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Calibración de osciladores remotos de altaCalibración de osciladores remotos de alta exactitud con resultados en tiempo real

Ing. Francisco J. Jiménez TapiaIng. Francisco J. Jiménez TapiaCentro Nacional de MetrologíaCentro Nacional de Metrología

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NOTA 1. Este trabajo ha sido desarrollado con recursos del gobierno federal de México. Sólo se permite su reproducción sin finesde lucro y haciendo referencia a la fuente

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NOTA 2. En este documento pueden aparecer marcas comerciales únicamente con fines didácticos y a fin de lograr unentendimiento claro de las técnicas y procesos descritos. En ningún caso esta identificación implica recomendación o aval delCENAM o de alguna otra institución del gobierno federal de México, ni tampoco implica que los equipos o materiales identificadossean necesariamente los mejores para el propósito para el que son usados El CENAM y las demás instituciones no tienensean necesariamente los mejores para el propósito para el que son usados. El CENAM y las demás instituciones no tienencompromisos con ninguna marca comercial en particular.

CONTENIDO

1.1. IntroducciónIntroducción

22 Método de medición remotoMétodo de medición remoto2.2. Método de medición remotoMétodo de medición remoto

3.3. EquipamientoEquipamiento

44 O ió d l i t d di ióO ió d l i t d di ió4.4. Operación del sistema de mediciónOperación del sistema de medición

5.5. ResultadosResultados

66 R f iR f i6.6. ReferenciasReferencias

CONTENIDOCONTENIDO

1.1. IntroducciónIntroducción22 Mé d d di ióMé d d di ió2.2. Método de medición remotoMétodo de medición remoto

3.3. Equipamiento Equipamiento

4.4. Operación del sistema de mediciónOperación del sistema de medición

6.6. ReferenciasReferencias

INTRODUCCIÓN

Métodos de medición de osciladores

Las características metrológicas que interesan en un oscilador, desde el punto de vista de la metrología de tiempo y frecuencia son: la desviación de frecuencia del oscilador y

t bilid d (i tid b )su estabilidad (incertidumbre).

La determinación de estos parámetros se realiza a partir de un conjunto grande de mediciones, típicamente del orden de horas para osciladores de cuarzo; y paramediciones, típicamente del orden de horas para osciladores de cuarzo; y para osciladores de alta exactitud, como son los relojes atómicos, el periodo de medición típico es de días.

Para efectuar las mediciones, existen algunos métodos que se eligen de acuerdo al valor de la desviación de frecuencia y la estabilidad que presente. Básicamente esto depende del tipo de oscilador, a saber: oscilador de cuarzo, oscilador de cuarzo horneado u oscilador atómicohorneado u oscilador atómico.

INTRODUCCIÓNContinuación…

Métodos de medición de osciladoresContinuación…

Los métodos de medición más usados en la metrología de tiempo y frecuencia son en el dominio del tiempo, y los podemos clasificar como aquellos que se implementan localmente y aquellos que se implementan remotamente.localmente y aquellos que se implementan remotamente.

Métodos Locales

Mét d d di ió di t d f iMétodo de medición directo de frecuenciaMétodo de medición directo de diferencia de tiempoMétodo de medición de diferencia de frecuencias con mezcladorMétodo de medición de diferencia de fase con mezclador dualMétodo de medición de diferencia de fase con mezclador dual

Métodos Remotos

Vi t ú d l GPSVista común del GPS

Local / Directo de frecuencia

PC Interfasede

Comunicación

Local / Directo de frecuencia

Adquisición de datos automatizado

P t ó d f iP t ó d f i

Instrumento bajo

FrecuencímetroFrecuencímetro Patrón de referencia Patrón de referencia calibracióncalibraciónFrecuencímetroFrecuencímetro

Frecuencia Bajo

Calibración

Frecuencia Patrón para amarrar en

frecuencia al frecuencímetro

Calibraciónfrecuencímetro

MEDICIONES DE FRECUENCIAMEDICIONES DE FRECUENCIA FIGURA 1 (04-2003F.DAT)

