Calibración intervalos de tiemp

Copia No Controlada
Instituto Nacional
de Tecnología Industrial
Centro de Desarrollo e Investigación
en Física y Metrología
Procedimiento específico: PEE65
CALIBRACIÓN INTERVALOS
DE TIEMPO
Revisión: Agosto 2012
Este documento se ha elaborado con recursos del Instituto Nacional de Tecnología Industrial.
Sólo se permite su reproducción sin fines de lucro y haciendo referencia a la fuente.
PEE65 Lista de enmiendas: Agosto 2012
ENMIENDA
DESCARTAR
INSERTAR
Nº
CAPÍTULO PÁGINA PÁRRAFO
CAPÍTULO
FECHA
RECIBIDO
PÁGINA PÁRRAFO
FIRMA
1 de 1
PEE65: Agosto 2012
1. Objetivo
Establecer un método de calibración de intervalos de tiempo.
2. Alcance
Este procedimiento es aplicable a la calibración de las señales de tiempo (1 pps) de receptores satelitales GPS.
3. Definiciones y abreviaturas
ΔT/T = Desviación fraccional de tiempo
σy2 (τ) = Varianza de Allan
σy (τ) = Desviación de Allan
τ = Tiempos de promediación o de compuerta
pps = pulso por segundo
4. Referencias
[1] J. Mauricio López R., “Guía técnica sobre trazabilidad e incertidumbre en la metrología de tiempo y
frecuencia”, Abril 2008.
[2] J. Mauricio López R., “Estimación de incertidumbres en calibración de Osciladores”, Encuentro nacional de metrología eléctrica, 2007.
5. Responsabilidades
Personal a cargo de la ejecución de las calibraciones del laboratorio de Tiempo y Frecuencia.
El Coordinador de la UT Electricidad verifica que se siguen los procedimientos y comprueba los resultados.
6. Instrucciones
6.1. Adquisición de datos
Oscilador de Cesio
Frecuencia de referencia (10MHz)
Registro automático
de datos
PC
Interfaz GPIB
Contador de intervalos de
tiempo
Salida BT (1pps)
Receptor GPS bajo prueba
Figura 1 – Medición de la señal de salida de tiempo (1pps) en receptores satelitales GPS
1 de 5
PEE65: Agosto 2012
El receptor satelital GPS será calibrado en forma automática utilizando un Contador de intervalos de
tiempo (TIC) marca Agilent modelo 53132A, conectando su base de tiempo a un Oscilador de Referencia Primaria de Cesio, marca Agilent modelo 5071.
El equipo bajo prueba será instalado dentro del laboratorio donde se realizará la calibración, ubicando su antena en el exterior del edificio de modo tal que permita la correcta recepción de señales satelitales sin interferencias.
Se medirá el tiempo promedio, la desviación fraccional y la estabilidad de la señal de salida de tiempo
de 1 pps del receptor bajo calibración.
Para esto, de acuerdo con el esquema de la Figura 1 el conector de la salida de pulsos ( 1pps ) del receptor GPS se conectará al TIC que será utilizado como referencia.
Por medio de una interfaz IEEE el TIC se conectará a una PC adecuada, al solo efecto de registrar los
pulsos de 1pps mediante un programa de adquisición de datos especialmente diseñado en el laboratorio configurándolo con un tiempo de promediación (τ) de 10 segundos.
Configuración del contador de intervalos de tiempo (TIC) en forma remota desde la PC:
Dirección de la placa GPIB:
Se selecciona la dirección del TIC Agilent 53132A, en este caso “GPIB::3:”
Ajuste de los valores de disparo:
TRIG. LEVEL (V) : 1V
AUTO TRIG : OFF
SLOPE : POS
SENSTVTY : LO
GATE TIME (s):
Selecciona el tiempo de disparo. Es importante mencionar que el mismo depende del posterior análisis de los datos según el procedimiento PEO 05, puesto que es aconsejable apreciar el mínimo de la varianza de Allan. En este caso seleccionamos 10s ya que se efectuarán registros por cinco días y con
tiempos menores se tendrían archivos muy etensos.
COUPLING (Acoplamiento) :
DC.
LP FILTER:
Resulta aconsejable activar este control en ON
50 Ω / 1MΩ:
1 MΩ.
ATT x10:
X1 ATT. Esta opción, hace que la señal de entrada no resulte atenuada.
Por último se ingresa un nombre significativo del instrumento de referencia y el nombre del instrumento a medir.
El programa de medición a utilizar está identificado con el nombre “Adquisición de datos.vi”
2 de 5
PEE65: Agosto 2012
El programa almacena los datos de la medición en la carpeta “C:\Mediciones-HP53132A” en un archivo
“*.csv” cuyo nombre se escribe automáticamente según el siguiente formato:
“Fecha_Hora_Referencia_vs_Inst.aMedir(Gate Time).csv”. De este modo resulta sencillo identificar los
archivos de las mediciones realizadas.
