Laboratorio Multifunciones-División de mediciones electromagnéticas-Dirección de metrología eléctrica-CENAM

Consideraciones presentes en la calibración de multímetros en bajos niveles de corriente eléctrica continua. continua Daniel G. Flandes E., Marco A. Rodríguez G. y Felipe Hernández M., Centro Nacional de Metrología, dflandes@cenam mx [email protected], [email protected], mrodrigu@cenam mx [email protected] fhernand@cenam mx

NOTA 1. Este trabajo ha sido desarrollado con recursos del gobierno federal de México. Sólo se permite su reproducción sin fines de lucro y haciendo referencia a la fuente. NOTA 2. En este documento pueden aparecer marcas comerciales únicamente con fines didácticos y a fin de lograr un entendimiento claro de las técnicas y procesos descritos. En ningún caso esta identificación implica recomendación o aval del CENAM o de alguna otra institución del gobierno federal de México, ni tampoco implica que los equipos o materiales identificados sean necesariamente los mejores para el propósito para el que son usados. El CENAM y las demás instituciones no tienen compromisos con ninguna marca comercial en particular.

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¿Cómo se calibra un medidor en corriente eléctrica continua? 1. Método directo

2. Método indirecto

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¿Dónde se emplea el método indirecto?

• Calibración de medidores en bajos valores de corriente eléctrica continua como 10 nA, A 100 nA A y 1 uA A

•En donde las fuentes de corriente eléctrica continua no mejoran las especificaciones de los medidores a calibrar

•Mantener una relación de calibración adecuada

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Comparación de especificaciones técnicas fuentes de corriente eléctrica continua Keithley 220 4000 µA/A

Fluke 5720 60040 µA/A

Keithley 263 450 µA/A

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Comparación de especificaciones técnicas medidores de corriente eléctrica continua

Fluke 8508 4012 µA/A

HP 3458 430 µA/A

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Relaciones de calibración

Especificación de medidores Especificación de Fuentes

4012 µA/A

430 µA/A

Relación de calibración 6 0040 µA/A

0,067

0,007

4 000 µA/A

1,003

0,108

450 µA/A

8,916

0,956

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El método indirecto

1)

a))

 

2)

b))

3)

 

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Ejemplo práctico, calibrando un multímetro a)

b)

1)

3)

 

2)

 

4)

 

 

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El efecto de fondo “offset” del Ampérmetro

a)

1)

2))

 

 

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Principales factores de influencia en la calibración

•Por fuga de corriente debido al aislamiento de los cables

•Por fuga de corriente de polarización del vóltmetro (medidor de tensión de “Burden”)

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Aislamiento de los cables

100 nA ?

I =

V R

Si V = 10 V y I = 100 nA, entonces R = 100 MΩ

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Aislamiento de los cables a)

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Diferentes materiales de aislamiento

Material Zafiro Teflón PTFE Polietileno Poliestireno K lF Kel.F Cerámica Nylon Fibra de vidrio PVC

Resistividad (ohm-cm)

Resistencia a Efectos la absorción piezoeléctrico del agua s mínimos

Efectos de carga por fricción

Efectos de absorción dieléctrica

>10 1018 >1018 1016 >1016 >10 1018 1014-1015 1013-1014

+ + 0 0 + -

+ + 0 0 0 0

0 0 + -

+ + + + 0 + -

1013

-

0

-

-

5x1013

+

0

0

-

+ Material muy bueno con respecto a su propiedad 0 Material moderadamente bueno con respecto a su propiedad - Material malo con respecto su propiedad

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Medición práctica del aislamiento en los cables

a)

b)

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Resultados encontrados al medir la resistencia de aislamiento

Tipo de cable y aislamiento Par trenzado de cables banana y aislamiento de neopreno Par trenzado de cables banana de calibre mayor y aislamiento de neopreno Coaxial, baño de plata aislamiento de teflón contaminado de aceite Par trenzado, baño de plata, aislamiento de teflón blindado Par trenzado, cobre de alta pureza blindado Coaxial, baño de plata aislamiento de teflón

Resistencia medida 1,14 GΩ 10 82 GΩ 10,82 1,01 TΩ 1,35 TΩ 2,03 TΩ 3,39 TΩ

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Comparación de resultados entre cables y configuración de guarda Lecturas de 100 nA con cables banana y diferentes configuraciones C Corriente eléctrica continua a (µA/A)

099.550E-09

099.500E-09

099.450E-09

Medición de corriente usando cables con teflón Medición con cables banana sin guarda y sin trenzar

099.400E-09

Medición con cables banana con guarda y sin trenzar 099.350E-09

Medición con cables banana sin guarda y trenzado Medición con cables banana con guarda y trenzado

099.300E-09

099.250E-09 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Número de mediciones

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Comparación de resultados entre cables y configuración de guarda Error e incertidumbre en 100 nA con cables banana y diferentes configuraciones de guarda y blindaje 600 Medición con cables banana sin guarda trenzado

