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
Единицы
|
Наименование
|
Размерность
|
Наименование
|
|
|
|
международное
|
русское
|
Основные
|
Длина
|
L
|
метр
|
m
|
м
|
Масса
|
М
|
килограмм
|
kg
|
кг
|
Время
|
T
|
секунда
|
s
|
с
|
Сила
электрического тока
|
I
|
ампер
|
А
|
А
|
Температура
|
Θ
|
кельвин
|
К
|
К
|
Количество вещества
|
N
|
моль
|
mol
|
моль
|
Сила
света
|
J
|
кандела
|
cd
|
кд
|
Дополнительные
|
Плоский угол
|
-
|
радиан
|
rad
|
рад
|
Телесный
угол
|
-
|
стерадиан
|
sr
|
ср
|
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
Величина
|
Единица
|
Наименование
|
Размерность
|
Наименование
|
Обозначение
|
|
|
|
международное
|
русское
|
Частота
|
T-1
|
герц
|
Hz
|
Гц
|
Энергия,
работа, количество теплоты
|
L2MT-2
|
джоуль
|
J
|
Дж
|
Сила,
вес
|
LMT-2
|
ньютон
|
N
|
Н
|
Мощность,
поток энергии
|
L2MT-3
|
ватт
|
W
|
Вт
|
Количество
электричества
|
TI
|
кулон
|
С
|
Кл
|
Электрическое
напряжение, электродвижущая сила (ЭДС),
потенциал
|
L2MT-3I-1
|
вольт
|
V
|
В
|
Электрическая
емкость
|
L-2M-1T4I2
|
фарад
|
F
|
Ф
|
Электрическое
сопротивление
|
L2МT-3I-2
|
ом
|
Ω
|
Ом
|
Электрическая
проводимость
|
L-2M-1T3I2
|
сименс
|
S
|
См
|
Магнитная
индукция
|
МT-2I-1
|
тесла
|
Т
|
Тл
|
Поток
магнитной индукции
|
L2MT-2I-1
|
вебер
|
Wb
|
Вб
|
Индуктивность,
взаимная индуктивность
|
L2MT-2I-2
|
генри
|
Гн
|
Таблица 3. Единицы СИ, применяемые в практике измерений
Величина
|
Единица
|
Наименование
|
Размерность
|
Единица
измерения
|
Обозначение
|
|
|
|
международное
|
русское
|
Плотность электрического тока
|
L-2I
|
ампер
на кв.метр
|
А/m2
|
А/м 2
|
Напряженность электрического поля
|
LMT-3I-1
|
вольт
на метр
|
V/m
|
B/m
|
Абсолютная
диэлектрическая проницаемость
|
L3M-1T4I2
|
фарад
на метр
|
F/m
|
Ф/м
|
Удельное
электрическое сопротивление
|
L3MT-3I-2
|
ом на
метр
|
Ω×m
|
Ом×м
|
Полная
мощность электрической
цепи
|
L2MT-2
|
вольт-ампер
|
V×A
|
B×A
|
Реактивная мощность
электрической цепи
|
L2MT-3
|
вар
|
var
|
B×Ap
|
Напряженность магнитного поля
|
L-1I
|
ампер
на метр
|
A/m
|
A/m
|
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
Множитель
|
Приставка
|
Обозначение приставки
|
|
|
международное
|
русское
|
1018
|
экса
|
Е
|
э
|
1015
|
пета
|
Р
|
п
|
1012
|
тера
|
Т
|
т
|
109
|
гига
|
G
|
106
|
мега
|
М
|
М
|
103
|
кило
|
k
|
к
|
102
|
гекто
|
h
|
г
|
101
|
дека
|
da
|
да
|
10-1
|
деци
|
d
|
д
|
10-2
|
санти
|
с
|
с
|
10-3
|
милли
|
m
|
м
|
10-6
|
микро
|
μ
|
мк
|
10-9
|
нано
|
n
|
н
|
10-12
|
пико
|
p
|
п
|
10-15
|
фемто
|
f
|
ф
|
10-18
|
атто
|
а
|
а
|
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:
==-= LU2 - LU1 (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 = 101/10 = 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.