III SIMPOSIO DE METROLOGIA EN EL PERU CALIBRACION DE CRONOMETROS DIGITALES POR EL METODO DE INDUCCION

Transcripción

1 III SIMPOSIO DE METROLOGIA EN EL PERU CALIBRACION DE CRONOMETROS DIGITALES POR EL METODO DE Henry Díaz Responsable del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia SNM-INDECOPI 17 de mayo del 2012

2 Presentación Laboratorio de Electricidad - Energía y Potencia - AC-DC, Resistencia - Tiempo y Frecuencia - Acústica

3 Trazabilidad del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia En el Laboratorio se distribuye una señal patrón de 5 MHz proporcionada por nuestro oscilador de rubidio, la cual esta referenciada a patrones primarios de frecuencia de la red de países que compone el Sistema Interamericano de Metrología (SIM), la cual se utiliza como señal de sincronismo para mejorar la base de tiempo de los instrumentos que poseen dicha opción como es el caso de nuestro contador y generador de frecuencias. Esta es una técnica comúnmente utilizada por los laboratorios nacionales de metrología.

4 Trazabilidad del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia La trazabilidad del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia se obtiene por medio de nuestro Oscilador de Rubidio Symmetricom 8040C el cual pertenece a la red SIM Time Scale Comparisons via GPS Common-View

5 Trazabilidad del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia

6 Servicios del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia - Calibración de cronómetros digitales por el método de inducción. - Calibración de tacómetros ópticos. Otros servicios a realizarse a futuro: - Calibración de osciladores (midiendo la base de tiempo).

7 Conceptos previos Cronómetro Es un reloj o una función de reloj que sirve para medir fracciones de tiempo, normalmente cortos y con exactitud. Reloj Se denomina reloj a un instrumento que permite medir el tiempo. Intervalo de tiempo Lapso de tiempo entre dos eventos. La unidad del intervalo de tiempo es el segundo (s).

8 Conceptos previos Resolución La resolución es el periodo de tiempo más pequeño que el instrumento puede medir o indicar. Una resolución común para cronómetros digitales es de 1 ms (0,001 s) o mejores. Base de tiempo La base de tiempo es la que produce la señal de frecuencia usada para medir el intervalo de tiempo, estos dispositivos por lo general utilizan osciladores de cristal de cuarzo con una frecuencia de Hz.

9 Funcionamiento del cronometro digital Los cronómetros poseen un oscilador de cuarzo, siendo su valor de Hz (2 15 ). Esta frecuencia es la base de tiempo del instrumento la cual es dividida digitalmente, amplificada, para que luego un sistema contador realiza la función de cronómetro y finalmente muestre dicha información por medio de un pantalla LCD.

10 Funcionamiento del cronometro digital La señal que le llega al contador es la que el sistema de detección debe capturar para poder medir su frecuencia y realizar la calibración del instrumento. Dicha señal puede tener diferentes valores de frecuencia dependiendo de la marca y modelo de los fabricantes. Valores típicos de frecuencia en cronómetros Frecuencia base (Hz) Divisor Frecuencia a capturar (Hz) , ,666

11 Detección de la frecuencia por el método de inducción Debido a que la señal inducida es muy pequeña, se utiliza una caja metálica dentro de la cual se encuentra el cronómetro a calibrar y el sistema detector de frecuencia. Dicha señal se induce (se captura) en una superficie conductora la cual es amplificada hasta obtener picos del orden de 4 V. Luego dicha señal pasa por un circuito comparador y un filtro en donde se eliminan las señales espurias de bajo nivel de amplitud. Es necesario un circuito acondicionador de señal debido a que estos pulsos son de muy corta duración (10 µs) y un contador de frecuencias no puede captarlos de forma adecuada. Por tal motivo es necesario a partir de dichos pulsos generar pulsos con una duración del orden de 100 µs.

12 Detección de la frecuencia por el método de inducción Para evitar la interferencia del campo magnético del transformador que compone la fuente de alimentación, esta se colocó fuera de la caja metálica del sistema detector de frecuencia. Se utilizara una fuente externa de ± 8 V, la cual está separada (aprox. 40 cm) del sistema de adquisición. Diagrama del circuito de adquisición de señal por el método de inducción

13 Detección de la frecuencia por el método de inducción Dentro se encuentran: Cronómetro Osciloscopio Sistema detector de frecuencia Caja metálica Fuente de alimentación Contador de frecuencia

14 Verificación del sistema de medida Para la verificación del funcionamiento del sistema detector de frecuencia se construyó una pequeña antena la cual se conecta a un generador de frecuencias. Se inyecta una frecuencia conocida de 32 Hz la cual es medida con el sistema propuesto verificando así el funcionamiento del mismo y su inmunidad contra influencias externas.

