Y comparación de los resultados

1. Calibración de Cronómetros Ing. Raúl F. Solís B. CENAMEP AIP Y comparación de los resultados

2. Cronómetros • El objetivo de esta presentación es mostrarles 3 diferentes métodos de calibración y, después de ello, poder conversar acerca de una comparación de cronómetros

3. Cronómetros • Que es un cronómetro • Tres ejemplos de métodos de calibración distintos • Comparación de sus resultados

4. Cronómetros • Los cronómetros son instrumentos utilizados para medir el tiempo entre el inicio y final de un evento • Están compuestos por una base de tiempo (regularmente cuarzo), un microcontrolador, botones de control (inicio, parada y modo) y una pantalla • Pueden medir intervalos de tiempo desde 0,01 s (también los hay de 0,001 s) hasta 24 horas

5. Calibración • El objetivo de la calibración es saber siempre el error en registrar el tiempo, y la estabilidad de su oscilador • Tenemos diferentes métodos para conocer estos parámetros, pero siempre el objetivo final es conocer las características de la base de tiempo • El método que se utiliza para realizar la calibración, limita la profundidad con que deseamos conocer las características del oscilador

6. Calibración • Un cronómetro puede calibrarse basados en: • El error de tiempo adquirido en determinado intervalo de tiempo • La frecuencia de oscilación de su base de tiempo • Frecuencia obtenida directamente de su oscilador de cuarzo • La frecuencia obtenida de la frecuencia de actualización de la pantalla

7. Calibración • Los métodos explicados van a ser los siguiente: • Método de calibración manual • Método de video cámara • Método de calibración por frecuencia

8. Calibración • En el método manual, la principal fuente de variabilidad es de parte del metrólogo • Para disminuir el peso de esa variabilidad en la calibración, es necesario no adquirir los datos con tiempos de separación menores a 10 segundos • A causa de la variabilidad introducida por el metrólogo, es necesario extender la duración de la calibración por varios días para conocer realmente el error de tiempo

9. Calibración • El método manual requiere de lo siguiente • El patrón de referencia • Una tarjeta procesadora de tiempo y frecuencia • Computadora y programas de control • La calibración requiere de 3 o más días para registrar el error generado por la base de tiempo

10. Calibración • Los principales factores que limitan la exactitud del método son • Eventos de inicio y parada • La habilidad del metrólogo (agilidad, tiempo de reacción, repetibilidad, etc.) • Resolución del sistema de referencia • Resolución del cronometro

11. Calibración

12. Calibración • Si utilizamos este método para calibrar un cronómetro, podemos obtener lo siguiente: • Día 1, corrimiento = 0.13 s • Día 2, corrimiento = -0.16 s • Día 3, corrimiento = -0.45 s • El error de tiempo en un día es de -0.29 s (-3.36×10-6) • El resultado de la estimación de la incertidumbre de calibración sería 4×10-6

13. Calibración • El método de la video cámara reduce la variabilidad introducida por el metrólogo en el proceso de calibración • Permite la automatización del proceso de calibración (permite más tiempo a los metrólogos para dedicarle a otros trabajos, o a realizar más calibraciones • Necesita un poco más de equipamiento que el método manual, pero tiene una buena razón costo/beneficio su implementación

14. Calibración • Para realizar este método se requiere de lo siguiente: • Una cámara de video con velocidad de captura de 30 FPS o más (entre más FPS mejor se captura la transición de los números) • Computadora y programas de control • El patrón de referencia • Un contador de tiempo de referencia • Dos o más días registrando

15. Calibración

16. Calibración

17. Calibración • Los principales factores que limitan este método de calibración son los siguientes: • El evento de inicio y parada (especialmente para inicializar el conteo) • La resolución del sistema de captura (la capacidad de la cámara para adquirir las imágenes en transiciones de 0.01 ó 0.001 segundos) • La resolución del cronómetro

18. Calibración • Si utilizamos este método para calibrar un cronómetro, podemos obtener lo siguiente: • Día 1, corrimiento = 0.10 s • Día 2, corrimiento = -0.26 s • Día 3, corrimiento = -0.53 s • El error de tiempo en un día es de -0.31 s (-3.65×10-6) • El resultado de la estimación de la incertidumbre de calibración sería 9.3×10-6

19. Calibración • El método de calibración por frecuencia utiliza las señales irradiadas (generalmente pulsantes) por la actualización de la pantalla del cronómetro digital, la cual es proporcional en una división de 2N a la frecuencia de la base de tiempo del cronómetro • En este método, la variabilidad del operador es imperceptible • Como es una medición directa de frecuencia, el tiempo total utilizado para realizar la calibración no es más allá de un par de horas

20. Calibración • Este método de calibración requiere de lo siguiente: • Una caja metálica (pequeña jaula de Faraday) • Una antena • Un circuido acondicionador de la señal (amplificador, filtros, etc) • Un contador de frecuencia • El patrón de referencia • Computadora y programas de control • Mediciones por una hora o más

21. Calibración

22. Calibración • Los principales factores que limitan la exactitud de este método son los siguientes: • La resolución del contador de frecuencia (este es un método me dedición directa de frecuencia de un oscilador de cuarzo) • La estabilidad del patrón de referencia

