指针式精密时钟检定规程

JJF1901—20211指针式精密时钟校准规范1范围本规范适用于具有石英谐振器的指针式石英钟、指针式石英手表、卫星授时型指针式精密石英钟和指针式精密石英手表的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJG237—2010秒表JJG488—2018瞬时日差测量仪JJG2007—2015时间频率计量器具JJF1403—2013全球导航卫星系统(GNSS)接收机(时间测量型)校准规范GB/T6046—2016指针式石英钟凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语3.1电压系数voltagecoefficient石英钟的供电电压由满量程供电电压降至0.9倍满量程供电电压,折算成电压每变化1V所引起的石英钟瞬时日差变化量。4概述指针式精密时钟是具有传统指针式表盘面的计时器具,包括日差在±(0.03~0.5)s范围的指针式石英钟和指针式石英手表以及卫星授时型指针式精密石英钟和指针式精密石英手表。32768Hz,通过电子分频器控制马达运转,带动指针。石英钟表主要由石英谐振器、CMOS集成电路、步进电机、电源组成,此外还包括导电橡胶、微调电容、照明灯泡、蜂鸣器等元件。卫星授时型指针式精密石英钟和指针式精密石英手表接收卫星信号进行时间同步,由GNSS接收模块,本地同步校准单元、测差单元、误差处理及控制结构等组成。5计量特性5.1日差±(0.03~0.5)s。5.2电压系数JJF1901—20212±(0.05~0.8)s/V。5.3当前时刻同步误差优于±1s。5.4失锁重捕获时间≤120s。注:15.1仅适用于指针式石英钟和指针式石英手表。5.2仅适用于指针式石英钟。5.3、5.4仅适用于卫星授时型指针式精密石英钟和石英手表。2以上指标仅供参考,不用于合格性评判的说明。6校准条件6.1环境条件6.1.1环境温度:(20±5)℃范围内任选一值,温度最大允许变化±1℃。6.1.2环境相对湿度:≤80%。6.1.3电压:(220±22)V;频率:(50±1)Hz。6.1.4周围无影响仪器正常工作的电磁干扰和机械振动。6.2测量标准及其他设备6.2.1日差测试仪或校表仪a)最大允许误差:±0.05s;b)分辨力:0.01s。6.2.2参考时间a)与UTC(NIM)的时间偏差:优于±0.1ms;b)显示分辨力:1ms。6.2.3卫星导航信号模拟器a)输出频率:支持被测指针式精密时钟可接收的GNSS信号,至少包含GPSL1或BDSB1频点。b)信号功率:输出范围(-150~-110)dBm;绝对功率误差:±2dB。c)内部时基相对平均频率偏差:优于1×10-8。6.2.4秒表a)测量范围:0s~99999s;b)日差:优于±0.5s。6.2.5其他设备6.2.5.1高清照相机a)像素:4096×1024;b)防抖动。6.2.5.2数显角度尺测量范围0°~360°;JJF1901—20213分辨力:0.05°。7校准项目和校准方法7.1校准项目校准项目及对应的被测计量器具见表1。表1校准项目一览表校准项目名称指针式石英钟指针式石英手表卫星授时型指针式精密石英钟卫星授时型指针式精密石英手表外观及工作正常性检查++++++- 电压系数+-- 当前时刻同步误差--++失锁重捕获时间--++注:“+”为应测项目,“-”为不测项目。7.2校准方法7.2.1外观及工作正常性检查用目测的方法检查指针式精密时钟的外观和结构,被检指针式精密时钟不应有影响正常运行和读数的机械损伤、故障和异常现象,如零部件松动、指针弯曲折断、度盘刻度损伤、秒针疾驰或停跳等。7.2.2日差通过测量平均瞬时日差值的方式得到指针式精密时钟的日差值,采用日差测试仪或校表仪进行校准,仪器连接见图1,校准步骤如下:a)打开日差测试仪/校表仪,待仪器稳定,设定好频率和显示挡位;b)将被检指针式精密时钟放在相应的传感器上(或将探头置于被测指针式精密时钟晶振处),至日差测试仪显示出瞬时日差值;c)测量时间选为10s,直接读出瞬时日差值,重复测量三次瞬时日差m1、m2、—m3,平均瞬时日差m按式(1)计算,将测量结果记录在附录A中。