15 Verificación del sistema de medida Osciloscopio Dentro se encuentran: Antena Contador de frecuencias Sistema detector de frecuencia Generador de frecuencias Caja metálica

16 Sistema de medida El sistema de medida se compone por los siguientes equipos: - Sistema de detector de frecuencia. - Contador de frecuencias, este puede estar conectado por referencia externa a la frecuencia patrón del laboratorio para mejorar su base de tiempo. - Software para la adquisición de datos, en nuestro caso debe tener la extensión.txt para su tratamiento con el software de análisis de mediciones de frecuencia AMTyF del SIM.

17 Proceso de calibración Esperar un tiempo prudente para la estabilización de los equipos no menor a 1 hora. Colocar el cronómetro digital en el sistema detector de frecuencia (dentro de la caja metálica). Conectar el sistema detector de frecuencia tanto al osciloscopio como al contador de frecuencias. Realizar las respectivas programaciones en el software como son el tiempo de medida y el número de muestras para poder obtener la frecuencia de refresco del LCD del cronómetro.

18 Determinación del error El error de la calibración del instrumento a calibrar se expresa como: E = (Lc + Ctemp(c)) - (Lp + Cres + Cbase + Ctemp(p)) Donde: Lc Lectura del instrumento a calibrar utilizando el patrón como display. Ctemp(c) Corrección del instrumento a calibrar debido a influencia de la temperatura (Ctemp(c) = 0). Lp Valor nominal de la frecuencia de refresco del LCD del cronómetro. Cres Corrección del patrón debido a la resolución (Cres = 0). Cbase Corrección del patrón debido a la base de tiempo (Cbase = 0). Ctemp(p) Corrección del patrón debido a influencia de la temperatura (Ctemp(p) = 0). Entonces se tiene que: E = Lc - Lp

19 Determinación del error Este error puede expresarse en términos de la desviación de frecuencia: f f L c L L p p f f m f m f ( offset) f f t t Ahora considerando todas las expresiones tenemos: f f ( 1 U) f f m Donde: f m es la frecuencia de refresco del LCD del cronometro y U la incertidumbre asociada a la medida. El error en unidades de tiempo (s) : t t cron f f

20 Cálculo de incertidumbre E = (Lc - Lp) + Ctemp(c) - Cres - Cbase - Ctemp(p) u(e) = u(lc) + u(ctemp(c)) + u(cres) + u(cbase) + u(ctemp(p)) Donde: u(lc) u(ctemp(c)) u(cres) u(cbase) u(ctemp(p)) Incertidumbre por variación de lecturas del instrumento a calibrar utilizando el patrón como display. Incertidumbre debida debido a influencia de la temperatura en el instrumentos a calibrar. Incertidumbre debida a la resolución del patrón. Incertidumbre debido a la base de tiempo. Incertidumbre debida a la influencia de la temperatura en el patrón.

21 Cálculo de incertidumbre - Incertidumbre por variación de lecturas del instrumento a calibrar utilizando el patrón como display u(lc). u( L c ) y 2 y ( N 2 1 N 2) i 1 ( x i 2 2x i 1 x i ) - Incertidumbre debido a la influencia de la temperatura sobre el instrumento a calibrar u(ctemp(c)). u( C temp c ) T 3

22 Cálculo de incertidumbre - Incertidumbre por resolución del patrón u(cres). u( Cres ) res Incertidumbre debida a la base de tiempo del instrumento patrón u(cbase). u( C base ) base - Incertidumbre debido a la influencia de la temperatura en el patrón u(ctemp(p)). u( C temp p ) T 3

23 Cálculo de incertidumbre El resumen del análisis de incertidumbre sería:

24 Cálculo de incertidumbre De todas estas contribuciones las más representativa es u(lc), las demás contribuciones se pueden considerar despreciables por ser de un orden inferior. Entonces la incertidumbre expandida U(E) estará dada por: U(E) = k x u(e) Donde: k Factor de cobertura (k =2). U(E) Incertidumbre combinada.

25 Resultados de la comparación interlaboratorios de cronómetros SIM ( )

26 Referencias - Calibración de cronómetros digitales por método de inducción. Leonardo Trigo, Daniel Slomovitz. UTE. Uruguay. Octubre Calibración de cronómetros mediante la medición de la frecuencia del oscilador de cuarzo. Johnny Jiménez, Harold Sánchez. ICE. Costa Rica. VIII Semetro. - Practice guide Stopwatch and Timer Calibrations (2009 edition). NIST Special publication Technical papers An Interlaboratory Stopwatch Comparison in the SIM Region. Measure: The Journal of Measurement Science, vol. 6, no. 3, pp , September Guía técnica sobre trazabilidad e incertidumbre en la metrología de tiempo y frecuencia. CENAM - ema. México. Abril 2008.

27 Agradecimientos Henry Postigo (SNM-INDECOPI) Leonardo Trigo (UTE) Harold Sanchez (ICE) Carlos Quebedo (SIC) Luis Mojica (CENAMEP AIP) Francisco Jimenez (CENAM)

28 Contacto: Henry Díaz