Kalibracije

Čas in frekvenca

Naše storitve

Že od začetka človeštva so ljudje znali razlikovati med dnevom in nočjo, letnimi časi in ostalimi časovnimi enotami, z nastankom prvih civilizacij pa so preko opazovanja Sonca in ostalih nebesnih teles že iznašli prve ure. Čas je postal praktično najpomembnejša in najbolj poznana enota. Kaj je čas in kaj pravzaprav predstavlja ta parameter? Na SIQ znamo ne le odgovoriti na to vprašanje, temveč znamo čas tudi natančno pomeriti.

Najpogosteje s časom povezujemo uro. Ura je pravzaprav merilna naprava, ki meri, shranjuje ali generira določen interval. Zgodovina razvoja merjenja časa se je začela z najstarejšimi urami na osnovi pretakanja vode, ki so jih poznali že v babilonskih in staroegipčanskih časih in kasneje tudi v grških in rimskih časih. Prvi večji preskok se je zgodil v srednjem veku z iznajdbo ure na nihalo. V letih 1. svetovne vojne so raziskali piezoelektrične lastnosti kvarca (angl. quartz) in le-ta je kot osnova najtočnejše ure služil do leta 1960, ko so se pojavile prve atomske ure, na katerih še dandanes temelji najbolj točno merjenje časa. Še več, zaradi točnosti atomskih ur je ravno čas fizikalna veličina, ki jo lahko dandanes najbolj točno merimo.

Tudi SIQ ima v lasti cezijevo atomsko uro, ki je vključena v Mednarodni urad za uteži in mere (BIPM) v Franciji, ki je mednarodna organizacija za standardizacijo z nalogo vzdrževanja mednarodnega sistema enot. Vključenost v sistem BIPM pomeni, da tudi atomska ura iz SIQ prispeva k izračunu pravega časa, ki ga uporabljamo po celem svetu. Na SIQ kot nosilci nacionalnega etalona za čas in frekvenco skrbimo tudi za distribucijo najtočnejšega časa v Sloveniji. Naša atomska ura ima trenutno relativno odstopanje frekvence 6×10-15. To z drugimi besedami pomeni, da bi v 5 milijonih let prehitela ali zaostala za manj kot 1 sekundo.

Naše vsakodnevno življenje je zelo močno odvisno od točnosti merjenja časa, ne da bi se tega sploh zavedali:

  • vedno hočemo vedeti koliko je ura, poznati želimo uro v različnih časovnih pasovih za potrebe potovanj, vsakodnevnih urnikov in sestankov
  • merjenja časa v športu
  • sinhronizacija meritev na različnih lokacijah (država/kontinent), npr. sinhrono merjenje napetosti omrežja na različnih lokacijah
  • velike svetovne banke se pri borznem trgovanju vse bolj zanašajo avtomatsko trgovanje na osnovi zmogljivih računalnikov in kompleksnih trgovalnih algoritmov in zakonodaja nekaterih držav zahteva izredno natančen zapis časa opravljene transakcije, tudi z resolucijo do 1 μs
  • vedno več instrumentov ima svojo notranjo časovno bazo, od katere je odvisna točnost instrumenta (števci frekvence in ostalih veličin, povezanih s časom, funkcijski generatorji, signalni generatorji, osciloskopi, spektralni analizatorji, vektorski analizatorji, itd.)
  • Dandanes smo se že vsi srečali z GPS navigacijo, a le malo ljudi ve, da je točnost prikaza lokacije na Zemlji pravzaprav odvisna od točnosti atomskih ur na satelitih, ki krožijo okoli Zemlje. Naprednejše atomske ure omogočajo določanje pozicije na Zemlji z manjšo resolucijo oz. večjo točnostjo.

Na SIQ se ukvarjamo z merjenjem časa na vseh nivojih točnosti, od kalibracije običajnih analognih in digitalnih štoparic, kalibracijo merilnih časov nekaterih drugih instrumentov (npr. preizkuševalniki visoke napetosti, multifunkcijski  instrumenti, akustični dozimeteri, itd.), izvajamo pa tudi najbolj točne kalibracije, pri katerih se zanašamo na našo atomsko uro (npr. števci frekvence, GNSS sprejemniki, merilniki časovnih intervalov/pulzov/period, generatorji časovnih intervalov/pulzov/period, frekvenčni delilniki), kalibriramo časovne baze najrazličnejših merilnih instrumentov (funkcijski generatorji, signalni generatorji, osciloskopi, spektralni analizatorji, vektorski analizatorji, itd.). Frekvenco lahko merimo direktno od 1 mHz do 15 GHz, od 15 GHz do 26,5 GHz pa preko ti. metode frekvenčne modulacije (ang. beat modulation).

