V SIMPOSIO DE METROLOGÍA EN EL PERÚ CALIBRACIÓN DE TACÓMETROS ÓPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA GENERADOR DE PULSOS DE LUZ

Transcripción

1 V SIMPOSIO DE METROLOGÍA EN EL PERÚ CALIBRACIÓN DE TACÓMETROS ÓPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA GENERADOR DE PULSOS DE LUZ Henry Díaz Responsable del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia SNM-INDECOPI 20 de mayo del 2014

2 Trazabilidad del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia En el Laboratorio de Tiempo y Frecuencia del SNM se distribuye una señal de 5 MHz proporcionada por nuestro oscilador de Cesio Symmetricom 5071A. Este patrón pertenece a la red virtual SIM Time Network [3-4], la cual es una red de comparaciones continuas de diversos osciladores patrones de países del SIM. Gracias a esta herramienta obtenemos trazabilidad válida al UTC a través de NIST, CENAM, NRC (institutos que participan en el SIM Time Network y que también contribuyen al mantenimiento del UTC).

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4 Tacómetro Óptico Utiliza una fuente de luz que apunta hacia el objeto en rotación, en donde se ha colocado una cinta reflejante para que emita pulsos de luz hacia el fotosensor del tacómetro, este sensor genera señales eléctricas internas cada vez que recibe un pulso (cuando completa un ciclo de rotación), dichas señales son enviadas a su contador interno, el cual desplegará en el indicador del tacómetro la lectura correspondiente de la frecuencia medida (en rpm).

5 Calibración de Tacómetros Ópticos Usualmente se realiza por el método de comparación directa del tacómetro a calibrar con un tacómetro calibrado, utilizando un sistema de medición conformado por un sistema de rotación mecánico o por medio de una lámpara estroboscópica. Este método se implementa con poco equipamiento reportando una incertidumbre de medición alta debido al patrón utilizado y a la estabilidad del sistema de medición.

6 Método de Calibración Planteado Desarrollar un sistema generador de pulsos de luz, el cual genera pulsos de luz periódicos hacia el fotosensor del tacómetro, de tal manera que el tacómetro registre una lectura proporcional (en rpm) a la frecuencia generada (en Hz), por medio de la siguiente relación: 1 Hz = 1 rps = 60 rpm [1]. Figura 1. Equipos disponibles en el mercado para calibrar tacómetros ópticos.

7 Generación de Pulsos de Luz Por medio de un generador de frecuencias y un circuito emisor de pulsos de luz es posible enviar una señal periódica de pulsos de luz al tacómetro. El circuito emisor de pulsos de luz enciende y apaga un diodo emisor de pulsos de luz a la misma frecuencia de la señal generada, está conformado por un circuito de acondicionamiento y un diodo emisor de luz. El circuito de acondicionamiento se compone de un transistor y una resistencia limitadora de corriente. El transistor actúa como un interruptor de rápida respuesta hacia el diodo emisor de luz, convirtiendo los pulsos eléctricos en pulsos de luz.

8 Generación de Pulsos de Luz Se utiliza un arreglo de una pequeña linterna, la cual contiene un diodo emisor de luz blanca ultra brillante para abarcar gran parte del espectro. Figura 2. Diagrama de bloques del circuito emisor de pulsos de luz. Señal del generador de frecuencias CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO DIODO EMISOR DE LUZ Salida de pulsos de Luz

9 Sistema Generador de Pulsos de Luz del SNM Conformado por un generador de frecuencias Tektronix AFG3102 y un circuito emisor de pulsos de luz. El generador de frecuencias se encuentra conectado a la frecuencia patrón del laboratorio obteniendo trazabilidad válida al UTC. Figura 3. Foto del sistema generador de pulsos de luz del SNM. Tacómetro a calibrar Generador de Frecuencias Diodo emisor de luz Circuito emisor de pulsos de luz

10 Caracterización del Ruido del Sistema Generador de Pulsos de Luz Para evaluar el ruido del sistema de medida y su desempeño continuo es necesario contar con un circuito de verificación simulando ser el tacómetro a calibrar, de tal manera que detecte y regenere la señal periódica del sistema generador de pulsos de luz. El circuito de verificación está conformado por un sistema de recepción de pulsos de luz, compuesto por un fototransistor para convertir los pulsos de luz en una señal de corriente; y un circuito para el acondicionamiento y regeneración de señal, compuesto por una resistencia y un comparador para eliminar las señales no deseadas. Luego esta señal será medida con un contador de frecuencias, verificando así su funcionamiento y su inmunidad contra influencias externas.

11 Caracterización del Ruido del Sistema Generador de Pulsos de Luz En conclusión, el circuito de verificación regenera la señal de ensayo en una señal de forma de onda cuadrada. Figura 4. Diagrama de bloques del circuito de verificación. Pulsos de luz RECEPCIÓN DE PULSOS DE LUZ CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL Señal de ensayo

12 Nota: La calibración de lámparas estroboscópicas se puede realizar utilizando un circuito similar al circuito de verificación por medio de un sistema de medición de frecuencias. Figura 5. Foto del sistema de medición de frecuencias. Circuito receptor de impulsos de luz Osciloscopio Estroboscopio a calibrar Contador de Frecuencias Fuente de alimentación

13 Proceso de Calibración Esperar un tiempo prudente para la estabilización de los equipos no menor a 1 hora. Conectar el circuito emisor de pulsos de luz al generador de frecuencias, sistema generador de pulsos de luz. Colocar el diodo emisor de luz (LED) perpendicular a la superficie del tacómetro entre 2 cm a 5 cm del sistema generador de pulsos de luz. Seleccionar en el generador de frecuencias el valor de la frecuencia a ensayar con una amplitud entre 1,5 V a 2 V, activar la función pulso en modo continuo con un duty cycle al 50%. Finalmente activar la señal de salida del generador de frecuencias para realizar los ensayos.

