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Metrologia Presentation Transcript

  • 1. Metrología y Calibración por Ricardo Iuzzolino Para 66.02 Laboratorio
  • 2. El Sistema Internacional de unidades (SI) SI SIMELA Patrones Nacionales de Medida Materiales de Referencia Instrumentos de Medición en Industria, comercio,medio ambiente, salud
  • 3. El Sistema Internacional de unidades (SI)El Sistema Internacional provee un conjunto de unidades dereferencia, hay siete unidades base, a saber: Magnitud Unidad SímboloLongitud metro mMasa kilogramo kgTiempo segundo sCorriente eléctrica ampere ATemperatura termodinámica kelvin KCantidad de materia mol molIntensidad luminosa candela cd
  • 4. El Sistema Internacional de unidades (SI)Tiempo: La unidad de tiempo del SI, el segundo, se define comola duración de 9 192 631 770 períodos de la radiacióncorrespondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos delestado base del Cs133Longitud: La unidad de longitud del SI, el metro, se define comola distancia recorrida en el vacío por la luz durante un intervalo detiempo de 1/299 792 458 de segundoMasa: La unidad de masa del SI, el kilogramo, es igual a la masadel prototipo internacional depositado en el BIPMCorriente eléctrica: La unidad de corriente eléctrica del SI, elampere, es la corriente continua que, mantenida en dosconductores rectos paralelos de longitud infinita, de seccióncircular despreciable, ubicados a una distancia de un metro envacío, produciría una fuerza entre ambos de 2 x 10-7 newton pormetro de longitud
  • 5. El Sistema Internacional de unidades (SI)Temperatura: La unidad de temperatura del SI, el kelvin, es lafracción (1/273,16) de la temperatura termodinámica del puntotriple del aguaIntensidad luminosa: La unidad de intensidad luminosa del SI,la candela, es la intensidad luminosa, en una dirección dada, deuna fuente que emite radiación monocromática de frecuencia 540x 1012 hertz y tiene una intensidad radiante en esa dirección de1/683 watt/srCantidad de materia: La unidad de cantidad de materia del SI,el mol, es un sistema que contiene tantas entidades elementalescomo hay átomos en 0,012 kilogramos de C12
  • 6. El Sistema Internacional de unidades (SI)Las demás unidades son derivadas de las siete anteriores,como por ejemplo: Magnitud Unidad SímboloPotencial eléctrico volt VResistencia eléctrica ohm OCapacitancia farad FInductancia henry H
  • 7. El Sistema Internacional de unidades (SI)Prefijos SIFactor nombre símbolo Factor nombre símbolo10 24 yotta Y 10-1 deci d1021 zetta Z 10-2 centi c1018 exa E 10-3 mili m1015 peta P 10-6 micro µ1012 tera T 10-9 nano n109 giga G 10-12 pico p106 mega M 10-15 femto f103 kilo k 10-18 atto a102 hecto h 10-21 zepto z101 deca da 10-24 yocto y
  • 8. El Sistema Internacional de unidades (SI)Las unidades derivadas del SI con nombres en acuerdo con el SistemaMétrico Legal Argentino (SIMELA)
  • 9. El Sistema Internacional de unidades (SI)Interrelación de las unidades base y órdenes de magnitud deincertidumbres –state-of-the-art-. 10-6 K 10-7 A 10-14 s mol m 10-11 cd 10-3 kg 10-8
  • 10. Metrología• Qué es la metrología?• Qué hace la metrología?• Quién realiza metrología?
