evaluación del servicio de calibración de referencias - Cenam

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1 EVALUACIN DEL SERVICIO DE CALIBRACIN DE REFERENCIAS ELECTRNICAS EN BASE AL DIODO ZENER OFRECIDOS POR EL CENAM Dionisio Hernndez V., David Avils C., Enrique Navarrete G. Centro Nacional de Metrologa, Direccin de Metrologa Elctrica Carretera a Los Cus km 4.5, El Marqus, Qro. 76241 Mxico Tel: (442)2110500, Fax: 2153904, e-mail: [email protected] ; [email protected] ; [email protected] RESUMEN: Se presenta la validacin del servicio de calibracin de referencias electrnicas en base a diodo Zener ofrecidos por el CENAM, a travs de una comparacin bilateral entre el CENAM y el NIST, donde se midi un conjunto de referencias Zener utilizando los patrones de tensin Josephson del CENAM y el patrn transportable Josephson del NIST. Se describe el mtodo de medicin y los resultados de la comparacin. OBJETIVO en la trazabilidad de las mediciones de tensin elctrica en corriente continua, debido a que la Validacin de los servicios de calibracin de mayora de estas mediciones son de alta exactitud, referencias Zener proporcionados por el CENAM a las cuales estn ligadas al patrn nacional de tensin travs de laboratorio de Tensin en corriente Josephson. Por otra parte, este patrn nacional es continua (c.c.) de la Divisin de Mediciones importante porque de ste tambin se derivan otras Electromagnticas. unidades elctricas. AREA DE ESPECIALIDAD Dado que el laboratorio opera bajo un sistema de calidad segn los lineamientos de la norma: Metrologa elctrica, tensin elctrica continua. ISO/IEC17025, un requerimiento es la validacin de los mtodos de medicin utilizados en los servicios INTRODUCCION de calibracin ofrecidos por el laboratorio, tal es el caso de la calibracin de patrones elctricos de En el laboratorio de tensin en c.c. se tiene el Patrn referencias de tensin c.c. basadas en el diodo Zener Nacional del volt en base al Efecto Josephson. Su en los niveles de 1,018 V (1V) y 10 V. principal objetivo es ser la referencia nacional para las mediciones de la magnitud de tensin elctrica Para asegurar la confiabilidad y el reconocimiento continua que se realizan en el pas. Las funciones internacional de los servicios de medicin y bsicas del laboratorio se establecen en la Ley calibracin ofrecidos por los laboratorios nacionales Federal Sobre Metrologa y Normalizacin y son: el de metrologa, CENAM firm, el Acuerdo de establecimiento, el mantenimiento y la diseminacin Reconocimiento Mutuo (MRA) del CIPM, este de la referencia nacional, al ms alto nivel de acuerdo se basa en revisiones por pares de exactitud, de la magnitud de tensin elctrica procedimientos y sistemas de calidad as como en la continua, cuya unidad es el volt , as como demostracin de la equivalencia de los servicios de asegurar su consistencia con los laboratorios medicin y calibracin, la cual se determina por primarios de otros pases. medio de comparaciones internacionales, de las cuales la comparacin a nivel de 10 V usando Este patrn de nivel primario, esta al mismo nivel referencias Zener forma parte. que los patrones utilizados en los pases mas avanzados en este campo y constituye el primer Finalmente es importante sealar que los usuarios o eslabn en la cadena de calibracin en Mxico. La clientes del laboratorio de tensin en c.c. de la alta exactitud del patrn nacional se transfiere o Divisin de Mediciones Electromagnticas, son los disemina a la industria nacional a travs de los laboratorios secundarios, industriales y universidades servicios de calibracin efectuados a patrones de y centros de investigacin (acreditados y no referencia de tensin en corriente continua como son acreditados) que cuentan con referencias las referencias electrnicas en base a diodo Zener. electrnicas Zener. Estos laboratorios desempean un papel relevante para armonizar las mediciones de Estos patrones de nivel secundario, forman el tensin elctrica en c.c. a nivel nacional refirindolas segundo eslabn en la cadena de trazabilidad. Por al patrn nacional mantenido en el CENAM. consiguiente, desempean un papel muy importante 1 Encuentro Nacional de Metrologa Elctrica 2007

