Calibración de contadores y frecuencímetros en baja frecuencia

Copia No Controlada
Instituto Nacional
de Tecnología Industrial
Centro de Desarrollo e Investigación
en Física y Metrología
Procedimiento específico: PEE64
CALIBRACIÓN DE CONTADORES
Y FRECUENCÍMETROS EN
FRECUENCIAS ARBITRARIAS
Revisión: Octubre 2013
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PEE64: Octubre 2013
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Octubre 2013
Calibración de contadores y frecuencímetros en frecuencias arbitrarias
Octubre 2013
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1. Objetivo
Establecer los métodos de calibración para contadores y frecuencímetros que no posean conector de salida
de sus bases de tiempo.
2. Alcance
Este procedimiento es aplicable a toda medición de frecuencia comprendida en el rango de 20 Hz a
2,5 GHz.
3. Definiciones y abreviaturas
Δf/f = Desviación fraccional de frecuencia
σy2 (τ) = Varianza de Allan
σy (τ) = Desviación de Allan
τ = Tiempos de promediación o de compuerta
4. Referencias
J. Mauricio López R., “Guía técnica sobre trazabilidad e incertidumbre en la metrología de tiempo y frecuencia”, Abril 2008.
J. Mauricio López R., “Estimación de incertidumbres en calibración de Osciladores”, Encuentro nacional de
metrología eléctrica, 2007.
W.J.Riley, “Handbook of Frequency Stability Analysis”, NIST Special Publication 1065, Julio 2008.
E. Rubiola, “On the measurement of frequency and of its simple variance with high resolution counters”,
Rev. Sci. Instrum. Vol76, art nº 054703- 2008.
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
El esquema de medición está compuesto por un generador sintetizador de frecuencias marca Agilent
N9310A cuya base de tiempo interna de 10 MHz es reemplazada en froma externa por un oscilador de referencia primaria de cesio marca Symmetricom modelo 5071como indica el siguiente diagrama de conexionado:
Tanto el sintetizador como el equipo bajo prueba (UUT) deberán conectarse a la tensión de alimentación al
menos 24 horas antes de iniciar la calibración al solo efecto de lograr una aclimatación a la temperatura
ambiente del laboratorio.
Las mediciones deberán efectuarse a una temperatura ambiente de 23ºC ± 1ºC y una humedad relativa ambiente de 50% ± 10%, debiéndose registrar ambos valores en la hoja de toma de datos y en el certificado de
calibración.
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Configurar el UUT para permitir lecturas de frecuencias con tiempos de compuerta (Gate) de 10 segundos,
al solo efecto de disponer de un tiempo adecuado para permitir la lectura y registro manual de los distintos valores indicados en el display del instrumento.
Se medirán tres series de diez frecuencias puntuales cada una, cuyos valores serán consensuados con el
cliente, tomando 20 ( veinte ) lecturas por cada una de las frecuencias elegidas con tiempos de promediación (τ) de diez segundos.
Teniendo en cuenta que el UUT no ofrece la posibilidad de acceder externamente a su base de tiempo interna, ni tampoco posee acceso por interfaz alguna, los valores de Estabilidad de frecuenciaσ σ
y (τ) ( incertidumbre asociada) solamente serán informados a modo indicativo. Los mismos se calcularán por aplicación
de la Raíz de la Varianza de Allan, dejando en claro que corresponden a la estabilidad en frecuencia del
oscilador interno mas la electrónica existente entre el mismo y la indicación en display.
6.2. Análisis de datos
Una vez finalizado el proceso de lectura y registro de los datos indicados en el punto anterior, los valores
obtenidos en las tres series mencionadas serán ingresadas a una planilla de cálculo denominada “Registro
manual de frecuencias” especialmente diseñada para este procedimiento.
De la mencionada planilla de cálculo se obtendrán como resultado, los promedios de las frecuencias leídas
y la desviación fraccional de frecuencia ( exactitud ) correspondiente a cada una de ellas en forma automática.
6.3. Ejemplo
A modo de ejemplo se cita la calibración de un frecuencímetro que posee dos rangos de medición seleccionables, a saber:
LOW : 5 Hz a 1 MHz
HIGH : 50 Hz a 100 MHz
De acuerdo con el ítem 6.1, el UUT se configuró para medir frecuencias con tiempos de compuerta (Gate
Time) de 10 segundos. Se midieron diez valores de frecuencias consensuadas con el cliente comprendidas
entre 20 Hz y 100 MHz, tomando 20 valores por frecuencia con tiempos de promediación (τ) de diez segundos.
Teniendo en cuenta que para frecuencias comprendidas entre 20 Hz y 1 kHz, la indicación en el display del
UUT resulta limitada por la resolución del mismo, sólo se consideró la resolución de los dígitos mostrados
y no se reportaron valores de estabilidad de frecuencia en este caso ( Tabla 1)
Valor Nominal
Aplicado
Selector de
Rango de
Frecuencias
20 Hz
100 Hz
1 kHz
LOW
LOW
LOW
Valor Indicado
en display
0,020 kHz
0,100 kHz
1,000 kHz
Tabla 1 – Valores de frecuencia medidos entre 20 Hz y 1 kHz
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Luego, con el resto de los resultados obtenidos, se informaron los promedios de las frecuencias leídas y la
desviación fraccional de frecuencia ( exactitud ) para aquellos valores de frecuencias comprendidos entre
10 kHz y 100 MHz (Tabla 2).
Desviación fraccional
de frecuencia
 ∆f  (2)
 
