAINTY RATIO (TUR)
(ANSI/NCSL Z540.3-2007)
• Relación entre la exactitud del instrumento bajo
calibración y la incertidumbre del proceso de
calibración.
• Incluye entre otras componentes; la exactitud del
patrón. (ANSI/NCSL Z540.3-2007).
ncalibració breincertidum
ncalibració bajo oinstrument exactitudTUR
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Metrología en Magnitudes Eléctricas40
1-Martínez, A. Curso de Metrología: Magnitudes Eléctricas. Superintendencia de Industria y Comercio. Imprenta Nacional de Colombia. Bogotá 2008. 2- JCGM 200:2012. International Vocabulary of Metrology, Basic and General Concepts and associated terms, 3rd Edition. Joint Committee for Guides in Metrology. 2012.3-JCGM 100:2008. Evaluation of measurement data Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM). Joint Committee for Guides in Metrology.4- BIPM, El Sistema Internacional de Unidades (SI), 8ª edición, 2006.5- ILAC-G2:1994 Traceability of Measurements 6-ILAC-P10:01/2013 ILAC Policy on the Traceability of Measurement Result7-Euramet cg-15:2015 Guidelines on the Calibration of Digital Multimeters. Version 3.0.
Bibliografía
XV SEMINARIO SUBRED MINERÍA: Conceptos Básicos de
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Gracias por su atención
XV SEMINARIO SUBRED MINERÍA: Conceptos Básicos de
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