2 ACCIONES IMPLEMENTADAS de uniones Josephson de 10 V utilizado con nmero de serie JA-62/7 (Diseo del PTB) es de la empresa En el CENAM se llevaron a cabo las siguientes PREMA Semiconductor GmbH de Alemania (1999). acciones para dar confianza y reconocimiento La fuente de polarizacin del sistema Josephson internacional a los servicios de calibracin de (modelo JBS500) ha sido modificada para mejorar la referencias Zener que se ofrecen: seleccin de los escalones cunticos de tensin. La frecuencia del diodo Gunn es amarrada en fase a 1) Se realiz una comparacin bilateral con el travs de un contador de microondas (EIP 578B) NIST de E.U. calibrando referencias Zener amarrado en fase. La operacin del sistema es con patrones de efecto Josephson. manual. 2) Un experto en mediciones de tensin Se utiliz un vltmetro digital HP3458A para medir las elctrica continua del NIST de Estados diferencias de tensin entre la tensin Josephson y la Unidos llev a cabo una revisin exhaustiva referencia Zener. del laboratorio, de las capacidades de los metrlogos, de los procedimientos de Patrn de Tensin Josephson del NIST. calibracin y del sistema de calidad del laboratorio. El patrn Josephson del NIST ( Compact Josephson System -CJVS) es un sistema transportable diseado En este trabajo se presentan algunos detalles y construido en el NIST que consiste de una fuente tcnicos de la comparacin y su impacto en la de polarizacin de VMETRIX Modelo JVS1000 un validacin del servicio de calibracin. arreglo de uniones Josephson de 10 V (diseo del NIST) fabricado por HYPRES, una criosonda que COMPARACIN BILATERAL CENAM-NIST aloja el arreglo o circuito integrado superconductor (chip) y un oscilador de microondas. Del 21 al 13 de marzo de 2006, se llev a cabo una comparacin bilateral, en el nivel de 10 V, entre La fuente de microondas es una frecuencia fija de CENAM y el NIST. Esta comparacin se realiz en 76,76 GHz del oscilador amarrada en fase a una las instalaciones del Centro Nacional de Metrologa. seal externa de 10 MHz. El sistema se utiliz en modo automtico. Uno de los propsitos de esta comparacin fue la validacin del servicio de calibracin de referencias Como detector de nulos se utiliz un nanovltmetro Zener a nivel de 10 V y el de ligar la referencia de digital HP34420 para medir la diferencia de tensin tensin del CENAM con la del NIST. entre el patrn Josephson y el la tensin de salida de la referencia Zener. Esta comparacin ya fue aprobada por el grupo de trabajo de Baja Frecuencia (WGLF) del Comit PROTOCOLO DE LA COMPARACIN Consultivo de Electricidad y Magnetismo (CCEM) y registrada en la base de datos de comparaciones La comparacin se realiz midiendo las 4 referencias clave ( KCDB) del Comit Internacional de Pesas y Zener en 10 V utilizando los sistemas Josephson de Medidas (CIPM) como: SIM.EM.BIPM-K11.b. forma alternada. PATRONES UTILIZADOS EN LA COMPARACIN Antes de iniciarse la comparacin, previamente el patrn transportable del NIST fue enviado al CENAM. Patrones bajo calibracin El protocolo de la comparacin fue diseado por el Se utilizaron 4 referencia Zener (Fluke 732B), NIST. propiedad del CENAM. Este conjunto fue previamente seleccionado de un grupo de 12 DIAGRAMA A BLOQUES DE LA COMPARACIN referencias Zener por presentar menor dispersin a la salida de tensin En la figura 1 se muestra el diagrama esquemtico de la comparacin. Patrn de Tensin Josephson del CENAM El patrn de tensin Josephson del CENAM es un sistema comercial de la empresa Research and Manufacturing Company (RMC), actualmente HYPRES. Este sistema se estableci en 1994 y ha sido modificado con un filtro RF adicional. El arreglo 2 Encuentro Nacional de Metrologa Elctrica 2007

