¿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

El voltaje de una pila se puede predecir a partir del conocimiento de la química; ciertas pilas, como la pila Weston (gracias @PeterMortensen, ¡había olvidado su nombre!), son excepcionalmente buenas para mantener un voltaje constante y se utilizan como referencias de voltaje.

De hecho, así se definía el voltio antes de 1990. Hoy en día, el voltio se define utilizando una matriz de uniones Josephson, que no entiendo lo suficientemente bien como para explicarlo aquí.

A partir de ahí, puedes calibrar otras referencias físicas de tensión más convenientes, como una referencia de bandgap Brokaw o un diodo zener, que luego puedes utilizar para fabricar reguladores de tensión, referencias de tensión, fuentes de alimentación y similares.

Answer 2

¿cómo podemos saber la tensión de la célula Weston sin utilizar de nuevo un voltímetro?

No es necesario. Simplemente se escribe lo que se supone que debe ser, y todo el mundo está de acuerdo, y ya está. Totalmente arbitrario, pero la idea es que todo el mundo esté informado del valor acordado. Por supuesto, la célula de Weston está obsoleta, pero la razón por la que se utilizaron las células de Weston es que cualquiera que pudiera construir una bien, obtendría automáticamente un estándar de voltios bastante preciso. Se utilizaban para defina lo que era el voltio, y eran utilizables como tal definición porque eran reproducibles con nada más que una buena técnica de laboratorio: no se necesitaba una referencia en voltios para construir una célula Weston.

También te habrás preguntado: ¿cómo sabemos que el ADC es lineal, es decir, que si mide la mitad de la tensión de referencia, no se ha desviado? Esto se resuelve utilizando divisores de tensión de referencia, también conocidos como divisores Kelvin-Varley (KVD). Son, en pocas palabras, un potenciómetro, pero con el wiper sustituido por interruptores. Los elementos resistivos de estos divisores sólo necesitan mantener un seguimiento ratiométrico, es decir, que sus relaciones se mantengan, mientras que sus valores absolutos pueden variar en un par de puntos porcentuales sin efectos indebidos. Tenga en cuenta que no necesitamos saber cuál es la relación, sólo si es 1:1 o no. Si están desfasados, hay que ajustarlos hasta que vuelvan a la proporción 1:1. Y para comprobarlo, todo lo que necesitas es un medidor de nulos y un puente de Wheatstone: con eso puedes comparar con mucha precisión los valores de las resistencias. Una vez que tienes un montón de resistencias que sabes que todas tienen el mismo valor (no importa cuál sea exactamente, siempre que sea el mismo), esas resistencias se pueden utilizar como bloques de construcción de un KVD, y se transforman en un divisor de tensión ajustable digitalmente. La salida de dicho divisor se puede utilizar con un medidor de nulos para verificar el rendimiento del ADC: ajuste el divisor a 0,50000 con entrada a través de la referencia del ADC, alimente su salida a la entrada del ADC, y vea lo cerca que está el ADC del valor medio.