Erro or relativo o (µA/A)

400 Medición con cables banana, sin guarda sin trenzar 200

7:1

1:1

0 Medición usando Cables con teflón

1:1

1:1

2:1

Especificaciones

-200 Medición con cables banana con guarda trenzado

-400 Medición con cables banana con guarda sin trenzar -600 1

2

3

4

5

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Corriente de polarización del vóltmetro

1)

 

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Comparación de resultados entre medidores de tensión de burden Efectos de carga con diferentes medidores de burden en 100 nA Corrien nte eléctriica contin nua (A)

099.452E-09 099.451E-09 099.450E-09 099.449E-09 099.448E-09 099 447E 09 099.447E-09

Lectura de corriente sin medidor de Burden en un 3458A

099.446E-09

Lectura de corriente con medidor de Burden 8508A

099.445E-09

Lectura de corriente con medidor de Burden 3458A

099.444E-09 099.443E-09 099.442E-09 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Número de mediciones

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Comparación de resultados entre medidores de tensión de burden Lecturas de la tensión de Burden

Tensió ón eléctric ca conitnua (V)

054.298 00E-03 054.297 50E-03 054.297 00E-03 054.296 50E-03 054.296 00E-03 054 295 50E 054.295 50E-03 03

Mediciones de Burden con 8508A y lectura en corto

054.295 00E-03

Mediciones de Burden con 3458A y lectura en corto

054.294 50E-03 054.294 00E-03 054.293 50E-03 054.293 00E-03 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Número de mediciones

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Comparación de resultados entre medidores de tensión de burden

500

Error e incertidumbre calculado en 100 nA para diferentes medidores de burden

400

7:1

Erro or relativo (µA/A)

300 200

Sin medidor de Burden método recomendado

7:1 Con 8508A y compensación con corto

100 0

7:1 Con 3458A y compensación con corto con corto

9

-12

-22

Especificaciones

-100 -200 -300 -400 -500 1

2

3

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Comparación de resultados entre cables y configuración de guarda Lecturas de tensión de burden con cables banana y diferentes configuraciones Tensión n eléctrica a continua a (V)

054.300 00E-03

054.298 00E-03

054.296 00E-03 Mediciones de Burden usando cables con teflón 054.294 00E-03

M di i Mediciones d de B Burden d con cables bl b banana, sin i guarda y sin trenzar Mediciones de Burden con cables banana con guarda y sin trenzar

054.292 00E-03

Mediciones de Burden con cables banana sin guarda d y ttrenzado d

054 290 00E 054.290 00E-03 03

Mediciones de Burden con cables banana con guarda y trenzado 054.288 00E-03

054.286 00E-03 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Número de mediciones

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Coeficientes de sensibilidad

Componente p de Incertidumbre

Coeficiente de Sensibilidad Asociado

Incertidumbre de calibración de la fuente de tensión

C1 = -

Estabilidad de la fuente de tensión

C2 = -

Lecturas del vóltmetro

C3 =

Resolución del vóltmetro

C4 =

Incertidumbre ce t du b e de calibración del vóltmetro

C5 =

Estabilidad del vóltmetro

C6 =

Incertidumbre por corriente de fuga al vóltmetro

C7 = -1

1 R

1 R

1 R

1 R

1 R

1

R

a)) Incertidumbre de calibración del resistor i t Incertidumbre por estabilidad del resistor Incertidumbre por coeficiente p de temperatura del resistor Incertidumbre por resistencia de fuga Lecturas del ampérmetro Imed Lecturas del ampérmetro Ioffset Resolución del ampérmetro Imed Resolución del ampérmetro Ioffset

C8 =

VF − VC 2 R

C9 =

VF − VC 2 R

C10 =

VF − VC R

C11 =

2

VF − VC 2 R

C12=1 C13= -1 C14=1 C15= -1

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Algunas consideraciones más • La temperatura

•La humedad

•La limpieza en los cables

•La interferencia humana

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Conclusiones

• Cables q que cuenten con un buen aislamiento •Emplear cables que cuenten con blindaje • Evaluar el medidor de burden que presente una mayor impedancia de entrada. • Seleccionar un resistor con menor coeficiente de temperatura • Blindar todos nuestros elementos (cables, resistor, medidores y generador.) d ) • Uso del circuito de guarda

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Referencias bibliográficas

Keithleyy Instruments,, Inc.,, Low level measurements Handbook,, Keithley, U.S.A., Sexta edición, 2004. Documento interno, Procedimiento calibración de medidores y generadores en corriente eléctrica continua, Laboratorio Multifunciones, CENAM, 2007. Schmid Wofgang A., Lazos Martínez R. J. Guía para estimar la incertidumbre de la medición, CENAM, Queretaro, México 2004.

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Gracias por su asistencia

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