Метрология. МССИ. Министерство транспорта российской федерациифедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
 Скачать 1.29 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет транспорта (МИИТ)» Факультет: «Транспортные средства» Кафедра: «Системы управления транспортной инфраструктурой» УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях» (название дисциплины) Курс: VI Направление/специальность: 11.03.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи (код, наименование специальности /направления) Профиль/специализация: «Оптические системы и сети связи» Квалификация (степень) выпускника: бакалавр Форма обучения: заочная Москва 2021 г. 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 3 1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ ..................................................................................... 5 1.1 Общие сведения ..................................................................................................... 5 1.2 Физические величины и их измерения ............................................................... 8 1.2.1 Физические величины ........................................................................................ 8 1.2.2 Международная система единиц .................................................................... 12 1.3. Характеристики, виды, методы и методики измерений ................................. 15 1.3.1. Основные характеристики измерений .......................................................... 17 1.3.2. Шкалы измерений ........................................................................................... 20 1.3.3. Виды измерений .............................................................................................. 23 1.3.4. Методы измерений .......................................................................................... 25 1.3.5. Методики измерений ...................................................................................... 28 1.4. Средства измерений ........................................................................................... 29 1.4.1. Элементарные средства измерений ............................................................... 31 1.4.2. Комплексные средства измерений ................................................................ 33 1.5. Воспроизведение и передача размеров единиц физических величин .......... 38 Эталоны ...................................................................................................................... 40 1.6. Особенности измерений в телекоммуникационных системах ...................... 43 2. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ......................... 46 2.1. Общие сведения .................................................................................................. 46 2.2. Погрешности измерений .................................................................................... 48 2.3. Погрешности средств измерений ..................................................................... 52 2.3.1. Нормирование погрешностей средств измерений ....................................... 56 2.3.2. Энтропийная оценка погрешности средств измерений............................... 60 3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ................................................... 63 3.1. Устранение систематических погрешностей .................................................. 63 3.2. Аналитическое представление и оценка случайных погрешностей ............. 67 3.3. Устранение грубых погрешностей ................................................................... 75 3.4. Обработка результатов прямых однократных измерений ............................. 77 3.4.1. Оценка погрешностей результатов прямых однократных измерений ...... 77 3 ВВЕДЕНИЕ Бурное развитие различных направлений в области телекоммуникационных систем невозможно без совершенствования метрологического обеспечения и измерительной аппаратуры, создания новых методов измерений и средств контроля. На всех этапах исследования, разработки, производства и эксплуатации телекоммуникационных систем работа инженера связана с большим числом измерений радиотехнических величин. Чтобы успешно справиться с многочисленными проблемами электрорадиоизмерений, студентам необходимо освоить ряд общих принципов их решения, определить единую научную и законодательную базу, обеспечивающую высокое качество измерений независимо от того, где и с какой целью они выполняются. Такой базой является метрология (от греческого «metron» – мера, «logos» – учение). Первоначально метрология занималась описанием разного рода мер (линейных, вместимости, массы, времени) и монет, применявшихся в различных странах, а также соотношений между ними. Современная метрология опирается на физический эксперимент высокой точности, используя достижения физики, химии и других естественных наук, но вместе с тем устанавливает свои специфические законы и правила, позволяющие находить количественное выражение свойств объектов материального мира. Общая теория измерений окончательно еще не сложилась, в нее входят сведения, полученные в результате анализа и изучения измерений и их элементов: физических величин, их единиц, средств и методов измерений, полученных результатов измерений. Обращаем внимание на то, что стандартизация и сертификация как дисциплины, представленные в учебном пособии, также находят в РФ в последние 15-20 лет широкое применение. В соответствии с общими требованиями к образованности специалистов, магистров и бакалавров студенты, обучающиеся по специальности 210700.62 – «Оптические системы и сети связи», должны: – изучить основные принципы, методы и средства измерения 4 электрических и радиотехнических величин; – научиться правильно выбирать измерительную аппаратуру; – уметь проводить измерения, обрабатывать их результаты и оценивать достигнутую точность; – ознакомиться с положениями Государственной системы обеспечения единства измерений, перспективными направлениями и тенденциями развития метрологии. В настоящее время по вопросам обеспечения единства измерений, технического регулирования, стандартизации и сертификации в РФ внедряются новые нормативные документы. Некоторые из них рассматриваются в данном учебном пособии. Также в учебном пособии рассматриваются рекомендации международных организаций в области метрологии, стандартизации и сертификации, учитывающие появляющиеся и внедряющиеся в теоретическую и прикладную метрологию новации. В последние годы измерения почти полностью перешли на цифровые методы; существенно расширились диапазоны измеряемых величин; появилась необходимость в измерении характеристик случайных процессов. Усложнение технологии производства, развитие научных исследований привели к необходимости измерения и контроля сотен и тысяч параметров одновременно. Появился новый класс информационно-измерительной техники – измерительные информационные системы, осуществляющие сбор, обработку, передачу, хранение и отображение информации. Работы в области информационно-измерительной технологии позволили в последние годы создать новый раздел теории и практики измерений – виртуальные приборы и интеллектуальные измерительные системы. Все это требует нового подхода к состоянию средств измерений, к соответствию их метрологических свойств установленным нормам. 