СОДЕРЖАНИЕ
1 Основы метрологии
1.1. Общие сведения о метрологии и измерениях
1.1.1. Основные термины и определения в области метрологии
1.1.2. Классификация измерений
1.1.3. Классификация методов измерения
1.1.4. Классификация погрешностей
1.2. Систематические погрешности измерений
1.2.1 Классификация и обнаружение систематических погрешностей
1.2.2. Способы уменьшения систематических погрешностей
1.3. Случайные погрешности и обработка результатов измерений
1.3.1. Распределения случайных величин и их числовые характеристики
1.3.2 Оценка погрешностей результатов прямых измерений
1.3.3 Оценка СКО результата косвенного измерения
1.3.4 Суммирование неисключенных систематических погрешностей
1.3.5 Оценка суммарной погрешности результата измерения
1.3.6 Формы представления результатов измерений
1.3.7 Правила округления результата измерений и погрешности
2 Метрологическое обеспечение измерений
2.1 Структура метрологического обеспечения в Республике Беларусь
2.2 Передача размера единиц электрических физических величин
2.3 Международные организации по метрологии
2.3.1 Международная организация мер и весов
2.3.2 Международная организация законодательной метрологии
OIML
3 Технические методы и средства измерений
3.1 Классификация средств измерений
3.2 Метрологические характеристики средств измерений и их
нормирование
3.3 Электрические измерения неэлектрических величин
3.3.1 Основные принципы и методы преобразования измерительной
информации
3.3.2 Метрологические характеристики ИП
3.3.3 Первичные измерительные преобразователи
3.3.4 Параметрические ИП
3.3.4.1 Резистивные ИП
3.3.4.2 Емкостные измерительные преобразователи
3.3.4.3 Индуктивные измерительные преобразователи
3.3.5 Генераторные измерительные преобразователи
3.3.5.1 Индукционные магнитоизмерительные преобразователи
3.3.5.2 Сверхпроводниковые преобразователи
3.3.5.3 Измерительные преобразователи Холла
3.3.5.4 Преобразователи Гаусса
3.3.5.5 Пьезоэлектрические преобразователи
3.3.5.6 Термоэлектрические преобразователи
3.3.5.7 Фотоэлектрические преобразователи
3.3.5.8 Гальванические преобразователи
3.4 Измерение тока и напряжения
3.4.1 Измеряемые параметры тока и напряжения
3.4.2 Общие сведения об электромеханических приборах
3.4.3 Магнитоэлектрические измерительные приборы
3.5 Измерение тока на радиочастотах
3.5.1 Выпрямительные амперметры
3.5.2 Термоэлектрические амперметры
3.5.3 Фотоэлектрические амперметры
3.5.4 Расширение пределов измерения силы тока
3.5.5 Методическая погрешность при измерении силы тока
3.6 Измерение напряжения электронными аналоговыми вольтметрами
3.6.1 Аналоговые вольтметры прямого преобразования
3.6.2 Вольтметры переменного напряжения
3.6.3 Аналоговые вольтметры сравнения
3.6.4 Расширение пределов измерения напряжения
3.6.5 Методическая погрешность при измерении напряжения
3.6.6 Зависимость показаний вольтметров от формы кривой
измеряемого напряжения
3.7 Измерение постоянного напряжения цифровыми вольтметрами
3.7.1 Вольтметры с прямым преобразованием
3.7.1.1 Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием
3.7.1.2 Цифровые вольтметры с частотно-импульсным преобразованием
3.7.1.3 Цифровые вольтметры с кодо-импульсным преобразованием
3.8 Цифровые вольтметры переменного напряжения
3.9 Измерение частоты электромагнитных колебаний
3.9.1 Классификация приборов для измерения частоты и интервалов
времени
3.9.2 Резонансные частотомеры
3.9.3 Измерение частоты гетеродинным методом
3.9.4 Метод дискретного счета. Электронно-счетные частотомеры
3.10 Исследование формы электрических сигналов
3.10.1 Структурная схема типового универсального электронного
осциллографа (ЭО)
3.10.2 Цифровые осциллографы
3.10.3 Осциллографы смешанных сигналов
3.10.4 Осциллографические измерения
3.10.4.1 Измерение напряжений
3.10.4.2 Измерение временных параметров и параметров импульсов
3.10.4.3 Измерение частоты
