¿Cómo sabemos que los voltímetros son precisos?

Question

Algo que siempre me ha intrigado es cómo conocemos la precisión de los voltímetros. Buscando en Google, parece que los voltímetros digitales actuales utilizan un ADC. Un ADC funciona comparando la tensión que se va a medir con una referencia de tensión conocida muy precisa. Sin embargo, ¿cómo se conoce la tensión de esa referencia de tensión tan precisa? Parece un problema del tipo del huevo contra la gallina: conocer la precisión de la tensión de referencia del ADC del voltímetro depende de la precisión de otro voltímetro que utilice otra tensión de referencia, que a su vez depende de la precisión de otro voltímetro que utilice otra tensión de referencia, y así sucesivamente hasta el infinito.

Mirando la página de Wikipedia sobre un voltímetro, parece que algo como una célula de Weston, que utiliza una reacción química reproducible y estable, se utiliza como el voltaje de referencia definitivo para la calibración. Pero aún así, se plantea el dilema del huevo y la gallina: ¿cómo podemos saber el voltaje de la célula de Weston sin utilizar de nuevo un voltímetro?

Answer 1

Hoy en día, se construye un estándar de tensión primaria a partir de un grupo de uniones Josephson y una fuente de microondas . Eso genera un voltaje que depende sólo de las constantes definitorias del Sistema Internacional de Unidades (unidades básicas del SI).

Como alternativa más económica, envíe su voltímetro a un laboratorio que lo compare con una norma de tensión trazable a una norma de tensión primaria. En EE.UU., esa norma de tensión primaria está probablemente en NIST .

Básicamente, todas las magnitudes físicas pueden asociarse a una constante física que se define en lugar de medirse. Siete de ellas (léase el artículo de Wikipedia ) son unidades de base; el resto son derivadas. El voltio, en particular, se define como la cantidad de fuerza electromotriz necesaria para impartir exactamente un julio sobre un culombio de carga. En unidades básicas del SI, \$\mathrm{1V = \frac{kg\cdot m^2}{A \cdot s^3}}\$ . Así que construye cualquier chorrada que te permita generar un voltio siempre que sepas cuáles son esas cuatro cantidades, ¡y listo!

Desde el 20 de mayo de 2019, todas estas unidades básicas pueden, en teoría, reconstruirse a partir de primeros principios (es decir, el segundo se define por un número de oscilaciones de un máser de cesio, un metro se define a partir del segundo y la velocidad de la luz, etc.). En última instancia, todo lo que se necesita es una guía de referencia de una página, una comprensión asombrosamente profunda de la física y la metrología, y un cheque regalo asombrosamente grande para un montón de tiempo de laboratorio.

Answer 2

Mirando la página de Wikipedia sobre un voltímetro, parece que algo como una célula de Weston, que utiliza una reacción química reproducible y estable, se utiliza como el voltaje de referencia definitivo para la calibración. Pero aún así, se plantea el dilema del huevo y la gallina: ¿cómo podemos saber el voltaje de la célula de Weston sin utilizar de nuevo un voltímetro?

Antiguamente, cuando se utilizaba una célula de Weston como referencia primaria, no necesitábamos saber cuál era el voltaje, sino que defina el voltaje de una célula Weston, en determinadas condiciones físicas como la temperatura, y tanto si está saturada como si no, como exactamente igual a 1,018638 V +/- correcciones. Así fue desde que se adoptó esta definición en 1911 hasta que fue sustituida por la de unión de Josephson en 1990.

Para evitar que un estándar primario se rompa o se comporte mal, cada uno de los principales laboratorios internacionales mantiene un montón de estas cosas (un conjunto), comparando unas con otras, y tomando la media como la lectura verdadera. Si una célula en particular empieza a dar lecturas mucho más altas o más bajas, se retira del conjunto. Cuando se pone en línea una nueva célula, no se añade al conjunto hasta que haya demostrado un buen comportamiento durante un largo periodo. De vez en cuando, se lleva un estándar itinerante de un país a otro para comparar los estándares de los demás.

Los laboratorios comerciales de calibración cotejan sus normas con las internacionales. Los fabricantes cotejan sus normas internas con las de los laboratorios de calibración comerciales. Los fabricantes miden sus productos antes de que lleguen a sus manos para asegurarse de que cumplen sus especificaciones. Por tanto, su humilde multímetro digital se encuentra varios pasos por debajo de la cadena de precisión. Pero existe una cadena definida.

Answer 3

Específico de un multímetro digital (DMM): el tipo de convertidor analógico-digital (ADC) utilizado dentro de un DMM típico, se denomina ADC integrador de doble pendiente . Esta tecnología existe desde la década de 1970, echa un vistazo a la Intersil 7106 . Anteriormente escribí sobre cómo funciona este dispositivo aquí .

