Общие сведения. Тематический план наименование разделов и тем количество часов всего в том числе практических работ введение Раздел 1

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Наименование разделов и тем	Количество часов
Всего	в том числе практических работ
Введение Раздел 1 Метрология Тема 1.1 Общие сведения Тема 1.2 Шкалы измерений Тема 1.3 Классификация измерений и средств измерений Тема 1.4 Основные методы и режимы измерений Тема 1.5 Средства измерений Тема 1.6 Эталоны единиц электрических величин Раздел 2 Стандартизация Тема 2.1 Общие сведения Тема 2.2 Нормативные документы по стандартизации и виды стандартов Тема 2.3 Стандартизация технической документации Тема 2.4 Общая характеристика методов стандартизации Тема 2.5 Предпочтительные числа. Параметрические ряды. Тема 2.6 Информационное обеспечение работ по стандартизации Раздел 3 Сертификация Тема 3.1 Общие сведения Тема 3.2 Обязательная и добровольная сертификация Тема 3.3 Знаки соответствия Тема 3.4 Основные цели и принципы сертификации Тема 3.5 Субъекты или участники сертификации. Формы участия в системах сертификации и соглашения по признанию Тема 3.6 Правила сертификации Тема 3.7 Нормативная база сертификации. Порядок проведения сертификации продукции Тема 3.8 Развитие сертификации в ближайшей перспективе Тема 3.9 Экспертный метод
Всего по дисциплине

Раздел 1 ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

Опрос по теме 1.1 – 1.6

Следующая тема

Содержание

План:

1.1 Общие сведения

1.2 Шкалы измерений

1.3 Классификация измерений и средств измерений

1.4 Основные методы и режимы измерений

1.5 Средства измерения

1.6 Эталоны единиц электрических величин

Развитие новых направлений радиотехники и телекоммуникационных систем, бурный рост радиоэлектронной промышленности, внедрение ком­пьютеров, автоматизация производства невозможны без совершенствования метрологического обеспечения и измерительной аппаратуры, создания но­вых методов измерений и средств контроля. На всех этапах исследования, разработки, производства и эксплуатации радиоэлектронных устройств ра­бота инженеров связана с большим числом измерений радиотехнических 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.

Достаточно высокий уровень знаний современных методов измере­ний и приборов, умение произвести измерения быстро и с наивысшей в данных условиях точностью, обойдясь оптимальным количеством при­боров, характеризуют квалификацию радиоинженера. Особенно необ­ходимы специалисту такого профиля знания по основам теории погреш­ностей, по цифровым методам измерений, методам исследования стати­стических характеристик случайных процессов.

Качественно новое развитие различных направлений радиоэлектро­ники предъявляет все более высокие требования к метрологическому обеспечению и уровню радиоизмерений и вызывает разработку новых методов и приборов. В этой связи для метрологии характерны следую­щие направления:

• разработка современных методов измерений и приборов с исполь­зованием новейших физических принципов или радио технологий, необ­ходимых для перспективных направлений науки и техники;

• повышение точности измерений и расширение пределов измеряемых величин;

• создание комплексных полуавтоматических и автоматических изме­рительных систем, обладающих высокой точностью, быстродействием и надежностью.

Перед изучением этой дисциплины возникает вопрос: в чем отличие радиоизмерений от электроизмерений? В радиотехнике, как и в электро- технике, измеряются однотипные электрические величины — напряже­ние, сила тока, форма, частота и период колебаний, мощность и пр., — что является следствием общности электромагнитных явлений, на кото­рых базируются эти области науки и техники.

Большинство методов, измерительных схем и устройств, применяе­мых в течение многих лет в электроизмерительных приборах, получили свое дальнейшее развитие и лежат в основе современной радиоизмери­тельной аппаратуры. Например, компенсационный метод, позволяющий получить максимальную точность измерения электрических величин, используется в современных цифровых приборах, находящих широкое применение при радиотехнических измерениях. Можно сказать, что раз­личия электро- и радиоизмерений проявляются в основном в диапазонах значений измеряемых величин и в подходе, определяемом конечной це­лью измерения.