3.10.4.4 Измерение фазовых сдвигов
3.11 Измерение фазового сдвига
3.11.1 Метод суммы и разности напряжений
3.11.2 Нулевой метод
3.11.3 Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал
3.12 Измерение электрической мощности
3.12.1 Измерение ВЧ и СВЧ мощности
3.12.2.1 Измерение поглощаемой мощности
3.12.2.2 Измерение проходящей мощности
3.13 Автоматизация электрорадиоизмерений
3.13.1 Основные принципы автоматизации измерений
3.13.2
Типовая
схема
автоматизированного
измерительного
эксперимента
3.13.3 Применение микропроцессоров в электрорадиоизмерительных
приборах
3.13.4 Двухканальный стробоскопический осциллограф
3.13.5 Измерительно-вычислительные комплексы
3.13.6 Информационно-измерительные системы
3.13.7 Измерительные системы
3.13.8 Системы автоматического контроля
3.13.9 Интерфейсы измерительных приборов
3.13.10 Виртуальные измерительные приборы: общие принципы
построения и функционирования
4 Основы сертификации
4.1 Законодательные и нормативные документы в области качества.
Государственная программа «Качество»
4.2 Международные стандарты серии ИСО 9000
4.3 Охрана окружающей среды (ISO 14001)
4.4 Система менеджмента здоровья и безопасности (OHSAS 18001:1999)
4.5 Система менеджмента социальной среды (SA 8000)
4.6 Законодательная и нормативная база подтверждения
соответствия
4.7 Сертификация продукции
4.8 Декларирование соответствия продукции
4.9 Сертификация услуг
4.10 Сертификация компетентности персонала
4.11 Сертификация систем менеджмента качества
5 Основы стандартизации и технического нормирования
5.1 Основные цели и задачи ТНиС
5.2 Основные понятия и определения в области технического
нормирования и стандартизации
5.3 Принципы ТНиС
5.4 Государственный Комитет по стандартизации Республики Беларусь
(Госстандарт)
5.5 Виды технических нормативных правовых актов
5.6 Основные системы стандартов в радиоэлектронике
и информационных технологиях и их характеристика
5.7 Основы классификации и кодирования информации
5.8 Универсальная десятичная классификация (УДК)
5.9 Международная классификация изобретений
5.10 Методические основы стандартизации
5.10.1 Основные методы стандартизации
5.10.2 Виды стандартизации
5.11 Международная стандартизация
5.11.1 Международные организации, занимающиеся стандартизацией
5.11.2 Европейские организации по стандартизации: СЕN, СЕNELЕC,
ЕТSI
5.12 Участие Республики Беларусь в работе международных организаций
по стандартизации
5.12.1 Национальный центр по техническим барьерам в торговле,
санитарным и фитосанитарным мерам
5.12.2 Участие в работе технических комитетов ISO и IEC
5.13 Стандартизация в области информационно-коммуникационных
технологий (ИКТ)
1 Основы метрологии
1.1. Общие сведения о метрологии и измерениях
1.1.1. Основные термины и определения в области метрологии
Метрология является теоретической основой измерений.
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их
единства и способах достижения требуемой точности.
В метрологии, как в любой другой науке, недопустимо неоднозначное
толкование терминов. Терминологию в области метрологии регламентирует
СТБ П 8021-2003 «Метрология. Основные термины и определения» (РМГ 29-99).
Для каждого понятия установлен один стандартизированный термин.
В метрологии можно выделить три раздела: теоретическая, прикладная и
законодательная метрология.
Теоретическая метрология – раздел метрологии, предметом которого
является разработка фундаментальных основ метрологии.
Сюда входит
- развитие общей теории измерений и теории погрешностей, в том числе
создание новых методов измерений и разработка способов исключения или
уменьшения погрешностей;
- создание и совершенствование систем единиц физических величин (ФВ);
- создание и совершенствование системы эталонов;
- создание и совершенствование научных основ передачи размеров
единиц ФВ от эталонов к рабочим СИ.