Pero sobre tu pregunta, que es básicamente ¿cómo podemos confiar en la exactitud de las cifras comunicadas por el DMM? ...

Un fabricante de instrumentos como Fluke publicará un manual de usuario en el que se describe cómo utilizar el instrumento y se define su precisión (cuando está correctamente calibrado). Además, también publican un manual de servicio para uso de terceros proveedores de servicios de calibración, detallando exactamente qué instrumentos y estándares de calibración se requieren, y exactamente qué procedimientos deben utilizarse, para alcanzar el rendimiento diseñado de la Unidad bajo Ensayo.

No puedo encontrar la URL en este momento, pero aquí hay un extracto de un manual de servicio que tenía a mano, sólo para mostrar un ejemplo del tipo de información proporcionada a una empresa que llevaría a cabo el servicio de calibración:

Y sigue así durante un buen rato, con instrucciones paso a paso sobre qué se conecta en cada sitio y qué botones hay que pulsar, además de especificaciones para que el equipo se "empape" a una temperatura determinada antes de la calibración (para evitar imprecisiones en función de la temperatura).

Tenga en cuenta que en este ejemplo, incluso cuando el instrumento dispone de la mejor referencia de entrada posible de 30,000 V, sólo se espera que muestre cualquier número en el intervalo de 29,992 V a 30,008 V; cualquier valor notificado en ese intervalo se considera lo suficientemente cercano.

Cada parte del instrumento se calibra en un orden determinado, como por ejemplo, primero la medición básica de 2V offset/ganancia/linealidad, luego los rangos de 200mV y 20V que dependen de la medición de 2V, y sólo entonces se pasa a la medición de corriente que depende de la medición de tensión de una resistencia conocida. El procedimiento se puede hacer manualmente si se tiene todo el equipo adecuado, y si todo ese equipo tiene sí mismo ha sido calibrado recientemente, por lo que también es fiable.

La empresa de semiconductores analógicos para la que trabajo envía periódicamente nuestro equipo de laboratorio a un proveedor de calibración externo que tiene todo este equipo estándar calibrado y certificado, y realiza todos los procedimientos por nosotros. Sólo cuesta dinero... Pero mis DMM personales que son "sólo para indicación", "no calibrados", no me molesto en enviarlos, simplemente acepto cualquier nivel de incertidumbre que diga el manual de usuario. Así que si mi fuente de 3,3 V mide 3,29 V o 3,32 V, no me preocupo, está dentro de la tolerancia del informe y probablemente sea correcto.

Hay un principio importante en el control estadístico de procesos según el cual intentar realizar pequeños ajustes que sean inferiores a la desviación estándar del sistema hará que éste sea menos preciso que dejarlo como está... por eso los tiradores al blanco y los arqueros siempre intentan primero obtener un grupo ajustado, antes de ajustar su puntería. Lo mismo ocurre con la calibración de los instrumentos. Hacer un pequeño ajuste para favorecer el punto de prueba de 30.000V, afectará a todo lo demás, por lo que sólo pueden ajustarlo dentro de un cierto rango antes de que afecte negativamente a la precisión general del sistema.

Answer 4

Aquí hay dos cuestiones y, aunque varias personas las han debatido, intentaré resumirlas sucintamente.

La primera es que algo como un voltímetro tendrá una tensión de referencia interna generada por un proceso físico bien entendido, que por definición da como resultado una tensión conocida con unas características de temperatura (etc.) bien entendidas.

La segunda es que, si realiza algún tipo de trabajo preciso (control de calidad, etc.), tendrá que calibrar el voltímetro con regularidad. Eso no significa necesariamente que alguien se meta en él y lo ajuste, sino que se le aplica una tensión de calibración externa y se le entrega un certificado que indica lo que ha indicado el voltímetro.

Y la fuente de tensión utilizada para la calibración externa suele ser una referencia terciaria, es decir, ha sido calibrada a su vez con respecto a una referencia secundaria, que a su vez fue calibrada directamente con respecto a la referencia primaria de su jurisdicción en el NPL, el NIST o el laboratorio que la posea.

Answer 5

El enfoque general con todas las normas es utilizar alguna "fuente de referencia" que produzca aproximadamente el mismo voltaje si se hace siguiendo la documentación. Puede ser cara de construir y no durar mucho tiempo, pero esto no importa, ya que se pueden calibrar con ella varios dispositivos más prácticos.

En otras palabras, un voltímetro utilizado para diversas tareas puede calibrarse con un voltímetro de laboratorio de alta precisión, un aparato caro que se utiliza sobre todo para calibrar otros aparatos. Éste probablemente se calibró utilizando alguna sustancia química u otra fuente de tensión de referencia. Quizá hubo más "generaciones intermedias" entre estos dos voltímetros.