This research aimed to develop a methodology for the implantation of the primary direct voltage standard in the Electric Voltage and Current Laboratory (Latce) of Inmetro, with the main objective being the search for the metrological reliability of the voltage unit in Brazil. Another important reflex on the use of this new standard appears in the attendance of the current demand for calibration services, requested by the laboratories of the Brazilian Calibration Network and by other laboratories of research and development, looking for this quantity of reference in Latce/Inmetro .
O tema
À luz da Norma NBR ISO/IEC, que trata de todos os requisitos que os laboratórios de ensaio e calibração devem atender se quiserem demonstrar que possuem um sistema de qualidade implementado, que são tecnicamente competentes e que são capazes de fornecer resultados tecnicamente válidos para entregar, no item 5.6 - Rastreabilidade de medição, um laboratório de calibração determina a rastreabilidade SI de seus próprios padrões e instrumentos de medição por meio de uma cadeia ininterrupta de calibrações ou comparações, vinculando-os aos padrões primários das unidades de medida SI correspondentes. A calibração é entendida como um conjunto de operações que, sob certas condições, determinam a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição ou sistema de medição, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por normas (VIM, item.
Apresentação do problema
A solução para esse problema foi então voltada para o desenvolvimento tecnológico, visando a pesquisa de um sistema de padronização capaz de atender aos níveis de incerteza exigidos pelo mercado atual.
Relevância e justificativa
Além disso, eliminou a necessidade de realizar acompanhamento de benchmark no exterior, passando a participar de programas internacionais de comparação de pares no nível primário, uma forma de obter reconhecimento internacional em treinamento de padronização de tensão primária.
Objetivos alcançados
Questões a serem respondidas
Delimitação do estudo
Estrutura da dissertação
É tarefa do BIPM, em colaboração com o INM, garantir a uniformidade mundial dos padrões de medição. Por esta razão, os INMs estão interessados em participar do Acordo de Reconhecimento Mútuo (ARM) organizado pelo Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM) sobre padrões nacionais de medição e certificados de calibração emitidos pelos INMs.
Estrutura metrológica mundial
- A Conferência Geral de Pesos e Medidas - CGPM
- O Comitê Internacional de Pesos e Medidas - CIPM
- Os Comitês Consultivos
- O Bureau Internacional de Pesos e Medidas - BIPM
- O acordo de reconhecimento mútuo - MRA
A Diretoria deste Comitê envia aos governos dos Estados Membros da Convenção Métrica um relatório anual sobre a situação administrativa e financeira do BIPM. A coordenação geral é realizada pelo BIPM sob a jurisdição do CIPM, que está sob a jurisdição dos Estados membros da Convenção Métrica.
Estrutura metrológica brasileira
O INMETRO
- Laboratório de Tensão e Corrente Elétrica - Latce
- As redes metrológicas - RBC e RBLE
O organograma da Figura 2.3 apresenta a estrutura hierárquica do Inmetro e a localização do Laboratório de Tensão e Corrente - Latce nesta estrutura. Vinculado à Divisão de Metrologia Elétrica (Diele) da Diretoria de Metrologia Científica e Industrial do Inmetro (Dimci), o Laboratório de Tensão e Corrente Elétrica (Latce) é o laboratório de referência responsável por proteger, manter, reproduzir e produzir unidades de tensão e SI elétricas atual.
O Sistema Internacional de unidades
As duas classes de unidades
Tensão elétrica entre os terminais de um elemento de circuito passivo, que dissipa 1 watt de potência quando uma corrente constante flui através dele. Potência aparente de um circuito pelo qual passa uma corrente alternada senoidal com valor eficaz de 1 ampère. Potência reativa de um circuito através do qual circula uma corrente alternada senoidal com valor eficaz de 1 ampère.
Os prefixos SI
Capacitância de um elemento de circuito passivo entre os terminais dos quais a tensão elétrica varia uniformemente à taxa de 1 volt por segundo quando uma corrente constante flui através dele. A indutância de um elemento de circuito passivo entre os terminais dos quais uma tensão constante de 1 volt é induzida quando.
Conceitos metrológicos relevantes
Rastreabilidade
- Cadeia de rastreabilidade
A Figura 2.6 mostra o caminho desde a definição da unidade volt até o usuário final e apresenta as operações experimentais básicas. Essas unidades reproduzem, em vez de realizar volts do SI, porque seus princípios operacionais não envolvem uma comparação contínua de energia elétrica com a energia produzida pela execução das unidades mecânicas do SI. Os valores das reproduções nacionais de unidades do SI são transferidos ou comunicados a reproduções de unidades produzidas em laboratórios locais.