Прикладная метрология – раздел метрологии, предметом которого
являются вопросы практического применения разработок теоретической
метрологии и положения законодательной метрологии.
Законодательная метрология – раздел метрологии, относящийся к
деятельности, направленной на обеспечение единства и необходимой точности
измерений, требующей регламентации со стороны государства.
Сюда относится создание и совершенствование системы государственных
стандартов, которые устанавливают правила, требования и нормы,
определяющие организацию и методику проведения работ по обеспечению
единства и точности измерения, организация и функционирование
соответствующей государственной службы.
Измерение – это совокупность операций по применению технического
средства, хранящего единицу ФВ, обеспечивающих нахождение соотношения
(в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение
значения этой величины.
Физическая величина – одно из свойств физического объекта
(физической системы, явления или процесса), общее в качественном
отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении
индивидуальная для каждого из них.
Процесс измерения – заключается в сравнении измеряемой величины с
некоторым ее значением, принятым за единицу.
Результатом измерения является число, показывающее отношение
значения измеряемой величины к единице измерения.
Единица измерения ФВ – ФВ фиксированного размера, которой условно
присвоено числовое значение, равное 1, и применяемое для количественного
выражения однородных с ней ФВ.
Единицы измерения подразделяются на основные и производные.
Основная единица – единица основной ФВ в данной системе единиц.
Производная единица – единица производной ФВ системы единиц,
образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными
единицами и уже определенными производными.
Для возможности сравнения результатов измерений, выполненных в
разное время и в разных местах, система единиц устанавливается в
законодательном порядке: ГОСТ 8.417-81. ГСИ. Единицы физических величин.
СИ: 7 основных единиц: м, кг, с, А, кандела, К, моль + угловые единицы.
17 производных: Гц Hz (1/с); ньютон Н N (мкгс-2); паскаль Па Ра (м-1кгс-2);
Джоуль Дж J (м2кгс-2); Вт W (м2кгс-3); Кулон Кл С (сА); В V (м2кгс-3А-1);
Сименс См S (м-2кг-1с2А2); Вебер Вб Wb (м2кгс-2А-1); Тесла Тл Т (кгс-2А-1);
Генри Гн Н (м2кгс-2А-2); Люмен лм lm (кдср); Люкс Лк lx (м-2ср); беккерель
Бк Bq (с-1); грэй Гр Gy (м2с-2); зиверт Зв Sv (м2с-2).
В технике связи широко применяется внесистемная логарифмическая
единица бел, при помощи которой определяются относительные значения
усиления,
ослабления,
нелинейных
искажений,
неравномерности
характеристик.
1 дБ равен 10 lg отношения двух одноименных энергетических величин
(мощности, энергии) при Р1/Р2=101/10=1,259 или 20 lg отношения двух
«силовых» величин (U, J, напряженности поля), если U1/U2=101/20=1,22.
Для выражения количественного различия между одноименными
величинами используют понятие
Размер ФВ – количественная определенность единицы ФВ,
воспроизводимой или хранимой средством измерений.
Целью измерения является определение размера величины, причем
результат измерения должен выражаться числом.
Размерность ФВ – выражение в форме степенного одночлена,
составленного из произведений символов основных ФВ в различных степенях и
отражающее связь данной физической величины с физическими величинами,
принятыми в данной системе величин за основные, и с коэффициентом
пропорциональности, равным 1.
[B]=м2кгс-3А-1.
Значение нуля для ряда случаев является условным [температура
«начало отсчета», а надо, в сущности, измерять лишь разность температур].
Выражение размера ФВ в виде некоторого числа принятых для него
единиц называется значением ФВ.
Отвлеченное число, входящее в значение ФВ, называется числовым
значением (5А 5).
В зависимости от размера выбранной единицы будет изменяться
числовое значение ФВ, тогда как размер этой величины будет одним и тем же.
[При применении разных единиц длины – м, см, мм – выражения значения
перемещения l на 1 м некоторого тела будут равны l=1 м=100 см= 1000 мм].
Все
вышеизложенное
предполагает
узаконенность
принятой
терминологии и связанное с этим существование таких понятий, как единство
измерений и единообразия СИ.
Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты
выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с
заданной вероятностью.
