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V SIMPOSIO DE METROLOGÍA EN EL PERÚ

CALIBRACIÓN DE TACÓMETROS ÓPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA GENERADOR DE

PULSOS DE LUZ

Henry DíazResponsable del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia

SNM-INDECOPI20 de mayo del 2014

CALIBRACIÓN DE TACÓMETROS ÓPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA GENERADOR DE PULSOS DE LUZ

Trazabilidad del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia

En el Laboratorio de Tiempo y Frecuencia del SNM se distribuye una señal de5 MHz proporcionada por nuestro oscilador de Cesio Symmetricom 5071A.Este patrón pertenece a la red virtual “SIM Time Network” [3-4], la cual es unared de comparaciones continuas de diversos osciladores patrones de paísesdel SIM. Gracias a esta herramienta obtenemos trazabilidad válida al UTC através de NIST, CENAM, NRC (institutos que participan en el “SIM TimeNetwork” y que también contribuyen al mantenimiento del UTC).


Tacómetro Óptico

Utiliza una fuente de luz que apunta hacia el objeto en rotación, en donde seha colocado una cinta reflejante para que emita pulsos de luz hacia elfotosensor del tacómetro, este sensor genera señales eléctricas internas cadavez que recibe un pulso (cuando completa un ciclo de rotación), dichasseñales son enviadas a su contador interno, el cual desplegará en el indicadordel tacómetro la lectura correspondiente de la frecuencia medida (en rpm).


Calibración de Tacómetros Ópticos

Usualmente se realiza por el método de comparación directa del tacómetro acalibrar con un tacómetro calibrado, utilizando un sistema de mediciónconformado por un sistema de rotación mecánico o por medio de unalámpara estroboscópica.

Este método se implementa con poco equipamiento reportando unaincertidumbre de medición alta debido al patrón utilizado y a la estabilidad delsistema de medición.


Método de Calibración Planteado

Desarrollar un sistema generador de pulsos de luz, el cual genera pulsos deluz periódicos hacia el fotosensor del tacómetro, de tal manera que eltacómetro 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.


Generación de Pulsos de Luz

Por medio de un generador de frecuencias y un circuito emisor de pulsosde 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 depulsos de luz a la misma frecuencia de la señal generada, está conformadopor un circuito de acondicionamiento y un diodo emisor de luz.

El circuito de acondicionamiento se compone de un transistor y una resistencialimitadora de corriente. El transistor actúa como un interruptor de rápidarespuesta hacia el diodo emisor de luz, convirtiendo los pulsos eléctricos enpulsos de luz.


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.

CIRCUITO DE

ACONDICIONAMIENTO

DIODO EMISOR

DE LUZ

Salida de pulsos de

Luz

Señal del generador

de frecuencias


Sistema Generador de Pulsos de Luz del SNM

Conformado por un generador de frecuencias Tektronix AFG3102 y un circuitoemisor de pulsos de luz. El generador de frecuencias se encuentra conectadoa 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

Diodo emisor de luz

Generador de Frecuencias

Circuito emisor de pulsos de luz


Caracterización del Ruido del Sistema Generador de Pulsos de Luz

Para evaluar el ruido del sistema de medida y su desempeño continuo esnecesario contar con un circuito de verificación simulando ser el tacómetro acalibrar, de tal manera que detecte y regenere la señal periódica del sistemagenerador de pulsos de luz.

El circuito de verificación está conformado por un sistema de recepción depulsos de luz, compuesto por un fototransistor para convertir los pulsos de luzen una señal de corriente; y un circuito para el acondicionamiento yregeneración de señal, compuesto por una resistencia y un comparador paraeliminar las señales no deseadas.

Luego esta señal será medida con un contador de frecuencias, verificando asísu funcionamiento y su inmunidad contra influencias externas.


Caracterización del Ruido del Sistema Generador de Pulsos de Luz

En conclusión, el circuito de verificación regenera la señal de ensayo en unaseñal de forma de onda cuadrada.

Figura 4. Diagrama de bloques del circuito de verificación.

RECEPCIÓN DE PULSOS DE LUZ

CIRCUITO DE

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL Señal de

ensayo

Pulsos de luz


Nota:La calibración de lámparas estroboscópicas se puede realizar utilizando un circuitosimilar al circuito de verificación por medio de un sistema de medición de frecuencias.

Figura 5. Foto del sistema de medición de frecuencias.

Estroboscopio a calibrar

Fuente de alimentación

Contador de Frecuencias

Circuito receptor de impulsos de luz

Osciloscopio


Proceso de Calibración

Esperar un tiempo prudente para la estabilización de los equipos no menor a1 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 deltacómetro entre 2 cm a 5 cm del sistema generador de pulsos de luz.

Seleccionar en el generador de frecuencias el valor de la frecuencia aensayar con una amplitud entre 1,5 V a 2 V, activar la función pulso en modocontinuo con un duty cycle al 50%. Finalmente activar la señal de salida delgenerador de frecuencias para realizar los ensayos.


