Calibracin de cronmetros digitales por el mtodo de induccin con una incertidumbre de medicin 0,1 s/s

Henry Diaz*, Henry Postigo

*Responsable del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia del Servicio Nacional de Metrologa (SNM-INDECOPI), Lima - Per hdiaz@indecopi.gob.pe

Sub jefe del Servicio Nacional de Metrologa (SNM-INDECOPI), Lima - Per hpostigo@indecopi.gob.pe

Resumen En este trabajo se describe un sistema detector de

frecuencias, el cual es utilizado para calibrar cronmetros digitales por el mtodo de induccin, midiendo la frecuencia de refresco del LCD del cronmetro la cual es proporcional a su base de tiempo obteniendo as el error del cronmetro con una incertidumbre de medicin 0,1 s/s.

Palabras claves Sistema detector de frecuencias, calibracin

de cronmetros digitales, mtodo de induccin.

I. INTRODUCCIN

Por un buen tiempo el SNM-INDECOPI se encargaba de realizar la calibracin de cronmetros por el mtodo por comparacin directa del cronmetro a calibrar con un cronmetro calibrado, los que eran filmados por un determinado tiempo y luego visualizados para determinar el error. Este mtodo se implementaba con poco equipamiento pero su desarrollo demandaba bastante tiempo tanto en la toma de datos como en su procesamiento, reportando adems una incertidumbre alta. Con la creacin del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia en el SNM-INDECOPI se plante la necesidad de implementar un nuevo mtodo de calibracin que emplee menos tiempo en su realizacin y permita obtener una menor incertidumbre, esto ltimo debido a que los cronmetros actuales presentan cada vez mejores exactitudes.

Por este motivo fue necesario realizar un revisin de los

mtodos de calibracin existentes, encontrndose que algunos Institutos Nacionales de Metrologa (INM) estn aplicando un mtodo de calibracin, [1], [2], [3], que permite calibrar cronmetros en corto tiempo y sin necesidad de activarlo,

eliminando as varios aportes de gran influencia en el presupuesto de incertidumbre que se consideran cuando se utiliza el mtodo por comparacin directa. Por lo tanto se consider conveniente implementar el mtodo de induccin [2], basado en desarrollar un sistema detector de frecuencias para medir la frecuencia de refresco del LCD del cronmetro, la cual es proporcional a la frecuencia de su base de tiempo, obtenindose as el error del cronmetro en el tiempo con una incertidumbre de medicin 0,1 s/s.

El mtodo de induccin se basa en el mtodo de base de

tiempo recomendado en la referencia [1], el cual se realiza con algunas variantes, no midiendo directamente la frecuencia fundamental del cronmetro sino un submltiplo de esta. Para desarrollarlo es necesario medir la frecuencia de la seal que llega al contador interno del cronmetro antes de que sea mostrado en su pantalla LCD, obtenindose valores de 32 Hz, 28,444 Hz y 42,666 Hz, u otra frecuencia que resulte de la divisin del valor fundamental del cuarzo de 32 768 Hz.

II. DETECCIN DE LA SEAL

Para capturar la frecuencia de refresco del LCD del cronmetro por el mtodo de induccin es necesario desarrollar un sistema que detecte esta seal inducida por el cronmetro. Tener en cuenta que la seal que se induce es muy pequea y propensa de ser afectada por seales externas por lo cual es necesario utilizar una caja metlica que sirva como blindaje contra estas seales, en ella se coloca tanto el cronmetro como el sistema detector de frecuencias.

La seal es capturada por medio de una placa conductora obteniendo seales con una amplitud alrededor de 20 mV, esta seal debe ser amplificada hasta obtener valores de 4 V. La amplitud de la seal depende del tipo de cronmetro por lo que la amplificacin es controlada con ayuda de un potencimetro, el cual es regulado hasta obtener el valor de la seal deseada. Se observ que en estn presentes otras seales a diferentes frecuencias pero de menor amplitud del orden de 100 mV a 600 mV, por lo que fue necesario utilizar un filtro y un comparador para eliminar las seales no deseadas cuyo nivel de referencia no fuese mayor a 4 V.

Finalmente se utiliza un circuito acondicionador de seal

debido a que los pulsos capturados son de muy corta duracin, alrededor de 10 s, y el contador de frecuencia no puede captarlos en forma adecuada. El circuito acondicionador a partir de dichos pulsos genera pulsos con una duracin del orden de 100 s para poder realizar las mediciones. Para evitar la interferencia de la fuente de alimentacin de 8 V, esta se coloc fuera de la caja metlica. En la figura 1 se muestra el diagrama del sistema detector de frecuencias, el cual se conecta a nuestro contador de frecuencias para realizar la medicin.

Figura 1. Diagrama del sistema detector de frecuencias.