5 1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ 1.1 Общие сведения Развитие новых направлений телекоммуникационных систем (ТКС) невозможны без совершенствования метрологического обеспечения и измерительной аппаратуры, создания новых методов измерений и средств контроля. На всех этапах исследования, разработки, производства и эксплуатации устройств ТКС работа специалистов связана с большим числом измерений различных физических величин. От того, насколько правильно и быстро проводятся измерения, зависят сроки разработки, качественные показатели и надежность аппаратуры, а также затраты на ее создание и использование. В теории и практике измерений в области телекоммуникаций характерны следующие особенности: – широкий диапазон измеряемых физических величин, например: по мощности – от долей микроватт до сотен киловатт, по напряжению – от долей микровольт до сотен тысяч вольт, по частоте – от 10 –2 Гц до 3·10 12 Гц и более, по величине сопротивления – от 10 –6 Ом до 10 12 Ом и т. д.; – так как основной объект исследования в устройствах ТКС – электрический сигнал – является носителем используемой информации, возникает необходимость наблюдения формы и спектра электрических колебаний, а также генерирования их копий и образцов. Этим вызвано широкое применение в практике измерений приборов для наблюдения и регистрации колебаний (осциллографов, анализаторов спектра) и источников электрических колебаний (измерительных генераторов); – ввиду сложности структуры современных ТКС и большого количества всевозможных параметров, описывающих их работу, характерно разнообразие измерений даже в одном эксперименте, необходимость комплексного их проведения, быстродействие, точность, а, следовательно, автоматизация измерений. Чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными 6 проблемами измерений, необходимо освоить ряд общих принципов их решения, определить единую научную и законодательную базу, обеспечивающую на практике высокое качество измерений независимо от того, где и с какой целью они выполняются. Такой базой является метрология. В международных Рекомендациях РМГ 29–2013 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения», приведено следующее определение: О: Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, и способах достижения требуемой точности. Метрология включает общую теорию измерений физических величин, устанавливает и регламентирует единицы физических величин и их системы, порядок передачи размеров единиц от эталонов единиц величин образцовым и рабочим средствам измерений, методы и средства измерений, общие методы обработки результатов измерений и оценки их точности. Предмет метрологии – измерения, их единство и точность. Метрология включает в себя методы выполнения практически всех измерительных работ на производстве, а также их теоретические и правовые основы. Основной целью метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Средства метрологии – совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование. Основными задачами метрологии являются: – обеспечение единства измерений (состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью); – 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; 7 – установление номенклатуры, методов нормирования, оценки и контроля показателей точности результатов измерений и метрологических характеристик средств измерений; – разработка оптимальных принципов, приемов и способов обработки результатов измерений и методов оценки погрешностей. Современная метрология развивается по нескольким направлениям. Наиболее сформированы три взаимосвязанные ее ветви: теоретическая (научная), законодательная (правовая) и прикладная (практическая). Теоретическая метрология главным образом связана с разработкой и изучением фундаментальных вопросов теории измерений. Занимается изучением проблем измерений в целом, а также образующих измерения элементов и составляющих: средств измерений, физических величин и их единиц, методов и методик измерений, результатов измерений и погрешностей измерений. Законодательная метрология устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физических величин, эталонов, видов, методов, методик и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений. Исходными документами законодательной метрологии являются Федеральные законы РФ «Об обеспечении единства измерений» и «О техническом регулировании». Прикладная метрология связана с изучением вопросов практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии. Из прикладной метрологии для нужд телекоммуникаций выделяют технические измерения. В настоящее время к техническим измерениям, рассматриваемым во взаимной связи с точностью в ТКС, в основном относят измерения различных электрических величин. Кроме того, в настоящее время широкое применение в метрологии получила квалиметрия – учение о методах и приемах измерения (точнее, оценивания) качества. Методологическая общность классической метрологии и квалиметрии делает обоснованным изложение ряда элементов квалиметрии в рамках данного учебного пособия. 8 1.2 Физические величины и их измерения 1.2.1 Физические величины Любой объект, явление или процесс окружающего мира характеризуется своими свойствами. Для количественного описания различных свойств объектов, явлений и процессов используется понятие величины. Величина – свойство объекта, явления или процесса, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. Физические величины делят на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые физические величины можно выразить количественно, определенным числом установленных единиц измерения. Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено стандартное числовое значение, равное 1. Для оцениваемых физических величин по каким-либо причинам нельзя ввести единицу измерения, их можно лишь оценить. Оценивание – операция приписывания данной физической величине определенного числа принятых для нее единиц, проведенная по установленным правилам. 