Общие сведения из метрологии

Реферат

Общие сведения из метрологии

• 1. Современное состояние измерений в телекоммуникациях
• 2. Основные термины и определения в области метрологии
• 3. Физические величины и единицы
• 4. Уровни передачи
• Литература

1. Современное состояние измерений в телекоммуникациях

метрология телекоммуникация измерительный децибел

Процесс совершенствования измерительных технологий подчиняется общей тенденции усложнения высоких технологий в процессе их развития.

Задачи контроля и настройки работы сетей связи в современных телекоммуникациях идет двумя путями: первый — развитие систем внутренней диагностики узлов сетей, второй — применение современной измерительной техники.

Учитывая, что развитие средств связи идет очень динамично, разработка систем самодиагностики и их отработка несколько отстают от развития самих средств связи. Это приводит к тому, что роль измерительной техники на сетях связи повышается с развитием новых технологий, так как применение независимых от оборудования систем контроля в ряде случаев является единственно корректным решением.

Основными тенденциями в развитии современной измерительной техники являются:

1) расширение пределов измеряемых величин и повышение точности измерений;

2) разработка новых методов измерений и приборов с использованием новейших принципов действия;

3) внедрение автоматизированных информационно-измерительных систем, характеризуемых высокой точностью, быстродействием и надежностью;

4) интеграция, имеющая три основных направления:

— внутренняя интеграция (размещение нескольких проборов в одном корпусе, их соединение в систему), обусловленная миниатюризацией вычислительных устройств и переходом к цифровым измерительным технологиям;

— интеграция различных приборов и вычислительных средств в единый комплекс («локальные сети приборов») при использование стандарта HP-IB;

— интеграция комплексов и локальных систем управления в единую сеть управления связью (TMN);

Измерительная техника на сетях современных телекоммуникаций имеет ряд особенностей:

1) очень широкий диапазон измеряемых величин, например, по мощности от долей микроватт до сотен киловатт; по напряжению от долей микровольт до сотен тысяч вольт; по сопротивлению от 10^-6 до 10¹² Ом и т. д.;

2) широкий диапазон рабочих частот — от постоянного тока до 10¹⁵ Гц;

3) большое число измеряемых параметров, обуславливающих разнообразие измерительных приборов;

4) создание виртуальных сред сбора и обработки информации.

Современное развитие телекоммуникационных технологий можно охарактеризовать как технологическую научно-техническую революцию. Измерительная технология (ИТ) — совокупность методов, подходов к организации измерений и интерпретации результатов, конкретных методик, а также измерительных средств (средств измерений и средств контроля), необходимых для качественного обслуживания соответствующего направления развития технологии средств связи.

Особенности ИТ:

1) высокая скорость смены технологий;

2) высокая специализация и динамичное изменение рынка современной измерительной техники;

3) появление совершенно нового класса измерительных проборов (анализаторов протоколов и логического взаимодействия интеллектуальных устройств сетей связи и др.)

2. Основные термины и определения в области метрологии

Термин метрология произошел от греческих слов: мефспн — мера и лпгпж — учение, слово.

Метрология — наука об изменениях, об обеспечении их единства, о способах достижения требуемой точности, а также о методах и средствах достижения указанных целей. Единство измерений это состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

Задачи, решаемые метрологией, можно условно разделить на научные, практические, законодательные. В соответствии с этим метрологию делят на общую, законодательную и прикладную.

Научные задачи заключаются в разработке общей теории измерений, совершенствования системы единиц, разработке эталонов, исследованию вопросов математической обработки результатов измерений и т. п. Они решаются в научных метрологических учреждениях нашей страны. Эти задачи решает общая или теоретическая метрология.

Законодательная метрология это раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразие средств измерений.

Законодательная метрология реализуется через стандартизацию (установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации (использования) и требований безопасности).

Прикладная метрология занимается решением практических задач. К практическим задачам метрологии относятся производство и выпуск в обращение рабочих средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой точностью характеристик продукции, государственные испытания средств измерений, организация ведомственной поверки средств измерений, ревизия состояния измерений на предприятиях и организациях.

Главное практическое применение метрологии - поверочное дело — передача истинных значений единиц от эталонов к рабочим мерам и измерительным приборам, применяемым в науке, технике и других областях народного хозяйства. Процесс и правила передачи единиц физических величин от эталонов к рабочим средствам измерений определяется поверочной схемой.

Основными задачами метрологии являются:

§ обеспечение единства измерений;

§ установление единиц физических величин;

§ обеспечение единообразия средств измерений;

§ установление национальных (государственных) эталонов и рабочих средств измерений, контроля и испытаний, а также передачи размеров единиц от эталонов или рабочих эталонов рабочим средствам измерений;

§ установление номенклатуры, методов нормирования, оценки и контроля показателей точности результатов измерений и метрологических характеристик средств измерений;

§ разработка оптимальных принципов, приемов и способов обработки результатов измерения и методов оценки погрешностей.

