Методы измерения

Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Обычно метод измерений обусловлен устройством средства измерений. Различают: дифференциальный, нулевой, контактный и бесконтактный методы измерений, а также методы сравнения с мерой и метод непосредственной оценки.

Наиболее просто реализуется метод непосредственной оценки, заключающийся в определении величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например взвешивание на циферблатных весах, определение размера детали с помощью микрометра или измерение давления пружинным манометром.

^ Метод сравнения с мерой, заключающийся в том, что измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на измерительный прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между ними, называется методом противопоставления. Применение метода противопоставления позволяет значительно уменьшить воздействие на результаты измерений влияющих величин, поскольку они более или менее одинаково искажают сигналы измерительной информации как в цепи преобразования измеряемой величины, так и в цепи преобразования величины, воспроизводимой мерой. Отсчетное устройство прибора сравнения реагирует на разность сигналов, вследствие чего эти искажения в некоторой степени компенсируют друг друга.

Разновидностью метода сравнения с мерой является также нулевой метод измерения, который состоит в том, что подбором размера воспроизводимой мерой величины или путем ее принудительного изменения эффект воздействия сравниваемых величин на прибор сравнения доводят до нуля.

При дифференциальном методе измерения на измерительный прибор (не обязательно прибор сравнения) подается непосредственно разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. К разновидностям метода сравнения с мерой относится и метод замещения, широко применяемый в практике точных метрологических исследований. Сущность метода в том, что измеряемая величина замещается в измерительной установке некоторой известной величиной, воспроизводимой мерой. Замещение может быть полным или неполным, в зависимости от чего говорят о методе полного или неполного замещения.

Одним из общих методов измерений является метод совпадений, представляющий собой разновидность метода сравнения с мерой.

^ Способ компенсации постоянных и периодических погрешностей по знаку. При реализации этого способа процесс измерения строится таким образом, что постоянная систематическая погрешность входит в результат измерения один раз с одним знаком, а другой раз - с другим.

^ Способ вспомогательных измерений применяется в тех случаях, когда воздействие влияющих величин на результаты измерений вызывает большие погрешности измерений. Тогда идут на заведомое усложнение схемы измерительной установки, включая в нее элементы, воспринимающие значение влияющих величин, автоматически вычисляющие соответствующие поправки и вносящие их в полезные сигналы, которые поступают на отсчетные или регулирующие устройства.

^ Бесконтактный метод измерений - метод измерений с мерой, основанный на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения.

^ Кодовый метод - метод измерения дальностей в системах спутникового позиционирования.

Контактный метод измерений - метод измерений с мерой, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения.

Метод отклонения – показание используемого измерительного прибора полностью определяет результат измерения.

^ Разностный метод – измеряется только разность между неизвестной величиной и известным эталонным значением.

Мостовой метод – использование мостовых схем.

Когерентные выборки. Эта стратегия измерения дает нам возможность обрабатывать измерительный сигнал с шириной спектра F, значительно большей, чем ширина полосы В измерительной системы, при условии что сигнал является периодическим. Беря отсчеты значений измеряемого сигнала с интервалом, немного превосходящим n периодов сигнала (n – целое число: Тn+δ), можно запомнить форму сигнала и получить верное представление о нем. При когерентных выборках частотный спектр восстановленного сигнала, представляющий собой огибающую пиковых значений, был уже полосы пропускания измерительной системы, применяемой для обработки исходного сигнала, из которого берутся выборки. Такого рода взятие выборок осуществляется при стробоскопических измерениях. Так например в стробоскопических осциллографах с полосой пропускания 20 кГц можно воспроизводить периодические электрические сигналы с частотой до 15 ГГц.

^ Случайные выборки. Если нас интересует только информация о величине, а не форма сигнала, выборки можно брать в произвольнее моменты времени – случайные выборки. Так можно определить среднеквадратическое значение сигнала. С широкополосным спектром. Сигнал не должен быть периодическим. При случайном взятии выборок полоса пропускания В измерительной системы также может быть меньше ширины спектра F измеряемого сигнала.

Мультиплексирование. Эта стратегия при измерении позволяет одновременно (при частотном мультиплексировании) или последовательно (при временном мультиплексировании) обрабатывать несколько сигналов. Этим методом можно воспользоваться, когда полоса В измерительной системы много больше ширины частотного спектра F измеряемых сигналов.

^ Погрешность средств измерений. Погрешность прибора характеризует отличие его показаний от истинного или действительного значения измеряемой величины. Погрешность преобразователя определяется отличием номинальной (т.е. приписываемой преобразователю) характеристики преобразования или коэффициента преобразования от их истинного значения.

Погрешность меры характеризует отличие номинального значения меры от истинного значения воспроизводимой ею величины.

По способу выражения различают погрешности:

• 
  абсолютная погрешность прибора – разность между показаниями прибора x_п и истинным значением измеряемой величины x: D = x_п – x.
• 
  относительная погрешность прибора – отношение абсолютной погрешности прибора к истинному (действительному) значению измеряемой величины: d= D/x или в процентах d= 100D/x, где если x >> D, то вместо x с достаточной степенью точности можно использовать x_п.
• 
  приведенная погрешность прибора – отношение в процентах абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению: g = 100/x_норм.

^ Роль измерительной техники в современных телекоммуникациях

С переходом к цифровым технологиям передачи данных с высокой пропускной способностью (SDH и АТМ), к новым системам сигнализации (ОКС 7 и протоколы ведомственных сетей ISDN) и новым концепциям предоставления услуг пользователям (интеллектуальные сети), оборудование и программное обеспечение систем связи стали значительно сложнее. Соответственно повысилась и роль измерительной техники на сетях связи. Измерительные технологии в сетях современных телекоммуникаций должны сыграть конструктивную роль, т. е. помочь в настройке и оптимизации сетей связи, поиске неисправностей, для разрешения конфликтных ситуаций.