14 Determinación del Error del Tacómetro El error de la calibración del instrumento a calibrar se obtiene de: E Lcal Cres Ctemp L pat Cbase Ctemp Lcal Lpat c p (1) Donde: L cal C res C tempc L pat C base C tempp Es la lectura del instrumento a calibrar (en rpm). Es la corrección por resolución del instrumento a calibrar. Es la corrección del instrumento a calibrar debido a influencia de la temperatura. Es la lectura del instrumento patrón (en Hz). Es la corrección del patrón debido a la base de tiempo. Es la corrección del patrón debido a influencia de la temperatura.

15 Incertidumbre de medición La asignación y expresión de incertidumbres se realizará siguiendo los criterios de la GUM [7] y EA 4/02 [8]: u 2 ( E) c 2 1 u 2 ( e) c 2 2 u 2 ( L res ) c 2 3 u 2 ( C temp ) c4 u ( C ) 5 ( c base c u Ctemp p ) (2) Donde: u(e) u(e) u u ( Cres C temp ( c ) ) u( Cbase ) u( C temp ) p Incertidumbre combinada del error del instrumento a calibrar. Incertidumbre por diferencias de lectura entre el instrumento a calibrar y el instrumento patrón. Incertidumbre debida a la resolución del instrumento a calibrar. Incertidumbre debida a la influencia de la temperatura sobre el instrumento a calibrar. Incertidumbre debido a la base de tiempo del instrumento patrón. Incertidumbre debida a la influencia de la temperatura en el instrumento patrón.

16 Resultados de la Caracterización del Ruido del Sistema Generador de Pulsos de Luz Con el generador de frecuencias se aplica una señal de ensayo en modo pulso de 100 Hz con una amplitud de 2 V al circuito emisor de pulsos de luz, la señal es capturada y regenerada por el circuito de verificación. Entonces la señal es medida con un contador de frecuencias Fluke PM6690, verificando así su funcionamiento y su inmunidad contra influencias externas. Se cuenta con un historial de más de 2 años de datos realizando continuamente la caracterización del ruido del sistema generador de pulsos de luz, por lo cual hemos podido comprobar que su aporte de incertidumbre es menor o igual que 0,1 µhz/hz, el cual es un valor que no afecta en la medición ya que es 1000 veces menor que el error máximo permisible de un tacómetro óptico considerada actualmente en el orden de 100 µhz/hz (0,01%).

17 Resultados de la Caracterización del Ruido del Sistema Generador de Pulsos de Luz Figura 6. Caracterización del ruido del sistema generador de pulsos de luz en términos de la raíz de la varianza de Allan.

18 Comentarios En la Figura 6 se muestra la estabilidad obtenida en la caracterización del ruido del sistema generador de pulsos de luz en términos de la raíz de la varianza de Allan [2] usando el software AMTyF [5], obteniendo un valor alrededor de 0,01 µhz/hz (1 x 10-8 Hz/Hz). Tener en cuenta que la raíz de la varianza de Allan incluye la incertidumbre asociada a cada medición individual incluyendo las componentes más importantes de la incertidumbre total. Conclusión Este trabajo muestra que es posible calibrar tacómetros ópticos utilizando un sistema generador de pulsos de luz con una incertidumbre de medición menor o igual que 0,1 µhz/hz.

19 Referencias [1] C. S. Veldman. Calibration of Tachometers. National Metrology Laboratory. CSIR, PO Box 395, Pretoria [2] CENAM ema. Guía técnica sobre trazabilidad e incertidumbre en la metrología de tiempo y frecuencia. México. Abril Revisión [3] The SIM Time Network. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology (NIST). Volume 116, Number 2, March-April [4] SIM Time Network. This page allows you to view the results of time and frequency comparisons between members of the Interamerican Metrology System (SIM)

20 Referencias [5] Francisco Jiménez. CENAM - Tiempo y Frecuencia. AMTyF Análisis de Mediciones de Tiempo y Frecuencia. Desarrollo de un software para el cálculo de la varianza de Allan y análisis gráfico de mediciones de tiempo y frecuencia. Encuentro Nacional de Metrología Eléctrica An%C3%A1lisis%20de%20Mediciones%20de%20Tiempo%20y%20Frecuencia.pdf. [6] Francisco J. Jiménez Tapia. CENAM. AMTyF Software (Analisis de Mediciones de Tiempo y Frecuencia). Descarga del software en la página web SIM Time and Frequency Metrology Working Group. [7] EA 4/02 Expression of the uncertainty of measurement in calibrations. European cooperation for accreditation (EA). December [8] Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM). ISO 1995.

21 Agradecimientos Agradecemos al SIM Time and Frequency Metrology Working Group por sus diversos aportes y constante apoyo en la realización de este trabajo, en especial al Centro Nacional de Metrología de Panamá (CENAMEP).

22 Contacto: Henry Díaz