(1)=(1)式中:m1、m2、m3—连续3次测得的瞬时日差值,s。JJF1901—20214图1日差校准连接示意图7.2.3电压系数a)仪器连接如图1所示;b)打开日差测试仪,待仪器稳定,设定好频率和显示挡位;c)调节日差测试仪为被测指针式精密时钟的满量程供电电压值V0,将指针式精密时钟放置于日差测试仪的传感器(或将探头置于被测指针式精密时钟晶振处),至日差测试仪显示出瞬时日差值mV0;d)调节日差测试仪为被测指针式精密时钟0.9倍满量程电压值0.9V0,将指针式精密时钟放置于日差测试仪的传感器(或将探头置于被测指针式精密时钟晶振处),至日差测试仪显示出瞬时日差值m0.9V0,电压系数CV按式(2)计算。CV(2)式中:CV—电压系数,s/V;mV0—电压为满量程供电电压时的瞬时日差,s;m0.9V0—电压为0.9倍满量程供电电压时的瞬时日差,s;V0—满量程供电电压值,V。7.2.4当前时刻同步误差a)通过转发天线将室外天线接收的导航卫星信号转发到实验室内,或确保实验室内可接收到导航卫星信号,确认被测指针式精密时钟处于锁定卫星信号的状态。b)将被测指针式精密时钟摆放于标准时间输出信号屏幕旁边。c)将高清照相机置于被测指针式精密时钟正前方,设置自动拍照时间获取当前时刻被测指针式精密时钟与标准时间的图像。d)记录标准时间当前时刻的显示值T0,读出指针式精密时钟表盘上的时针和分针所指示的读数。e)用数显角度尺测量出被测指针式精密时钟表盘的图像中秒针偏离零点零分零秒的角度,计算出当前时刻的秒读数(可精确到毫秒),记录被测指针式精密时钟当前时刻值Tx。5f)标准时间与被测指针式精密时钟当前时刻的差值作为当前时刻同步误差,如式(3)所示。δT=Tx-T0(3)式中:δT—测得的当前时刻同步误差,ms;Tx—被测指针式精密时钟显示值;T0—标准时间读数。g)同样的方法测量三次,取三次测量的平均值作为指针式精密时钟当前时刻同步误差的测量值。h)保持状态下的指针式精密时钟当前时刻同步误差按照步骤b)~步骤g)进行测量。7.2.5失锁重捕获时间失锁重捕获时间可以采用模拟器法或实景测量法进行测量,对于留有天线接口指针式精密时钟建议采用模拟器法测量,其他可采用实景测量法测量。7.2.5.1模拟器法仪器连接见图2,校准步骤如下:图2失锁重捕获时间校准连接示意图a)打开GNSS信号模拟器(简称模拟器),开启首次定位时间校准场景(此场景为静态场景,可见卫星为6颗,几何精度因子为2.5,卫星均匀分布在天顶上空,信号功率置为-120dBm,仿真时间60min),模拟器开始仿真;b)规定时间(如1min)后,待测授时型指针式精密时钟开机并正常运行一定时间;c)通过操作模拟器控制软件暂停输出仿真信号,不改变授时型指针式精密时钟的放置位置,手动将其钟面时间调偏(不小于1min),5s或规定时间后再继续输出仿真信号;d)记录从模拟器重新输出仿真信号至授时型指针式精密时钟显示的时刻与标准时钟时刻达到一致的时间间隔,记为失锁重捕获时间。7.2.5.2实景测量法a)将待测授时型指针式精密时钟放置于可正常接收卫星导航信号的位置,静置一段时间使其搜星正常并处于锁定状态;b)不改变授时型指针式精密时钟的放置位置,遮挡GNSS信号使授时型指针式精密时钟失锁,手动将其钟面时间调偏(不小于1min),去除遮挡,将指针式精密时钟设置为授时模式,同时按下秒表开始计时;c)待授时型指针式精密时钟搜星正常再次锁定,停止秒表计时,并记录秒表显示的计时时间,作为失锁重捕获时间。JJF1901—202168校准结果表达指针式精密时钟校准后,出具校准证书。校准证书应至少包括以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效的说明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。