III. SISTEMA DE MEDICIN

En el Laboratorio de Tiempo y Frecuencia del SNM se distribuye una seal de 5 MHz proporcionada por nuestro oscilador de Cesio, el cual pertenece a la red virtual SIM TIME NETWORK [7], la cual es una red de comparaciones continuas de los osciladores patrones de diversos pases del Sistema Interamericano de Metrologa (SIM) [8]. Gracias a esta herramienta no es necesario enviar nuestro patrn a calibrar fuera del pas tal como ocurre en otras magnitudes. Conseguida la trazabilidad adecuada es posible utilizar esta seal como referencia para mejorar la base de tiempo de nuestros equipos. El sistema de medicin est compuesto por un sistema detector de frecuencias, un contador de frecuencias y una computadora para realizar las mediciones en forma automtica.

El contador de frecuencias Fluke PM6690 se encuentra conectado por referencia externa a la frecuencia patrn del laboratorio para mejorar sus caractersticas. La computadora debe ser tal que permita realizar mediciones con un gran nmero de muestras y sea compatible con el software a instalar. Para realizar las mediciones utilizamos el software TimeView proporcionado por el fabricante Fluke del contador de frecuencias. Para el tratamiento de los datos utilizamos el software para el anlisis de mediciones de frecuencia AMTyF [4], software de libre disposicin, desarrollado por el INM de Mxico (CENAM) [5].

El software AMTyF, reconoce el punto como separador

decimal y archivos con la extensin .txt, por lo que es necesario realizar algunos cambios solo en la forma de presentacin de la data obtenida para poder ser tratada, esto se puede realizar con ayuda del Word y Excel. Obteniendo la exactitud del oscilador en trminos de la desviacin fraccional de frecuencia (f/fo), y su estabilidad en trminos de la desviacin de Allan (y(t)). Tambin es posible utilizar un osciloscopio a la salida del sistema detector de frecuencias para observar la amplitud de la seal y en caso de ser necesario ajustarla con ayuda del potencimetro al valor de referencia de 4 V. En la figura 2 se muestra una foto del sistema de medicin.

Figura 2. Foto del sistema de medicin.

IV. ANALISIS DE DATOS

En mediciones de tiempo y frecuencia es posible utilizar la siguiente ecuacin para el estudio de osciladores dado por:

)(200

0 tf

f

f

ffy

= (1)

Donde: f: es la frecuencia medida. fo: es la frecuencia nominal. f/fo: es la desviacin fraccional de frecuencia. y(t): es la desviacin de Allan.

Cronmetro

Placa conductora Amplificador

Caja metlica

Acondicionador de seal

Filtro y Comparador

Contador de Frecuencia

32,000128 Hz

Out put

Fuente de alimentacin

Dentro se encuentran:

El cronmetro

El sistema detector de frecuencias

Contador de frecuencias

Osciloscopio

Caja metlica

Reordenando (1) tenemos:

00

)(21 ftf

ff y

+= (2)

Tambin es posible colocar una ecuacin similar a (2) en

funcin del tiempo dado por:

00

)(21 ttt

tt y

+= (3)

De (2) es posible observar que si f/fo es positivo, se tiene

que la frecuencia medida es mayor a la frecuencia nominal, por lo cual el cronmetro va a contar de ms, entonces el cronmetro se adelanta (t/to > 0). Si f/fo es negativo el cronmetro se atrasa (t/to < 0). Entonces se tiene que:

00 t

t

f

f = (4)

Reemplazando (4) en (3) se tiene que:

00

))(21( ttf

ft y

+= (5)

De (5) se desprende la siguiente ecuacin para obtener el

error del cronmetro en tiempo:

00)( f

ftsError

= (6)

Donde: t: es el tiempo que realmente mide el cronmetro. t0: es el tiempo que se desea medir con el cronometro. Por otro lado hay que tener en cuenta que el valor numrico

de la desviacin de Allan mide la estabilidad relativa entre el oscilador bajo calibracin y el oscilador de referencia, y esta incluye la incertidumbre asociada a cada medicin individual introducida por el propio sistema de medicin debida a diversos parmetros. Por lo cual la incertidumbre de medicin estar dada en funcin de la desviacin de Allan (y(t)).

V. VERIFICACIN DEL SISTEMA DETECTOR DE FRECUENCIAS

Se debe tener en cuenta que el sistema detector de frecuencias debe ser verificado para poder evaluar su desempeo continuo, por tal motivo es necesario contar con un circuito que realice dicha verificacin simulando ser el cronmetro a calibrar. Dicho circuito es simple y est

conformado por una antena y un generador de seal. Como antena se usa resistencia de 10 k la cual se conecta a un generador de seal como carga, simulando as la frecuencia que induce el cronmetro. Como generador de seal usamos un equipo Tektronix AFG3102, que se encuentra conectado por referencia externa a la frecuencia patrn del laboratorio, con el se aplica una seal de frecuencia en modo pulso de 32 Hz con una amplitud de 4 V a travs de la resistencia, la seal inducida e