Главные задачи радиотехники (и радиоэлектроники) непосредствен­но связаны с передачей, приемом, обработкой, преобразованием и хра­нением информации. Поэтому для радиотехники характерно исследова­ние колебаний весьма широкого диапазона частот, при этом очень важ­но бывает не только определить значения измеряемых величин, но и по­лучить данные о форме и спектре сигналов.

Перечислим основные особенности, характерные для радио­измерений.

1. Чрезвычайно широкий диапазон измеряемых величин, например по мощности — от долей микроватт до сотен киловатт, по напряжению — от долей микровольт до сотен тысяч вольт, по частоте — от 10‾ Гц до 3-10‾12 Гц и более, по величине сопротивления — от 10‾6 Ом до 10‾12 Ом и т.д. Вследствие этой особенности методы измерения одного и того же параметра могут отличаться в зависимости от диапазона частот, на ко­торых производится измерение. От диапазона исследуемых частот зави­сит даже сам перечень параметров, подлежащих измерению. Так, если в диапазоне радиочастот обычно измеряется напряжение сигнала, то в диапазоне СВЧ, как правило, измеряется его мощность. При этом гео­метрические размеры объектов измерения многократно отличаются друг от друга (изделия микроэлектроники и изделия антенной техники).

По причине все того же широкого частотного диапазона измеряе­мых величин возникают серьезные трудности при устранении влия­ния подключаемых измерительных приборов на работу исследуемого устройства.

2. Поскольку основной объект исследования в устройствах телеком­муникационных систем — 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 радиоизме­рений приборов для наблюдения и регистрации колебаний (осциллографов, анализаторов спектров) и источников электрических колебаний (измерительных генераторов).

3. Вследствие сложности структуры современных радиотехнических систем и устройств и большого количества всевозможных параметров, описывающих их работу, характерно разнообразие измерений даже в одном эксперименте, необходимость комплексного их проведения, быст­родействие, точность, а следовательно, автоматизация при современном статистическом характере измерений.

Типовая схема измерения параметров сложного радиотехнического устройства работает следующим образом. Найденные значения пара­метров объекта измерения в виде электрических сигналов могут быть представлены прямо на устройстве отображения, т.е. измерены непо­средственно. В другом случае эти же электрические сигналы, характери­зующие измеряемые параметры объекта, подаются в компьютер. Сюда же заводятся заданные параметры объекта и внешней среды. После об­работки по одному из способов сравнения (рассмотрены далее), резуль­тирующий сигнал подается на устройство отображения. В последнем случае можно сказать об автоматизированной системе измерения, управляемой компьютером. Очевидно, что точность измерений в этом случае будет значительно выше.

Как уже упоминалось, ГОСТом введен ряд метрологических терми­нов и определений, рассмотренных ниже.

Любой объект окружающего мира характеризуется своими свой­ствами.

Свойство - философская категория, выражающая такую сторо­ну объекта (процесса, явления), которая обусловливает его общность или различие с другими объектами (процессами, явлениями) и обнару­живается в его отношениях к ним. По своей сути свойство — категория качественная. Для количественного описания различных свойств про­цессов и физических тел вводится понятие величины.

Величина — свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количе­ственно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь по­стольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной. Анализ величин позволяет разделить их на два вида: идеальные и реальные.

Идеальные величины главным образом относятся к области математи­ки и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом.

Реальные величины, в свою очередь, делятся на физические и нефизи­ческие. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К не­физическим следует отнести величины, присущие общественным (нефи­зическим) наукам — философии, социологии, экономике и т.д.