Единообразие средств измерений – состояние СИ, характеризующееся
тем, что они проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические
свойства (и характеристики) соответствуют нормам.
Для организации обеспечения единства измерений и единообразия СИ в
стране создана метрологическая служба – сеть государственных и
ведомственных органов и их деятельность, направленная на обеспечение
единства измерений и единообразия СИ в стране.
Эти органы осуществляют надзор за состоянием СИ и обеспечивают
передачу размера единиц ФВ от эталонов к рабочим СИ.
Всякое измерение необходимо предварительно обдумать, составить план
проведения измерений. в связи с этим в теории измерений вводится такое
понятие, как методика измерений – детально намеченный распорядок
процесса измерений при выбранных схеме и комплексе приборов, включающий
правила, последовательность операций, количество измерений и т.д.
Применительно к оной и той же схеме измерений и данному комплексу
аппаратуры возможны различные методики и наоборот. В процессе измерений
или установки параметров источников сигналов оператор снимает отсчеты или
показания.
Отсчет – фиксация значения величины или числа по показывающему
устройству СИ в заданный момент времени.
Показание – ФВ, соответствующая отсчету. Показание получается в
результате умножения отсчета на переводной множитель.
1.1.2. Классификация измерений
Информация, полученная в процессе измерений, называется
измерительной. Измерения классифицируются в зависимости от
- способа получения измерительной информации;
- характера поведения измеряемой величины;
- способа выражения результатов;
- условий, определяющих точность измерений.
В зависимости от условий, определяющих точность результата:
1) измерения максимально возможной точности, достижимой при
существующем уровне техники:
- эталонные (достигается максимально возможная точность
воспроизведения размера ФВ);
- измерения универсальных физических постоянных (заряда электрона,
скорости света и т.д.);
- астрономические.
Границы погрешностей рассчитываются по специальным методикам.
2) контрольно-поверочные измерения – измерения, погрешность
которых не должна превышать некоторого заданного значения. Заданная
точность обеспечивается применением специальных СИ, называемых
образцовыми [теперь вместо этого понятия используется понятие «рабочий
эталон» !!!] и специальных методик измерения;
3) технические (рабочие) измерения, в которых погрешность результата
измерения определяется характеристиками СИ.
СИ, применяемые для этих измерений, называются рабочими.
В свою очередь, технические измерения подразделяются на
-эксплуатационные, применяемые для контроля действующей
аппаратуры;
- производственные, проводимые в цехах и служащие для измерения
параметров деталей, из которых собираются узлы и блоки аппаратуры;
измерения режимов; снятие характеристик; измерения при монтаже, настройке,
налаживании; при приемо-сдаточных испытаниях;
- лабораторные, производимые при научных исследованиях и
разработках новых систем, устройств и приборов.
По способу получения измерительной информации:
- прямое измерение - это измерение, при котором искомое значение ФВ
получают непосредственно;
- косвенное измерение – определение искомого значения ФВ на
основании результатов прямых измерений ФВ, функционально связанных с
искомой величиной;
- совокупные измерения – проводимые одновременно измерения
нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин
определяют путем решения системы уравнений, получаемых при прямых
измерениях этих величин в различных сочетаниях;
- совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух
или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между
ними.
По способу выражения результатов измерения подразделяются на
абсолютные и относительные.
Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях
одной или нескольких основных величин и (или) использование значений
физических констант.
Результат измерений выражается непосредственно в единицах ФВ.
Относительное измерение – измерение отношения величины к
одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения
величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
Величина, полученная в результате относительных измерений, может быть или
безразмерной. или выраженной в относительных логарифмических единицах
(бел, октава, декада) и других относительных единицах.
В зависимости от характера поведения измеряемой величины
измерения делятся на статические и динамические.
Статическое измерение – измерение ФВ, принимаемой в соответствии с
конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени
измерения.
Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру ФВ.
В свою очередь динамические измерения могут быть непрерывными (если
технические средства позволяют непрерывно следить за значениями
измеряемой величины) и дискретными (если значения измеряемой величины
фиксируются только в отдельные моменты времени).
1.1.3. Классификация методов измерения
Измерения базируются на определенных принципах.
