III SIMPOSIO DE METROLOGIA EN EL PERU CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Henry Díaz Responsable del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia SNM-INDECOPI 18 de mayo del 2012

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Conceptos previos Base de tiempo Señal eléctrica de referencia a partir de la cual se pueden realizar mediciones de intervalos de tiempo o frecuencia. Usualmente se utilizan señales con frecuencias de 5 MHz o 10 MHz.

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Conceptos previos Tacómetro Dispositivo capaz de medir la frecuencia de rotación en sistema mecánicos (en rpm o rps). Acople óptico Dispositivo electrónico capaz de detectar una señal de luz y transformarla en una señal eléctrica.

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Conceptos previos Tacómetro de no contacto (óptico) Es aquel que posee algún tipo de sistema óptico-electrónico que le permite medir la frecuencia de la señal mecánica bajo observación en una señal eléctrica. Para realizar la medición utiliza una fuente de luz que apunta hacia el objeto en rotación.

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Generación de frecuencia Esta se realiza utilizando un generador de frecuencias, en donde no intervienen aditamentos para cambiar de manera voluntaria el valor de la frecuencia. El equipo puede estar conectado por referencia externa a la frecuencia patrón del laboratorio para mejorar su base de tiempo. PATRÓN DE FRECUENCIA 5 MHz ó 10 MHz

GENERADOR DE FRECUENCIA

Comandado a la frecuencia patrón del laboratorio

Señal del Generador

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Circuito emisor La señal periódica cuya frecuencia será medida por el tacómetro será proporcionada por un generador de frecuencias, el cual se conecta a un circuito capaz de encender y apagar un diodo emisor de luz, a la misma frecuencia de dicha señal generada. Esta señal lumínica será la que alimente el sensor del tacómetro. Para esto se acopla un circuito de acondicionamiento para transformar la frecuencia en luz, utilizando un transistor el cual actuará como un switch de rápida respuesta, hacia el diodo emisor de luz convirtiendo los pulsos eléctricos en pulsos de luz (circuito emisor). Se elige un diodo emisor ultra brillante de luz blanca para abarcar gran parte del espectro (se utiliza una pequeña linterna).

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Circuito emisor

Diagrama de bloques del circuito emisor

Señal del Generador (Hz)

CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO

EMISION DE FRECUENCIA DE LUZ

Salida de Luz

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Sistema de Generación de Frecuencias El sistema de generación de frecuencias esta compuesto por el generador de frecuencias y el diodo emisor de luz (circuito emisor). Tener en cuenta la siguiente relación: 1 Hz = 1 rps = 60 rpm.

Tacómetro a calibrar Generador de Formas de Onda

Diodo emisor de luz Circuito Emisor

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Circuito receptor Un punto a tener en cuenta es la posibilidad de la verificación del sistema de calibración indicado. Para ello es necesario construir un circuito receptor el cual va a censar la frecuencia a ensayar (o los pulsos de luz) con ayuda de un contador de frecuencias. Este circuito receptor consta de un circuito de acondicionamiento usando un fototransistor el cual convertirá la frecuencia de luz en frecuencia de señales de corriente y con la ayuda de un comparador es posible regenerar la señal en una onda cuadrada la cual va hacer censada por el contador de frecuencias.

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Circuito receptor

Diagrama de bloques del circuito receptor

RECEPCION DE FRECUENCIA DE LUZ

CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

CONTADOR DE FRECUENCIAS

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Verificación del sistema de generación de frecuencia Inyectando una frecuencia de 1 Hz, 10 Hz o 100 Hz con el generador de formas de onda la cual va hacer medida con el circuito receptor con ayuda de un contador de frecuencia se verifica su funcionamiento y su inmunidad contra influencias externas.

Osciloscopio

Contador de frecuencias

Fototransistor

Generador de Formas de Onda

Circuito Emisor

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Equipos y materiales - Frecuencia de referencia del laboratorio (opcional). - Generador de frecuencias. Equipos y accesorios adicionales: - Contador de frecuencias. - Osciloscopio (opcional). - Cables con terminales BNC. - Termóhigrometro.