4999999.516

4999999.514

4999999.515

4999999.512

4999999.513

4999999.510

4999999.511

4999999.5090 3600 7200 10800 14400 18000 21600 25200 28800 32400 36000

DATOS (10horasdemedición con τ=1s)

Local / Directo de dif de tiempo

PC Interfasede

Comunicación

Frecuencia Patrón

Local / Directo de dif. de tiempo

Frecuencia Patrón para amarrar en

frecuencia al contador

P t ó d f iP t ó d f i

Instrumento bajo

Instrumento bajo Contador de

Patrón de referencia Patrón de referencia calibracióncalibraciónIntervalosde Tiempo

Frecuencia Bajo

C lib ióFrecuencia Patrón para la calibración

Calibraciónpara la calibración

MEDICIONES DE DIFERENCIA DE FASE

0 20 40 60 80 100 120

DATOS t 1S)

DATOS t=1S)

Local / Dif de frecuencias con mezclador

Local / Dif. de frecuencias con mezclador

OSCILADOR DE REFERENCIA

OSCILADOR BAJO PRUEBA

Filtro Pasa Bajos

)( rrr tsenV φω + )( ttt tsenV φω +

Frecuencia Patrón para

)cos(2 trtr

tr ttVV φφωω −+−

AmpPatrón para amarrar en

frecuencia el Contador

Contador de Frecuencias

Interfase de comunicación

OSCILADOR DE OSCILADOR BAJO OSCILADOR

Local / Dif. de tiempo con mezclador dual

)( 0φω +tsenV rr

OSCILADOR DE REFERENCIA

OSCILADOR BAJO PRUEBA

OSCILADOR COMÚN

FILTRO PASA FILTRO PASA )( ttt tsenV φω +)( ccc tsenV φω +

10 000 000 Hz 9 999 500 Hz ~10 000 000 HzFILTRO PASA BAJAS

FILTRO PASA BAJAS

AMP AMP

10 000 000 Hz

)cos(2 crcr

cr ttVV φφωω −+− )cos(2 ctct

ct ttVV φφωω −+−

CONTADOR DE

500 Hz ~500 Hz

CONTADOR DE INTERVALOS DE TIEMPO

φφφφφ −−−=∆ )()(PC

MEDICIONES DE DIFERENCIA DE FASE

0 20 40 60 80 100 120

DATOS t=1S) ctcr

φφφφφφφφφφφ

−=+−−=

∆ )()(

tr φφ=

CONTENIDOCONTENIDO

22 Mét d d di ió tMét d d di ió t2.2. Método de medición remotoMétodo de medición remoto3.3. Equipamiento Equipamiento

4.4. Operación del sistema de mediciónOperación del sistema de medición

MÉTODO DE MEDICIÓN REMOTO

Existen infinidad de procesos de producción en los cuales intervienen osciladores que l t l d l d t íd d l tpor la naturaleza del proceso no pueden ser sustraídos del proceso para que estos

sean calibrados. En estos casos se emplea una técnica de medición conocida como “Vista Común del GPS”

MÉTODO DE MEDICIÓN REMOTOContinuación…

Vista común del GPS

Reloj AReloj AReloj B Receptor GPS-A

y sistema de Receptor GPS-B medición A

py sistema de medición B

MÉTODO DE MEDICIÓN REMOTOContinuación…

Vista Común del GPSContinuación…

∆t (t) t (t) t (t) D∆tA-S(t)= tA (t) – tGPS (t) – DA

∆tB-S(t)= tB (t) – tGPS (t) – DB

∆tB-A (t)= ∆tB-S (t) – ∆tA-S (t) = (tB(t) – tGPS(t)) – (tA(t) – tGPS(t)) – (DB – DA) = tB (t) – tA (t) – (DB – DA)

B-A ( ) B-S ( ) A-S ( ) ( B( ) GPS( )) ( A( ) GPS( )) ( B A) B ( ) A ( ) ( B A)

CONTENIDOCONTENIDO

3.3. EquipamientoEquipamiento4.4. Operación del sistema de mediciónOperación del sistema de medición

EQUIPAMIENTO

En un proyecto de colaboración tecnológico entre el NIST y el CENAM, se ha desarrollado el sistema que permite implementar el método de Vista Común del GPS en tiempo real.

