Presentacin de PowerPoint

Desarrollo de una transferencia trmica calculable para corriente elctrica en el intervalo de frecuencia de 0 Hz a 100 kHz1Introduccin2

La tensin y corriente elctrica alterna son muy importante en los procesos industriales y su cadena trazabilidad asegura la conformidad y calidad de muchos productos que se distribuyen a nivel nacional e internacional.2Introduccin3

Definicin:

El amperees la corriente constante que, si es mantenida en dos conductores rectos paralelos de longitud infinita, de seccin circular despreciable y separados 1 m en el vaco, producira entre estos dos conductores una fuerza de 2 x 10-7newton por metro de longitud3Introduccin4La definicin del ampere no permite una realizacin prctica de la magnitud. Por ejemplo, no es posible tener conductores de longitud infinita.

Pero otras unidades correspondientes a las magnitudes elctricas pueden reproducirse en los laboratorios nacionales de metrologa con muy bajas incertidumbres a travs de las constantes fundamentales y las leyes de la naturaleza.4Introduccin55Introduccin6

6Introduccin7

Forma de onda de corriente en un motor, carga inductiva.Formas de onda de tensin y de corriente a la salida de un inversor de un panel solar.7Introduccin8La magnitud de corriente elctrica alterna no puede expresarse en forma directa en trminos de las unidades base, sin embargo debe existir una relacin de equivalencia entre esta magnitud y la magnitud de tensin elctrica continua de referencia.

Como lograr dar trazabilidad a la magnitud de corriente elctrica alterna a travs de la magnitud de corriente elctrica continua ?8Termoconvertidor9

9Termoconvertidor10

tIIIttElemento sensor del calor disipado del elemento resistivoSeal de tensin proporcional al calor disipado del elemento resistivo10Termoconvertidor11Fenmenos de interaccin termoelctrica:Efecto Joule:

Efecto Seebeck:

(T): Coeficiente SeebeckA(T) yB(T): son respectivamente las potencias termoelctricas absolutas de los metales A y B que a su vez dependen de la temperatura.

11Termoconvertidor12Efecto Peltier: Consiste en el enfriamiento o calentamiento de una unin entre dos metales distintos al circular una corriente elctrica, y este fenmeno depende exclusivamente de la composicin y temperatura de la unin.

La potencia calorfica intercambiada en la unin entre A y B es:

dondeABes el coeficiente Peltier, que se define como el calor intercambiado en la unin por unidad de tiempo y de corriente que circula a travs de la misma:12Termoconvertidor13Efecto Thompson: El efecto Thomson consiste en la absorcin o liberacin de calor por parte de un conductor elctrico homogneo, con una distribucin de temperaturas no homognea, por el que circula una corriente.

El flujo neto de potencia calorfica por unidad de volumen, en un conductor de resistividad, con un gradiente longitudinal de temperatura, por el que circula una densidad de corriente J ser:

13Termoconvertidor14Desarrollando esta expresin para obtener la relacin entre el coeficiente Thomson y Seebeck y teniendo en cuenta las ecuaciones que rigen sus efectos, tenemos que:

Y para la unin:14Termoconvertidor15Componente de primer orden de calor Thompson

Distribucin de temperatura en c.a.Cambio en temperatura c.a.-c.c.Distribucin de temperatura en c.c.+Componente de primer orden de calor PeltierComponente de segundo orden de calor ThomsonTemperaturaDistribucin de temperatura en c.c.-15Termoconvertidor de corriente16Qc.a.= Qc.c.Ec.a.= Ec.c.E out

16Termoconvertidor17

tIncertidumbre

1950 198019902000

10-510-610-7 SJTC 3DMJTC PMJTC Quarz PMJTC10-417Termoconvertidor18V

E c.a.CalefactorTermoelementoEncapsulado al vaco

Aislante elctricoSJTC: 1950 - 198018Termoconvertidor19La evaluacin de este termoconvertidor resulta en una incertidumbre de partes en (104-105).

