Laboratorio de Tensión en Corriente Continua

Unidad y realización

En este laboratorio se establece, conserva y disemina el patrón nacional de la unidad de tensión eléctrica, el volt o voltio.

El patrón nacional de tensión eléctrica se establece de acuerdo con la Recomendación 1 (CI-1988) del CIPM, la cual asigna el valor convencional K_J-90=483 597,9 GHz/V para la constante de Josephson. Para ello, existe un sistema de medida que permite comparar la tensión eléctrica continua generada por una multiunión Josephson de 1 V o 10 V y un patrón de tensión materializado mediante un grupo de referencia Zener.

Mantenimiento

Existen varios grupos de referencias Zener de tensión, que se calibran directamente con el patrón de tensión Josephson. Estos patrones permiten el mantenimiento de la unidad en los periodos en que el sistema Josephson no está en funcionamiento y se emplean como referencia en el laboratorio secundario de calibración de medidores y fuentes de tensión continua. Existen dos sistemas automáticos que permiten, respectivamente, la intercomparación de patrones del mismo valor y la transferencia entre los patrones de 1 V y 10 V.

Trazabilidad

Para extender la capacidad de medida a los valores de tensión que no puede proporcionar el sistema Josephson, se ha desarrollado un sistema de medida de relaciones de tensión por medio de divisores resistivos que extiende la trazabilidad de las medidas de tensión hasta el nivel de 1 000 V, con una incertidumbre de algunas partes en 10⁷. Recientemente se ha extendido también la capacidad de medida para bajas tensiones también mediante divisores resistivos, con incertidumbres del orden de algunos nV.

Se ha establecido un laboratorio secundario de calibración de instrumentos electrónicos de alta precisión, principalmente multímetros digitales y calibradores multifunción.

La trazabilidad de las medidas de intensidad de corriente eléctrica en continua se alcanza a partir de medidas de tensión y de resistencias eléctricas especiales (shunts) calibradas en el laboratorio de resistencia.

Actividades y objetivos

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

Proyectos de I+D+i

• Patrón de tensión basado en un dispositivo multiunión Josephson programable.-

La unidad básica eléctrica del Sistema Internacional de unidades es el ampère o amperio, de difícil realización y además con mayor incertidumbre que el resto de unidades básicas. Como consecuencia, la trazabilidad de todas las magnitudes eléctricas se establece en el Centro Español de Metrología, y en la mayoría de Institutos Nacionales de Metrología, a partir de las unidades de tensión y resistencia eléctricas. La realización de estas dos magnitudes se basa en dos efectos cuánticos macroscópicos, el efecto Josephson y el efecto Hall cuántico.

Ambos efectos han permitido reducir notablemente la incertidumbre del valor de las magnitudes eléctricas y han logrado que el valor obtenido dependa de constantes físicas inmutables con independencia del tiempo y del espacio.

Como ya ha sido referido, el patrón nacional de tensión eléctrica se establece de acuerdo con la Recomendación 1 (CI-1988) del CIPM, la cual asigna el valor convencional K_J-90=483 597,9 GHz/V para la constante de Josephson. Para ello, se dispone de un sistema de medida que permite comparar la tensión eléctrica continua generada por una multiunión Josephson de 1 V o 10 V y un patrón de tensión materializado mediante un grupo de referencia Zener.

Patrón Josephson de tensión CC en el CEM.

El objetivo principal del proyecto ya finalizado, ha sido el estudio de aplicación de los nuevos patrones de tensión basados en dispositivos multiunión Josephson programables a diversas situaciones de medida, especialmente a los Patrones Nacionales de Tensión y Resistencia Eléctricas, en corriente continua y a algunas aplicaciones en corriente alterna, con especial incidencia en el campo de las frecuencias bajas. Como consecuencia de estas aplicaciones se han desarrollado nuevos métodos de medida con exactitudes superiores a las de los métodos anteriormente existentes y, en algunos casos, se ha alcanzado trazabilidad en campos de medida que no la tenían con anterioridad.

Array Josephson de 10 V con 327.680 uniones.