Цифровизация в области телекоммуникаций, составляющая основу современной научно-технической революции, объективно приводит к усложнению технологии современных систем связи.

• Такое усложнение требует дополнительных организационно-технических мероприятий для обеспечения

работы современных сетей связи. В результате появляются два связанных между собой направления развития технологии - создание систем самодиагностики и управления и широкое внедрение измерительной техники. Из этих двух направлений только внедрение измерительной техники обеспечивает в полной мере задачи контроля работы сетей. Как следствие, роль измерительной техники в современных телекоммуникациях увеличивается.

• Повышение роли измерительной техники приводит к расширению специализации измерительных приборов, появлению и развития специализированного рынка измерительной техники для телекоммуникаций, который начинает развиваться столь же динамично, как и рынок самих средств связи.

^ Лекция 2. Измерительные технологии

Цель: изучение различных видов технологий измерений

Процесс совершенствования измерительных технологий подчиняется общей тенденции усложнения высоких технологий в процессе их развития во второй половине ХХ века. Основными тенденциями развития являются миниатюризация, экономичность, широкое внедрение интеллектуальных устройств и, как следствие, усложнение

В связи с этим возникают задачи контроля и настройки работы интеллектуальных систем, каковыми в настоящее время являются сети связи. Этот процесс идет двумя путями:

– развитие систем внутренней диагностики интеллектуальных узлов сетей,

– 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. Таким образом, применение независимых от оборудования систем контроля в ряде случаев является единственно корректным решением. Это приводит к тому, что роль измерительной техники на сети связи повышается с развитием новых технологий. Измерительная техника на сетях современных телекоммуникаций играет важную роль - настройка и оптимизация сетей связи, поиск неисправностей и причин конфликтов, разрешение конфликтных ситуаций.

Измерительная техника, применяемая современными операторами, используется не только для проверки на соответствие стандартам (в первую очередь международным), но и для изучения процессов, протекающих в сети. Это позволяет операторам быстро осваивать новые технологии на международном уровне, что является необходимым условием дальнейшей

успешной работы.

Еще одна важная особенность современной измерительной техники для телекоммуникаций состоит в том, что с развитием цифровизации сетей связи происходит специализация измерительной техники.

Развитие цифровых систем передачи и коммутации привело в тому, что измерительная техника для телекоммуникаций стала высоко специализированной, что означает, что ее в большинстве случаев невозможно использовать в других областях человеческой деятельности. Современные измерительные приборы для телекоммуникаций, такие как анализаторы протоколов сигнализации, анализаторы цифровых систем передачи, измерительные приборы ВОЛС и т.д. составляют рынок специализированной техники.

Наконец, важным процессом, связанным с цифровизацией в области систем связи, является изменение принципов и методов проведения измерений. Методология измерений в современных телекоммуникациях расширилась, появилось новое направление измерительной технологии, ориентированное на анализ логических последовательностей команд и сообщений. В результате, современная методология измерений включает не только технологию измерений параметров сигналов, но и логический анализ алгоритмов работы интеллектуальных устройств и протокол-анализ их взаимодействия (рис.1).

Рисунок 1- Иерархия приоритетов современной связи

^ Классификация измерительных технологий современных телекоммуникаций

Современную измерительную технику для телекоммуникаций отличает узкая специализированность.

^ Системное и эксплуатационное измерительное оборудование

Всю измерительную технику современных телекоммуникаций можно условно разделить на два основных класса: системное и эксплуатационное измерительное оборудование. Требования к обоим классам значительно отличаются, соответственно, отличаются функции приборов, схемы их использования, спецификации тестов и т.д.

К системному оборудованию относится измерительное оборудование, обеспечивающее настройку сети в целом и ее отдельных узлов, а также последующее мониторирование состояния всей сети. Системным оно названо потому, что современное оборудование этого класса имеет широкие возможности интеграции в измерительные комплексы и сети измерительных приборов. Системное оборудование применяется для полнофункциональных тестов в процессе сертификации, лабораторных и опытных испытаний, проверки параметров оборудования и в процессе его производства.

Эксплуатационное измерительное оборудование должно обеспечивать качественную эксплуатацию отдельных узлов сети, сопровождение монтажных работ и оперативный поиск неисправностей.

Для системного оборудования основным требованием является максимальная функциональность прибора: его спецификация тестов должна удовлетворять всем существующим и большинству перспективных стандартов и методологий. В противном случае прибор не обеспечит полной настройки и оценки параметров сети.

Вторым требованием является возможность интеграции в системы приборов и интеграции с вычислительными средствами и сетями передачи данных. Это также существенно в условиях создания TMN, куда должны быть включены и измерительные средства.

Требование модернизируемости важно в силу быстрого развития технологии и принятия новых стандартов. Удобство работы является следующим по важности параметром. Имеется ряд многофункционального системного оборудования в “недружественными” интерфейсами. Использование таких приборов требует от специалиста долгого изучения прибора, что не всегда эффективно.

Стоимость для системного оборудования не является первичным критерием выбора, поскольку для приборов этого класса стоимость находится в прямой зависимости от функциональности. Портативность для этого класса оборудования не требуется. В то же время эксплуатационное оборудование в первую очередь должно быть портативным и дешевым, затем надежным и уже после этого многофункциональным. В связи с этим системное оборудование становится постепенно портативным, тогда как эксплуатационное оборудование становится все более многофункциональным.

^ Измерения в различных частях современной системы электросвязи.