Demuestra que los errores por calentamiento debidos al efector Peltier y Thomson se deben a asimetras, esto debido a que la unin termopar no se encuentra exactamente al centro del calefactor.

Para gradientes de temperatura pequeos en el elemento sensor dentro del convertidor, no ve observan diferencias en la amplitud de la seal de corriente alterna, y tambin existen diferencias al invertir el sentido de la corriente continua.19Termoconvertidor20Se prohbe el uso de constatan o aleaciones similares para el calefactor, ya que estos materiales presentan una diferencia AC-DC mayor con respecto a: carbn, nquel-cromo o platino-rodio-rutenio.

Errores debido a la la capacidad trmica del elemento calefactor, se explican porque a baja frecuencia la tensin de salida no es independiente de la frecuencia y se espera un error que sea inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia de la seal de entrada.

Descripcin matemticamente que demuestra que se minimizaran los fenmenos de efectos Peltier y Thomson, al tener una mayor sensibilidad y simetra del elemento termopar con respecto al elemento calefactor. 20Termoconvertidor de corriente213DMJTC: 1982 1987

21Termoconvertidor de corriente22CuNi44 Niquel: 44%, Manganeso: 1%, Cobre: 55%

Caractersticas:

Muy bajo coeficiente trmico de resistencia.Mayor resistencia que el cobre.Alta resistencia a la tensin.Alta maleabilidad (torsin).

Aplicaciones:

Aplicaciones para elementos calefactores.Las aplicaciones con altos requerimientos mecnicos.22Termoconvertidor de corriente23La evaluacin de este termoconvertidor resulta en una incertidumbre de partes en (106-107).

Mayor sensibilidad de los elementos termopares, en total son 56 termopares.

Mayor simetra en la construccin del elemento calefactor y la distribucin de los elementos termopares.

Se aade un pozo de calor para evitar las perdidas de calor en el elemento calefactor durante el cambio entre la seal de corriente alterna y la inversin de polaridad de corriente continua.

23Termoconvertidor de corriente24Para reducir el coeficiente Peltier y mantener una baja diferencia AC-DC, se fabricaron los conductores y el calefactor del mismo material (CuNi44).

Debido a la resistencia a la tensin del CuNi44, alambres mas finos pudieron manufacturarse mejor y con eso se disminuyeron las perdidas de calor del calefactor y se redujo la constante de tiempo del termoconvertidor.24Termoconvertidor de corriente25

Si3N4SiO2Si3N4 200 nm400 nm200 nmTFMJTC: 1989 2015

25Termoconvertidor de corriente26

26Termoconvertidor de corriente27

27Termoconvertidor de corriente28

28Termoconvertidor de corriente29

Fsicamente un termoconvertidor de pelcula delgada29Termoconvertidor de corriente30La evaluacin de este termoconvertidor resulta en una incertidumbre de partes en (107).

Su alta simetra de construccin permite obtener diferencias del orden de partes en 106 durante la inversin de polaridad en la corriente directa.

Las tcnicas de pelculas delgadas ofrecen la posibilidad de sustituir la fabricacin manual mediante tcnicas de pulverizacin catdica evaporacin y fotolitografa.

El calefactor esta construido de CuNi44.

Podrn fabricarse mas TFMJC debido a su casi perfecta y rpida tcnica de construccin que evita muchos efectos termoelctricos.30Patrn Nacional de Corriente Elctrica Alterna31

31Patrn Nacional de Corriente Elctrica Alterna32DescripcinMarcaNmero de SerieTermoconvertidor multiunin tipo planar (PMJTC) con resistencia de calefactor de 90 y mxima corriente de entrada de 10 mAIPHT / PTB

13 PTB / IPHT 1996IPHT / PTB

198 PTB / IPHT 1990IPHT / PTB

199 PTB / IPHT 1990El patrn nacional de corriente elctrica alterna est formado por un conjunto de termoconvertidores multiunin tipo planar (PMJTC), diseados y fabricados por los institutos alemanes de metrologa.

