Основы измерений в технике связи: Курс лекций (Лекции 1-9. Общие сведения о метрологии и стандартизации. Измерение цепей связи с распределенными параметрами)

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. ……………………………………………………….4

Лекция № 1   Общие сведения о метрологии и       стандартизации  6

Лекция № 2   Измерение напряжения и тока. 41

Лекция № 3   Генераторы измерительных сигналов. 68

Лекция № 4   Электронный осциллограф.. 91

Лекция № 5   Измерение частоты и    временных   интервалов  109

Лекция № 6   Измерение     параметров   компонентов и цепей  121

Лекция № 7   Измерение основных параметров четырехполюсников  147

Лекция № 8   Измерение параметров, характеризующих нелинейные искажения и помехи. 151

Лекция № 9   Измерение цепей связи с распределенными параметрами  173

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 208

ВВЕДЕНИЕ

Данный курс лекций предназначен для проведения теоретических занятий по дисциплине: «Основы измерений в технике связи», для учащихся колледжей технических специальностей: «Сети связи и системы коммутации», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Радиоэлектроника и связь».

Развитие новых направлений радиотехники и телекоммуникационного комплекса: наземных сетей общего пользования, корпоративных сетей, спутниковых сетей связи, сетей телевизионного и звукового вещания; бурный рост радиоэлектронной промышленности; разработка и внедрение новых с большими возможностями высокоскоростных цепей связи (ВОСП, «последняя миля», LAN, xDSL); повсеместное внедрение компьютеров, которое упрощают процесс измерения и делает его более точным; автоматизация производства и сферы потребления невозможны без совершенствования измерительной техники и повышения эффективности ее метрологического обеспечения, создания новых методов измерений и средств контроля. На всех этапах исследования, разработки, производства и эксплуатации радиотехнических и телекоммуникационных устройств работа инженеров связана с большим числом измерений различных величин. От того, насколько правильно и быстро проводятся измерения, зависят сроки разработки новых технологий в радиотехнике и телекоммуникации, качественные показатели и надежность аппаратуры и цепей связи, сроки быстрой ликвидации неисправностей на линиях передачах. В то же время работа с телекоммуникационными  и радиотехническими системами является небезопасной, т.к. связана с электрическим током, поэтому необходим жесткий контроль за электрическими нормами безопасности, что является одним из важных принципов стандартизации.

Данное пособие разработано в соответствии с типовой учебной программой и рассмотрены следующие вопросы:

·  Основы метрологии – науки об измерениях; «Государственная система обеспечения единства измерений РК»; метрологическая служба в Казахстане; классификация методов  и средств измерений; погрешности и математическая обработка результатов измерений.

·  Методы и средства измерений напряжения и тока.

·  Генераторы измерительных сигналов: классификация и основные параметры, их назначение и особенности разных видов генераторов.

·  Электронный осциллограф: классификация и основные параметры, виды разверток и их применение.

·  Измерение частоты и временных сигналов.

·  Измерение параметров компонентов и цепей.

·  Защитное заземление: назначение и способы измерения сопротивления заземления.

·  Измерение рабочего затухания четырехполюсника.

·  Измерение параметров, характеризующие нелинейные искажения и помехи в цепях связи.

·  Измерение цепей с распределенными параметрами, что является очень важным специфическим вопросом, т.к. здесь рассматриваются: измерение первичных и вторичных параметров цепи связи; виды повреждений цепей связи; методы определения точек повреждений цепей связи.

·  Схемы и принципы работы промышленных образцов и современных приборов, используемые в радиотехнике и телекоммуникации.

·  Помимо методов измерений стандартных цепей связи рассмотрены методы и средства измерений параметров ВОСП (волоконно-оптическая система передачи), «последняя миля», LAN, xDSL,  которые сейчас в нашей республике на стадии внедрения.

Лекция № 1 Общие сведения о метрологии и стандартизации

План лекции:

1.1  Основные определения и термины;

1.2  Физические величины, единицы их измерения;

1.3  Средства измерений. Погрешности и математическая обработка результатов измерений.

1.1.  Основные определения и термины

Измерения являются одним из самых древнейших способов познания окружающего мира. С помощью их, ученые доказывали истинность своих теорий либо наоборот они опровергались. Т.к. любая наука не может существовать без практических доказательств. Поэтому ученым необходима была достоверность результатов измерений, т.е. высокая точность измерений. Этим и занимается наука «метрология».

Термин «метрология» произошел от греческих слов: metron – мера и logos – учение, слово. В современном понимании – это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Предметом метрологии являются физическая величина, ее измерения, их единство и точность.

