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
fjimenez@cenam mxfjimenez@cenam mx
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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.
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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
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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
5.5. ResultadosResultados
6.6. ReferenciasReferencias
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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.
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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
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INTRODUCCIÓNContinuación…
Local / Directo de frecuencia
Métodos de medición de osciladoresContinuación…
PC Interfasede
Comunicación
Local / Directo de frecuencia
Adquisición de datos automatizado
P t ó d f iP t ó d f i
Instrumento bajo
Instrumento bajo
FrecuencímetroFrecuencímetro Patrón de referencia Patrón de referencia calibracióncalibraciónFrecuencímetroFrecuencímetro
Frecuencia Bajo
Calibración
Frecuencia Patrón para amarrar en
frecuencia al frecuencímetro
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Calibraciónfrecuencímetro
INTRODUCCIÓNContinuación…
Métodos de medición de osciladoresContinuación…
MEDICIONES DE FRECUENCIAMEDICIONES DE FRECUENCIA FIGURA 1 (04-2003F.DAT)
4999999.516
4999999.514
4999999.515
4999999.512
4999999.513
FRE
CUEN
CIA
(Hz)
4999999.510
4999999.511
4999999.5090 3600 7200 10800 14400 18000 21600 25200 28800 32400 36000
DATOS (10horasdemedición con τ=1s)
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INTRODUCCIÓNContinuación…
Local / Directo de dif de tiempo
Métodos de medición de osciladoresContinuación…
PC Interfasede
Comunicación
Frecuencia Patrón
Local / Directo de dif. de tiempo
Adquisición de datos automatizado
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
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Calibraciónpara la calibración
INTRODUCCIÓNContinuación…
MEDICIONES DE DIFERENCIA DE FASE
Métodos de medición de osciladoresContinuación…
150
200
50
100
grad
os
50
0
RE
NC
IA D
E F
AS
E /g
-100
-50
DIF
ER
-200
-150
0 20 40 60 80 100 120
DATOS t 1S)
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DATOS t=1S)
INTRODUCCIÓNContinuación…
Local / Dif de frecuencias con mezclador
Métodos de medición de osciladoresContinuación…
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 −+−
PC
AmpPatrón para amarrar en
frecuencia el Contador
Contador de Frecuencias
Interfase de comunicación
PC
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Adquisición de datos automatizado
INTRODUCCIÓNContinuación…
OSCILADOR DE OSCILADOR BAJO OSCILADOR
Métodos de medición de osciladoresContinuación…
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 −+−
AMP
CONTADOR DE
AMP
500 Hz ~500 Hz
CONTADOR DE INTERVALOS DE TIEMPO
φφφφφ −−−=∆ )()(PC
MEDICIONES DE DIFERENCIA DE FASE
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
0 20 40 60 80 100 120
DATOS t=1S) ctcr
ctcr
φφφφφφφφφφφ
−=+−−=
∆ )()(
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Adquisición de datos automatizado
tr φφ=
CONTENIDOCONTENIDO
1.1. IntroducciónIntroducción
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
5.5. ResultadosResultados
6.6. ReferenciasReferencias
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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”
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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
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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)
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B-A ( ) B-S ( ) A-S ( ) ( B( ) GPS( )) ( A( ) GPS( )) ( B A) B ( ) A ( ) ( B A)
CONTENIDOCONTENIDO
1.1. IntroducciónIntroducción
22 Método de medición remotoMétodo de medición remoto2.2. Método de medición remotoMétodo de medición remoto
3.3. EquipamientoEquipamiento4.4. Operación del sistema de mediciónOperación del sistema de medición
5.5. ResultadosResultados
6.6. ReferenciasReferencias
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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
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EQUIPAMIENTOContinuación…
Receptor GPS-RT-R
Receptor GPS-RT-RReceptor GPS RT R.
En la imagen se aprecia la unidad de medición, monitor y teclado
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EQUIPAMIENTOContinuación…
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.
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EQUIPAMIENTOContinuación…
Receptor GPS-RT-RContinuación…
Unidad central
7.5 cm
Unidad central
43.5 cm
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.
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EQUIPAMIENTOContinuación…
Receptor GPS-RT-RContinuación…
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.
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EQUIPAMIENTOContinuación…
Receptor GPS-RT-RContinuación…
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).
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EQUIPAMIENTOContinuación…
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.
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Vista posterior
EQUIPAMIENTOContinuación…
Conexión entre equipos
GPS RT RGPS-RT-RSITE 1
1 PP
S
RedIP
GPS-RT-RSITE 2
z IP
G1PPS-7 Reloj A5 MHz1 PP
S
5 M
Hz
Hz
IP
G1PPS-8 Reloj B5 MHz
5 M
H
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EQUIPAMIENTOContinuación…
Software de mediciones
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EQUIPAMIENTOContinuación…
Software de transferencia de archivos del GPS-RT-R al servidor
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EQUIPAMIENTOContinuación…
Software de transferencia de archivos del GPS-RT-R al servidorContinuación…
Ejemplo de archivo de medicionesEjemplo de archivo de mediciones
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EQUIPAMIENTOContinuación…
Software de consulta al servidor
Laboratorio
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EQUIPAMIENTOContinuación…
Software de consulta al servidorContinuación…
Matriz de resultados de medición en tiempo realMatriz de resultados de medición en tiempo real
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EQUIPAMIENTOContinuación…
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EQUIPAMIENTOContinuación…
Software de consulta al servidorContinuación…
Gráfico de resultados de mediciónGráfico de resultados de medición
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CONTENIDOCONTENIDO
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 medición5.5. ResultadosResultados
6.6. ReferenciasReferencias
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OPERACIÓN DEL SISTEMA
El sistema ha sido diseñado con la capacidad de comparar múltiples osciladores remotos entre ellos.remotos entre ellos.
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OPERACIÓN DEL SISTEMAContinuación…
Trazabilidad
Sitio 1
Sitio 9Sitio 3
Sitio 4Sitio 8
Sitio 7
Sitio 5
Sitio 6
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OPERACIÓN DEL SISTEMAContinuación…
TrazabilidadContinuación…
CRL NPL
ASIAEUROPANORTEAMERICA
OR
IO
TO
AMC
USNO
NIST
NPL
PTB
DTAG
SMU
IFAG
CH
NMCNTSC
CRL
KRIS
USNO
SCL
AB
OR
ATO
RE
MO
T
CNM
NMC
UME
ROA VSL NIMB IEN CAO IPQ OMH
TL
SG
NMLSNIMT
LA
TCC IGMA ONRJ
ONBA
CSIR AUS
MSL
AMERICA DEL SUR AFRICA OCEANIA
Red de intercomparaciones del BIPM
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CONTENIDOCONTENIDO
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. ResultadosResultados6.6. ReferenciasReferencias
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RESULTADOS
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RESULTADOSContinuación…
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RESULTADOSContinuación…
50 días de medición
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RESULTADOSContinuación…
Estabilidad en frecuencia, varianza de Allan a 50 días
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RESULTADOSContinuación…
Gráfico de resultados de medición para tiempo de promediación de 1 día
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RESULTADOSContinuación…
Resultados de medición para tiempo de promediación de 1 hora
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RESULTADOSContinuación…
Resultados de medición para tiempo de promediación de 10 minutos
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RESULTADOSContinuación…
Comparación entre relojes
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OPERACIÓN DEL SISTEMAContinuación…
TrazabilidadContinuación…
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CONTENIDOCONTENIDO
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
f if i6.6. ReferenciasReferencias
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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
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691-698, August 2005
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fjimenez@cenam [email protected]
G i !G i !¡Gracias!¡Gracias!
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