Voltios y amperios estándar

Una pregunta reciente aquí sobre cómo calcular la precisión de un circuito me hizo pensar en la calibración en general.

En particular, como EE, usamos de forma rutinaria voltios y amperios como unidad y, sin embargo, estos son elementos bastante vagos y difíciles de cuantificar.

Solía ​​​​ser que un voltio se definía mediante una "celda estándar" guardada en una bóveda en algún lugar, pero eso cambió a usar el "estándar de voltaje de Josephson", que es un sistema complejo que usa un chip de circuito integrado superconductor que funciona a 70– 96 GHz para generar voltajes estables que dependen únicamente de una frecuencia aplicada y constantes fundamentales.

Esto último no es exactamente algo que uno pueda armar en un sótano, o incluso en los departamentos de ingeniería de pruebas en la mayoría de las empresas.

El Amperio es peor. Se define en SI como "Esa corriente constante que, si se mantiene en dos conductores paralelos rectilíneos de longitud infinita, de sección circular despreciable, y colocados a un metro de distancia en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2 × 10 −7 newtons por metro de longitud".

NO TENGO IDEA de cómo alguien podría medir eso.

El ohm solía definirse por una altura y peso específicos de mercurio, pero eso se abandonó en favor de ser una unidad derivada de 1V y 1A.

Todo esto me lleva a preguntarme cuánto de lo que usamos está calibrado en el medidor de otra persona. Y cuántos de esos medidores están calibrados con los de otra persona... y así sucesivamente. Parece un gran castillo de naipes.

¿Hay algún tipo de estándar intermedio de medidas o equipo que pueda comprar para usar como referencias calibradas para 1V, 1A y 1R? (Obviamente, solo necesita dos de esos).

Pregunta adicional: ¿Hay algún tipo de etiqueta de certificación que uno deba buscar al comprar un medidor u otro equipo que indique que de hecho se probó con los valores SI reales en comparación con, por ejemplo, un Fluke?

La definición de Ampere no es vaga en absoluto, todo lo contrario. Pero sí, es imposible de medir en la práctica. En definitiva, una pregunta interesante. La metrología en general me tiene rascándome la cabeza la mayoría de las veces.
Creo que la definición de amperios que cita está en proceso de ser reemplazada simplemente por la corriente que es tantas cargas elementales por segundo (es decir, contar electrones). No es que esto haga las cosas mucho más fáciles...
@MarcusMüller tiene razón, hay una propuesta para eso. Aunque en realidad solo agrega el... ok, entonces, ¿cómo hacemos eso en su lugar? Probablemente por qué sigue siendo archivado.
@Trevor hm, para corrientes muy pequeñas, uno puede contar los electrones individuales como "eventos", por lo que no es tan imposible de hacer en un laboratorio, pero puede ser un poco difícil de escalar para usarlo como una referencia real ( su "solo necesita 2 de 3" se descompone si sus referencias están a órdenes de magnitud de distancia de lo que desea calibrar, y no hay una forma lineal de extrapolar en ese rango).
@MarcusMüller, es bastante cierto, pero eso hace que la definición actual de 1R sea un objetivo en movimiento ... ¿Alguien quiere Jenga? JAJAJA
Si obtiene un (conjunto de) referencia de 100 mΩ o 1 Ω, en realidad sería algo que se puede apilar de manera muy lineal para obtener múltiplos enteros :) Lo que más me preocupa es multiplicar las corrientes, porque nunca he visto un transistor con un ganancia actual de exactamente x (y supongo que estas cosas serán sensibles y no querrán ponerse en paralelo).
@MarcusMüller, vio el número de 1A... "6.2415093 × 10 ^ 18 cargos". Supongo que ese raro no es alinearlo con lo que actualmente llamamos 1A..
Entonces, volviendo a tu pregunta: siento que no estoy completamente seguro de lo que estás pidiendo. ¿Ejemplos de referencias de tensión, resistencia o corriente que se pueden adquirir? ¿Información sobre cómo se ve la calibración de fábrica del equipo de calibración?
@MarcusMüller, ¿puede comprar una caja que tenga una etiqueta que diga que este dispositivo está certificado bajo SI#XXXX para producir 1V +-N.Ne-N%. ¿Y hay un nivel de certificación que buscar al comprar equipos regulares?
La implementación directa de "La definición" probablemente sea demasiado difícil y excesiva para la mayoría de las aplicaciones, por lo que hay disponibles varias implementaciones "suficientemente buenas" de dispositivos de referencia. por ejemplo , nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/TN/nbstechnicalnote1239.pdf Además, si paga más dinero, puede acortar la "cadena de calibración", por ejemplo, en lugar de usar una casualidad, usa lo que usa fluke.
@ user3528438, desafortunadamente ese documento (1987) quedó obsoleto un año después (1988) cuando se adoptó el modelo de Josephson. Sin embargo, algunos buenos puntos de todos modos.
@MarcusMüller: página interesante en NIST sobre la medición del amperio recién definido: nist.gov/news-events/news/2016/08/counting-down-new-ampere
@MarcusMüller, buen hallazgo. Cosas fascinantes eh.
@Dampmaskin, cualquier cosa con las palabras "infinito" e "insignificante" es vaga en mi libro;)
Relacionado: electronicdesign.com/test-amp-measurement/… ; un ingeniero inteligente puede construir cosas asombrosas a partir de los primeros principios.
Solo recuerda el viejo axioma: si funciona, es un Fluke.
resoplido @HotLicks
También debe recordar que la calibración siempre es algo entre dos puntos/mediciones en el tiempo. Para aplicaciones como la frecuencia, es posible obtener estándares primarios que sean lo suficientemente buenos y económicos (por ejemplo, relojes de rubidio) para la mayoría de los laboratorios. Podemos medir la frecuencia realmente bien, por lo que es parte de la base para muchas otras unidades, como los voltios, que estarán disponibles a un costo menor una vez que perfeccionen las uniones Josephson basadas en semiconductores. Por lo demás, se vuelve cada vez más difícil, por lo que nadie usa realmente referencias primarias o incluso secundarias debido a su costo.
Un pie de #10 AWG = 1 miliOhm. Es útil para hacer derivaciones para leer corrientes de 1 a 100 amperios. Suponiendo que el cable se haya hecho correctamente y que pueda cortar un pie con precisión y unirlo con una conexión de baja resistencia... En la práctica, hay tantos factores de confusión que "lo suficientemente bueno es lo suficientemente bueno". Una vez escuché un chiste que decía: si tienes un reloj sabes qué hora es, pero si tienes dos o más nunca estás seguro.

