Taratura

Tempo e frequenza

Fin dall’inizio dell’umanità, l’uomo è stato in grado di distinguere tra giorno e notte, tra le stagioni e altre unità di tempo; con l’emergere delle prime civiltà, attraverso l’osservazione del Sole e di altri corpi celesti, sono stati creati i primi orologi. Il tempo è diventato praticamente l’unità più importante e più conosciuta. Che cos’è il tempo e cosa rappresenta effettivamente questo parametro? In SIQ, non solo sappiamo come rispondere a questa domanda, ma sappiamo anche come misurare il tempo con precisione.

Molto spesso il tempo viene associato agli orologi. L’orologio è in realtà un dispositivo di misura, che misura, memorizza o genera un intervallo specifico. La storia dello sviluppo della misura del tempo inizia con i più antichi orologi ad acqua, conosciuti già in epoca babilonese e nell’antico Egitto, e successivamente anche in epoca greca e romana. Il primo grande salto avvenne nel Medioevo, con l’invenzione dell’orologio a pendolo. Durante la Prima guerra mondiale furono studiate le proprietà piezoelettriche del quarzo, che fu utilizzato come base dell’orologio più preciso fino al 1960, quando comparvero i primi orologi atomici, sui quali facciamo ancora oggi affidamento per misurare in maniera precisa il tempo. Inoltre, grazie all’accuratezza degli orologi atomici, il tempo è la quantità fisica che oggi è possibile misurare con maggior precisione.

Anche SIQ possiede un orologio atomico al cesio, incluso nell’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure (BIPM) in Francia, l’organizzazione internazionale di standardizzazione incaricata del mantenimento del sistema internazionale delle unità. L’inclusione nel sistema BIPM significa che anche l’orologio atomico di SIQ contribuisce al calcolo del tempo reale utilizzato in tutto il mondo. In SIQ, in qualità di titolari dello standard nazionale per il tempo e la frequenza, ci occupiamo anche della distribuzione dell’ora esatta in Slovenia. Il nostro orologio atomico ha attualmente una deviazione di frequenza relativa di 6×10^-15. In altre parole vuol dire che, meno di 1 secondo in avanti o indietro ogni 5 milioni di anni.

La nostra vita quotidiana dipende molto dall’accuratezza della misura del tempo, senza nemmeno rendercene conto:

vogliamo sapere sempre che ore sono, vogliamo conoscere l’ora nei diversi fusi orari per esigenze di viaggio, di pianificazione e di riunioni
misura del tempo nello sport
sincronizzazione delle misure in diverse località (paese/continente), per es. misura sincrona della tensione di rete in luoghi diversi
le grandi banche mondiali si affidano sempre più al trading automatizzato basato su potenti computer e complessi algoritmi di trading, e la legislazione di alcuni paesi richiede una registrazione estremamente accurata dell’ora della transazione, anche con una precisione fino a 1 μs
sempre più strumenti hanno una base temporale interna, dalla quale dipende l’accuratezza dello strumento (contatori di frequenza e di altre grandezze temporali, generatori di funzioni, generatori di segnali, oscilloscopi, analizzatori di spettro, analizzatori vettoriali, ecc.)
Al giorno d’oggi, tutti abbiamo utilizzato almeno una volta la navigazione GPS, ma solo pochi sanno che l’accuratezza della visualizzazione della posizione dipende in realtà dall’accuratezza degli orologi atomici sui satelliti in orbita attorno alla terra. Gli orologi atomici più avanzati consentono di determinare la posizione sulla terra con una risoluzione inferiore, ovvero con maggior precisione.

In SIQ ci occupiamo della misura del tempo su tutti i livelli di precisione, dalla taratura dei cronometri analogici e digitali convenzionali, alla taratura dei tempi di misura di altri strumenti (per es. tester di alta tensione, strumenti multifunzione, dosimetri acustici, ecc.); eseguiamo anche taratura più accurate sulla base del nostro orologio atomico (per es. contatori di frequenza, ricevitori GNSS, misuratori di intervalli di tempo/impulsi/periodi, generatori di intervalli di tempo/impulsi/periodi, partitori di frequenza), eseguiamo la taratura delle basi temporali di diversi strumenti di misura (generatori di funzioni, generatori di segnali, oscilloscopi, analizzatori di spettro, analizzatori vettoriali, ecc.). La frequenza può essere misurata direttamente da 1 mHz a 15 GHz e da 15 GHz a 26,5 GHz, tramite il cosiddetto metodo di modulazione della frequenza.

Taratura di apparecchiature di prova presso i SIQ

Frequenzimetri

Sensibilità di ingresso: il parametro indica a quale valore di tensione lo strumento inizia a misurare correttamente. La sensibilità viene verificata a 50 Ω e/o 1 MΩ di impedenza di ingresso del misuratore.
Controllo della base temporale: si misura la stabilità della frequenza della base temporale del misuratore, sulle 24 ore. La misura della stabilità della base temporale richiede almeno 2 giorni, in quanto viene richiesto un preriscaldamento di 24 ore dello strumento per consentire la stabilizzazione della temperatura dello strumento e la misura della stabilità della base temporale nelle 24 ore successive. Le frequenze tipiche sono 10 MHz, 5 MHz e 2 MHz, ma è possibile misurare anche altri valori, se il misuratore dispone di opzioni aggiuntive. Oltre alla stabilità della base temporale del misuratore siamo anche in grado di verificare la capacità di bloccare la frequenza sulla base temporale.
Test funzionale: in questo punto di misura vengono eseguiti vari test, normalmente prescritti dal produttore (per es. misura del periodo, durata dell’impulso, intervallo temporale tra ambedue gli ingressi, precisione della frequenza). Il test funzionale viene solitamente eseguito, ma non accreditato.