Determinación del Error del Tacómetro

El error de la calibración del instrumento a calibrar se obtiene de:

(1)

Donde: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 latemperatura.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.

patcaltempbasepattemprescal LLCCLCCLEpc

calLresC

ctempC

patL

baseC

ptempC


Incertidumbre de medición

La asignación y expresión de incertidumbres se realizará siguiendo loscriterios de la GUM [7] y EA–4/02 [8]:

(2)

Donde:Incertidumbre combinada del error del instrumento a calibrar.Incertidumbre por diferencias de lectura entre el instrumento acalibrar y el instrumento patrón.Incertidumbre debida a la resolución del instrumento a calibrar.Incertidumbre debida a la influencia de la temperatura sobre elinstrumento a calibrar.Incertidumbre debido a la base de tiempo del instrumento patrón.Incertidumbre debida a la influencia de la temperatura en elinstrumento patrón.

)()()()()()( 225

224

223

222

221

2pc tempbasetempres CucCucCucLuceucEu

)(Eu)(eu

)( resCu)(

ctempCu

)( baseCu)(

ptempCu


Resultados de la Caracterización del Ruido del Sistema Generador dePulsos de Luz

Con el generador de frecuencias se aplica una señal de ensayo en modopulso de 100 Hz con una amplitud de 2 V al circuito emisor de pulsos de luz, laseñal es capturada y regenerada por el circuito de verificación. Entonces laseñal es medida con un contador de frecuencias Fluke PM6690, verificandoasí su funcionamiento y su inmunidad contra influencias externas.

Se cuenta con un historial de más de 2 años de datos realizandocontinuamente la caracterización del ruido del sistema generador de pulsos deluz, por lo cual hemos podido comprobar que su aporte de incertidumbre esmenor o igual que 0,1 µHz/Hz, el cual es un valor que no afecta en lamedición ya que es 1000 veces menor que el error máximo permisible de untacómetro óptico considerada actualmente en el orden de 100 µHz/Hz(0,01%).


Resultados de la Caracterización del Ruido del Sistema Generador dePulsos de Luz

Figura 6. Caracterización del ruido del sistema generador de pulsos de luz en términos de la raíz de la varianza de Allan.


Comentarios

En la Figura 6 se muestra la estabilidad obtenida en la caracterización delruido del sistema generador de pulsos de luz en términos de la raíz de lavarianza de Allan [2] usando el software AMTyF [5], obteniendo un valoralrededor de 0,01 µHz/Hz (1 x 10-8 Hz/Hz). Tener en cuenta que la raíz de lavarianza de Allan incluye la incertidumbre asociada a cada medición individualincluyendo las componentes más importantes de la incertidumbre total.

Conclusión

Este trabajo muestra que es posible calibrar tacómetros ópticos utilizando unsistema generador de pulsos de luz con una incertidumbre de medición menoro igual que 0,1 µHz/Hz.


Referencias

[1] C. S. Veldman. Calibration of Tachometers. National Metrology Laboratory. CSIR,PO Box 395, Pretoria 0001.

[2] CENAM – ema. Guía técnica sobre trazabilidad e incertidumbre en la metrología detiempo y frecuencia. México. Abril 2008. Revisión 01.http://www.cenam.mx/publicaciones/gratuitas/.

[3] The SIM Time Network. Journal of Research of the National Institute of Standardsand Technology (NIST). Volume 116, Number 2, March-April 2011.

[4] SIM Time Network. This page allows you to view the results of time and frequencycomparisons between members of the Interamerican Metrology System (SIM)http://gps.nist.gov/scripts/sim_rx_grid.exe.


Referencias

[5] Francisco Jiménez. CENAM - Tiempo y Frecuencia. AMTyF Análisis de Medicionesde Tiempo y Frecuencia. Desarrollo de un software para el cálculo de la varianza deAllan y análisis gráfico de mediciones de tiempo y frecuencia. Encuentro Nacional deMetrología Eléctrica 2005. http://www.cenam.mx/dme/pdf/PRE-An%C3%A1lisis%20de%20Mediciones%20de%20Tiempo%20y%20Frecuencia.pdf.

[6] Francisco J. Jiménez Tapia. CENAM. AMTyF Software (Analisis de Mediciones deTiempo y Frecuencia). Descarga del software en la página web SIM Time and FrequencyMetrology Working Group. http://tf.nist.gov/sim/papers.htm.

[7] EA–4/02 Expression of the uncertainty of measurement in calibrations. Europeancooperation for accreditation (EA). December 1999.

[8] Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM). ISO 1995.


Agradecimientos

Agradecemos al “SIM Timeand Frequency MetrologyWorking Group” por susdiversos aportes y constanteapoyo en la realización de estetrabajo, en especial al CentroNacional de Metrología dePanamá (CENAMEP).

Contacto:

Henry Dí[email protected]

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