Одной из главных задач метрологии является обеспечение единства измерений. Единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Это может быть выполнено при соблюдении двух основополагающих условий:

§ выражение результатов измерений в узаконенных единицах;

§ установление допускаемых погрешностей результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Метрологическое обеспечение — установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для обеспечения единства и требуемой точности измерения Все виды работ производятся метрологической службой, которую возглавляет Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (в него преобразован Госстандарт России). В настоящее время Россия имеет развитую метрологическую службу. Главным центром Государственной метрологической службы является Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС), осуществляющий разработку научно-технических и организационных основ метрологического обеспечения, развитием эталонной базы, проведением государственных испытаний, стандартизацией в области измерений, работами по международному сотрудничеству в области метрологии.

Международное сотрудничество в области метрологии непрерывно развивается, что привело к учреждению в 1956 г. Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ). Россия активно участвует в работе этой и других международных метрологических организаций.

3. Физические величины и единицы

Физическая величина — свойство физических объектов, общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет ее род (например, электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества), а количественная — ее «размер» (значение электрического сопротивления конкретного проводника, например R = 100 Ом). Числовое значение результата измерения зависит от выбора единицы физической величины.

Физическим величинам присвоены буквенные символы, используемые в физических уравнениях, выражающих связи между физическими величинами, существующие в физических объектах.

Размер физической величины — количественная определенность величины, присущая конкретному предмету, системе, явлению или процессу.

Значение физической величины — оценка размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения. Числовое значение физической величины — отвлеченное число, выражающее отношение значения физической величины к соответствующей единице данной физической величины (например, 220 В — значение амплитуды напряжения, причем само число 220 и есть числовое значение). Именно термин «значение» следует применять для выражения количественной стороны рассматриваемого свойства. Неправильно говорить и писать «величина тока», «величина напряжения» и т. д., поскольку ток и напряжение сами являются величинами (правильным будет применение терминов «значение силы тока», «значение напряжения»).

При выбранной оценке физической величины ее характеризуют истинным, действительным и измеренным значениями.

Истинным значением физической величины называют значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения.

Это понятие опирается на два основных постулата метрологии:

§ истинное значение определяемой величины существует и оно постоянно;

§ истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно.

На практике оперируют понятием действительного значения, степень приближения которого к истинному значению зависит от точности средства измерения и погрешности самих измерений.

Действительным значением физической величины называют ее значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для определенной цели может быть использовано вместо него.

Под измеренным значением понимают значение величины, отсчитанное по индикаторному устройству средства измерения.

Единица физической величины — величина фиксированного размера, которой условно присвоено стандартное числовое значение, равное единице.

Единицы физических величин делят на основные и производные и объединяют в системы единиц физических величин. Единица измерения устанавливается для каждой из физических величин с учетом того, что многие величины связаны между собой определенными зависимостями. Поэтому лишь часть физических величин и их единиц определяются независимо от других. Такие величины называют основными. Остальные физические величины — производные и их находят с использованием физических законов и зависимостей через основные. Совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин. Единица основной физической величины является основной единицей системы.

Международная система единиц (система СИ; SI — франц. Systeme International) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г.

В основу системы СИ положены семь основных и две дополнительные физические единицы. Основные единицы: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела (табл. 1).

Таблица 1. Единицы Международной системы СИ

Метр равен расстоянию, проходимому светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Килограмм — единица массы, определяемая как масса международного прототипа килограмма, представляющего цилиндр из сплава платины и иридия.

Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133.

Ампер — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывал бы силу взаимодействия, равную 210^-7 Н (ньютон) на каждом участке проводника длиной 1 м.

Кельвин — единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды, т. е. температуры, при которой три фазы воды — парообразная, жидкая и твердая — находятся в динамическом равновесии.

Моль — количество вещества, содержащего столько структурных элементов, сколько содержится в углероде-12 массой 0,012 кг.

Кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 54 010¹² Гц (длина волны около 0,555 мкм), чья энергетическая сила излучения в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (ср — стерадиан).

Дополнительные единицы системы СИ предназначены только для образования единиц угловой скорости и углового ускорения. К дополнительным физическим величинам системы СИ относят плоский и телесный углы.