Respuestas (3)

Todo esto me lleva a preguntarme cuánto de lo que usamos está calibrado en el medidor de otra persona. Y cuántos de esos medidores están calibrados con los de otra persona... y así sucesivamente. Parece un gran castillo de naipes.

y...

¿Hay algún tipo de etiqueta de certificación que uno deba buscar al comprar un medidor u otro equipo que indique que de hecho se probó con los valores SI reales en comparación con, por ejemplo, un Fluke ...

Has descrito con precisión lo que sucede. No necesita tener un "estándar de oro" exótico y costoso en el laboratorio interno de su empresa, siempre que tenga trazabilidad de calibración certificada (si la necesita) hasta un laboratorio acreditado que realmente la tenga.

Y sí, en realidad le colocan a su instrumento una etiqueta emitida por el laboratorio acreditado, con la fecha de vencimiento de la validez de la calibración. Lo he visto yo mismo.

En la empresa, se encontrará en una de estas situaciones:

Cadena de trazabilidad de calibraciones

Recuerdo que cuando trabajaba en la industria aeroespacial se nos exigía tener todos los instrumentos de medida calibrados, con su etiqueta y certificados de calibración trazables y documentación asociada. Se requería que los procedimientos de prueba ("estándares de trabajo"), los instrumentos que se usarían y su trazabilidad de calibración se documentaran exhaustivamente y se presentaran para la aprobación del cliente mucho antes de que se realizara cualquier prueba de entrega real en el producto.

Por supuesto, cada industria tiene sus propios requisitos y niveles de calidad. No creo que nadie pueda esperar razonablemente que un fabricante chino de multímetros baratos tenga un programa de calibración de este tipo, porque no tendría sentido ni para ellos ni para sus clientes.

Volviendo a la cadena de trazabilidad: los INM de la figura anterior son los Institutos Nacionales de Metrología. El NMI de EE. UU. es el NIST. En la siguiente figura se ilustra una mirada más cercana a la "cadena alimenticia" de la metrología, en caso de que se lo pregunte:

Estructura de trazabilidad de calibraciones

Fuente de imágenes: Calibración y trazabilidad en tecnología de medición

Esto pide hacer otra pregunta. Al examinar un componente que incluye un voltaje interno o una referencia de corriente, o realmente CUALQUIERA de las especificaciones eléctricas, se debe esperar que dicha especificación esté certificada por NIST.
Uno debe esperar que un fabricante de semiconductores legítimo (no falsificado) tenga un programa de calibración decente para su grupo de instrumentos (probablemente con certificación NIST y buenos procedimientos de prueba/estándares de trabajo internos) y que, como resultado de eso , puedan respaldar las especificaciones de sus productos (precisión de voltaje, etc.). Sin embargo, eso no significa que puedan afirmar que las especificaciones de sus productos están certificadas por el NIST.
@Trevor, si compra sus instrumentos de Keysight o Tek u otras marcas de alta calidad, le ofrecerán un certificado de calibración rastreable por NMI como una opción de costo adicional. Si tiene sus instrumentos calibrados en un buen laboratorio de calibración, le ofrecerán un certificado similar.
@ThePhoton Efectivamente. Además, y según el país, Keysight y similares son laboratorios acreditados que pueden ofrecer un programa de calibración completo para TODOS sus instrumentos internos, independientemente de la marca. Sin embargo, no son el laboratorio más barato :) aunque su trabajo de calibración es realmente excelente.
Ahora, en un ejercicio de locura, consulte la página de Wikipedia sobre la definición del kilogramo , que es el último ejemplo de por qué confiamos en las cadenas de certificaciones. El kilogramo real, el IPK almacenado en Francia, rara vez se saca porque es demasiado importante. También parece estar a la deriva de sus copias por unos pocos microgramos...
@CortAmmon es por eso que el sistema de EE. UU. es mejor: una pinta de agua es una libra y una pulgada es exactamente 3 granos de cebada de largo. (Es un número entero , ¡no puedes hacerlo mejor que eso!) Ojalá todos nuestros estándares fueran así de sensatos.
@nocomprende Me encantaría ver una discusión sobre el prototipo de kilogramo internacional justo al lado de una discusión sobre los granos de cebada de longitud estándar de EE. UU. guardados en una caja fuerte en Ft. Knox (¡los 3!)
@CortAmmon , pero eso es lo bueno: 3 granos de cebada serán suficientes. Eso es parte del estándar. ¿Por qué elegir un estándar cuyos requisitos son tan difíciles de cumplir y que tienen un único punto de falla? Es como si el Sistema de Autopistas Interestatales fuera diseñado para tener al menos una milla recta de camino cada 5 millas, para funcionar como una pista de aterrizaje en tiempos de guerra. Sería completamente imposible destruir todo el espacio de pista disponible en ese escenario. Los estándares deben establecerse para que sean imposibles de romper, como la velocidad de la luz: " ¡No es solo una buena idea, es la ley! "
@nocomprende Que gran plan. ¡En caso de que el enemigo nos ataque, nos aseguramos de que tengan una pista libre cada 5 millas! Afortunadamente, el enemigo está usando km, ¡así que eso debería confundirlos!
@CortAmmon, sí, se perderían en las carreteras, no podrían descifrar las circunvalaciones "interiores" y "exteriores" y se confundirían con los precios de la gasolina. Si eso no los detuviera, probablemente se perderían en Wal-Mart. Pero los estadounidenses no tenemos ningún problema con esas cosas, porque simplemente somos mejores .

¿Hay algún tipo de etiqueta de certificación que uno deba buscar al comprar un medidor u otro equipo que indique que de hecho está probado con los valores SI reales?

Si compra sus instrumentos de Keysight o Tek u otras marcas de alta calidad, le ofrecerán un certificado de calibración rastreable por NMI como una opción de costo adicional. Si realiza sus calibraciones periódicas en un laboratorio de alta calidad, le ofrecerán un certificado similar

Si no solicita este certificado, es probable que su instrumento aún se pruebe con los mismos procedimientos, pero el proveedor no asumirá la responsabilidad de mantener registros de esa prueba y sus resultados.

Sé que en mi industria, nuestros clientes auditan regularmente nuestro sitio de fabricación y verifican que todos los instrumentos utilizados en nuestra línea de prueba tengan certificados de calibración rastreables.

vs probado contra, digamos, un Fluke...

Esto aún podría ser una calibración rastreable, si Fluke tiene un certificado válido. Por supuesto, cada paso que se aleja del estándar primario aumenta los posibles errores que se propagan de una medición a otra, lo que reduce la precisión que podría reclamar para el instrumento que se está probando.

Todo esto me lleva a preguntarme cuánto de lo que usamos está calibrado en el medidor de otra persona. Y cuántos de esos medidores están calibrados con los de otra persona... y así sucesivamente. Parece un gran castillo de naipes.

En la parte superior del montón de metrología están los patrones de referencia que son propiedad de los laboratorios nacionales de patrones. Y, de hecho, estos se prueban principalmente solo por comparación entre sí. Por ejemplo, el NIST verifica la precisión de su reloj atómico comparándolo con los relojes atómicos mantenidos por la British Standards Institution, la Association Française de Normalisation, el Instituto Nacional de Metrología de China, etc. Esto se debe a que cuando se aprovecha al máximo instrumento preciso en el mundo para alguna medida, lo único que hay para comparar es con los intentos de otras personas de producir lo mismo.

Entendí. Gracias. Pero sigue siendo un castillo de naipes.
@Trevor, sí, ese era mi punto.

La etiqueta que desea es "trazable a NIST" (en los EE. UU., al menos).

El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología mantiene estándares primarios y todos los demás estándares (en laboratorios de calibración, etc.) se comparan periódicamente con ellos, ya sea directa o indirectamente. Si le preocupa la precisión absoluta de sus instrumentos, tendrá documentación que describe todos los pasos mediante los cuales se pueden rastrear sus calibraciones hasta el NIST. Esto incluiría qué estándares o instrumentos de transferencia se usaron, junto con cuánto tiempo hace que cada uno se comparó con el siguiente estándar más alto en la cadena.

Entonces, usar medidores importados baratos es probablemente una mala idea;)