32Patrn Nacional de Corriente Elctrica Alterna33

33Patrn Nacional de Corriente Elctrica Alterna34

34Patrn Nacional de Corriente Elctrica Alterna35

Medicin de corriente elctrica de 100 A / 100 kHz.Cuando es necesario dar trazabilidad a amplitudes de corriente elctrica mayores a 10 mA, se utilizan derivadores de corriente coaxiales que degradan su desempeo en frecuencia.35Patrn Nacional de Corriente Elctrica Alterna36Medicin de temperatura en la conexin de un derivador de corriente y en un termoconvertidor cuando circula una corriente elctrica de 5 A.

23.0C24.9C24.0C31C23.8C36Patrn Nacional de Corriente Elctrica Alterna37Las laminas anteriores presentan dos de los problemas ms comunes cuando se conecta un termoconvertidor de corriente y un derivador de corriente coaxial para proporcionar trazabilidad a valores ms altos de corriente.

La respuesta en frecuencia del termoconvertidor de corriente es degradada por la respuesta en frecuencia del derivador de corriente coaxial a altas frecuencias.

Parte del calor disipado del derivador de corriente es conducido al derivador de corriente, este calor adicional puede modificar su respuesta y agregar un error adicional a la diferencia AC-DC.

37Termoconvertidores en alta corriente38

38Termoconvertidores en alta corriente39

39Objetivos40Identificar materiales y tcnicas de crecimiento en pelcula delgada que permitan utilizar propiedades electromagnticas y termoelctricas de los mismos, en donde el calor generado sea directamente proporcional al valor eficaz de la corriente elctrica en el intervalo de frecuencia especificado.

Investigar sobre materiales seleccionados cuyas propiedades termoelctricas en aplicaciones de pelculas delgadas nos permitan la medicin de la temperatura por conduccin, disminuyendo las perdidas de los fenmenos de transferencia de calor por radiacin y conduccin.

Formulacin preliminar de un modelo termoelctrico y de propiedades termoelctricas calculables que describan su desempeo en el intervalo de frecuencia especificado.40Desafos del proyecto41Problemas de disipacin de potencia, como conducir la corriente de 5 A, como lograr que el dispositivo en pelcula delgada asimile toda la potencia de las seales de entrada y sea convertida en calor. No debe de haber prdida de energa en ambos procesos.

Alta sensibilidad de los elementos termopares creados en pelcula delgada para captar todo el calor disipado del elemento resistivo.

Efectos de la frecuencia en el ancho de banda de operacin deseado (DC 100 kHz), fenmenos en baja frecuencia y fenmenos de alta frecuencia en el elemento resistivo.

Efectos peliculares, investigar sobre los efectos debidos a la amplitud de la corriente, la frecuencia y la potencia disipada en las pelculas delgadas.41Desafos del proyecto42Campos magnticos fuertes derivados de la corriente de 5 A en el elemento resistivo.

Corrientes parasitas en conductores y el elemento el elemento resistivo.Problemas de proximidad (patrones no deseados debido a campos magnticos grandes) y efecto piel en alta frecuencia (circulacin de la corriente por la superficie del conductor).42Cronograma de actividades preliminar43

4344Gracias por su atencin44Introduccin45Efecto Hall Cuntico.

Para producir este efecto debe someterse a una temperatura muy baja (-270 C) y a un campo magntico muy intenso (10 T) una muestra formada por materiales semiconductores, de esta forma se obtiene una resistencia transversal muy estable.

Esta resistencia transversal se llama resistencia Hall (RH) y tiene valores que son independientes de otrasmagnitudes fsicas y sus cambios, dependiendo slo de las constantes universalesh, la constante de Planck ye, la carga del electrn.

45Introduccin46

siendo iun nmero entero positivoi= 1, 2, .. Parai= 1, RH= RK= 25 812, 807 donde: RKes la llamada constante de Von Klitzing46Introduccin47Efecto Josephson Cuntico.

El cual se presenta cuando dos superconductores separados por un aislante delgado, conjunto llamado unin Josephson, se irradian con una seal de microonda.

Es posible generar tensiones de referencia en niveles discretos dentro del intervalo de -10V a 10V

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