Радиан (рад) — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги которой равна этому радиусу. В практических случаях часто используют такие единицы измерения угловых величин:

градус — 1^_= 2р/360 рад = 1,745 310^-2 рад;

минута — 1' = 1^_/60 = 2,9088 10^-4 рад;

секунда — 1″ = 1'/60= 1^_/3600 = 4,848 110^-6 рад;

радиан — 1 рад = 57^_17'45″ = 57,2961^_ = (3,4378 10³)' = (2,62 710⁵)" .

Стерадиан (ср) — телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на ее поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Измеряют телесные углы с помощью плоских углов и расчета

(1)

где б — телесный угол; ц — плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом.

Производные единицы системы СИ образуют из основных и дополнительных единиц.

В области измерений электрических и магнитных величин имеется одна основная единица — ампер (А). Через ампер и единицу мощности — ватт (Вт), единую для электрических, магнитных, механических и тепловых величин, можно определить все остальные электрические и магнитные единицы. Однако на сегодняшний день нет достаточно точных средств воспроизведения ватта абсолютными методами. Поэтому электрические и магнитные единицы основываются на единицах силы тока и производной от ампера единицы емкости — фарада.

К производным от ампера физическим величинам также относятся:

§ единица электродвижущей силы (ЭДС) и электрического напряжения — вольт (В);

§ единица частоты — герц (Гц);

§ единица электрического сопротивления — ом (Ом);

§ единица индуктивности и взаимной индуктивности двух катушек — генри (Гн).

В табл. 2 и 3 приведены производные единицы, наиболее употребляемые в телекоммуникационных системах и радиотехнике.

Таблица 2. Производные единицы СИ

Таблица 3. Единицы СИ, применяемые в практике измерений

Сокращенные обозначения единиц как международных, так и русских, названных в честь великих ученых, пишутся с заглавных букв, например ампер — А; ом — Ом; вольт — В; фарад — Ф. Для сравнения: метр — м, секунда — с, килограмм — кг.

На практике применение целых единиц не всегда удобно, так как в результате измерений получают очень большие или очень малые их значения. Поэтому в системе СИ установлены ее десятичные кратные и дольные единицы, которые образуются с помощью множителей. Кратные и дольные единицы величин пишутся слитно с наименованием основной или производной единицы: километр (км), милливольт (мВ); мегаом (МОм).

Кратная единица физической величины — единица, большая в целое число раз системной, например килогерц (10³ Гц). Дольная единица физической величины — единица, меньшая в целое число раз системной, например микрогенри (10^-6 Гн).

Наименования кратных и дольных единиц системы СИ содержат ряд приставок, соответствующих множителям (табл. 4).

Таблица 4. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц СИ

4. Уровни передачи

В телекоммуникациях широко используются безразмерные логарифмические единицы передачи.

Различают абсолютные нулевые уровни, абсолютные, относительные и измерительные уровни передачи.

1. Абсолютные нулевые уровни установлены для активных мощностей P₀ = 1 мВт, для кажущихся мощностей — 1 мВА. Абсолютные нулевые уровни по напряжению и току соответственно равны

(2)

При Rн = R₀ = 600 Ом имеем

U₀ = 0,775 В и I₀ = 1,29 мА.

2. Абсолютные уровни передачи напряжения, тока или мощности определяются по отношению к абсолютным нулевым уровням следующим образом:

по напряжению

дБ (3)

по току

дБ (4)

по мощности

дБ (5)

3. Относительные уровни напряжения, тока и мощности определяются логарифмами отношений

;; , (6)

где U₁, I₁, P₁— напряжение, ток и мощность в какой-либо точке измерений 1;

U₂, I₂, P₂ — напряжение, ток и мощность в точке 2.

Относительный уровень можно определить через абсолютные уровни:

==-= L_U2 — L_U1 (7)

4. Измерительный уровень определяется как абсолютный уровень напряжения в измеряемой точке цепи, если к её входу подведено напряжение с уровнем 0 дБ.

При относительных измерениях широко используется внесистемная безразмерная единица — децибел (дБ), определяемая:

при сравнении напряжений

1 дБ = 20lg (U₂/U₁), при U₂/U₁ = 10^1/20 = 1,122,

а при сравнении мощностей

1 дБ = 10lg (Р ₂/Р ₁), при Р ₂/Р ₁ = 10^1/10 = 1,259.

1. Лифиц И. М. Основы стандартизации, метрологии, сертификации. — М.: Юрайт, 2011.

2. Сергеев А. Г., Латышев М. В., Терегеря В. В. Метрология. Стандартизация. Сертификация. — М.: Логос, 2013.

3. Крылова Г. Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2013.

4. Лифиц И. М. Стандартизация, метрология, сертификация. — М.: Юрайт, 2013.

5. Басаков М. И. Сертификация продукции и услуг с основами стандартизации и метрологии. — Ростов-на-Дону, 2012.