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III SIMPOSIO DE METROLOGIA EN EL PERU

CALIBRACION DE TACOMETROS OPTICOS UTILIZANDO UN SISTEMA DE GENERACION DE

FRECUENCIAS

Henry DíazResponsable del Laboratorio de Tiempo y Frecuencia

SNM-INDECOPI18 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 medicionesde intervalos de tiempo o frecuencia. Usualmente se utilizan señales confrecuencias de 5 MHz o 10 MHz.


Conceptos previos

Tacómetro

Dispositivo capaz de medir la frecuencia de rotación en sistema mecánicos (enrpm o rps).

Acople óptico

Dispositivo electrónico capaz de detectar una señal de luz y transformarla enuna señal eléctrica.


Conceptos previos

Tacómetro de no contacto (óptico)

Es aquel que posee algún tipo de sistema óptico-electrónico que le permitemedir la frecuencia de la señal mecánica bajo observación en una señaleléctrica. Para realizar la medición utiliza una fuente de luz que apunta haciael objeto en rotación.


Generación de frecuencia

Esta se realiza utilizando un generador de frecuencias, en donde nointervienen aditamentos para cambiar de manera voluntaria el valor de lafrecuencia. El equipo puede estar conectado por referencia externa a lafrecuencia patrón del laboratorio para mejorar su base de tiempo.

Señal del Generador

5 MHz ó 10 MHz

PATRÓN DE FRECUENCIA

GENERADOR DE FRECUENCIA

Comandado a la frecuencia patrón del laboratorio


Circuito emisor

La señal periódica cuya frecuencia será medida por el tacómetro seráproporcionada por un generador de frecuencias, el cual se conecta a uncircuito capaz de encender y apagar un diodo emisor de luz, a la mismafrecuencia de dicha señal generada. Esta señal lumínica será la que alimenteel sensor del tacómetro.

Para esto se acopla un circuito de acondicionamiento para transformar lafrecuencia en luz, utilizando un transistor el cual actuará como un switch derápida respuesta, hacia el diodo emisor de luz convirtiendo los pulsoseléctricos en pulsos de luz (circuito emisor). Se elige un diodo emisor ultrabrillante de luz blanca para abarcar gran parte del espectro (se utiliza unapequeña linterna).


Circuito emisor

Diagrama de bloques del circuito emisor

Señal del Generador

(Hz)

Salida de LuzCIRCUITO DE

ACONDICIONAMIENTOEMISION DE

FRECUENCIA DE LUZ


Sistema de Generación de Frecuencias

El sistema de generación de frecuencias esta compuesto por el generador defrecuencias y el diodo emisor de luz (circuito emisor). Tener en cuenta lasiguiente relación: 1 Hz = 1 rps = 60 rpm.

Tacómetro a calibrar

Generador de Formas de Onda

Diodo emisor de luz

Circuito Emisor


Circuito receptor

Un punto a tener en cuenta es la posibilidad de la verificación del sistema decalibración indicado. Para ello es necesario construir un circuito receptor elcual va a censar la frecuencia a ensayar (o los pulsos de luz) con ayuda de uncontador de frecuencias.

Este circuito receptor consta de un circuito de acondicionamiento usando unfototransistor el cual convertirá la frecuencia de luz en frecuencia de señalesde corriente y con la ayuda de un comparador es posible regenerar la señal enuna onda cuadrada la cual va hacer censada por el contador de frecuencias.


Circuito receptor

Diagrama de bloques del circuito receptor

RECEPCION DE FRECUENCIA DE

LUZ

CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO

DE SEÑAL

CONTADOR DE FRECUENCIAS


Verificación del sistema de generación de frecuencia

Inyectando una frecuencia de 1 Hz, 10 Hz o 100 Hz con el generador deformas de onda la cual va hacer medida con el circuito receptor con ayuda deun contador de frecuencia se verifica su funcionamiento y su inmunidad contrainfluencias externas.

Osciloscopio

Contador de frecuencias

Circuito Emisor

Fototransistor

Generador de Formas de Onda


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.


Proceso de calibración

El tacómetro deberá ser calibrado al menos en dos puntos por escala demedición del instrumento (por ejemplo al 10% y 90% de cada escala).

Esperar un tiempo prudente para la estabilización de los equipos no menor a1 hora.

Es recomendable fijar tanto el sensor óptico del tacómetro como el sistemade generación de frecuencias de tal forma que no exista ningún tipo deinterferencia entre ambos.

El diodo emisor de luz (LED) del sistema de generación de frecuencias sedebe colocar perpendicular a la superficie del tacómetro a una distancia entre2 cm a 5 cm.


Proceso de calibración

Antes de activar la señal del sistema de generación de frecuencias se deberealizar una medición con el tacómetro para verificar que no existen otrasseñales lumínicas que pueden causar errores en la medición.

Seleccionar en el generador de frecuencias la función pulso en modocontinuo a una amplitud de 1 V, tener en cuenta que este puede estarcomandado por referencia externa a la frecuencia del laboratorio (opcional).

Esperar un tiempo prudente no menor a 20 segundos para tomar lasmedidas.


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


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) Incertidumbre por diferencias de lectura entre el instrumento a

calibrar y el patrón.u(Cres) Incertidumbre debida a la resolución del instrumento a calibrar.u(Ctemp(c)) Incertidumbre debida debido a influencia de la temperatura en

el instrumentos a calibrar.u(Cbase) Incertidumbre debido a la base de tiempo.u(Ctemp(p)) Incertidumbre debida a la influencia de la temperatura en el

patrón.



- Incertidumbre por diferencias de lectura entre el instrumento a calibrar y elpatrón u(e).

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

n

een

eu

n

ii

1

2

11

)(

32)( resCu res



- Incertidumbre debido a la influencia de la temperatura sobre el instrumento acalibrar u(Ctemp(c)).

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

3)( TCu

ctemp

basebaseCu )(

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

3)( TCu

ptemp



El resumen del análisis de incertidumbre sería:



De todas estas contribuciones las más representativas son u(e) y la u(Cres),las demás contribuciones se pueden considerar despreciables por ser de unorden inferior.

Entonces la incertidumbre expandida U(E) estará dada por:

U(E) = k x u(E)

Donde:

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


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 MetrologosAsociados, La Guía Metas. 2005 - Septiembre.


Agradecimientos

Luis Palma (SNM-INDECOPI) [email protected]

Henry Postigo (SNM-INDECOPI) [email protected]

Raul Solis (CENAMEP AIP) [email protected]

Luis Mojica (CENAMEP AIP) [email protected]

Contacto:

Henry Dí[email protected]

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