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. Качественная сторона понятия «физическая величи­на» определяет «род» величины (например, электрическое сопротивле­ние как общее свойство проводников электричества), а количественная — ее «размер» (сопротивление конкретного проводника). Не вызывает сомнения тот факт, что числовое значение результата измерения будет зависеть от выбора единицы физической величины. В частности, в попу­лярном детском мультфильме при измерении длины удава в качестве единицы длины была выбрана длина попугая. Если же за единицу длины выбрать общепринятую единицу — метр, то числовое значение длины удава будет иным, хотя размер его остался прежним. Следует отметить, что размер физической величины существует объективно, независимо от того, определили мы его или не определили.

С развитием науки, техники и разработкой новых технологий изме­рения охватывают все новые и новые физические величины, существенно расширяются диапазоны измерений как в сторону измерения сверхма­лых значений, так и в сторону очень больших значений физических ве­личин. Практически все электрические и радиотехнические величины, методы и средства измерения которых рассматриваются в настоящем курсе, являются характерными примерами физических величин.

Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оце­ниваемые.

Измеряемые физические величины можно выразить количест­венно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Физические величины, для которых по каким-либо причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены.

Оценива­ние — операция приписывания данной физической величине определен­ного числа принятых для нее единиц, проведенная по установленным правилам.

Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены. Следует отметить, что оценивание нефизических величин не входит в задачи метрологии и радиоизмерений.

По принадлежности к различным группам физических процессов физи­ческие величины делятся на электрические и магнитные, акустические, световые, пространственно-временные, тепловые, механические, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

Значение физической величины — оценка физической величины в при­нятых единицах измерения (например, 10 А — значение силы тока, при­чем само число 10 — это числовое значение). Именно этот термин следу­ет применять для выражения количественной стороны рассматриваемо­го свойства. 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», «значение напряжения» и пр.).

При выбранной оценке физической величины, как объективно суще­ствующим свойством объекта в данный момент времени, ее можно оха­рактеризовать истинным, действительным и измеренным значениями.

Нахождение истинного значения измеряемой физической величины является главной проблемой метрологии. Одним из постулатов метроло­гии является положение о том, что истинное значение физической вели­чины существует, однако определить его путем измерения невозможно.

Истинным значением физической величины называется значение физиче­ской величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Опреде­лить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешно­стей измерения.

Погрешность — это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Положим, что измеряется диаметр круглого диска. Не вызывает сомнения положение, что измерение диаметра диска можно проводить со все более и более высокой точностью, стоит лишь выбрать средство измерений соответствующей точности. Но когда погрешность средства измерения достигнет размеров молекулы, обнаружится как бы размывание краев диска, обусловленное хаотическим движением молекул. Вследствие этого за неко­торым пределом точности само понятие диаметра диска потеряет первона­чальный смысл и дальнейшее повышение точности измерения бесполезно. Следовательно, понятие «истинного» значения диаметра в данном случае приобретает вероятностный смысл и можно лишь с определенной вероятно­стью установить интервал значений, в котором оно находится.

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 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.

Переменная физическая величина — физическая величина, изменяю­щаяся по размеру в процессе измерения

Физический параметр — физическая величина, характеризующая ча­стную особенность измеряемой величины. Например, при измерении напряжения переменного тока в качестве параметров напряжения могут выступать его амплитуда, мгновенное, средневыпрямленное (постоянная составляющая) или среднеквадратическое значения и пр.

Объективно метрология изучает и имеет дело только с измерения­ми физических величин. Вместе с тем к измерениям иногда неправо­мерно относят различного рода оценивания таких свойств объектов, которые формально хотя и подпадают под приведенное определение физической величины, но не позволяют реализовать соответствую­щую единицу. Например, широко распространенную в психологии оценку умственного развития человека называют измерением интел­лекта. И хотя при этом частично используются метрологические идеи и методы, они не могут квалифицироваться как измерения в том смысле, как это принято в метрологии. Таким образом, в дополнение к приведенному определению отметим, что возможность физической реализации единицы измерения является определяющим признаком понятия «физическая величина».

