Cee Fis
Nuevo sistema de transferencia AC-DC basado en Termoconversores de Film Delgado
H. Laiz(1), J.L. Prego (1)Subgerencia de Laboratorios de Referencia
laiz@inti.gov.ar
El método más exacto para medir una tensión alterna desconocida consiste en comparar el efecto térmico por ella producido con el de una tensión continua conocida. Para realizar esta comparación, denominada transferencia ac-dc, se utilizan termoconversores en los cuales una o más termocuplas miden la elevación de temperatura producida por la alterna y la continua sobre una resistencia.
= DC
~ AC
nV
?
diferencia ac-dc en tensión
d=
Uiac - Uidc Uidc
cuando U0ac = U0dc
SJTC
Conjunto base
A 1,5 V 4 PMJTC forman la base del sistema. Sus diferencias ac-dc y las correspondientes incertidumbres son establecidas de tres modos diferentes dependiendo de la frecuencia. A frecuencias menores a 100 Hz son calibrados contra un PMJTC de baja frecuencia con diferencias ac-dc despreciables. Entre 100 Hz y 20 kHz el valor medio de las diferencias ac-dc de los cuatro termoconversores es supuesto como cero y las diferencias ac-dc individuales son calculadas por cuadrados mínimos. A frecuencias superiores a 20 kHz se toman los valores asignados en calibraciones realizadas en el PTB, pero las comparaciones entre ellos y el cálculo por cuadrados mínimos se realiza del mismo modo para permitir la determinación de las incertidumbres asociadas a la medición.
Proceso de step-up
Tensiones hasta 250 V
A tensiones mayores se utiliza básicamente la misma idea. Para frecuencias inferiores a 100 Hz un LF-PMJTC con resistor de rango es usado como referencia. A frecuencias mayores se construye un sistema de comparación en el cual se usan como referencia dos o más termoconversores que han sido calibrados a niveles inferiores de tensión. Este sistema redundante permite determinar objetivamente las incertidumbres asociadas a cada patrón. [3]
Tensiones mayores a 250 V
Un resistor de film delgado de diseño plano en conjunto con un PMJTC es usado como patrón hasta 1000 V. El mismo es calibrado a 250 V y no tiene dependencia con la tensión de entrada apreciable [4]. Otros dos patrones son usados para calcular la incertidumbre de la comparación a estos niveles de tensión.
Figura 4. Comparación de 2 termoconversores de 1000 V.
Conclusiones
Con el nuevo sistema de transferencia ac-dc desarrollado en el INTI se ha reducido la incertidumbre a los valores presentados en la tabla 1. Esto permite reducir la incertidumbre en las mediciones de tensión, corriente, potencia y energía alterna.
Referencias
[1] H. Laiz, "Low Frequency Behaviour of Thin-Film Multijunction Thermal Converters," Tesis, TU Braunschweig, PTB-E-63, 1999.
[2] H. Laiz, M. Klonz, "A Simulation Tool for the AC-DC Transfer Difference of Thermal Converters at Low Frequencies," IEEE Trans. Instr. Meas., vol 48, pp. 1155-1160, 1999.
[3] M. Klonz, H. Laiz, "New Ac-dc Transfer Step-Up Calibration and Uncertainty Calculation in PTB and INTI," Digest Conf. Prec. Electromagnetic Meas. CPEM´2000, 12-19 May 2000, Sydney, Australia, pp. 490-491
[4] M. Klonz, T. Spiegel, H. Laiz, E. Kessler, "A 1000-V Resistor for AC-DC transfer," IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 48, No.2., April 1999.
El nuevo sistema de transferencia ac-dc desarrollado en INTI está compuesto por una combinación de termoconversores de simple juntura, SJTC, y de termoconversores multijuntura de película delgada, (PMJTC) (ver Fig. 2).
Chip de silicio 6 mm x 8 mm Ventana 1.3 mm x 5.2 mm
Termocuplas en serie
Calefactor
Termocuplas
Calefactor
Ventana
Membrana Chip de silicio
Figura 2. Termoconversor Multijuntura de film delgado
La alta sensibilidad de los PMJTCs permite realizar grandes escalones en el proceso de step-up lo que lleva a una sistema sobredeterminado. De este modo se pueden chequear las hipótesis asumidas en el proceso de step-up y obtener una evaluación objetiva de las incertidumbres.
PMJTC - de baja frecuencia
A baja frecuencia las diferencias AC-DC de los termoconversores son causadas por las no linealidades en los mecanismos de
transporte del calor y de la conversión termoeléctrica. Se diseñó un
nuevo dispositivo con un circuito interno de compensación que
eliminan este efecto y con el cual se reduce la incertidumbre en la
determinación de la diferencia AC-DC a 0,3 mV / V a 10 Hz. Al reducirse la diferencia ac-dc y eliminarse su correspondiente
dependencia con la potencia de entrada se reduce la incertidumbre
en el proceso de step-up. [fig. 3] [1,2]
30
2500
without comp.
without comp.
10-6
with comp.
10-6
with comp.
