PROYECTO Nº 2:
PATRÓN NACIONAL DE INDUCTANCIA
ÁREA :ELECTRICIDAD Y MAGNETISMOLABORATORIO: IMPEDANCIA
Yolanda Álvarez SanmamedMª Mar Izquierdo García
ÍNDICE
1.- Objetivo
2.- Inductancia
2.1.- Unidad inductancia.2.2.- Trazabilidad. 2.3.- Dificultades medida.2.4.- Métodos medida.
3.- Método de Maxwell-Wien
4.- Resultados.
5.- Futuras Actividades.
Patrón Nacional de Inductancia 1 / 24Jornada Difusión Resultados Proyectos I+D+i
Objetivo
Objetivo inicial del proyecto: realización en el CEM del Patrón Nacional de Inductancia de 10 mH a una frecuencia de 1 kHzcon 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.
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Wb V·sHA A
= =
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.
Unidad inductancia eléctricaUnidad inductancia eléctrica
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a
b
c
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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 porcomparación con patrones de impedancia en un puente.
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Principales métodos medida inductancia por comparación con impedancias en un puente:
Método de resonancia
Método de los tres voltímetros
Método de Maxwell-Wien
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Método de resonancia
Ley de Ohm en CA :Z
I ε=
( )22L CZ R X X= + −Impedancia:
LX L= ωReactancia inductiva C1XC
=ω
y reactancia capacitiva
Ajuste capacidad o frecuencia hasta alcanzar resonancia.
En resonancia corriente en puente es máxima para la misma tensión y corriente y voltaje están en fase.
En resonancia: L CX X=1LC
ω =ω 2
1LC
=ω
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Conexión en serie de patrón de impedancia Zs e impedancia desconocida Zx
• Corriente I circula por cada impedancia
• Potenciales en el circuito:Us=ZsI en impedancia Zs
Ux=ZxI en impedancia Zx
U=(Zs+Zx)I voltaje total
xX S
S
UZ Z
U= Módulo impedancia
Voltajes medidos con voltímetro CA de gran precisión
( )2 2 21 2 1 2 1 2 1 2
1U ·U U ·U ·cos U U U U2
= ϕ = + − −r r r r
φFase:
Método de tres voltímetros
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Método de Maxwell-Wien
Es un puente tipo Wheatstone en CA y los brazos son como los de la figura.
31
2 4
ZZZ Z
=
Relación de impedancias en puente tipo Wheatstone:
Igualando partes reales e imaginarias para caso concreto del puente de la figura:
x 2 3 1L R ·R ·C=Parte imaginaria:
2 3x
1
R ·RR
R=Parte real:
Z1 Z2
Z4Z3
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¿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.
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Puente de Maxwell-Wien
2 3x
1
R ·RR
R=
x 2 3 1L R ·R ·C=C1 = Cs + Cv
Cs de 10 nF
Cv condensador variable
Trazabilidad:patrón capacidad
Resistencia VishayVHP 101 de 1 kΩ
?
Resistencia VishayVHP 101 de 1 kΩ
Inductancia a medir
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Resistencia interna Rx del conjunto de inductancias patrón de 10 mH a 1 KHzmedida con:
Puente LCR multifrecuencia 4980A
8.5 Ω< Rx < 10.1 Ω
2 3x
1
R ·RR
R= y R2 = R3 = 1 kΩ 100 kΩ< R1 < 120 kΩ
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¿Valor de R1?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 )
(0-20) kΩ (0-5) kΩ (0-1) kΩ
45 kΩ 49 kΩ
50 pF 25 pF
I3 I4
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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
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Caja conmutación
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Soporte cables
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• Mantener posición cables durante medida.
• Distinta longitud: comprobar efecto campo magnético de inductancia a medir en detector del puente.
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Elementos auxiliares del circuito• Oscilador
• Detector Lock-In
• Baño de aire
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Montaje puente de medida inductancia
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Procedimiento medida inductancia
1) Ajuste simultáneo circuito principal y circuito de Wagner para inductancia Lx.
2) Empleo método sustitución de cero minimiza errores inductancia parásita puente.
Se mide capacidad del sistema con puente de capacidad.
Se sustituye Lx por bobina de aire de pequeño valor Lx0 con resistencia variable R4
Cv1
Cv2
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R2 y R3 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
( )X 2 3 V 1 V 2 X 0L R R C C L= − +
Medida directa en puente de CC
Resistencias Vishay:diferencia AC-DC < 0.5 ppm
Lx0 medida en puente Maxwell-Wien por método de diferencias
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Cálculo Incertidumbres
Tipo A
Tipo B
• Incertidumbre temperatura inductancia a medir
• Incertidumbre temperatura condensador fijo Cs
• Incertidumbre temperatura condensador variable Cv
• Incertidumbre temperatura resistencias R2 y R3
• Incertidumbre medida capacidad
• Incertidumbre medida resistencias R2 y R3
Incertidumbre expandida (k = 2): 20 μH / H
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Resultados
Establecimiento Patrón Nacional Inductancia de 10 mH a 1 kHz con U = 20 μH / H
Prestación nuevo servicio calibración patrones de inductancia
Extensión del rango de medida de inductancias hasta 1 H.
30 μH/HINRIM
70 μH/HNPL
10 μH/HPTB
30 μH/HCENAM
20 μH/HCEM
U (k = 2)INM
Objetivo proyectoObjetivo proyecto cumplido:cumplido:
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Participación en comparación bilateral
Inicio nuevo proyecto realización sistema medida de resistencias en CA.
Futuras Actividades
Solicitud de nuevas CMCs
Patrón Nacional de Inductancia 24 / 24Jornada Difusión Resultados Proyectos I+D+i
Muchas gracias