Принцип измерения – физическое явление или эффект, положенное в
основу измерений.
Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения
измеряемой ФВ с её единицей в соответствии с реализованным принципом.
Различают два основных метода измерений: метод непосредственной
оценки и метод сравнения.
Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором
значение величины определяют непосредственно по показывающему средству
измерений. Иногда этот метод называют методом прямого преобразования.
Метод сравнения (с мерой) – метод измерения, при котором измеряемую
величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Метод сравнения может реализовываться в следующих модификациях:
1) нулевой метод (компенсационный) – метод сравнения с мерой, в
котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на
прибор сравнения доводят до нуля;
2) дифференциальный метод – метод измерений, при котором
измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей
известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой
величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.
3) метод совпадений – метод, при котором разность измеряемой и
известной величины измеряют, используя совпадение отметок шкал или
периодических сигналов;
4) метод противопоставления – метод, при котором измеряемая и
известная величины одновременно воздействуют на прибор сравнения, с
помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.
В зависимости от метода измерений и свойств применяемых средств
измерений все измерения могут выполняться либо с однократными, либо с
многократными наблюдениями.
Наблюдение – операции, проводимые при измерении и имеющие целью
своевременно и правильно произвести отсчет.
Результат наблюдения всегда имеет случайный характер (это единичная
экспериментальная операция).
Алгоритм измерения – предписание о порядке выполнения операций,
обеспечивающих измерение искомого значения ФВ.
1.1.4. Классификация погрешностей
Любое измерение всегда выполняется с некоторой погрешностью,
которая вызывается несовершенством средств и методов измерений,
непостоянством
условий
наблюдения,
недостаточным
опытом
экспериментатора и т.д.
Погрешность результата измерения – отклонение результата измерения
Х от истинного (действительного) значения измеряемой величины Q:
=Х - Q
Истинное значение ФВ – значение ФВ, которое идеальным образом
характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую
ФВ. Так как истинное значение ФВ Q на практике чаще всего неизвестно, при
расчетах применяют так называемое действительное значение Хд – значение
ФВ, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному
значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано
вместо него.
Неопределенность измерений – параметр, связанный с результатом
измерений и характеризующий рассеяние значений, которые можно приписать
измеряемой величине.
В зависимости от характера проявления погрешности имеют
следующие составляющие:
1) случайная погрешность – составляющая погрешности результата
измерения, измеряющаяся случайным образом (по знаку и значению) при
повторных измерениях, проведенных с одинаковой тщательностью, одной и
той же ФВ;
2) систематическая погрешность – составляющая погрешности
результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся
при повторных измерениях одной и той же ФВ;
3) грубая погрешность (промах) – погрешность результата отдельного
измерения, которая при данных условиях существенно отличается от
ожидаемой.
Все эти погрешности проявляются одновременно.
В зависимости от характера влияния на результат измерения:
1) аддитивные – погрешности, значения которых не зависят от значения
измеряемой величины;
2) мультипликативные – погрешности, значения которых изменяются с
изменением измеряемой величины.
Они могут быть и систематическими, и случайными.
В зависимости от источника возникновения:
1) методические – возникающие из-за несовершенства методов
измерений и обработки их результатов;
2) инструментальные (аппаратурные) – определяются погрешностями
применяемых средств измерений;
3) внешние – обусловленные отклонением одной или нескольких
влияющих величин от нормальных значений (Т, влажность, магнитные поля и
т.д.;
4) субъективные (личные) – обусловленные индивидуальными
особенностями экспериментатора.
Количественно погрешность измерения может быть выражена в формах
абсолютной, относительной или приведенной погрешностей.
Абсолютная погрешность – погрешность измерения, выраженная в
единицах измеряемой величины:
=Х - Q=X - Хд.
Однако, поскольку истинное значение измеряемой величины остается
неизвестным, на практике можно найти лишь приближенную оценку
погрешности измерения.
Относительная погрешность:
- безразмерная или в %.
Q Xд
Наряду с понятием «погрешность» широко применяют понятие
«точность».
Точность – это характеристика качества измерений, отражающая
1
близость их результатов к истинному значению измеряемой величины:
.
| |
Чем < , тем выше , и наоборот.