К общепринятым в метрологии определениям относятся понятия:  измерение, единство измерений, погрешность измерения, точность измерения, средство измерения и ряд других терминов.

            Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Под измерением понимается процесс физического сравнения данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу измерения. Единицы физических величин не являются объектами природы, а представляют собой лишь вспомогательный аппарат, применяемый при изучении.

Метрология как наука условно подразделяется на:

• Научную;
• Практическую;
• Законодательную.

Задачами научной метрологии являются: разработка общей теории измерений, совершенствование систем единиц, разработка и хранение эталонов и образцовых средств измерений, исследование вопросов математической обработки результатов измерений и т.п. В Республике Казахстан этими вопросами занимается КазИнМетр (казахстанский институт метрологии). 

К задачам практической метрологии относятся производство и выпуск в обращение рабочих средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой точностью характеристик продукции, государственные испытания средств измерений, ведомственные поверки средств измерений, ревизии состояния измерений на предприятиях и в организациях. В нашем государстве этими работами занимаются метрологические службы на предприятиях или заводах, а также метрологическая служба при Комитете по техническому регулированию.

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 единообразия средств измерений.

Все эти виды работ проводятся государственной метрологической службой, которую возглавляет Комитет по техническому регулированию (ранее Госстандарт РК). Данный комитет также возглавляет государственные органы стандартизации и сертификации в РК, которые очень тесно связаны с метрологией.

Комитету по техническому регулированию (а также его филиалам) касательно вопросов метрологии в Казахстане предоставлено право:

·  контролировать соблюдение правил законодательной метрологии;

·  запрещать серийное производство или ввоз в республику средств измерений, не утвержденных комитетом типов;

·  изымать из обращения средства измерений, не отвечающие установленным требованиям;

·  контролировать качество изготовления и ремонта средств измерений.

Законодательной основой государственной метрологической службы является Закон РК «Об обеспечении единства измерений». С целью реализации данного закона на территории республике Казахстан была создана Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), которая состоит из комплексов нормативно-технических документов. Этот документ (СТ РК 2.1-2000 ГСИ РК. Термины и определения) охватывает следующие вопросы: единицы физических величин, их воспроизведение с помощью эталонов; нормы на метрологические характеристики средств измерений, правила поверки, ревизии и экспертизы; проведение аттестаций и стандартных методик выполнения измерений; оформление и представление результатов измерений.

Основными нормативно-техническими документами ГСИ являются государственные стандарты (это ГОСТы, СТ РК), технические условия (ТУ), технические регламенты.

Стандарт (согласно ГОСТ РК 1.0) – это нормативный документ по стандартизации, разработанный, как правило на основе согласия, характеризующегося отсутствием возражением по существующим вопросам у большинства заинтересованных сторон. В зависимости от сферы действия различают стандарты разного статуса: международного, регионального, государственного и стандарты отрасли.

Технические условия – это документ, устанавливающий технические требования к продукту, услуге или процессу.

Разработкой нормативными документами, в том числе и выше перечисленными, занимается наука, которая близко сопряжена с метрологией – это стандартизация.

Деятельность стандартизации направлена на разработку и установление требований, норм, правил, характеристик, как обязательных для выполнения, так и рекомендуемых. Стандартизация обеспечивает право потребителя на приобретение товаров надлежащего качества за приемлемую цену, а также на безопасность и комфортабельность труда.

Основной целью стандартизации является достижение оптимальной степени упорядочения в той или иной области посредством широкого и многократного использования установленных положений, требований, норм для решения реально существующих, планируемых или потенциальных задач. Также к целям стандартизации относятся:

·  единство измерений;

·  совместимость и взаимозаменяемость изделий;

·  безопасность продукции, работ, услуг для жизни и здоровья людей, окружающей среды и имущества;

·  качество продукции, работы и услуги в соответствии с уровнем развития научно-технического прогресса;

·  экономия всех видов ресурсов.

Стандартизация как наука и как вид деятельности базируется на определенных исходных положениях и принципах. Существуют семь принципов стандартизации.