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Proceso de calibración  El tacómetro deberá ser calibrado al menos en dos puntos por escala de medición del instrumento (por ejemplo al 10% y 90% de cada escala).  Esperar un tiempo prudente para la estabilización de los equipos no menor a 1 hora.  Es recomendable fijar tanto el sensor óptico del tacómetro como el sistema de generación de frecuencias de tal forma que no exista ningún tipo de interferencia entre ambos.  El diodo emisor de luz (LED) del sistema de generación de frecuencias se debe colocar perpendicular a la superficie del tacómetro a una distancia entre 2 cm a 5 cm.

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Proceso de calibración  Antes de activar la señal del sistema de generación de frecuencias se debe realizar una medición con el tacómetro para verificar que no existen otras señales lumínicas que pueden causar errores en la medición.  Seleccionar en el generador de frecuencias la función pulso en modo continuo a una amplitud de 1 V, tener en cuenta que este puede estar comandado por referencia externa a la frecuencia del laboratorio (opcional).  Esperar un tiempo prudente no menor a 20 segundos para tomar las medidas.

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Determinación del error El error de la calibración del instrumento a calibrar se expresa como: E = (Lc + Cres + Ctemp(c)) - (Lp + Cbase + Ctemp(p)) Donde: Lc Lectura del instrumento a calibrar (en rpm o rps). Cres Corrección por resolución del instrumento a calibrar (Cres = 0). Ctemp(c) Corrección del instrumento a calibrar debido a influencia de la temperatura (Ctemp(c) = 0). Lp Lectura del patrón (en Hz, 1 Hz = 1 rps = 60 rpm). Cbase Corrección del patrón debido a la base de tiempo (Cbase = 0). Ctemp(p) Corrección del patrón debido a influencia de la temperatura (Ctemp(p) = 0). E = Lc - Lp

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Cálculo de incertidumbre E = (Lc - Lp) + Cres + Ctemp(c) - Cbase - Ctemp(p) u(E) = u(e) + u(Cres) + u(Ctemp(c)) - u(Cbase) - u(Ctemp(p)) Donde: u(e) u(Cres) u(Ctemp(c)) u(Cbase) u(Ctemp(p))

Incertidumbre por diferencias de lectura entre el instrumento a calibrar y el patrón. Incertidumbre debida a la resolución del instrumento a calibrar. Incertidumbre debida debido a influencia de la temperatura en el instrumentos a calibrar. Incertidumbre debido a la base de tiempo. Incertidumbre debida a la influencia de la temperatura en el patrón.

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Cálculo de incertidumbre - Incertidumbre por diferencias de lectura entre el instrumento a calibrar y el patrón u(e). n 1   ei  e n  1 i 1



u (e ) 



2

n

- Incertidumbre por resolución del instrumento a calibrar u(Cres).

u (C res ) 

res 2 3

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Cálculo de incertidumbre - Incertidumbre debido a la influencia de la temperatura sobre el instrumento a calibrar u(Ctemp(c)).

u (C tempc ) 

  T 3

- Incertidumbre debida a la base de tiempo del patrón u(Cbase).

u (Cbase )   base - Incertidumbre debido a la influencia de la temperatura en el patrón u(Ctemp(p)).

u (Ctemp p ) 

  T 3

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Cálculo de incertidumbre El resumen del análisis de incertidumbre sería:

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Cálculo de incertidumbre De todas estas contribuciones las más representativas son u(e) y la u(Cres), las demás contribuciones se pueden considerar despreciables por ser de un orden inferior. Entonces la incertidumbre expandida U(E) estará dada por: U(E) = k x u(E) Donde: k U(E)

Factor de cobertura (k =2). Incertidumbre combinada.

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Referencias - Guide to the expression of uncertainty in measurement. - EA–4/02 Expression of the uncertainty of measurement in calibrations. European cooperation for accreditation (EA). - Tacómetros (Medición de Frecuencia Rotacional). Metas y Metrologos Asociados, La Guía Metas. 2005 - Septiembre.

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE FRECUENCIAS Agradecimientos Luis Palma (SNM-INDECOPI)

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Henry Postigo (SNM-INDECOPI)

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Raul Solis (CENAMEP AIP)

[email protected]

Luis Mojica (CENAMEP AIP)

[email protected]

Contacto: Henry Díaz [email protected]