3 LAS MEDICIONES Reloj atmico de Cesio CENAM Los Zener se mantuvieron flotados ( sin conexin a la tierra fsica). Cada uno de los Zener fue desconectado de la lnea dos horas antes de ser medidos. Se cuantificaron las fem trmicas antes de Amplificador comparacin, midiendo un corto circuito. Los valores de distribucin de las fems trmicas fueron de unos cuantos Amplifier nanovolts para ambos sistemas. La Tabla 1 indica la secuencia de medicin, la cual se diseo para tener el mismo tiempo promedio (dentro Jn -CENAM- Jn -NIST de unos minutos) para un par de mediciones de la referencia Zener (en polaridad positiva y negativa ) realizadas por el NIST y el CENAM de tal forma que los efectos por la deriva de los Zener durante la comparacin puedan ser cancelados. S2 S3 S1 NIST+ CENAM + CENAM - NIST- CENAM + NIST+ NIST - CENAM - Tabla 1. Secuencia de mediciones para cada uno de Z1 Z2 Z3 Z4 los Zener. La seleccin se realiza por medio del conmutador S1 para el Sistema Josephson (NIST o CENAM) y la polaridad (+ o -). S1 Conmutador para seleccionar el sistema Cada una de las mediciones de CENAM se tomaron Josephson (CENAM o NIST) y la polaridad de la en 4 grupos de 12 mediciones simples utilizando la Referencia Zener bajo medicin. secuencia [+, -, -, +]. La polaridad se invirti utilizando S2 Conmutador de inversin manual el conmutador manual S1 como se muestra en la S3 Conmutador de inversin automtico figura 1. Se aplico un ajuste por mnimos cuadrados Jn- Sistema Josephson para obtener el mejor estimado del valor de la salida del Zener. Fig. 1 Diagrama esquemtico Cada una de la mediciones realizadas por el sistema El reloj atmico de Cesio del CENAM es uno de alto del NIST se hicieron de manera similar excepto que desempeo de Agilent modelo 5071A, de la Divisin los 4 grupos siguieron la secuencia [+, -, +, -]. La de Tiempo y Frecuencia del CENAM, el cual inversin de la polaridad se realiz por medio del proporcion la frecuencia de referencia de 10 MHz conmutador automtico S3. para ambos sistemas. La conexin se realiz a travs de un amplificador de distribucin y un transformador Un caracterstica importante de sta comparacin es de aislamiento los cuales fueron diseados y que no fue necesario hacer correcciones por efectos construidos en el CENAM. ambientales de temperatura, humedad y presin porque las mediciones fueron realizadas en el mismo El conmutador S1 de bajas fem trmicas o lugar y un mismo tiempo promedio. potenciales de origen trmico, permite la conexin de uno de los 4 Zener al correspondiente sistema El tiempo total para una comparacin de un par de Josephson (ya sea del NIST o del CENAM) y la mediciones de Zener realizadas por los sistemas del seleccin de la polaridad de un Zener (+ o -). En el NIST y el CENAM fue de aproximadamente 30 sistema del CENAM se utiliz un conmutador minutos. rotatorio de bajo coeficiente trmico, mientras que el NIST utiliz un conmutador rotatorio de bajo coeficiente trmico automtico S3. 3 Encuentro Nacional de Metrologa Elctrica 2007