2000
20
1500
d 1000 LF 500
10
dLF
0
0
0,01
0,1
1
f
10
100
Hz
-10 1
10
f
Hz
Figura 3. Diferencia de transferencia ac-dc a baja frecuencia dLF de PMJTC con optima compensación
NF230-90W
TVCp
NF230-90W
ITVC1 PMJT C-220W
NF230-90W NF230-383W
PMJT C-220W NF211/8-900W
NF230-383W R2Vp +I TCC1
R3Vp+ITVCp
R3Vp+ITVCp ITVC3V
IR6V+ITVC1
NF211/8-900W R660+PM JTC-90
IR6V+ITVC1 IR6VI+ITCC1
R660+PM JTC-90 R10Vp+ ITV Cp
R1K9+NF230-90W
10V
R10Vp+ ITV Cp
20V
IR6V +I TCC1
R1K9+NF230-90W R10K+PM JTC-180-2
R10K+PM JTC-180-2
100V
R72K+NF230/383
R72K+NF230/383
IR6V +I TCC1
30V IR60 V+ IT CC1
100V
IR60 V+ IT CC1 IR120Vp +TV C2
R165K+TV C2
PR100K+P MJTC180-2
R660+PM JTC-90
R30Vp+ ITV Cp R30Vp+ ITV Cp IR120Vp +TV C2 R72K+ITVC1 R72K+ITVC1
R165K+TV C2 R1000VS2+ ITVC1
PR100K+P MJTC-180-2 R200k+TV C2
R1000VS2+ ITVC1
PR100K+P MJTC-180-2
R200k+TV C2
0,2 V 1V
1,5 V 2V
3V
6V 10 V 15 V 30 V 60 V 120 V 250 V 500 V 1000 V
TABLA 2: Incertidum bre estándar de la diferencia ac -dc de los patrones del INTI.
Tension en V
Patrón
0.01 0.02 0.03 0.04 0.5
Frecuencia en kHz 1 10 20 50
0.2
PMJTC-90ohm
2
2
2
2
2
2
2
2
4
230-90ohm
2
2 1.5
1 0.5 0.5 0.5
1
1
1.5
PMJTC-180ohm
230-383ohm
2
2 1.5
1 0.5 0.5 0.5
1
1
2
2 1.5
1 0.5 0.5 0.5
1
1
211/8-900ohm
2
2 1.5
1 0.5 0.5 0.5
1
1
211/8-900ohm
2
2 1.5
1 0.6 0.6
1 1.2 2.5
R3Vp+ITVCp
3
2
2
1
1
1
1
2
3
3
ITVC3V
3
2
2 1.5
1
1
1
2
3
IR6V+ITVC1
3
2
2
2 1.5 1.5 1.5
2
3
R660+PMJTC-90ohm 1.5 1.5 1.5
1 0.6 0.6
1 1.2 2.5
IR6V+ITVC1
4
2
2
1
1
1
2
2
3
6 R660+PMJTC-90ohm
1.5
1.5
1.5
1
1
1 1.5 1.5
3
IR6VI+ITC C1
4
2
2
1
1
1
2
2
3
R10Vp+TVCp
3
2 1.5
1
1
1 1.5 1.5
3
R660+PMJTC-90ohm 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
2
2
4
10
R10Vp+TVCp
IR6V+ITCC1
3 2.5
2 1.5 1.5 1.5
2
2
4
4
3
2
2
2
2
2
2
4
R1k9+230-90ohm
3 2.5
2 1.5 1.5 1.5
2
2
4
20
R1k9+230-90ohm
R10k+180-2
4
3
3
2
2
2
3
3
5
4
3
3
2
2
2
3
3
5
30
R30Vp+TVCp
4
3
3
2
2
2
3
3
5
60
IR60 V+ITVC1
8
5
4
3
3
3
4
4
6
100
R10k+180-2
6
5
4
4
4
4
5
5
7
120
IR120V+TVC2
10
6
5
4
4
4
5
5
7
R72k+ITVC1
12
7
6
5
5
5
5
6
8
300
R72k+230-383
7
6
6
5
5
5
5
6
8
PR100k+180-2
7
6
6
5
5
5
5
6
8
R1000Vs2+ITVC1
13
7
6
6
6
6
8
8
8
500
R200k+TVC2
13
7
6
6
6
6
8
8
8
PR100k+180-2
8
7
6
6
6
6
6
7
9
700
PR100k+180-2
9
8
7
6
6
6
7
8 10
R1000Vs2+ITVC1
13
8
7
7
7
7 10 12 17
1000
R200k+TVC2
13
8
7
7
7
7 10 12 17
PR100k+180-2
10
8
7
7
7
7
8 10 12
70 100 200 500 700 1000
6
7
9 13 16 20
2
3
5
7 11 15
2
3
5
7 11 15
2
3
5
7 11 15
2
3
5
7 11 15
3
5
7 11 12 15
3
5
7 11 12 15
3
5
7 11 12 15
4
6
8 13 15 20
3
5
7 11 12 15
5
7 10 15 17 20
5
6
8 12 15 17
5
7 10 15 17 20
5
6
8 12 15 17
6
7
8 13 16 19
6
7
8 13 16 19
6
8 10 15 17 20
6
7
8 13 16 19
7
8
9 14 18 22
7
8
7
8
8
9
9 10
9 10
10 12
10 12
10 12
12 15
12 15
11 14
12 16
20 25
20 25
15 20
PMTCs
Ver+/-