  • 11. Metrología• Hay cinco tipos de laboratorios metrológicos. 1. Laboratorios primarios: 2. Laboratorios secundarios: 3. Laboratorios de investigación: 4. Laboratorios de calibración: 5. Laboratorios móviles:
  • 12. Trazabilidad• Concepto Unidades SI (definición) Trazabilidad (traceability): es la propiedad por la cual el Patrón Primario Patrón Primario resultado de una medición puede (realización BIPM) (realización DPNM) ser vinculado a patrones nacionales, a través de una Patrón Nacional cadena no interrumpida de (mantenimiento comparaciones, a las que se les en DPNM) puede asignar una incertidumbre Patrones de Trabajo Diagrama de Trazabilidad del DPNM
  • 13. Patrones de MedidaCada unidad del medida tiene una definición, una realización, unareproducción y una representación • La definición es el ideal y es usualmente miembro del SI. • La realización es el proceso de obtener mediante un experimento la unidad de acuerdo a su definición. • La reproducción es el proceso de obtener la unidad mediante valores convencionales adoptados por el BIPM. • Cuando la realización es obtenida el laboratorio conserva su valor como una representación (mantenimiento) de la unidad.
  • 14. Definición de la Definición de la Trazabilidad unidad unidad a otro Laboratorio ASIGNACION de medida CONVENCIONAL DE CONSTANTESPatrón nacional Patrón nacional Patrón nacional (primario) (primario) (secundario) Diseminación siguiendo la cadena de trazabilidadREALIZACION REPRODUCCION MANTENIMIENTO
  • 15. Patrones de Medida. JerarquíaPatrón primario: es un patrón que tiene la mayor jerarquía metrológicadentro de un área específica, es decir que se obtiene como resultado de larealización de la definición de la unidad. Este concepto se aplica igualmentea unidades de base o derivadasPatrón nacional: es un patrón reconocido por una decisión nacional oficial,como la base para fijar el valor, dentro del país, de todos los otros patronesde la magnitud consideradaPatrón de referencia: es el patrón de la mayor jerarquía metrológicadisponible en un lugar, a partir del cual se realizan en ese lugar todas lasmedicionesPatrón de trabajo: es un patrón calibrado a partir del patrón de referencia,que se utiliza rutinariamente para calibrar medidas materializadas oinstrumentos de medición
  • 16. Patrones de Medida. El ampère [A]El ampère [A], una de las unidades de base del Sistema Internacional (SI)es mantenido en los Institutos Nacionales de Metrología por medio de dosefectos cuánticos: el efecto Josephson para la tensión eléctrica y el efectoHall cuántico para la resistencia eléctrica.
  • 17. Patrones de Medida. Reproducción de magnitudes eléctricas•La reproducción de la unidad de tensión eléctricaVolt (unidad de diferencia de potencial y de fuerza electromotriz) – el volt es ladiferencia de potencial entre dos puntos de un alambre conductor que transportauna corriente continua de 1 ampère, cuando la potencia disipada entre esospuntos es igual a 1 watt.Empleando el efecto Josephson, el volt es reproducido utilizando los escalonescuánticos de tensión eléctrica de un arreglo de junturas Josephson, con unaincertidumbre de 0.4 ppm relativa a la definición del SI. No obstante laincertidumbre de la reproducción es mejor que 1.10-8 V, la incertidumbre delsistema Josepson que posee el INTI es de 13 nV/V.
  • 18. Patrones de Medida. Reproducción de magnitudes eléctricasLa tensión eléctrica de cada escalón es igual a: hf VJ = 2edonde h es la constante de Planck, e la carga del electrón y f la frecuenciade la radiación electromagnética con que se irradia la juntura Josephson.La tensión eléctrica total de las junturas conectadas en serie resulta: nf VJ = KJdonde n es un entero obtenido en el proceso de medición. La cantidad2e/h, se denomina constante de Josephson, KJ, cuyo valor fue asignadopor el BIPM en 1990 según la recomendación 1 de 1988 del CIPM, conun valor igual a KJ-90 = 483767.9 GHz/V.