4 RESULTADOS DE LA COMPARACIN significativas para la estimacin de la incertidumbre BILATERAL CENAM-NIST de la comparacin. Los resultados de la comparacin entre NIST y De la Tabla 2 vemos que la diferencia promedio de CENAM, se muestran en al Tabla 2 los 24 pares de mediciones del CENAM y el NIST en 10 V fue de - 35 nV. La incertidumbre expandida de Incertidumbre Tipo A la comparacin entre el CENAM y el NIST utilizando Diferencia promedio - 34,7 nV referencia electrnicas Zener como patrn de transferencia se expres como la desviacin estndar Desviacin estndar 96,8 nV de la media multiplicada por el factor t de student en Nmero de mediciones 24 la Tabla 2. La incertidumbre utilizando los 24 pares Grados de libertad 23 de mediciones de los Zener fue de 43,6 nV con un Desviacin estndar de la media 19,8 nV nivel de confianza del 95%. Incertidumbre estndar tipo A 19,8 nV La incertidumbre de muchas de las comparaciones entre sistemas Josephson utilizando referencia Incertidumbre Tipo B (offset) electrnicas Zener como patrones viajeros entre dos sistemas Josephson situados en lugares diferentes NIST CENAM reportan incertidumbres de partes en 108. La mejora Corrientes de Fuga 0,4 nV 0,3 nV de la incertidumbre en un orden de magnitud de esta Fem trmicas no compensadas 5 nV 5 nV comparacin se debe a la utilizacin de un Sistema Error del contador de frecuencia 0 nV 1,2 nV Josephson Transportable (CJVS del NIST), de tal Incertidumbres tipo B 5,0 nV 5,2 nV forma que las contribuciones de incertidumbre Incertidumbre total tipo B asociadas con derivas no lineales, impacto por 2 2 0.5 UB = [(UB-NIST) +(UB-CENAM) ] 7,21 nV transportacin y efectos ambientales de presin atmosfrica, temperatura y humedad relativa son eliminadas. Resultados finales CONCLUSIONES Diferencia promedio - 34,7 nV Incertidumbre estndar De los resultados podemos resumir que la diferencia 21,1 nV combinada -9 promedio entre CENAM-NIST fue de -3,5 X 10 con -9 Grados de libertad efectivos 23 una incertidumbre de 4,4 X 10 relativas a 10 V. Nivel de confianza 95% Expresando el resultado de la comparacin en Factor de cobertura k 2,07 (V/V) tenemos que, Incertidumbre expandida (95%) 43,6 nV DCENAM-NIST = - 0,0035 V/V 0,0044 V/V Tabla 2. Resultados de la comparacin. Estos resultados nos dan confianza para sustentar tcnicamente que las incertidumbres declaradas para Se realizaron estudios estadsticos ANOVA que el servicio de calibracin de referencias Zener a 10 V muestran que no hay diferencias estadsticamente con un nivel de confianza del 95% en las significativas entre las mediciones hechas con los capacidades de medicin y calibracin (CMC) del diferentes Zeners. Usando el protocolo de esta CENAM, estn suficientemente cubiertas por los comparacin se ha demostrado que las diferencias resultados obtenidos de la comparacin bilateral CENAM-NIST son estadsticamente independientes CENAM-NIST, de esta forma se valida el mtodo de [2], por lo que se utiliz la desviacin estndar de la calibracin de referencias electrnicas Zeners, donde media para la evaluacin de la incertidumbre tipo A. se utiliza el patrn de tensin Josephson como el origen de la exactitud de las calibraciones. Las fuentes de incertidumbre tipo B se dividen en fuentes de incertidumbre que generan variabilidad en las mediciones y fuentes de incertidumbre que REFERENCIAS generan offset en las mediciones. Las fuentes de incertidumbre que generan variabilidad en las [1] Josephson Voltage Standard, Recommended th mediciones estn incluidas en la incertidumbre tipo A Intrinsic / Derived Standards Practice RISP-1 4 por lo que en las fuentes de incertidumbre tipo B solo Edition, published by the National Conference of se consideran las fuentes de incertidumbre que Standards Laboratories International (NCSLI), generan offset en las mediciones y que son Boulder, CO, 2002. 4 Encuentro Nacional de Metrologa Elctrica 2007

5 [2] Y. Tang, S.L. Kupferman, and M.T. Salazar, An evaluation of two methods for comparing Josephson voltage standards of two laboratories, IEEE Trans. Instrum. Meas. Vol.54, pp 398-403, February 2002. [3] T.J. Witt, D. Reymann, Y. Tang and C.A. Hamilton, Bilateral Comparison of 10 V Standards between the NIST, Gaithersburg, the NIST, Boulder, and the BIPM, Rapport BIPM-99/07. 5 Encuentro Nacional de Metrologa Elctrica 2007

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