Единица физической величины — физическая величина, которой по оп­ределению присвоено стандартное числовое значение, равное 1. Едини­цы физических величин подразделяются на основные и производные и объединяются в соответствии с принятыми принципами в системы еди­ниц физических величин. В России действует ГОСТ 8.417—81 «ГСИ. Еди­ницы физических величин», устанавливающий Международную систему единиц СИ (SI— от франц. Systeme International).

Система измерений СИ утверждена XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. В основу данной системы положены семь основ­ных и две дополнительные единицы, приведенные в табл. 1.1.1

В радиотехнике, электронике и электротехнике используются прак­тически четыре первые основные единицы Международной системы.

Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Таблица 1.1.1 - Единицы Международной системы

Величины	Единицы
наименование	размер­ность	наименование	обозначение
			междуна­родное	русское
Основные единицы
Длина	L	метр	m	м
Масса	М	килограмм	kg	кг
Время	Т	секунда	s	с
Сила электричес­кого тока	I	Ампер	А	А
Термодинамичес­кая температура		Кельвин	К	К
Количество вещества	Л	моль	mol	моль
Сила света	J	кандела	cd	кд
Дополнительные единицы
Плоский угол Плоский угол	-	радиан	гаd	рад
Телесный угол	-	стерадиан	sr	ср

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего пе­реходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Килограмм — единица массы, равная массе международного прото­типа килограмма.

Ампер — сила не изменяющегося 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 (Генри) на каждый метр длины.

Кельвин — единица термодинамической температуры — 1/273,16 тер­модинамической температуры тройной точки кипения воды.

Производные единицы СИ образуются из основных и дополнитель­ных единиц. В табл. 1.1.2 приведены производные единицы, наиболее употребляемые в радиоэлектронике и радиосвязи.

Так как диапазон реальных значений большинства измеряемых фи­зических величин чрезвычайно велик, применение целых единиц СИ иногда неудобно, поскольку в результате измерений получаются боль­шие или малые их значения. Поэтому в СИ были установлены десятич­ные кратные и дольные единицы системы измерений СИ, которые обра­зуются с помощью множителей.

Кратная единица физической величины — единица, большая в целое число раз системной, например килогерц (10‾3герц), мегаватт (10 6 ватт).

Дольная единица физической величины определяется как единица, меньшая в целое число раз системной, например микрогенри (10‾6 ген­ри), пикофарад (10‾12 фарад).

Таблица 1.1.2 - Производные единицы Международной системы

Наименование величины	Единица
наименование	обозначение
международ­ное	русское
Частота	Герц	Hz	Гц
Энергия, работа, количество теплоты	Джоуль	J	Дж
Мощность, поток энергии	Ватт	W	Вт
Количество электричества (электрический заряд)	Кулон	С	Кл
Электрическое напряжение, электрический потенциал, электродвижущая сила, разность электрических потенциалов	Вольт	V	В
Электрическая емкость	Фарад	F	Ф
Электрическое сопротивление	Ом	Ω	Ом
Электрическая проводимость	Сименс	S	См
Поток магнитной индукции, магнитный поток	Вебер	Wb	Вб
Индуктивность, взаимная индуктивность	Генри	Н	Гн

Наименования кратных и дольных единиц СИ содержат ряд определенных приставок, соответствующих множителям, приведенным в табл. 1.1.3.

Таблица 1.1.3-Множители единиц

Множи­тель	Пристав­ка	Обозначение приставок
		междуна­родное	русское
10^18	экса	Е	э
10^15	пета	Р	п
10^12	тера	Т	Т
10^9	гига	G	Г
10^6	мега	M	М
10^3	кило	к	к
10^2	гекто	h	г
10^1	дека	da	да
10‾^1	деци	d	Д
10‾^2	санти	c	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

Образованные таким образом кратные и дольные единицы физиче­ских величин пишутся слитно с наименованием основной или производ­ной единицей СИ, например: километр (км), мегаватт (МВт), милли­вольт (мВ), мегагерц (МГц), наносекунда (нc), пикофарад (пф) и т.д.