23. Calibración

24. Calibración • Si utilizamos este método de calibración para calibrar un cronómetro, obtendremos lo siguiente: • El desvío de frecuencia es de -4.693×10-6 • La incertidumbre de calibración es cerca de 3.35×10-7 (usando la AVAR con t = 1 s)

25. Resultados • Método de calibración manual • Desvío de frecuencia = -3.36×10-6 (en 24 horas) • Incertidumbre relativa = 4×10-6 (en 24 horas) • Método de video cámara • Desvío de frecuencia = -3.65×10-6 (en 24 horas) • Incertidumbre relativa = 9.3×10-6 (en 24 horas) • Método de captura de frecuencia • Desvío de frecuencia = -4.693×10-6 (en 1 horas) • Incertidumbre relativa = 3.35×10-7 (en 1 hora)

26. Razones de realizar una comparación • Realizar una comparación de los resultados de los diferentes métodos de calibración permite el conocer las capacidades de calibración del laboratorio con respecto unos a otros • Da confianza al método de calibración empleado • Permite que un nuevo método de calibración desarrollado por el laboratorio sea validado

27. Comparación • La comparación fue propuesta en el encuentro de Tiempo y Frecuencia en Argentina en el 2008 • Inicialmente la comparación fue planeada para 4 laboratorios, pero en la actualidad son cerca de 10 laboratorios los incluidos en la comparación • Por que son diferentes métodos de calibración, se puso de acuerdo de que fuera una comparación abierta a diferentes métodos de calibración • La única restricción es no abrir el cronómetro

28. Comparación • No hay que preocuparse porque este sea un ejercicio oficial, ya que en el área de tiempo y frecuencia las comparaciones necesarias para publicar la CMC son los métodos de vista común • El objetivo de este ejercicio es el conocer las capacidades del laboratorio para calibrar cronómetros

29. Comparación • Hablemos de sus preguntas acerca de cómo se desea llevar este ejercicio • Se deberá pensar en realizar una guía SIM para T&F para realizar calibraciones de cronómetros (y también otros procedimientos para realizar calibraciones de tiempo y frecuencia en la región SIM) que pueda usarse por laboratorios de T&F que estén empezando

30. Stopwatches calibration And a eventual comparison of the results

31. Stopwatches • The objective of this presentation, is to show you 3 different calibration methods and after this, we can talk about the stopwatches comparison

32. Stopwatches • What is a stopwatch • Calibration methods and 3 examples • Results and their comparison

33. Stopwatches • The stopwatches are instruments that can be use to measure the time elapsed between the start and stop event • They are composed of one time base (quartz), one microcontroller, control buttons (start, stop and mode) and one display • They can measure from 0,01 s (or 0,001 s) to 24 h

34. Calibration • The calibration is based on knowing the time error and its stability • We have many different ways to know these parameters, but the main objective is calibrate their time base • The method used can limit the capacity to know these parameters

35. Calibration • One stopwatch can be calibrate by • The time error in a determinate time • The time base frequency • Directly obtained for his quartz oscillator • The frequency obtained by the display refresh

36. Calibration • The 3 method explained are: • Manual calibration method • Video camera method • Frequency calibration method

37. Calibration • In the manual method, the main source of variability is the human reaction time of the metrologist • To lower this variability, we need to take the data with times no lower than 10 seconds • Because of the variability introduced by the operator, is necessary to extend the duration of the calibration for many days to know the true time error

38. Calibration • The manual method require • Your standard • Time & frequency processing card • Computer and control software • The calibration can require 3 or more days to register the time error generated from the time base

39. Calibration • The main factors that limit the accuracy of the method are: • Start / Stop event • Operator ability (reaction, repeatability, etc.) • Resolution of the system • Resolution of the chronometer

40. Calibration

41. Calibration • If we used this method to calibrate an stopwatch, we obtain this: • Day 1, offset = 0.13 s • Day 2, offset = -0.16 s • Day 3, offset = -0.45 s • The time error in one day is -0.29 s (-3.36×10-6) • The uncertainty of this calibration is 4×10-6

42. Calibration • The video camera method reduces the variability from the operator in the calibration and the uncertainty • Permit the automation of the calibration (more time to the metrologist to dedicate to other works, no only calibrations, or maybe, more calibrations…) • Need a little more equipment, but this method has a good cost/benefit ratio

43. Calibration • This method required: • Video cam with 30 fps or more • Computer and control software • Reference standard • Reference time counter • 2 or more days of data collection

44. Calibration

45. Calibration

46. Calibration • The main factors that limit the accuracy of the method are: • Start or Stop event (the initialization of the count) • Resolution of the system (the capacity of the camera to acquire the images in 0.01 or 0.001 seconds) • Resolution of the stopwatch

47. Calibration • If we used this method to calibrate an chronometer, we obtain this: • Day 1, offset = 0.10 s • Day 2, offset = -0.26 s • Day 3, offset = -0.53 s • The time error in one day is -0.31 s (-3.65×10-6) • The uncertainty of this calibration is 9.3×10-7

48. Calibration • The frequency calibration use the signals generated by the refresh of the display of the digital stopwatch to obtain the frequency based in the frequency generated by the time base • In this method, the variability from the operator is almost null • Because this is an direct frequency measurement, the total time used to make the calibration is no more that a couple of hour

49. Calibration • This calibration method required: • A little Faraday cage • Antenna • Amplifier circuit • Frequency counter • Your standard • Computer and control software • Measurements for one hour or more

50. Calibration