Las principales líneas de desarrollo en este proyecto son:

- Mejora del actual sistema de comparación de los patrones primarios de resistencia con el patrón nacional generado por efecto Hall cuántico. Para ello se ha establecido un sistema potenciométrico basado en el array Josephson programable.

- Establecimiento de un nuevo patrón de tensión alterna a baja frecuencia hasta 1 V y 10 V.

Resultados:

Se ha realizado el estudio y análisis de la muestra Josephson programable, verificando sus características. Estudio y caracterización de la muestra y comprobación del sistema completo. Se ha definido la frecuencia óptima de funcionamiento que ha resultado ser de 70 GHz frente a los 74,9 GHz que venían especificados como mejor frecuencia de trabajo.

Escalones en la muestra a 20 Hz con filtro.

Como actividad final de esta fase se ha llevado a cabo la comparación con el patrón Josephson convencional mediante comparación directa y a través de referencias Zener.

Aplicación al patrón de resistencia Hall. Mejora del sistema basado en método potenciométrico.Se han realizado las medidas y la evaluación de incertidumbres, con un análisis final de los resultados.

Se ha realizado un procedimiento para la calibración de la linealidad de multímetros digitales empleando tanto el patrón de tensión Josephson, como el patrón de tensión Josephson programable mejorándose notablemente las capacidades de medida del CEM en la linealidad de multímetros tanto en incertidumbre como en rango de medida.

Una vez finalizado el estudio de nuestro dispositivo Josephson programable, se llevó a cabo la generación de una onda alterna de baja frecuencia y se han estudiado sus aplicaciones como patrón de tensión en corriente alterna.

Conclusiones y perspectivas futuras

Gracias a este proyecto el CEM ha podido mejorar y optimizar sus patrones nacionales de tensión, aumentando los rangos de medida. Al mismo tiempo se ha conseguido mejorar el actual sistema de comparación de los patrones primarios de resistencia con el patrón nacional generado por el efecto Hall cuántico.

La experiencia adquirida en este proyecto ha permitido al CEM ponerse al nivel de los Institutos Nacionales de Metrología que están trabajando con sistemas Josephson programables. Gracias a la tecnología y desarrollos utilizados en este proyecto el CEM está participando con éxito en el Programa Europeo de Investigación en Metrología, EMRP, concretamente en el proyecto JRP T4.J03, JOSY-Next generation of quantum voltage standards for wide range applications, en el que colaboramos con los principales Institutos Nacionales de Metrología en el desarrollo, caracterización y optimización de nuevos patrones cuánticos.

• Proyecto nº 18. Nuevo patrón cuántico para caracterización de sistemas digitales (PACMED).-

Se trata de un proyecto a cuatro años, 2010-2014. Se ha llevado a cabo la contratación de un titulado superior de proyectos, ingeniero de telecomunicación y de una técnica superior de proyectos.

El objetivo principal de este proyecto es el empleo de los dispositivos Josephson programables binarios de última generación para la caracterización de sistemas de medida digitales de alta resolución, entre los que destacan los nuevos patrones digitales de potencia y energía y los multímetros de gama alta. También se busca la automatización de las medidas para mejorar la repetibilidad y disminuir la incertidumbre y los tiempos empleados en cada calibración.

Las actividades se están desarrollando según los planes previstos, destacando:

• Se han realizado las adquisiciones previstas.

• Se han realizado los estudios pertinentes

• El diseño y puesta en marcha de un montaje experimental para la calibración de linealidad de 10 mV a 1 V.

• Se ha realizado el montaje del puente de relación tipo Wheatstone y se ha procedido a automatizar la toma de medidas, en entorno Lab View.

Puente de medida. Montaje

Servicios

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

• Patrones de tensión en CC en 1 V, 1,018 V y 10 V

• Multímetros digitales, Voltímetros y Nanovoltímetros

• Calibradores multifunción y generadores de tensión en CC

• Generadores de CC

• Amperímetros en CC

• Sistemas de medida de parámetros de calidad en INTERNET

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.