  • 19. Patrones de Medida. Reproducción de magnitudes eléctricasArray Josepshon de 10 V. Tamaño del Escalones de tensiónarray 5mm x 20mm
  • 20. Patrones de Medida. El efecto Josephson del INTI Sistema Josephson completo
  • 21. Patrones de Medida. El efecto Josephson del INTI GPS Dispositivo a calibrar Frecuencimetro Bus IEEE-488 Detector Fuente de PC Llave nV a l i entación m Adquisición y inversora Procesamiento Oscilador GUNN Atenuador 4,2 K Chip Josephson Voltimetro Digital Osciloscopio Fuente de Corri n t e e
  • 22. Patrones de Medida. Patrones secundarios de tensión eléctrica continuaFotografía del banco de pilas patrones. se puede ver dos referencias Zeners yel baño de aceite que contiene las pilas químicas
  • 23. Patrones de Medida. Reproducción de magnitudes eléctricas• La reproducción de la unidad de resistencia eléctricaOhm (unidad de resistencia eléctrica) – el ohm es la resistencia eléctrica entredos puntos de un conductor cuando una diferencia de potencial continua de1 volt, aplicada a esos puntos, produce en el conductor una corriente de1 ampère, no siendo el conductor objeto de ninguna fuerza electromotriz.El ohm es reproducido en los laboratorios nacionales de metrologíaempleando el efecto Hall Cuántico. La incertidumbre del ohm mediante estareproducción es de 0.2 ppm relativa a la definición del SI.
  • 24. Patrones de Medida. Reproducción de magnitudes eléctricasLa resistencia Hall está dadapor: V RH = H Idonde: VH: es la tensión HallI es la corriente que circula porla muestra Hall. Rk − 90 I VH = i R RH = k − 90 idonde Rk-90 = h/e2= 25812.807 O, es la constante de von Klitzing,asignada por el BIPM en el año 1990, e i es un número entero querepresenta el escalón donde se está midiendo la RH
  • 25. Patrones de Medida. Reproducción de magnitudes eléctricas Dibujo de una muestra de efecto Hall
  • 26. Patrones de Medida. Patrones de resistencia eléctrica Resistor Patrón de 1 O tipo Thomas
  • 27. Trazabilidad. Tensión eléctrica continuaBIPM m kg s A KJ-90 N J WLab. Primario V 2e/h Array JosephsonLab. Primario / Pilas Zeners A Zeners BSecundario DMMs CalibradoresIndustria DMMs
  • 28. • Calibración Calibración es la comparación de un intrumento de medición bajo ensayo contra otro instrumento de mayor jerarquía, considerado “instrumento patrón” o referencia.• Donde se realiza metrología y calibración? La metrología y calibración es realizada en laboratorios donde factores ambientales como ser: temperatura, humedad, vibración, y aislación de señales electromágneticas son altamente controlados y monitoreados.• Requerimientos generales Independientemente del tipo de DMM, los ajustes de calibración son realizados para reducir inestabilidad en el offset, ganancia, linealidad de la función transferencia del circuito encargado del procesamiento de la señal. Cada una de los bloques funcionales de un DMM está sujeto a estas fuentes de variación de performace.
  • 29. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)• Teoría de la calibración Asumiendo que todos los DMM tienen la siguiente función de transferencia: y=mx+b donde: y, es la salida; x, es la entrada, m, es la ganancia y b es el offset. Los DMM son diseñados para que m tenga Ideal exactamente un dado valor, v.g. 10, y b sea D exactamente cero. Cualquier apartamento Real I de este valor es referido como un error de S 0V ganancia, offset o linealidad. P L En un voltímetro las especificaciones están A basadas principalmente en offset, ganancia Y y linealidad. La especificación (% lectura) 0V es la incertidumbre en la ganancia. ENTRADA
  • 30. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)•La incertidumbre de offset se debe a tensiones de offset en el conversoranalógico-digital (ADC).•La incetidumbre de ganancia se debe a la exactitud de la referencia detensión interna.•La incertidumbre de linealidad se debe a incertidumbres en fuentessecundarias de error, como puede ser en desapareamientos en las resistenciasde rango, absorción dielectrica en capacitores utilizados como fuente dealmacenamiento (sampled-and-hold). Resultando en una caída en laindicación de fondo de escala.
  • 31. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)Diagrama funcional de un DMM. Todos los bloques deben de serverificados en el proceso de calibración.