Приведенная погрешность: П
ХN
, где ХN – условно принятое
значение, которое может быть равно верхнему пределу измерений.
1.2. Систематические погрешности измерений
1.2.1 Классификация и обнаружение систематических погрешностей
Систематическая погрешность – погрешность, остающаяся постоянной
или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же
величины.
Иными словами, систематическими называются погрешности, не
изменяющиеся с течением времени или являющиеся не изменяющимися во
времени функциями определенных параметров.
Их отличительным признаком является то, что они могут быть
предсказаны и, следовательно, почти полностью устранены введением
соответствующих поправок.
Систематические аддитивные погрешности могут возникать, например,
от постороннего груза на чашке весов, от неточности установки «0» перед
измерением, от термо-э.д.с. в цепях постоянного тока.
Систематические мультипликативные: изменение КУ усилителя,
изменения жесткости пружины прибора, опорного напряжения в цифровом
вольтметре.
В зависимости от причин возникновения систематические
погрешности делятся на
1) инструментальные (из-за старения деталей, деформации, разрядки
источников питания и т.д.) обусловлены погрешностью СИ.
2) внешние;
3) личные;
4) погрешности метода.
Особенности инструментальных систематических погрешностей: они
могут быть скорректированы лишь в данный момент времени, а далее вновь
непрерывно возрастают необходимо повторение коррекции.
По характеру проявления:
1) постоянные (в процессе измерения не изменяют величину и знак, и
поэтому их трудно обнаружить. Внешне они никак себя не проявляют и долгое
время остаются незамеченными. Единственный способ их избежать – поверка);
2) переменные систематические погрешности или монотонно изменяют
свою величину (прогрессирующие погрешности) или меняются периодически
(периодические).
Наличие систематических погрешностей искажает результаты измерений.
Их отсутствие определяет правильность измерений (СИ).
Правильность измерений (СИ) – качество измерений (СИ), отражающее
близость к нулю систематической погрешности.
Основная трудность – обнаружение систематической погрешности и
определение из величины и знака. Для этого необходимо проводить
специальные экспериментальные исследования.
Например: пользуются графиком последовательности значений
случайных отклонений результатов наблюдений, содержащих систематические
погрешности, от средних арифметических. Вид графика зависит от характера
погрешности.
Этот способ позволяет лишь обнаружить наличие систематической
погрешности, не давая сведений об её значении. Количественная оценка
проводится по результатам специальных исследований. Разработаны также
специальные методики измерений, позволяющие исключить возникновение
этих погрешностей или устранить их влияние на результат измерений. Но это
не всегда возможно сделать.
1.2.2. Способы уменьшения систематических погрешностей
1. До начала измерений:
а) установка нуля и калибровка прибора;
б) проведение поверки с определением поправок;
в) прогревать приборы в течение времени, указанного в ТО;
г) применять как можно более короткие соединительные провода;
д) правильное размещение приборов;
е) если необходимо – экранировка.
2. В процессе измерений
а) способ замещения – метод сравнения с мерой. в котором измеряемую
величину замещают мерой с известным значением величины. Объект
заменяется образцовой мерой, находящейся в тех же условиях, что и сам объект
(это одна из модификаций метода сравнения);
б) способ компенсации погрешности по знаку измерения проводят
дважды так, чтобы не известная по величине, но известная по своей природе
погрешность входила в результат измерения с противоположным знаком, и
находят
полусумму
этих
х хх х
х .
2
результатов.
Так
исключают
погрешность из-за трения, люфта и т.д. Разновидность – метод
противопоставления;
в) способ симметричных наблюдений измерения проводят
последовательно через одинаковые интервалы изменения аргумента. За
окончательный результат принимается среднее значение любой пары
симметричных наблюдений относительно середины интервала измерений.
Погрешности от температуры, давления, времени, ...;
г) способ рандомизации, т.е. перевод систематических погрешностей в
случайные.
Пусть имеется n однотипных приборов с систематическими
погрешностями одинакового происхождения. От прибора к прибору
погрешность меняется случайным образом. Следовательно, можно произвести
измерения разными приборами и усреднить результаты.