Ricevitori GNSS

Per i ricevitori GNSS, misuriamo la deviazione relativa, lo scorrimento della frequenza e la stabilità:

la deviazione relativa e lo scorrimento della frequenza vengono eseguiti mediante un confronto di fase con lo standard di frequenza del cesio di riferimento, ovvero con l’orologio atomico. La misura più breve dura almeno tre giorni, in quanto lo strumento, prima della misura, è collegato per almeno 48 ore, per consentirne la stabilizzazione e il raggiungimento della temperatura di esercizio, seguiti dalla taratura, in cui il dispositivo viene agganciato al segnale GNSS. Il tempo di taratura tipico più breve è di 24 ore per singola uscita, o superiore a seconda delle esigenze del cliente. Il calcolo dell’incertezza tiene conto della variazione di frequenza durante la taratura e viene stimato lo scorrimento di frequenza relativo per giorno o altro intervallo di tempo (mese, anno). È possibile tarare più uscite del ricevitore in base alle necessità e alle esigenze del cliente.
La stabilità della frequenza è determinata analiticamente attraverso le misure effettuate nel periodo di osservazione. Dato che si tratta di un parametro dipendente dal tempo, viene utilizzata la cosiddetta deviazione di Allan, una misura della stabilità di frequenza degli orologi.

La taratura della base temporale può essere eseguita anche sul campo, con maggiore incertezza nell’intervallo 2×10^-10, a causa dell’utilizzo dello standard di frequenza di riferimento al rubidio anziché dell’orologio al cesio.

Misuratori/generatori di intervalli temporali/impulsi/periodi/frequenze

Oltre ai misuratori/generatori di intervalli temporali/impulsi/periodi/frequenze, tarare anche generatori di marche temporali, misuratori di breve durata, basi temporali dei sistemi a microprocessore, interruttori temporali, tester di intervalli di tempo e di rotazione, codificatori di impulsi tariffari, basi temporali dei generatori di segnale, ecc.

Durante la taratura, controlliamo i seguenti parametri:

sensibilità di ingresso: verifichiamo a quale livello lo strumento inizia a misurare correttamente.
base temporale: analogamente ai contatori di frequenza, i misuratori/generatori di intervalli temporali hanno una propria base temporale interna, che viene verificata con un misuratore di riferimento, collegato allo standard di riferimento della frequenza. Questo garantisce le incertezze di taratura relative nell’intervallo 2×10^-12.
test funzionale: il test viene solitamente eseguito secondo le procedure prescritte dal produttore dello strumento e, se richiesto, è possibile eseguire ulteriori test funzionali. Il test funzionale viene solitamente eseguito, ma non accreditato.
parametri di impulso: nel punto di misura vengono esaminati gli impulsi generati o misurati dallo strumento (lunghezza dell’impulso, tempo di salita e tempo di discesa, lunghezza dell’impulso positivo e/o lunghezza dell’impulso negativo, frequenza ovvero ampiezza degli impulsi). Gli impulsi possono essere generati e misurati. Previo accordo con il cliente, è possibile adeguare le misure.
periodo/frequenza: verifichiamo la misura o la generazione della frequenza, che è il reciproco del valore del periodo.

Divisore di frequenza

Il parametro base del divisore di frequenza è il rapporto di divisione della frequenza, che viene tarato utilizzando un generatore di riferimento e un frequenzimetro, in cui la base temporale è collegata alla base temporale del generatore di frequenza. Durante la taratura viene determinato il rapporto tra la frequenza di ingresso/generata e la frequenza di uscita.

Cronometri

Eseguiamo taratura di cronometri digitali e analogici, in cui eseguiamo la taratura dei seguenti parametri:

tempo relativo: il tempo relativo viene misurato direttamente con il calibratore di riferimento. Il calibratore indica di quanto il cronometro è avanti o indietro in un determinato intervallo temporale (per es. quanti secondi al giorno)
controllo funzionale: il controllo funzionale viene eseguito ma non accreditato, come test di funzionamento.

Altri strumenti di misura in grado di misurare il tempo, la frequenza o altre grandezze legate al tempo

I misuratori con possibilità di misura del tempo includono diverse tipologie di strumenti multifunzionali con tempo di misura regolabile, dosimetri acustici, misuratori di frequenza (dispositivi di prova, multimetri digitali/analogici, calibratori, misuratori di corrente alternata) e misuratori di grandezze basati sulla frequenza (misuratori di rotazione tramite accoppiamento ottico o induttivo, misuratori di rotazione, ecc.

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