PROYECTO Nº 2: PATRÓN NACIONAL DE INDUCTANCIA

Transcripción

1 PROYECTO Nº 2: PATRÓN NACIONAL DE INDUCTANCIA ÁREA : ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO LABORATORIO: IMPEDANCIA Yolanda Álvarez Sanmamed Mª Mar Izquierdo García

2 ÍNDICE 1.- Objetivo 2.- Inductancia Unidad inductancia Trazabilidad Dificultades medida Métodos medida. 3.- Método de Maxwell-Wien 4.- Resultados. 5.- Futuras Actividades. Patrón Nacional de Inductancia 1 / 24

3 Objetivo Objetivo inicial del proyecto: realización en el CEM del Patrón Nacional de Inductancia de 10 mh a una frecuencia de 1 khz con un valor de incertidumbre aproximado 40 μh / H Permitiría: Autonomía nacional en la realización de esta unidad. Cubrir las necesidades de calibración de inductancias existentes. Aprovechar el desarrollo previo del patrón nacional de capacidad. Patrón Nacional de Inductancia 2 / 24

4 Unidad inductancia eléctrica Henrio: es la inductancia eléctrica de un sistema cerrado en el que se produce una fuerza electromotriz de un voltio, cuando la corriente eléctrica que recorre el circuito varía a razón de un amperio por segundo. Wb V s H = = A A Patrón Nacional de Inductancia 3 / 24

5 a b c Patrón Nacional de Inductancia 4 / 24

6 Dificultades en medida inductancia Medida de inductancia mayor dificultad que la del resto de impedancias debido a: - No es cantidad aditiva. -La inductancia es una cantidad esencialmente compleja. Solución: Asignar valores a patrones comerciales de inductancia por comparación con patrones de impedancia en un puente. Patrón Nacional de Inductancia 5 / 24

7 Principales métodos medida inductancia por comparación con impedancias en un puente: Método de resonancia Método de los tres voltímetros Método de Maxwell-Wien Patrón Nacional de Inductancia 6 / 24

8 Método de resonancia Ley de Ohm en CA : I = ε Z Impedancia: ( ) 2 2 Z= R + XL XC Reactancia inductiva XL = ωl y reactancia capacitiva X C 1 = ωc Ajuste capacidad o frecuencia hasta alcanzar resonancia. En resonancia: XL = XC 1 1 Lω= L = ω 2 C ω C En resonancia corriente en puente es máxima para la misma tensión y corriente y voltaje están en fase. Patrón Nacional de Inductancia 7 / 24

9 Método de tres voltímetros Conexión en serie de patrón de impedancia Z s e impedancia desconocida Z x Corriente I circula por cada impedancia Potenciales en el circuito: U s =Z s I en impedancia Z s U x =Z x I en impedancia Z x U=(Z s +Z x )I voltaje total Z X U x = ZS Módulo impedancia U S Voltajes medidos con voltímetro CA de gran precisión r r U U U U cos 1 r r = ϕ= U + U U U 2 ( ) Fase: φ Patrón Nacional de Inductancia 8 / 24

10 Método de Maxwell-Wien Es un puente tipo Wheatstone en CA y los brazos son como los de la figura. Relación de impedancias en puente tipo Wheatstone: Z Z 1 = Z Z Igualando partes reales e imaginarias para caso concreto del puente de la figura: Parte imaginaria: Lx = R 2 R 3 C1 Z 1 Z 2 Parte real: R x = R R 2 3 R 1 Z 3 Z 4 Patrón Nacional de Inductancia 9 / 24

11 Qué método se ha elegido? Puente de Maxwell-Wien Por qué? Experiencia previa adquirida en el laboratorio de impedancia en el desarrollo de puentes. Es un puente que no depende de la frecuencia (los otros dos sí dependen). Disponibilidad de patrones de los valores necesarios para realizar este método. Posibilidad de uso de los mismos patrones para todas las frecuencias de interés. Patrón Nacional de Inductancia 10 / 24