Padronização
Quando devidamente implementado e reproduzido, o uso de unidades SI garante que os valores numéricos obtidos a partir de medições feitas por uma pessoa sejam compatíveis com medições semelhantes feitas por outra pessoa. Assim, padrões cada vez melhores evoluíram ao longo do tempo para atender às necessidades do comércio, indústria e pesquisa científica, naturalmente dentro de um sistema coerente de unidades. Certas unidades começam com a quantidade que parece mais adequada para estabelecer um sistema lógico e completo.
A reprodução do volt
- Efeito Josephson
- Características de projeto de uma junção Josephson
- Projeto de um array
- Sistema de medição
- Comparações
- Comparação direta entre dois padrões Josephson
A curva I-V mostrada na Figura 2.9 mostra passos de tensão cobrindo uma faixa de -1 mV a +1 mV, para uma junção irradiada por um sinal de micro-ondas quase ideal. Um diagrama de blocos de um moderno sistema Josephson de padronização de tensão é mostrado na Figura 2.14. A linha de carga mostra a faixa de tensão e corrente determinada pela fonte de polarização.
Fases da pesquisa e seus desdobramentos
- Fase 1: pesquisa bibliográfica
- Fase 2: definição do desenvolvimento da pesquisa
- Fase 3: planejamento orçamentário
- Fase 4: aquisição dos equipamentos para a montagem do sistema Josephson
- Fase 5: capacitação técnica
- Fase 6: implantação do sistema Josephson no Latce
- Fase 7: realização de comparação interlaboratorial
- Fase 8: disseminação de resultados
- Fase 9: levantamento de dados para a implantação do padrão Josephson de 10 V
- Fase 10: adaptação da metodologia desenvolvida para o padrão de 10 V
- Fase 11: garantia da confiabilidade metrológica com o padrão de 10 V
O sistema autônomo consiste em instrumentos e componentes de várias empresas e é individualmente melhor e mais adequado para compor o sistema de padronização primário pretendido. Verificou-se então que o valor financeiro a ser gasto para o desenvolvimento do sistema de padronização primária de 1V seria de aproximadamente US. Após esse treinamento, o responsável da Latce poderia iniciar a montagem do sistema e a realização de pré-testes.
Tipos de pesquisa em cada fase
Na nona fase, será realizada uma pesquisa exploratória sobre o estado da implementação do padrão 10 V, para servir de base para garantir a confiabilidade metrológica. A décima fase descreve a metodologia de implementação do padrão 10 V, explicando quais ajustes foram feitos em relação ao que foi desenvolvido para o padrão 1 V. alcançado na implantação do padrão 10 V para garantir a confiabilidade metrológica, o que caracteriza um estudo descritivo.
Cronograma de execução das fases
Dificuldades encontradas na realização da pesquisa
No entanto, a dificuldade foi montar uma equipe disposta a colaborar efetivamente até que a implementação da padronização primária fosse finalizada. Ao longo do processo de implantação do sistema de padronização de volts primários em Latçe, procurou-se adequar aos principais institutos nacionais de metrologia no exterior, quanto ao nível de incerteza alcançado nas medições. O sistema primário de padronização do volt começou efetivamente com a chegada dos equipamentos, peças e materiais necessários.
Montagem do sistema
Considerações especiais durante a montagem do sistema
Foi tomado cuidado para garantir que cada ponto de soldagem seja feito com rapidez suficiente para evitar o superaquecimento na área ativa da matriz. Todo o processo de soldagem e o início da imersão da sonda em hélio líquido não deve ultrapassar 1 hora, pois a exposição excessiva do array ao ambiente normal de laboratório pode danificá-lo. O monitoramento do nível de hélio líquido em relação à sonda é feito por meio de um medidor de nível com sensor que é conectado à sonda.
Testes e ajustes preliminares
Antes de conectar o circuito de polarização à sonda, o circuito de polarização foi verificado com um modelo de carga (que simula a carga de toda a sonda). A configuração zero também foi verificada e todos os níveis de tensão foram ajustados para zero antes que o circuito de polarização pudesse ser conectado à sonda. O processo de resfriamento da sonda costuma ser repetido várias vezes até que as condições descritas acima sejam alcançadas, exigindo várias horas de dedicação.