  • 32. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)•Estrategia de calibración:Se debe seguir una estrategía en la calibración según las distintasprestaciones del DMM. Por ejemplo, en un DMM con el diagramafuncional anterior, debemos verificar el funcionamiento de:•Medición de Tensión continua (DCV)•Medición de Tensión alterna (ACV).•Medición de Resistencia (RES)•Medición de Corriente continua (IDC)•Medición de Corriente alterna (IAC)En muchos casos el fabricante provee un manual con el protocolo demediciones a realizar, este protocolo se denomina “Performance Test”
  • 33. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)Ejemplo de un performance test
  • 34. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)
  • 35. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)
  • 36. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)•Expresión de los resultados de la calibración RANGO TOLERANCIA V.APLICADO V.MEDIDO DESVIO Urel [Ohm] 24h(90)d [Ohm] [Ohm] [Ohm] k=2 [Ohm] [ppm] 1 17(52) µ 0.9999179 0.9998771 -41 µ 3 10 170(420) µ 9.9990310 9.9989186 -112 µ 3 100 1.7(4.2) m 99.9962 99.9951 -1.1 m 3 1k 17(42) m 1.000000 k 0.999992 k -8 m 3 10 k 170(420) m 10.000000 k 9.999881 k -119 m 3 100 k 1.8(4.4) 99.9993 k 99.9985 k -0.8 4 1M 23(54) 0.999978 M 0.999977 M -2 6
  • 37. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)Instrumentos para realizar el performance test•Calibradores•Multimetros digitales de alta exactitud•Elementos de transferencia (Zeners, Resistores, Transfers AC/DC)
  • 38. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)• Incertidumbres en la calibración1. Incertidumbre del instrumento patrón. Es necesario que el patrón utilizado para la calibración tenga una incertidumbre apropiada para realizar la calibración del DMM bajo ensayo. (Tipo B)2. Resolución del DMM. La resolución del DMM determina el menor cambio en la lectura que puede ser observado. (Tipo B)3. Estabilidad a corto plazo del DMM con el tiempo y la temperatura. Esta estabilidad afecta a la incertidumbre de la calibración. La contribución mas importante proviene del coeficiente de temperatura del DMM. (Tipo A)
  • 39. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)• Incertidumbres en la calibración4. Ruido del instrumento patrón y del DMM. La fuente que contribuye mas es el ruido del DMM durante el proceso de medición. En la práctica lo usual es tomar la contribución de ambos. Si se toman lecturas individuales, y el ruido es aleatorio, el desvío estándar de estas lecturas puede ser utilizado como la contribución a la incertidumbre debida al ruido. (Tipo A)5. Temperatura. Esta fuente es atribuible al termómetro utilizado para la medición de la temperatura del lugar de calibración. (Tipo B)6. Repetibilidad de las mediciones. Al realizar varias mediciones el desvío estándar del conjunto es una indicación de la repetibilidad. (TipoA).
  • 40. Calibración de Multímetros Digitales (DMM)• Incertidumbres en la calibraciónIncertidumbre combinada: uc = ∑u 2 i iIncertidumbre expandida: u = k ⋅ uc donde k es el factor de cobertura. (k=2 => 95% de nivel de confianza)
  • 41. Bibliografía•FLUKE: “Calibration: Philosophy in Practice”, Second Edition.•INTI-DPNM: “Los Patrones Nacionales de Medida y el SI”.•BIPM: “The International System of Units (SI)”, 7th Edition, 1998.•R. Iuzzolino, J. I. Melo, H. Laiz, M. Tischler, “UNCERTAINTY EVALUATIONSRELATED TO THE JOSEPHSON-BASED VOLTAGE STANDARD AT INTI”, 5toSEMETRO, Brasil, 2002.•Josephson Effect. - RISP•Quantum Hall Effect - RISP.•Peter B. Crisp, “A Generic DMM Test and Calibration Strategy”, Cal Lab, May-June1997.•INTI – CEFIS: “Guía para la expresión de las incertidumbres de medición”, Segundaimpresión, 2000•http://www.fluke.com•http://www.agilent.com