12 Puente de Maxwell-Wien Lx = R 2 R 3 C1 R x = R R 2 3 R 1 C 1 = C s + C v C s de 10 nf Trazabilidad: patrón capacidad C v condensador variable? Resistencia Vishay VHP 101 de 1 kω Resistencia Vishay VHP 101 de 1 kω Inductancia a medir Patrón Nacional de Inductancia 11 / 24

13 Resistencia interna R x del conjunto de inductancias patrón de 10 mh a 1 KHz medida con: Puente LCR multifrecuencia 4980A 8.5 Ω< R x < 10.1 Ω R x R R 2 3 = y R 2 = R 3 = 1 kω 100 kω< R 1 < 120 kω R 1 Patrón Nacional de Inductancia 12 / 24

14 Valor de R 1? 2 resistencias Vishay no inductivas de 50 kω en serie + 3 potenciómetros variables en serie: - Primero: (0 kω 20 kω ) - Segundo: (0 kω 5 kω ) - Tercero: (0 kω 1 kω ) 50 pf 25 pf 45 kω 49 kω I 3 I 4 (0-20) kω (0-5) kω (0-1) kω Patrón Nacional de Inductancia 13 / 24

15 Circuito Maxwell-Wien anterior es circuito base simplificado. Para medidas precisas hay que añadir un circuito auxiliar (circuito de Wagner) para eliminar efectos parásitos. Circuito Wagner Patrón Nacional de Inductancia 14 / 24

16 Caja conmutación Patrón Nacional de Inductancia 15 / 24

17 Soporte cables Patrón Nacional de Inductancia 16 / 24

18 Mantener posición cables durante medida. Distinta longitud: comprobar efecto campo magnético de inductancia a medir en detector del puente. Patrón Nacional de Inductancia 17 / 24

19 Elementos auxiliares del circuito Oscilador Detector Lock-In Baño de aire Patrón Nacional de Inductancia 18 / 24

20 Montaje puente de medida inductancia Patrón Nacional de Inductancia 19 / 24

21 Procedimiento medida inductancia 1) Ajuste simultáneo circuito principal y circuito de Wagner para inductancia L x. Se mide capacidad del sistema con puente de capacidad. C v1 2) Empleo método sustitución de cero minimiza errores inductancia parásita puente. Se sustituye L x por bobina de aire de pequeño valor L x0 con resistencia variable R 4 C v2 Patrón Nacional de Inductancia 20 / 24

22 ( ) L = R R C C + L X 2 3 V1 V 2 X0 R 2 y R 3 resistencias fijas Vishay VHP 101 de 1 kω 2 métodos distintos: En CA con puente de relación de impedancias del mismo tipo. Relación 10:1 con resistencia calculable de 10 kω Medida directa en puente de CC Resistencias Vishay: diferencia AC-DC < 0.5 ppm L x0 medida en puente Maxwell-Wien por método de diferencias Patrón Nacional de Inductancia 21 / 24

23 Cálculo Incertidumbres Tipo A Tipo B Incertidumbre temperatura inductancia a medir Incertidumbre temperatura condensador fijo C s Incertidumbre temperatura condensador variable C v Incertidumbre temperatura resistencias R 2 y R 3 Incertidumbre medida capacidad Incertidumbre medida resistencias R 2 y R 3 Incertidumbre expandida (k = 2): 20 μh / H Patrón Nacional de Inductancia 22 / 24

24 Objetivo proyecto cumplido: Resultados Establecimiento Patrón Nacional Inductancia de 10 mh a 1 khz con U = 20 μh / H INM CEM CENAM PTB NPL INRIM U (k = 2) 20 μh/h 30 μh/h 10 μh/h 70 μh/h 30 μh/h Prestación nuevo servicio calibración patrones de inductancia Extensión del rango de medida de inductancias hasta 1 H. Patrón Nacional de Inductancia 23 / 24

25 Futuras Actividades Participación en comparación bilateral Solicitud de nuevas CMCs Inicio nuevo proyecto realización sistema medida de resistencias en CA. Patrón Nacional de Inductancia 24 / 24

26 Muchas gracias