Общие сведения из метрологии

Реферат

Содержание

1 Современное состояние измерительной техники 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

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:

расширение пределов измеряемых величин и повышение точности измерений;
разработка новых методов измерений и приборов с использованием новейших принципов действия;
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:

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.;
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:

высокая скорость смены технологий;
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.)

2. Основные термины и определения в области метрологии

Термин метрология произошел от греческих слов: – мера и – 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 Единицы Международной системы СИ

Единицы
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение
			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		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 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 5401012 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= 2/360 рад = 1,745310-2 рад;

минута – 1' = 1/60 = 2,9088 10-4 рад;

секунда – 1"= 1'/60= 1/3600 = 4,848110-6 рад;

радиан – 1 рад = 5717'45" = 57,2961 = (3,4378 103)' = (2,0627105)".

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 – телесный угол; – 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

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		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	Н	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 квадратный метр	А/m2	А/м2
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	m	Омм
Полная мощность электрической цепи	L2MT-2	вольт-ампер	VA	BA
Реактивная мощность электрической цепи	L2MT-3	вар	var	BAp
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	Г
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		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)

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:

==-= LU2 – LU1 (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 = 101/20 = 1,122,

а при сравнении мощностей

1 дБ = 10lg(Р2/Р1), при Р2/Р1 = 101/10 = 1,259.

Литература

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.

Общие сведения из метрологии