Рассмотрим общепринятые в метрологии определения понятиям из­мерения, средства, принципы, методы и объекты измерения, алгоритмы измерения и шкалы измерений и ряду других характеристик.

Согласно основному стандарту метрологии ГСИ ГОСТ 16263—70 понятие измерения звучит следующим образом: «Измерением называется процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств». Получаемая при этом ин­формация называется измерительной.

Зачастую информация об объекте измерения известна до проведения исследований, что является важнейшим фактором, обусловливающим эффективность измерения. Такую информацию об объекте измерения называют априорной информацией. При полном отсутствии этой инфор­мации измерение в принципе невозможно, так как неизвестно, что же необходимо измерить, а следовательно, нельзя выбрать нужные средства измерений. При наличии априорной информации об объекте в полном объеме, т.е. при известном значении измеряемой величины, измерения попросту не нужны. Априорная информация определяет достижимую точность измерений и их эффективность.

Информация, получаемая в результате измерения, может содер­жаться в объекте измерения в двух формах: пассивной и активной. Пассивная информация — это совокупность сведений, заключенных в том, как устроен объект; такой информацией является, например, информация о величине напряжения источника питания. С другой стороны, информация является активной, если она имеет форму энер­гетической характеристики какого-либо явления. Подобные энерге­тические явления называются сигналами. Их примерами являются электрические, оптические и акустические сигналы, используемые для передачи информации.

Имеются и другие определения, которые рассматривают измерения как процесс получения информации, заключающейся в сравнении опыт­ным путем измеряемых и известных величин или сигналов и представле­ния ее в числовой форме.

Итак, измерение представляет собой специфический информацион­ный процесс, результатом которого является получение количественной информации об измеряемых величинах — измерительной информации.

При определении значения интересующей нас физической величины результат измерения может быть представлен в виде аналитического со­отношения, известного как основное уравнение метрологии

A=kA₀ (1.1)

где,

A — значение измеряемой физической величины;

A₀ — значение величи­ны, принятой за образец;

k — отношение измеряемой величины и образца.

Наиболее удобен вид основного уравнения метрологии (1.1), если выбранная за образец величина равна 1. При этом параметр А представ­ляет собой числовое значение измеренной величины, зависящее от при­нятого метода измерения и величины единицы измерения.

Принцип измерений — совокупность физических принципов, на кото­рых основаны измерения, например применении эффекта Холла для из­мерения мощности, или эффекта Джозефсона для измерения электриче­ского напряжения.

Метод измерений — совокупность приемов использования принци­пов и средств измерений. Это достаточно общее определение на практи­ке часто конкретизируют, относя его только к применяемым средствам измерения, например метод измерения частоты частотомером, напряже­ния — вольтметром, силы тока — амперметром и т.д.

Понятие «метод измерения» следует отличать от методики измерения — общего или поэтапного плана проведения измерения — намеченный распорядок измерений, определяющий состав применяемых приборов, последовательность и правила проведения операций.

Объект измерения — это реальный физический объект, свойства ко­торого характеризуются одной или несколькими измеряемыми физиче­скими величинами. Он обладает многими свойствами и находится в сложных и многосторонних связях с другими объектами. Поэтому в тео­ретической метрологии введено понятие математической модели объек­та. Математическая модель объекта — совокупность математических символов (образов) и отношений между ними, которая адекватно опи­сывает свойства объекта измерения.

В технической литературе и нормативной документации часто встре­чается термин алгоритм измерения, под которым следует понимать точ­ное предписание о порядке выполнения операций, обеспечивающих из­мерение искомого значения физической величины.

Дата добавления: 2014-12-29