Procedimento de calibração
Algoritmo de calibração
A matriz Josephson é usada para calibrar a tensão secundária de referência (DUT) usando o DVM como um medidor zero. Na prática, sempre existe uma tensão térmica e offsets (tensões residuais que existem mesmo quando não há tensão no DVM) no ponto zero do DVM, que causam erros na diferença de tensão medida, Vdvm. Uma terceira medição pode ser usada para corrigir as flutuações térmicas de primeira ordem e o desvio de tensão DVM.
Fontes de incerteza
Além disso, deve medir os efeitos termoelétricos do sistema, o offset devido à correção da frequência de referência, os efeitos da interferência eletromagnética e a inclinação dos degraus de tensão. A terceira e última fonte de incerteza a ser considerada diz respeito à incerteza de frequência de referência do sistema considerado como Tipo B. A Tabela 4.2 resume a lista de componentes de incerteza do sistema e uma estimativa dos valores típicos encontrados.
Descrição
Resultados
A incerteza tipo A total para cada zener é a raiz quadrada da soma dos quadrados (RSS) das incertezas de medição tipo A do NIST e do Inmetro. Dado que os quatro padrões zener são entidades independentes, as incertezas agrupadas do tipo A para medições do NIST e do Inmetro podem ser obtidas a partir da Eq. O cálculo inclui distribuições de incerteza agrupadas tipo A de medições feitas pelo Inmetro e NIST, e a incerteza tipo B da diferença entre Inmetro e NIST, para os quatro padrões zener (o desvio padrão da média das medições das quatro diferenças é listado na Tabela 5.2 ), e a raiz quadrada da soma dos quadrados (RSS) da incerteza tipo B para os sistemas Josephson (JVS) do Inmetro e NIST.
Especificação dos equipamentos
Assim, seria possível atingir um bom nível de maturidade no uso dessa nova tecnologia e criar no Latce um ambiente mais favorável para o desenvolvimento do sistema de padronização de 10V. O início da implantação do padrão 10V foi realizado seguindo a mesma metodologia já utilizada para o padrão 1V. A sequência cronológica para implantação do sistema foi estruturada, com base nas seguintes etapas: especificação do equipamento, planejamento orçamentário, compra e entrega do equipamento, treinamento técnico, montagem do sistema, procedimento de calibração, testes preliminares e ajustes, determinação das fontes de incertezas. , comparação de medições e análise de resultados.
Planejamento orçamentário
Os recursos para aquisição dos equipamentos necessários à adaptação do sistema para 10V, bem como a contratação de técnicos especializados, embora consideráveis, poderiam ser financiados pela própria instituição (Inmetro). Quanto aos conhecimentos específicos necessários para o desenvolvimento da pesquisa, coube ao pesquisador somar sua experiência em metrologia elétrica aos conhecimentos acadêmicos de física quântica, visto que as universidades (PUC-Rio e UFRJ) não tinham experiência com metrologia elétrica com a aplicação de padrões primários quânticos. Verificou-se que o valor necessário para o desenvolvimento do novo sistema 10V seria de aproximadamente US$ 40.000,00.
Aquisição e recebimento dos equipamentos
Capacitação técnica
Considerações especiais durante a montagem do sistema
Ele foi soldado aos terminais dos três pares de fios responsáveis por polarizar a matriz e levar a tensão Josephson ao sistema.
Procedimento de calibração
Algoritmo de calibração
A tensão da matriz pode então ser calculada da maneira usual com a equação Va = nf / KJ. Este procedimento resulta em um valor correto de n e de Va, desde que o valor estimado de Ve esteja dentro da metade do valor do degrau de tensão da tensão de referência de corrente, Vr. Esses erros podem ser praticamente eliminados fazendo uma segunda medição na qual a tensão de referência e o número quântico são invertidos.
Testes e ajustes preliminares
Os valores de tensão (Tensão Padrão de Referência) obtidos nas medições de 1V (tabelas 6.2 e 6.4) e 10V (tabelas 6.3 e 6.5) e indicados pela letra “A”, apesar de próximos, não garantem uma boa repetibilidade de o sistema. Com isso, a fase de implantação do sistema 1V foi concluída com sucesso, apresentando resultados satisfatórios dentro dos prazos estabelecidos. Além disso, também participará de comparações de medição no âmbito do Sistema Interamericano de Metrologia, o que exigirá um grande comprometimento do Latce.