Števci frekvence

• Vhodna občutljivost: Parameter nam pove, pri kateri vrednosti napetosti začne števec pravilno meriti. Občutljivost se preveri pri 50 Ω in/ali 1 MΩ vhodni impedanci števca.
• Kontrola časovne baze: Pomeri se 24-urna stabilnost frekvence časovne baze števca. Meritev stabilnosti časovne baze traja vsaj 2 dni, saj je potrebno 24-urno predgretje instrumenta zaradi temperature stabilizacije instrumenta, ter meritev stabilnosti časovne baze v sledečih 24 urah. Tipične frekvence so 10 MHz, 5 MHz in 2 MHz, pomerimo pa lahko tudi ostale vrednosti, v kolikor ima števec dodatne možnosti. Poleg stabilnosti lastne časovne baze števca preverimo tudi sposobnost zaklepanja frekvence na časovno bazo.
• Funkcionalni test: Pri tej merilni točki se izvede različne teste, ki jih običajno predpiše proizvajalec (npr. merjenje periode, dolžine impulza, časovni interval med obema vhodoma, frekvenčna natančnost). Funkcionalni test običajno izvedemo neakreditirano.

GNSS sprejemniki

Pri GNSS sprejemnikih pomerimo relativno odstopanje in lezenje frekvence ter stabilnost:
• Relativno odstopanje in lezenje frekvence opravimo s fazno primerjavo z referenčnim cezijevem frekvenčnim etalonom oziroma atomsko uro. Najkrajša meritev traja vsaj tri dni, saj je instrument pred izvedbo meritve priključen vsaj 48 ur, da se temperaturno stabilizira in doseže svojo delovno temperaturo, po temperaturni stabilizaciji pa sledi kalibracija, pri kateri je naprava zaklenjena na GNSS signal. Najkrajši tipični čas kalibracije traja 24 ur za posamezen izhod ali več glede na zahteve naročnika. V izračunu negotovosti se upošteva lezenje frekvence med kalibracijo, oceni se relativno lezenje frekvence na dan ali drug časovni interval (mesec, leto). Kalibrira se lahko več izhodov sprejemnika glede na potrebe in zahteve naročnika.
• Stabilnost frekvence se določi analitično preko izvedenih meritev v opazovanem času. Ker gre za časovno odvisen parameter, se tu uporablja ti. Allanova ter modificirana Allanova deviacija, ki je merilo za frekvenčno stabilnost ur.

Kalibracijo časovne baze lahko izvedemo tudi na terenu z večjo negotovostjo v območju 2×10-10 zaradi uporabe rubidijevega referenčnega etalona frekvence namesto cezijeve atomske ure.

Merilniki/generatorji časovnih intervalov/pulzov/period/frekvence

Poleg merilnikov/generatorjev časovnih intervalov/pulzov/period/frekvence kalibriramo tudi generatorje časovnih mark, merilnike kratkih časov, časovne baze mikroprocesorskih sistemov, časovna stikala, preizkuševalnike časovnih intervalov in obratov, dajalnike tarifnih impulzov, časovne baze signalnih generatorjev, itd.

Pri kalibraciji preverimo naslednje parametre:
• vhodna občutljivost: Preverimo, pri katerem nivoju začne instrument pravilno meriti.
• časovna baza: Podobno kot števci frekvence imajo tudi merilniki/generatorji časovnih intervalov svojo interno časovno bazo, ki jo preverimo z referenčnim števcem, ki je priključen na referenčni etalon frekvence. S tem zagotovimo relativne negotovosti kalibracije v območju 2×10-12.
• funkcionalni test: Test se običajno izvaja po postopkih, ki jih predpiše proizvajalec instrumenta, po želji se lahko izvede tudi dodatne funkcionalne teste. Funkcionalni test se običajno izvede neakreditirano.
• pulzni parametri: Pri merilni točki se pregleda pulze, ki jih generira ali meri instrument (dolžina pulza, čas vzpona in čas upada, dolžina pozitivnega in/ali dolžina negativnega pulza, frekvenca oziroma amplituda pulzov). Pulze lahko generiramo in merimo. Po dogovoru s stranko lahko prilagodimo meritve.
• Perioda/frekvenca: Preverimo merjenje ali generiranje frekvence, ki je recipročna vrednost periode.

Frekvenčni delilnik

Osnovni parameter frekvenčnega delilnika je frekvenčno delilno razmerje, ki je kalibrirano z uporabo referenčnega generatorja in števca frekvence, pri katerem je časovna baza povezana s časovno bazo generatorja frekvence. Pri kalibraciji določimo razmerje med vhodno/generirano frekvenco in izhodno frekvenco.

Štoparice

Izvajamo kalibracije digitalnih kot tudi analognih štoparic, pri katerih kalibriramo naslednja parametra:
• relativni čas: Relativen čas je pomerjen neposredno z etalonskim kalibratorjem ur. Kalibrator nam pove, koliko štoparica prehiteva ali kasni v določenem časovnem intervalu (npr. koliko sekund na dan)
• funkcionalna kontrola: Funkcionalna kontrola se izvede neakreditirano kot preizkus delovanja.

Ostali merilni instrumenti z možnostjo merjenja časa, frekvence ali ostalih s časom povezanih veličin

Med merilnike z možnostjo merjenja časa spadajo različni tipi multifunkcijskih instrumentov z nastavljivim merilnim časom, akustični dozimetri, merilniki frekvence (preskusne naprave, digitalni/analogni multimetri, kalibratorji, merilniki izmenične moči) in merilniki veličin na osnovi frekvence (merilniki vrtljajev preko optičnega ali induktivnega sklopa, merilniki obratov, itd.