9复校时间间隔由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。建议复校时间间隔为1年。JJF1901—20217附录A原始记录内页格式校准地点校准时间校准仪器被校设备校准人员校准项目1.外观和功能检查外观:□完好□损坏功能检查:□正常□异常2.日差样品编号m1m2m3m123扩展不确定度(k=2):3.电压系数样品编号满量程供电电压0.9倍满量程供电电压CV123扩展不确定度(k=2):84.当前时刻同步误差标准时间时刻值(h:min:ss.ms)实际测得时刻值(h:min:ss.ms)当前时刻同步误差ms扩展不确定度(k=2):5.失锁重捕获时间模拟器法:模拟器输出功率/dBm重捕获时间/s扩展不确定度(k=2):实景测量法:重捕获时间:扩展不确定度(k=2):JJF1901—20219附录B校准证书(内页)格式m=2定度(k=2):满量程供电电压0.9倍满量程供电电压CV扩展不确定度(k=2):3当前时刻同步误差标准时间时刻值(h:min:ss.ms)实际测得时刻值(h:min:ss.ms)同步误差ms扩展不确定度(k=2):4失锁重捕获时间扩展不确定度(k=2):Tk=扩展不确定度(k=2):JJF1901—202110附录C校准结果的不确定度评定示例C.1指针式精密时钟日差测量结果不确定度评定本示例用日差测试仪对指针式精密时钟的日差进行校准,并对日差测量结果的不确定度进行评定。C.1.1测量模型m=×24×3600(C.1)式中:m—日差,s;f0—被测指针式精密时钟内部谐振器振荡频率标称值32768Hz;f—被测指针式精密时钟内部谐振器振荡频率实际值。C.1.2不确定度来源日差的测量不确定度来源主要有三方面:日差测试仪晶振频率不准确引入的不确定度,传感器、整形电路、误差分辨力等引入的不确定度和测量重复性引入的不确定度。C.1.3标准不确定度分量评定C.1.3.1日差测试仪晶振频率不准确引入的标准不确定度u1假定日差测试仪晶振在正常使用条件下(不再考虑温度、电源电压等其他条件影响),y(τ)优于2×10-7,其变化量y(τ)为均匀概率分布,由日差测试仪晶振频率引入的标准不确定度为u1=86400s×2×10-7 3=0.010s(C.2)C.1.3.2日差测试仪传感器、整形电路及误差计数器分辨力引入的标准不确定度u2一般日差测试仪传感器及整形电路贡献给误差计数器的计数值远远小于分辨力引入的不确定度,因此不确定评定中可以忽略。误差计数器分辨力0.005s,其概率分布为均匀分布,其标准不确定度为:u2=0.005s3=0.0029s(C.3)C.1.3.3测量重复性引入的标准不确定度u3测量重复无性引入的标准不确定度可以用A类不确定度评定,被测指针式精密时钟的日差测量重复性就是被测指针式精密时钟本身引入的标准不确定度。等精度独立测量日差10次,测量结果如表C.1所示。JJF1901—202111表C.1日差测量10次的结果测量次数12345日差测量值/s0.110.130.150.120.13测量次数678910日差测量值/s0.120.150.120.140.11测量结果的不确定度为u3=C.1.3.4标准不确定度一览表(mi-)210-1 3=0.009s(C.4)日差测量不确定度来源及标准不确定度分量汇总见表C.2。表C.2标准不确定度分量一览表标准不确定度不确定度来源分布包含因子不确定度分量u1日差测试仪晶振频率不准确均匀 30.010su2日差测试仪传感器、整形电路及误差计数器分辨力均匀 30.0029su3测量重复性0.009sC.1.4不确定度分量之间相关性估计各不确定度分量之间无相关性。C.1.5合成标准不确定度合成标准不确定度为:uc=u+u+u≈0.01sC.1.6扩展不确定度取包含因子k=2,扩展不确定度为:U=k×uc≈0.02s日差校准结果的扩展不确定度为U=0.02s(k=2)。