El sistema consta de:

R t GPS RT RReceptor GPS-RT-RServidorSoftware de medicionesSoftware de envío de medicionesSoftware de envío de medicionesSoftware de consultaConexión permanente a Internet

EQUIPAMIENTOContinuación…

Receptor GPS-RT-R

Receptor GPS-RT-RReceptor GPS RT R.

En la imagen se aprecia la unidad de medición, monitor y teclado

Receptor GPS-RT-RContinuación…

Unidad centralUnidad central

Parte trasera de la unidad central de medición del receptor GPS-RT-R. La unidadcentral de medición está provista con un conector para el cable de la antena GPS,dos conectores tipo BNC (para señal de 5 MHz de reloj de Cesio y para señal

i t d l d d 1 l d ) C t bl d itproveniente del generador de 1 pulso por segundo). Conector para cable de monitor.Conector para cable de teclado. Entrada de alimentación (120 VAC, 0.6 A). ConectorRJ45 para red.

Unidad central

7.5 cm

Unidad central

43.5 cm

Peso de la unidad central de medición del receptor GPS-RT-R (presentada en la fotografía) < 12 Kg

El diseño de la unidad central de medición del receptor GPS-RT-R permite que ésta pueda ser montada en un rack de 19 pulgadas. En la imagen de la derecha se muestran las dimensiones de ésta.

TecladoTeclado

El teclado del receptor GPS-RT-R viene montado en un soporte (el cualpuede ser montado en un rack de 19 pulgadas) que permite desplazarlopuede ser montado en un rack de 19 pulgadas) que permite desplazarlopara su fácil uso. Así mismo el soporte permite colocar el teclado dentrodel rack para ahorro de espacio.

Antena

La antena debe ser instalada en una posición fija con vista a cielo abierto evitandoobjetos alrededor que obstruyan visibilidad. La antena es conectada al GPS-RT-Rpor medio de un cable coaxial (provisto con el equipo). El cable de la antena GPS

Antena

por medio de un cable coaxial (provisto con el equipo). El cable de la antena GPSpuede estar expuesto al medio ambiente (exterior e interior).

Marca: DELL

Servidor

frente

Modelo: Poweredge 850

4.2 cm

frente

Vista frontal

39.5 cm55.6 cm

El id d t dEl servidor puede ser montado en un rack de 19 pulgadas. Peso <12 kg. Consumo de energía: 350 W. La información procesada por el servidor

Vista lateral

Vista posterior

información procesada por el servidor para efectos de la comparación entre relojes de Cs puede ser consultada vía web.

Vista posterior

Conexión entre equipos

GPS RT RGPS-RT-RSITE 1

GPS-RT-RSITE 2

G1PPS-7 Reloj A5 MHz1 PP

G1PPS-8 Reloj B5 MHz

Software de mediciones

Software de transferencia de archivos del GPS-RT-R al servidor

Software de transferencia de archivos del GPS-RT-R al servidorContinuación…

Ejemplo de archivo de medicionesEjemplo de archivo de mediciones

Software de consulta al servidor

Laboratorio

Software de consulta al servidorContinuación…

Matriz de resultados de medición en tiempo realMatriz de resultados de medición en tiempo real

Software de consulta al servidorContinuación…

Gráfico de resultados de mediciónGráfico de resultados de medición

CONTENIDOCONTENIDO

44 O ió d l i t d di ióO ió d l i t d di ió4.4. Operación del sistema de mediciónOperación del sistema de medición5.5. ResultadosResultados

OPERACIÓN DEL SISTEMA

El sistema ha sido diseñado con la capacidad de comparar múltiples osciladores remotos entre ellos.remotos entre ellos.