 f0 
Valor Nominal
Aplicado
Selector de
Rango
de Frecuencias
10 kHz
LOW
10,000
kHz
3.7E-06
100 kHz
LOW
100,001
kHz
7.1E-06
500 kHz
LOW
500,005
kHz
9.1E-06
1 MHz
LOW
1000,010
kHz
9.9E-06
10 MHz
HIGH
10000,042
kHz
4.2E-06
50 MHz
HIGH
50000,041
kHz
8.2E-07
100 MHz
HIGH
100000,109
kHz
1.1E-06
Valor Indicado
en display
(1)
Tabla 2 - Frecuencias promedio leídas y Desviación fraccional de frecuencias
Referencias de la Tabla 2:
(1)
Frecuencia[kHz] = [ Valor indicado * (1 ± 2 σy(τ) ]
(2)
 ∆f

 f0
 promedio = Valor indicado en tabla ± 2 σy(τ)


Donde:
∆f
f0
=
f − f0
f0
( f = frecuencia leída; f 0 = frecuencia patrón )
σy ( τ) = Estabilidad en frecuencia del contador ( Tabla 3)
El factor 2 en la Desviación de Allan es el factor de cobertura descripto en la Guía BIPM/ISO para la expresión de la incertidumbre en las mediciones
Recordando que el equipo no permite el acceso a su base de tiempo interna, ni tampoco posee acceso
por interfaz alguna, en consecuencia solamente a modo indicativo, se podrán informar valores de Estabilidad de frecuencia σ
y() ( in certid u m bre asociada) , calcu lados p or ap licación de laRaíz de la Varianza de Allan, dejando en claro que los mismos corresponden a la estabilidad en frecuencia del oscilador interno mas la electrónica existente entre el mismo y la indicación en display (ver Tabla3).
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σ y(τ)
τ[s]
10 kHz
100 kHz
500 kHz
1 MHz
2.3E-05
5.1E-06
1.3E-06
2.9E-07
1.6E-05
3.5E-06
4.4E-07
2.0E-07
1.2E-05
1.3E-06
3.4E-07
1.2E-07
6.5E-06
7.0E-07
2.3E-07
9.2E-08
160
4.0E-06
4.4E-07
1.1E-07
320
2.4E-06
2.2E-07
5.7E-08
10 MHz
50 MHz
100 MHz
4.1E-06
2.6E-07
1.1E-08
3.4E-06
3.1E-07
4.6E-09
2.5E-06
3.7E-07
3.4E-09
2.2E-06
2.6E-07
2.2E-09
5.1E-08
1.5E-06
1.7E-07
1.7E-09
3.3E-08
6.3E-07
7.2E-08
1.6E-09
Tabla 3 – Estabilidad en frecuencia σ
y (τ) indicativa , calculada por aplicación de la Raíz de la Varianza de Allan en función de la frecuencia leída y el tiempo de promediación τ[s]
6.4. Análisis de incertidumbres
Teniendo en cuenta que el generador posee su base de tiempo conectada como referencia externa al
patrón de cesio y que el mismo es al menos cuatro órdenes de incertidumbre superior al del equipo en
prueba, para el cálculo de la incertidumbre de medición, se deberán considerar solamente la debida al reloj de cesio como incertidumbre tipo B y la debida al equipo bajo prueba como tipo A (estadística y resolución).
El cálculo se especifica en el siguiente budget de incertidumbre ( Tabla 4 ) y está referido como ejemplo a
un contador / frecuencímetro medido a una frecuencia de 60 Hz..
Frecuencia
60 Hz
Símbolo
Ci
ux
Distribución
Factor
vi
Ci2*ux2
Tipo A
Std. Dev.
1
7.66E-09
n
2
20
5.87E-17
Patrón
Patrón
1
1.00E-14
n
2
50
1.00E-28
Res
1
1.00E-06
r
1.7
50
1.00E-12
Fuentes de Incertidumbre
Resolución UUT
Incertidumbre combinada
uc
N (1σ)
Incertidumbre expandida (k=2)
U
N (95%)
0.000001
2
1.23E-08
Tabla 4 – Budget de incertidumbre a 60 Hz.
(1) ci : coeficiente de sensibilidad
(2) Distribución : n: normal; r: rectangular
(3) vi : grados de libertad
7. Apéndices y anexos
No aplicable
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