Общие сведения из метрологии

Реферат

Общие сведения из метрологии

Оглавление

1. Современное состояние измерений в телекоммуникациях

. Основные термины и определения в области метрологии

. Физические величины и единицы

. 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;

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

)        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;

)        большое число измеряемых параметров, обуславливающих разнообразие измерительных приборов;

)        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;

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

. Основные термины и определения в области метрологии

Термин метрология произошел от греческих слов: μετρον - мера и λογοζ - 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.

. 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 1/299792458 долю секунды.

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

Секунда равна 9192631770 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 2×10^-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 540×10¹² 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^○= 2π/360 рад = 1,7453×10^-2 рад;

минута - 1' = 1^○/60 = 2,9088 ×10^-4 рад;

секунда - 1"= 1'/60= 1^○/3600 = 4,8481×10^-6 рад;

радиан - 1 рад = 57^○17'45" = 57,2961^○ = (3,4378 ×10³)' = (2,0627×10⁵)".

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 α - телесный угол; φ - 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 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.

. 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)

. 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)

. 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

а при сравнении мощностей

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

Литература

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

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

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

. Лифиц И.М. Стандартизация, метрология, сертификация. - М.: Юрайт, 2013.

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