OPERACIÓN DEL SISTEMAContinuación…

Trazabilidad

Sitio 1

Sitio 9Sitio 3

Sitio 4Sitio 8

Sitio 7

Sitio 5

Sitio 6

TrazabilidadContinuación…

CRL NPL

ASIAEUROPANORTEAMERICA

NMCNTSC

ROA VSL NIMB IEN CAO IPQ OMH

NMLSNIMT

TCC IGMA ONRJ

CSIR AUS

AMERICA DEL SUR AFRICA OCEANIA

Red de intercomparaciones del BIPM

CONTENIDOCONTENIDO

5.5. ResultadosResultados6.6. ReferenciasReferencias

RESULTADOS

RESULTADOSContinuación…

50 días de medición

Estabilidad en frecuencia, varianza de Allan a 50 días

Gráfico de resultados de medición para tiempo de promediación de 1 día

Resultados de medición para tiempo de promediación de 1 hora

Resultados de medición para tiempo de promediación de 10 minutos

Comparación entre relojes

TrazabilidadContinuación…

CONTENIDOCONTENIDO

f if i6.6. ReferenciasReferencias

REFERENCIAS

M. A. Lombardi, “The SIM Time Network and its Contributions to Metrology in the Americas,” Metrologist: NCSLI Worldwide News, pp. 16-21, April 2009.

M.A. Lombardi, A.N. Novick, J.M. López-Romero, F. Jimenez, J.S. Boulanger, R. Pelletier, R. de Carvalho, R. Solis, C. Donado, H. Sanchez, C.A. Quevedo, G. Pascoe, and D. Perez, “The SIM Time and Frequency Network,” INFOSIM: Informative Bulletin of the Interamerican Metrology System - OAS, pp. 15-25, December 2008.

J M López-Romero M A Lombardi A N Novick J-S Boulanger R de Carvalho R Solis and F JimenezJ. M. López-Romero, M. A. Lombardi, A. N. Novick, J-S. Boulanger, R. de Carvalho, R. Solis, and F. Jimenez, 2008, “The SIM Network: Improved Time Coordination for North, Central, and South America,” Proceedings of the 22nd European Frequency and Time Forum (EFTF), 9 pages, April 2008.

M. A. Lombardi, V. S. Zhang, and R. de Carvalho, “Long Baseline Comparisons of the Brazilian National Time S l t UTC(NIST) U i N R l Ti d P t P d S l ti ” P di f th 39th A lScale to UTC(NIST) Using Near Real-Time and Post-Processed Solutions,” Proceedings of the 39th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, pp. 415-426, November 2007.

M. A. Lombardi, A. N. Novick, J. M. López-Romero, J-S. Boulanger, R. Pelletier, and C. Donado, “Time Coordination Throughout the Americas via the SIM Common-View GPS Network,” Proceedings of the 38th g gAnnual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, pp. 427-437, December 2006

J. M. López-Romero, M. A. Lombardi, A. N. Novick, J.-S. Boulanger, R. Pelletier, and C. Donado, “SIM Time and Frequency Comparison Network in Near Real Time,” Proceedings of the 2006 Simposio de Metrologia, Querétaro, Mexico 5 pages October 2006Mexico, 5 pages, October 2006.

M. A. Lombardi, A. N. Novick, J. M. López-Romero, J. S. Boulanger, and R. Pelletier, "The InteramericanMetrology System (SIM) Common-View GPS Comparison Network," Proceedings of the Joint 2005 IEEE Frequency Control Symposium and Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, pp. 691 698 A t 2005

691-698, August 2005

Calibración de osciladores remotos de altaCalibración de osciladores remotos de alta exactitud con resultados en tiempo real

Ing. Francisco J. Jiménez TapiaCentro Nacional de Metrología

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