3. После проведения измерений. При обработке результатов могут быть
исключены систематические погрешности с известными значениями и знаками.
Для этого в неисправленные результаты наблюдений вводятся поправки или
поправочные множители. После внесения поправок получается исправленный
результат измерения – полученное при измерении значение величины и
уточненное путем введения в него необходимых поправок на действие
систематических погрешностей.
Поправка – это значение величины, вводимое в неисправленный
результат измерения с целью исключения составляющих систематической
погрешности: q=-C; Х=Х́+q, где Х́ – неисправленный результат.
Поправочный множитель – числовой коэффициент, на который
умножают неисправленный результат измерения с целью исключения влияния
систематической погрешности: Х=Х́.
1.3. Случайные погрешности и обработка результатов измерений
1.3.1. Распределения случайных величин и их числовые характеристики
Вследствие того, что результат измерения Х содержит случайную
погрешность , он сам является случайной величиной.
Основной характеристикой случайной величины является функция
распределения вероятностей, которая устанавливает связь между
возможными значениями случайной величины и вероятностями их появления
при многократных измерениях.
Существуют две формы представления этой функции: интегральная и
дифференциальная.
Интегральной функцией распределения результата наблюдений
является функция F(х) – вероятность того, что результат наблюдения Х
окажется меньше некоторого текущего значения х: F(х)=Р{Х<х}.
Это положительная неубывающая функция (рисунок 1.3.1):
F(х)
1
F(х2)
F(х1)
0
х1 х2
Рисунок 1.3.1 – Интегральная функция распределения результатов
наблюдений
Основное свойство этой функции: вероятность того, что случайная
величина принимает значения в интервале {х1, х2}, равна разности значений
функции на концах интервала:
Р{х1Х х2} = F(х2) - F(х1).
Если обозначить приращение х2 - х1=х, то одинаковым приращениям х
соответствуют различные значения приращения вероятности F(х). Тогда
можно ввести понятие плотности распределения вероятностей случайной
величины, или плотности вероятностей, которая будет иметь следующий вид:
ΔF( x) dF ( x)
F( x) .
Δ
x
dx
Δx
f ( x) lim
Функции распределения достаточно полно могут быть определены
своими числовыми характеристиками, к которым относятся начальные и
центральные моменты.
Начальным моментом является математическое ожидание случайной
величины степени:
1 n
m̂ x x x i , где
n i 1
n – количество наблюдений.
В большинстве случаев начальный момент 1 порядка совпадает с
истинным значением измеряемой величины.
Центральный момент к-порядка - математическое ожидание к-й степени
центрированной случайной величины (т.е. разности между значением
случайной величины и ее математическим ожиданием). Применительно к
измерениям центрированная случайная величина будет случайной
погрешностью:
= m̂ x = Х - Q .
Оценка математического ожидания будет состоятельной, несмещенной и
эффективной оценкой истинного значения физической величины.
Состоятельной называют оценку, которая приближается к истинному
значению измеряемой величины при n .
Несмещенной называется оценка, математическое ожидание которой
равно истинному значению оцениваемой величины.
Эффективной является несмещенная оценка, для которой дисперсия
минимальна.
Центральным моментом 2 порядка будет дисперсия результатов
наблюдений:
1 n
D̂ x ( x i m̂ x ) 2 .
n i 1
Это рассеяние результатов наблюдений относительно математического
ожидания. Недостаток такого представления погрешности измерения
заключается в том, что она имеет размерность квадрата измеряемой величины.
Поэтому на практике используют значение среднеквадратического отклонения
результата измерения
σ x D̂x .
В отличие от результатов измерения, числовые характеристики функции
распределения
являются
детерминированными, а не случайными.
Следовательно, чтобы найти точные значения, необходимо произвести
бесконечно большое число наблюдений. Отсюда возникает задача определения
приближенных значений, полученных в некотором количестве независимых
наблюдений. В математической статистике такие приближенные значения,
выраженные одним числом, называются ТОЧЕЧНЫМИ ОЦЕНКАМИ. Любая
точечная оценка, вычисленная на основе опытных данных, представляет собой
случайную величину, зависящую от самого оцениваемого параметра и от числа
опытов. Распределение оценки зависит от распределения исходной случайной
величины. Оценки классифицируются следующим образом:
- состоятельные, когда при увеличении числа наблюдений они
приближаются к значению оцениваемого параметра;
- несмещенные, если математическое ожидание равно оцениваемому
параметру;
- эффективные, если ее дисперсия меньше дисперсии любой другой
оценки этого параметра.