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, 15 А – значение силы электрического тока, причем число «15» и есть числовое значение). Именно термин «значение» следует принимать для выражения количественной стороны рассматриваемого свойства. По видам явлений физические величины делят на следующие группы: – энергетические (активные), т. е. физические величины, 9 описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии (ток, напряжение, мощность, энергия, заряд), их можно преобразовывать в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии; – вещественные (пассивные), описывающие физические и физико- химические свойства веществ, материалов и изделий из них (сопротивление, емкость, индуктивность и т. д.), для их измерения необходим вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации; – характеризующие временные процессы (импульсные и переходные характеристики, корреляционные функции и др.). По степени условной независимости от других величин физические величины бывают основными, производными и дополнительными. Основными называют единицы физических величин, которые определяются независимо от других физических величин. Остальные физические величины – производные, и их определяют с использованием физических законов и зависимостей через основные единицы. В настоящее время в наиболее распространенной Международной системе СИ используют семь основных физических величин: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. Более подробно деление физических величин по признаку независимости будет дано далее. По наличию размерности физические величины делят на размерные и безразмерные величины. Размерность (dim) физической величины – это выражение, показывающее связь данной величины с физическими величинами, положенными в основу системы единиц. Размерность записывается в виде произведения символов соответствующих основных величин c коэффициентом пропорциональности, равным единице, возведенных в определенные степени, которые называются показателями размерности. Размерность основных величин равна единице, т. е. размерность длины dim 𝑙 = 𝐿, размерность массы dim 𝑚 = 𝑀 и т. д. 10 Конкретная размерность производных величин определяется на основании уравнений физики. Например, мощность P – физическая величина, определяемая как скорость совершения работы A за интервал времени t: 𝑃 = 𝑑𝐴/𝑑𝑡. Принимая во внимание, что работа 𝐴 = 𝐹𝑑𝑙, а сила 𝐹 = 𝑚𝑎, и учитывая, что 𝑎 = 𝑑𝑉/𝑑𝑡 = 𝑑 2 𝑙/𝑑𝑡 2 , где V – скорость, получаем: 𝑃 = 𝑚𝑙 2 𝑡 3 и, соответственно, размерность мощности dim 𝑃 = 𝑀𝐿 2 𝑇 −3 Физическая величина называется безразмерной (относительной), если в ее размерность входят основные величины в степени с показателем, равным нулю. Безразмерные величины представляют собой отношение данной физической величины к одноименной, принимаемой в качестве исходной (например, коэффициент трансформации). Для обозначения частных особенностей физических величин применяют термин «параметр». Например, конденсатор характеризуют таким параметром, как емкость, резистор – сопротивлением и т. д. При выбранной оценке физической величины ее можно охарактеризовать истинным, действительным и измеренным значениями. Истинным значением физической величины называется значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Нахождение истинного значения измеряемой физической величины является главной проблемой метрологии. Одними из главных постулатов метрологии являются: – истинное значение определяемой физической величины существует, и оно постоянно; – истинное значение измеряемой физической величины определить путем измерения невозможно. Определить истинное значение физической величины экспериментально невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения. Погрешность – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой 11 величины. В связи с тем, что истинное значение физической величины определить невозможно, в практике измерений оперируют понятием действительного значения, степень приближения которого к первому зависит от точности измерительного средства и погрешности самих измерений. Действительным значением физической величины называется значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Для действительного значения физической величины всегда можно указать границы более или менее узкой зоны, в пределах которой с заданной вероятностью находится истинное значение физической величины. Действительное значение физической величины определяют по образцовым мерам и приборам, погрешностями которых можно пренебречь по сравнению с погрешностями применяемых средств измерения. Под измеренным значением понимается значение величины, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения. Приведем еще ряд терминов, используемых в метрологии и относящихся к понятию «физическая величина». Влияющая физическая величина – физическая величина, непосредственно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или на объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерения. Так, например, при измерении параметров транзистора влияющей величиной может быть температура, если эти параметры зависят от температуры. Постоянная физическая величина – физическая величина, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за время, превышающее длительность измерения. При измерении постоянной физической величины достаточно измерить одно ее мгновенное значение. Переменная физическая величина – физическая величина, изменяющаяся по размеру в процессе измерения. Переменные во времени физические величины могут иметь квазидетерминированный или случайный характер изменения. 12 Квазидетерминированная физическая величина изменяется во времени по известному закону, размер случайной физической величины изменяется во времени случайным образом. 1.2.2 Международная система единиц Для обеспечения единства измерений единицы физических величин устанавливают по определенным правилам и закрепляют законодательным путем, т. е. объединяют в системы единиц физических величин. Система единиц физических величин – это совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами. Международная система единиц (SI – франц. Systeme International, СИ) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. В основу системы SI положены семь основных и две дополнительные физические единицы (табл. 1.1). Основные единицы: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. Метр равен расстоянию, проходимому светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Килограмм – единица массы, равная массе международного прототипа килограмма, представляющего цилиндр из сплава платины и иридия. Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум нормальным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает между проводниками силу взаимодействия, равную 2·10 -7 Н на каждый метр длины. Кельвин – единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки кипения воды. Моль – количество вещества, содержащего столько структурных 13 элементов, сколько содержится в углероде-12 массой 0,012 кг. Кандела—сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10 12 Гц, чья энергетическая сила излучения в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Таблица 1.1 Основные единицы Международной системы SI Наименование Единицы Размерность Наименование единиц Обозначение Международное Русское Основные Длина |