La presentación en pantalla de dicho programa se muestra en la figura 2.
Figura 2 – Programa de control del contador Agilent 53132A.
Una vez configurado el contador, se inicia la medición del instrumento bajo prueba presionando el
botón “EMPEZAR”. La medición finalizará cuando el botón “DETENER” sea presionado. De esta forma
se pueden realizar mediciones durante varios días sin pérdida de datos a causa de factores externos
como pueden ser cortes de la tensión de alimentación de línea. Esto se debe a que el programa guarda
cada valor medido en el archivo, antes de tomar el siguiente.
6.2. Análisis de datos
El archivo “csv” generado por el programa “Adquisición de datos.vi” deberá ser analizado según el procedimiento PO5.
A partir de dicho análisis se obtiene la desviación de Allan σy(τ) para distintos tiempos de promediación (τ). La misma mide la inestabilidad en tiempo del equipo bajo prueba.
6.3. Análisis de incertidumbres
La incertidumbre de medición será expresada en términos de la incertidumbre combinada definida
en la Guía BIPM/ISO para la expresión de incertidumbre de medición.
Para el cálculo de la misma, hay que tomar en cuenta las distintas fuentes de incertidumbre que intervienen en el proceso de calibración, como por ejemplo: las incertidumbres en el tiempo de compuerta y en el nivel de disparo del sistema de medición (en este caso un contador Agilent 53132A), la
incertidumbre debida a la inestabilidad de las señales de tiempo de los osciladores bajo calibración,
etc.
3 de 5
PEE65: Agosto 2012
Para obtener la incertidumbre combinada, las distintas fuentes de incertidumbre deberán ser integradas siguiendo el criterio de la suma cuadrática. Sin embargo, como se menciona en Referencias
punto [1] y [2], cuando se utiliza la varianza de Allan para estimar la estabilidad en frecuencia o tiempo con un número elevado de mediciones (en un día, con un tiempo de promediación τ de 1 segundo
se tienen 86400 mediciones), el valor que entrega la varianza de Allan ya incluye la incertidumbre
asociada a cada medición, es decir, que ya se toma en cuenta la incertidumbre debida al nivel de disparo del contador, al tiempo de compuerta, etc.
Por lo tanto, para la estimación de la incertidumbre combinada para tiempos de promediación que
corresponden al tiempo entre toma de mediciones, no se requiere sumar en cuadratura la varianza de
Allan con la incertidumbre de cada medición, puesto que la varianza de Allan ya la considera. Esto
también es válido para tiempos de promediación mayores que el tiempo entre mediciones.
También es importante destacar que la varianza de Allan obtenida a través de mediciones directas de
frecuencia o de tiempo (como es el caso de este procedimiento), mide la inestabilidad relativa entre el
instrumento bajo calibración y el patrón de referencia del laboratorio, es decir:
𝜎𝑦𝑐 2 (𝜏) = 𝜎𝑦 2 (𝜏) − 𝜎𝑟 2 (𝜏)
En donde σy 2 (τ) es la varianza de Allan calculada a partir de las mediciones de tiempo según el procedimiento PEO5, σr 2 (τ) es la varianza de Allan del reloj de Cesio y σyc 2 (τ) es la varianza de Allan del
instrumento bajo calibración.
6.4. Ejemplo
Como ejemplo se indican los resultados e informe correspondientes a la calibración de la señal de salida de tiempo (1 pps) de un receptor satelital GPS
1 – Estabilidad de la base de tiempo:
τ
[s]
σy (τ)
10
20
40
80
160
320
640
1280
2560
5120
10240
20480
40960
3.63E-07
2.83E-07
2.00E-07
8.78E-08
6.19E-08
2.92E-08
1.54E-08
8.69E-09
4.95E-09
2.72E-09
1.59E-09
1.25E-09
1.12E-09
Tabla 1 – Raíz de la Varianza de Allan en función del tiempo de promediación
4 de 5
PEE65: Agosto 2012
Figura 1 – Estabilidad de la base de tiempo del receptor GPS bajo prueba
Los resultados indicados en el presente ejemplo, corresponden a mediciones realizadas durante 1
hora con tiempos de promediación de 10 segundos.
2 - Tiempo promedio = 0.9999992852 s ± 2 σy (τ)
3 - Desviación fraccional de tiempo  ∆ T 
 T 
 ∆T  = -7,15E-07 ± 2 σ (τ)
y


 T0 
donde :
∆T T − T0
=
T0
T0
T = Señal de salida (1 pps) medido
T0 = Valor nominal
El factor 2 en la desviación de Allan es el factor de cobertura descripto en la Guía BIPM/ISO para la expresión de incertidumbre de las mediciones.
7. Apéndices y anexos
No corresponde
5 de 5