Laboratorio de Resistencia en CC

Unidad y realización

En este laboratorio se establece, conserva y disemina el patrón nacional de la unidad de resistencia eléctrica, el ohm u ohmio.

El patrón nacional de resistencia eléctrica se determina a partir del efecto Hall cuántico, patrón primario de resistencia eléctrica, de acuerdo con la Recomendación 2 (CI-1988) del CIPM que asigna el valor convencional R_K-90 = 25 812,807 Ω a la constante de Von Klitzing, relación de las constantes fundamental atómicas h/e². El sistema de comparación se basa en un potenciómetro Josephson que permite comparar directamente la resistencia Hall cuantizada con una resistencia patrón de 10 kΩ, método novedoso y desarrollado íntegramente en el CEM. Los resultados de la comparación clave BIPM.EM-K13.b muestran un acuerdo a un nivel de incertidumbre relativa de 2 × 10^-8.

Mantenimiento

Para mantener y transferir el patrón nacional de resistencia eléctrica a otros valores, existen en el laboratorio numerosos grupos de resistencias patrón, de valores comprendidos entre 1 mΩ y 100 TΩ. Se utilizan diversos métodos de medidas para asignar valor a estos grupos de patrones, así como para calibrar patrones de clientes con relación a ellos:

• En el rango de 1 Ω a 10 kΩ se emplean puentes comparadores de corriente continua y resistencias de transferencia de tipo Hamon, lo que permite mantener los grupos internas de patrones con una incertidumbre de algunas partes en 10⁸, y calibrar patrones externos con una incertidumbre relativa de 2 × 10^-7.

• En el rango de resistencias inferiores a 1 Ω se emplean comparadores de corriente de relación fija conectados en cascada, permitiendo medidas con incertidumbres relativas de algunas partes en 10⁶.

• En el rango de resistencias de 10 kΩ a 1 GΩ se emplea un puente potenciométrico basado en un divisor resistivo binario de tensión lo que permite calibrar resistencias patrón, tanto propias como de clientes, con incertidumbres relativas de algunas partes en 10⁶.

Trazabilidad

En el esquema de trazabilidad mostrado, aparece en primer lugar el sistema utilizado para transferir el valor de la Resistencia Hall Cuántica a un patrón de 10 kΩ.

En el rango de 1 Ω a 14 kΩ se utiliza un Puente Comparador de Corriente Continua. Con este sistema el CEM ha participado en la comparación EURAMET.EM-K10 “Comparison of 100 Ω Standard Resistors” con excelentes resultados.

En el margen de 1 mΩ a 1 Ω el principio de medida es el mismo que para el rango anteriormente mencionado, por lo tanto se utiliza el mismo puente de relación, empleando una fuente externa. Para adaptar el sistema a valores de alta corriente se utiliza un transformador o extensor de rango.

En el rango de valores entre 10 kΩ y 1 GΩ se utiliza un puente de relación de resistencias basado en un Divisor Binario de Tensión. Con este sistema se ha participado en la comparación EURAMET “Comparison of 10 MΩ and 1 GΩ Standard Resistors” con excelentes resultados.

El sistema de medida de Altas Resistencias comprende los valores entre 100 MΩ y 100 TΩ. Consiste en un Puente de Wheatstone modificado construido con dos calibradores actuando como fuentes y un voltímetro (electrómetro para los valores más altos de resistencia) como detector.

Finalmente, deben mencionarse las resistencias Hamon de transferencia, fundamentales en la cadena de trazabilidad. Son patrones comerciales de n resistencias de valor nominal m. La gran ventaja que ofrecen es que pueden hacer transferencias directas a valores 100 veces superior o 100 veces inferior sin añadir incertidumbre en la transferencia, ya que la incertidumbre asociada al valor en serie es la misma que la asociada al valor en paralelo.

Esquema de trazabilidad resistencia en CC en el CEM.

Actividades y objetivos

Todas las capacidades de medida y calibración han sido declaradas y están publicadas en la correspondiente base de datos del BIPM.

Además de los actuales sistemas, en el laboratorio de resistencia eléctrica, se han concluido diversos desarrollos de nuevos sistemas para extender las actuales capacidades de medida a nuevos rangos y para mejorar las incertidumbres que se obtienen en la actualidad en los rangos ya cubiertos:

• Se ha establecido un nuevo sistema que permite extender el rango de las medidas de alta resistencia hasta el nivel de 100 TΩ o más. Está basado en un puente de Wheatstone modificado con dos fuentes de tensión.

• Desarrollo de un sistema para extender las medidas de baja resistencia por debajo del nivel de 1 mΩ, empleando transductores de corriente.

Criostato del patrón de resistencia eléctrica en CC, basado en el efecto Hall cuántico.

Nuevos proyectos de I+D+i

- Proyecto nº 10. Diseño y desarrollo de un nuevo sistema de medida no criogénico para resistencia Hall cuántica.-

Inicio del proyecto durante el año 2007 y duración tres años. Su objetivo principal es la optimización de los sistemas de medida que establecen la cadena de trazabilidad para la mejora de los valores de incertidumbre en la medida de resistencia en CC, así como establecer un método alternativo al actual sistema potenciométrico.

El proyecto ha sido concluido con éxito durante marzo 2012. Destacan las siguientes tareas o actividades:

• Se ha fabricado y optimizado el prototipo del patrón de transferencia

Detalle del patrón de transferencia

• Se han llevado a cabo las medidas de caracterización del patrón de transferencia

Ejemplo de los datos obtenidos con el prototipo del patrón

• Se puede concluir que la desviación con respecto al valor nominal es de 2,083 x 10^-6 y la desviación estándar en términos relativos es de 3,3 x 10^-8. Estos valores ya cumplen las especificaciones que se planteaban al comienzo del proyecto.

• Se ha fabricado el puente de medida.

Esquema de fabricación del puente de Warshawsky.

Esquema del puente de Warshawsky.

• Se ha desarrollado el software de medida en LabView.

Servicios

En el Laboratorio de resistencia en CC se establecen los siguientes servicios de calibración:

• Patrones de resistencia en CC.

• Cajas de décadas de resitencia.

• Medidores y generadores en la magnitud resistencia en CC.

• Sensores de temperatura.

Los servicios de calibración establecidos por el Área de Electricidad y Magnetismo pueden verse en detalle en las tablas correspondientes a las Capacidades Óptimas de Medida y Calibración, CMC´s, en http://kcdb.bipm.org/AppendixC.

Asesoramiento en:

• Procedimientos de calibración de patrones primarios.

• Evaluación de incertidumbres de medida.

• Implantación de sistemas de medida.

Formación de expertos y cursos en el campo de la metrología eléctrica.