C.2电压系数测量结果不确定度评定C.2.1测量模型CV式中:CV—电压系数,s/V;mV0—电压为满量程供电电压时的瞬时日差,s;(C.5)(C.6)(C.7)JJF1901—202112m0.9V0—电压为0.9倍满量程供电电压时的瞬时日差,s;V0—满量程供电电压值,V。C.2.2测量不确定度来源不确定度来源主要有三方面:日差测量不准确引入的不确定度、日差测试仪直流供电电压分辨力引入的不确定度和测量重复性引入的不确定度。C.2.3标准不确定分量评定C.2.3.1日差测量不准确引入的标准不确定度u1日差测量不准确引入的标准不确定度为0.005s,以直流供电电压为1.5V的指针式精密时钟为例,则引起的电压系数的标准不确定度为:u1=0.005s/0.15V3=0.019s/V(C.8)C.2.3.2直流供电电压分辨力引入的标准不确定度u2C.2.小,可忽略不计,即u2=0在相同的实验条件下,重复测量10次电压系数,测得的结果如表C.3所示表C.3电压系数测量10次的结果测量次数12345电压系数测量值/(s/V)0.110.130.150.120.13测量次数678910电压系数测量值/(s/V)0.120.150.120.140.11u3=2ViV (C-C)2ViVi=1 10-1=0.015s/V(C.9)C.2.3.4标准不确定度一览表电压系数测量不确定度来源及标准不确定度分量汇总见表C.4。表C.4电压系数测量不确定度来源及标准不确定度分量一览表标准不确定度不确定度来源分布包含因子不确定度分量/(s/V)u1日差测量不准确均匀 30.019u2日差测试仪直流供电电压分辨力均匀 3可忽略u3测量重复性0.015C.2.4不确定度分量之间相关性估计各不确定度分量之间无相关性。C.2.5合成标准不确定度合成标准不确定度为:(C.10)uc=u+u+u(C.10)13C.2.6扩展不确定度取包含因子k=2,扩展不c≈0.04s/V(C.11)电压系数校准结果的扩展不确定度为U=0.04s/V,k=2。C.3当前时刻同步误差测量结果不确定度评定C.3.1测量模型δT=Tx-T0(C.12)式中:δT—测得的当前时刻同步误差,ms;Tx—被测指针式精密时钟显示值;T0—标准时间读数。C.3.2测量不确定度来源测量不确定度来源主要有四方面:参考标准时间偏差引入的不确定度、数显角度尺分辨力引入的不确定度和测量重复性引入的不确定度。C.3.3标准不确定度分量评定C.3.3.1参考标准时间引入的标准不确定度u1参考标准时间时间偏差的最大允许误差为1ms,视其为均匀分布,按B类评定,标准不确定度为:u1=s=0.58ms(C.13)C.3.3.2数显角度尺分辨力引入的标准不确定度u2×60×1000=0.83ms,视其为均匀分布,按B类评定,则:u2=0.83ms3=0.48ms(C.14)C.3.3.3测量重复性引入的标准不确定度u3在相同的实验条件下,重复测量10次当前时刻同步误差,测得的结果如表C.5所示,按A类评定。表C.5当前时刻同步误差测量10次的结果测量次数12345当前时刻同步误差测量值/s0.0050.1440.0710.0200.067测量次数678910当前时刻同步误差测量值/s0.1850.1740.2060.0080.137u3=10-TiT∑(δ-δ)TiTi=110-1 3=0.04s(C.15)JJF1901—202114C.3.3.4标准不确定度一览表当前时刻同步误差测量不确定度来源及标准不确定度分量汇总见表C.6。表C.6当前时刻同步误差测量不确定度来源及标准不确定度分量一览表标准不确定度不确定度来源分布包含因子不确定度分量u1参考标准时间偏差引入均匀 30.58msu2数显角度尺分辨力引入均匀 30.48msu3测量重复性引入0.04sC.3.4不确定度分量之间相关性估计各不确定度分量之间无相关性。C.3.5合成标准不确定度合成标准不确定度为:(C.16)uc=u+u+u(C.16)C.3.6扩展不确定度取包含因子k=2,扩展不确定度为:(C.17)U=k×u(C.17)当前时刻同步误差校准结果的扩展不确定度为U=0.08s(k=2)。C.4失锁重捕获时间测量结果不确定度