historia
En 1909 Theodor Wulf desarrolló el primer electrómetro, un instrumento diseñado para medir la tasa de producción de iones dentro de un contenedor sellado herméticamente. Wulf usó este instrumento para demostrar que los niveles de radiación ionizante en la cúspide de la Torre Eiffel eran mayores que en su base. Sin embargo su artículo publicado en Physikalische Zeitschrift no encontró amplia aceptación.
Como se puede ver la salida del operacional esta conectada a un micro amperímetro a través de una resistencia R8, el valor de esta resistencia depende de la escala de medida, de la sensibilidad y de la resistencia interna del micro amperímetro.
En mi caso he empleado un instrumento con cero en el centro lo que resulta mucho mas adecuado para esta aplicación ya que así no tenemos que preocuparnos por la polaridad. Tiene una sensibilidad de 50 micro amperios para fondo de escala. Es un instrumento de 15 cm de ancho por lo que resulta muy visible. Es caro, 30 euros, pero es muy adecuado. El conjunto R8 y el medidor puede sustituirse por cualquier polímero digital, pero no sera igual de amigable.
El terminal J1 es la entrada de alta impedancia. La resistencia de 100 mega ohmios protege el instrumento de sobrecargas de tensión. Como se ha dicho el amplificador esta configurado para que la salida siga a la entrada, es decir con ganancia uno. El terminal J2 es la guarda. Como se puede observar esta conectado a la salida con una resistencia de 1 k. La guarda sirve para apantallar el cable que se conecta a la entrada J1. Al ser este de altísima impedancia podría captar campos eléctricos externos si no estuviese apantallado. Pero si estuviese apantallado el terminal central tendría una capacidad parásita bastante grande con respecto a masa. Unas capacidad que puede ser del orden de 100 pf/metro de cable. Esta capacidad seria a toda vista perjudicial ya que por ejemplo si tratásemos de ver la tensión en un condensador de 100 pF, la carga almacenada en ese condensador se emplearla para cargar las capacidades parásitas de la entrada. Por ello estas deben ser lo menor posibles. Lo mismo ocurre con la resistencia parásita del aislamiento del cable. Un aislante no muy bueno en los cables de entrada pueden degradar las prestaciones del electrómetro, por eso se recomiendan cables de teflón. No obstante, el aislante entre la entrada y la Guarda tendrá mucho menos efecto ya que la guarda esta al mismo potencial que la entrada.
Vista de la caja donde se encuentra el conjunto de alta impedancia.
Se necesitan cuatro cables para conectar este conjunto al exterior, P(+120 V), N(-120V), S (salida) y masa. Abajo a la izquierda conector LEMO para la entrada, la guarda y la masa. El operacional se ha montado sobre una placa de circuito impreso en la que se han grabado islas mediante un dremel. La entrada esta al aire, evitando perdidas y sostenida por los componentes. Encima el conmutador de resistencias de entrada.
Opción Variación de impedancia de entrada.
La impedancia de este instrumento esta entre 10 13 y 1014 ohmios. A veces es conveniente disponer de impedancias mas bajas y mas precisas, por ejemplo para medir capacidades o para medir intensidades. Para ello del punto R se dispone un conmutador que conecta un juego de resistencias a masa. En mi caso los valores elegidos han sido Ninguna 100G, 10G, 1G, 100M 10M y 1 M. Otra Opción interesante es un pulsador que conecta el punto R a masa, para descargar el medidor y para buscar el cero.
En la fotografía superior puede verse este conmutador y el juego de resistencias. Debe tenerse especial cuidado en la calidad de esos conmutadores ya que si no son especialmente buenos pueden degradar las características del circuito.
Escalas de medida.
En la fotografía anterior arriba a la izquierda se encuentra el conmutador de escalas y las resistencias asociadas.
Mi instrumento tiene las siguientes escalas de medida, 1, 3, 10, 30,100 Voltios. Estas escalas se consiguen simplemente seleccionando mediante un conmutador la resistencia R8.
En mi caso el medidor es de 50 micro amperios con una impedancia interna de 2 K. Para confeccionar las diferentes escalas habrá que calcular 20 K por voltio y descontar la resistencia interna del micro amperímetro. Así el valor de R8 será.
1V 18 K.
3V 58K
10V 198K
30 V 600 K
100V 2M
Estos valores se consiguen fácilmente, con un par de resistencias en serie. Conviene seleccionar las resistencias para conservar una precisión razonable sin necesidad de ajustes. Para evitar golpes bruscos de la aguja por sobre tensiones conviene puentear 4el medidor con dos diodos en antiparalelo. Comprobar que no altera las mediciones.
Fuente de alimentación.
Como se ha mencionado el electrómetro requiere una fuente simétrica de 120 V. Como la ganancia del aparato es 1 y esta referenciada respecto a masa no es necesario que esta fuente sea de altas prestaciones, teniendo además en consideración de que el consumo no sera superior a los 5 mA.
Para conseguir esta fuente, lo ideal seria tener un transformador de entrada 220 y salida 110-0-110. Como suponemos este transformador sera difícil conseguir. Se ofrece una solución de bajo costo. En ella se parte de dos transformadores iguales de 220 a 12 , y se conectan como se expone en el esquema. De esa manera se consiguen las tensiones y el aislamiento galvánico necesario.
el electrometro mas avanzado
No hay comentarios:
Publicar un comentario