1.  Сбалансированность интересов сторон (участники работ по стандартизации, исходя из возможностей изготовителя продукции и исполнителя услуги с одной стороны и требования потребителя с другой стороны, должны прийти к общему согласию, которое понимается как отсутствие значительных возражений по существующим вопросам);

2.  Системность и комплектность стандартизации (объект рассматривается как часть большой системы, причем все элементы системы совместимы между собой);

3.  Принцип динамичности и опережающей развитие стандартизации (периодическая поверка стандартов, с целью внесения в них изменения, продиктованными научно-техническим прогрессом);

4.  Эффективность стандартизации (применение нормативных документов должно давать экономический или социальный эффект);

5.  Приоритетность разработки стандартов, способствующих обеспечению безопасности, совместимости, взаимозаменяемости продукции.

6.   Принцип гармонизации (позволяет разработать стандарты, которые не создают препятствия международной торговле).

7.  Четкость формулировок положений стандартов (предотвращает двусмысленное толкование норм).

Как уже отмечалось, органом по контролю исполнения действующих стандартов или иных нормативных документов в РК занимается Комитет по техническому регулированию, органы по сертификации. Разработкой нормативных документов занимается КазИнСт (казахстанский институт по стандартизации) и его филиалы.

В заключение можно отметить, что современное состояние метрологии и радиоизмерений и перспектива их развития предъявляют повышенные требования к уровню метрологической подготовки радиоинженеров. Это связано с тем, что на всех этапах исследования, разработки, производства и эксплуатации радиотехнических устройств работа инженеров связана с большим числом измерений различных величин.

1.2  Физические величины, единицы их измерения

Объектом измерений в метрологии являются физические величины. Под физической величиной понимают свойство, в качественном отношении общее для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), а в количественном – индивидуальное для каждого из них. Качественная сторона данного понятия определяет «род» величины (например, электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества), а количественная  - ее «размер», т.е. значение. Для выражения количественной стороны рассматриваемого свойства следует применять термин «значение». Неправильно, например, говорить и писать «величина тока», «величина напряжения» и т.д., поскольку ток и напряжение сами являются величинами (правильным будет применение терминов «значение силы тока» и т.д.).

Иногда вместо термина физическая величина применяют термин параметр (например, амплитуда, фаза, частота). Хотя параметр – это лишь частная особенность физической величины (например, конденсатор характеризуют емкостью, а его параметрами можно считать тангенс угла потерь).

Классификация физических величин очень разнообразна и множественна. Обычно физические величины принято делить на основные, производные и внесистемные.

Основные величины независимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными от этих величин. Например, в формуле Эйнштейна основной величиной является масса, а производной величиной - энергия. Зависимость между основной величиной и другими величинами определяет данная формула.

Внесистемные единицы – единицы физических величин, не входящие не в одну из систем единиц. Подобные единицы выбирались в отдельных областях измерений вне связи с построением систем единиц. Внесистемные единицы можно разделить на независимые (определяемые без помощи других единиц) и произвольно выбранные, но определяемые через другие единицы. Например, градус Цельсия, лошадиная сила, тонна, децибел, миллиметр ртутного столба, бар и т.п.

Долгое время метрология существовала как описательная наука, констатирующая сложившиеся в обществе соглашения о мерах используемых величин. Развитие науки и техники привело к использованию множества мер одних и тех же величин, применяемых в различных странах, что существенно затрудняло сотрудничество между государствами в науке и торговле. Для устранения данной проблемы необходима была классификация различных мер, которая была бы едина во всем мире. Поэтому уже в древние времена были созданы эталонные (образцовые) меры, что способствовало поддержанию единства установленных мер.

По мере развития промышленного производства повышались требования к применению и хранению мер, усиливалось стремление к унификации размеров единиц физических величин. В то же время обеспечение единства измерений, как одна из основных задачей метрологии, требовало создание единой (общепринятой) системы единиц физических величин.

На Генеральной конференции по мерам  и весам в 1960г. Была утверждена Международная система единиц – SI. Аббревиатура системы составлена из начальных букв французского названия «System International d^,Unites» - Система Интернациональная (СИ). На территории нашей страны система единиц СИ установлена ГОСТ 8.417-2002. Единицы величин.

Система единиц физических величин – это совокупность основных и производных единиц. В мировой практике широко распространена Международная система единиц.      

Международная система СИ считается наиболее совершенной и универсальной по сравнению с другими системами (например, Великобритания, США, Канада продолжают проводить измерения на основе исторически сложившихся у них единиц измерения).

Согласно системе СИ физические величины  подразделяются на основные и производные. До 1965г. Имели место еще дополнительные единицы – единицы плоского и телесного угла, радиан и стерадиан, - но с целью упрощения системы эти единицы были переведены в категорию безразмерных производных единиц СИ (имеющими специальные наименования и обозначения), которые по необходимости могут быть использованы или не использованы