1.3.2 Оценка погрешностей результатов прямых измерений
Пусть имеется выборка из n измеряемых величин х1, х2, ... хn. Результаты
измерений содержат только случайные погрешности. Требуется найти оценку
истинного значения измеряемой величины и погрешность измерения в данной
выборке.
При симметричных законах распределения вероятностей истинное
значение измеряемой величины совпадает с ее математическим ожиданием, а
оценкой математического ожидания является среднее арифметическое
результатов отдельных наблюдений:
n
xi
m̂ x x i 1
n
.
Если известно математическое ожидание случайной величины, то СКО
результатов наблюдений равно
σ̂ x
1 n
(x i x)2 .
n 1 i 1
Проверить результаты наблюдений на наличие грубой погрешности
можно следующим образом:
Если |xi - х | 3 σ̂ x , то данный результат содержит грубую погрешность и
должен быть исключен.
Полученная выше оценка истинного значения измеряемой величины Х
является случайной величиной, рассеянной относительно Q. СКО результата
измерения будет иметь следующий вид:
σ̂
σ̂ x x .
n
Эта величина характеризует рассеяние среднего арифметического
значения x результатов n наблюдений измеряемой величины относительно ее
истинного значения и является точечной оценкой.
На практике используются интервальные оценки, так называемые
доверительные интервалы, которые связаны с СКО следующим соотношением:
Δ t σ̂ x , где
t – коэффициент, зависящий от вида распределения случайных величин,
количества наблюдений и доверительной вероятности.
1.3.3 Оценка СКО результата косвенного измерения
Все сказанное выше относится к оценке СКО результата прямого
измерения. Для оценки СКО результата косвенного измерения поступают
следующим образом. Пусть результат измерений представляет собой функцию
от m переменных Q=F(х1, х2, ... хm). Находят частные погрешности результата
измерения
F
, Eˆ xi ˆ xi
xi
,
(9.10)
где ˆ xi - оценки СКО результата прямого измерения i-й величины.
СКО результата косвенного измерения находится по формуле
̂ Q
m
m
m
2
Eˆ xi
i 1
Eˆ
i 1 j 1,i j
xi
Eˆ xj Rij ,
где Rij - коэффициент корреляции, показывающий
статистической связи между частными погрешностями измерения.
степень
1.3.4 Суммирование неисключенных систематических погрешностей
Систематические погрешности, которые остаются в результатах
измерения после проведения операций обнаружения, оценки и исключения,
называются неисключенными систематическими погрешностями.
При
определении
границы
результирующей
неисключенной
систематической погрешности ее отдельные составляющие рассматриваются
как случайные величины. Если известно, что распределение составляющих
неисключенной систематической погрешности нормальное, то
Δс
m
Δсi 2
,
i 1
где
сi - значение неисключенной составляющей систематической
погрешности;
m - количество неисключенных систематических погрешностей.
Если данных о виде распределения нет, то
Δс k
m
Δсi 2 .
i 1
При Рд=0,95 коэффициент k=1,1. При Рд=0,99 k зависит от числа
неисключеных систематических погрешностей m. Если m4, то k=1,4. При m4
поступают следующим образом. Находят отношение l = ci / ci, где сi составляющая систематической погрешности, наиболее отличающаяся по
своему значению от остальных; сi - составляющая систематической
погрешности, по своему значению наиболее приближающаяся к сi. Затем по
графику зависимости k от l находят значение k.
При
косвенных
измерениях
неисключенные
систематические
погрешности суть частные неисключенные систематические погрешности
косвенного измерения.
1.3.5 Оценка суммарной погрешности результата измерения
Если известны доверительные границы случайной погрешности
измерения Δ и с, по необходимо проверить, не является ли какая-либо из этих
составляющих настолько малой, чтобы можно было ее исключить. Для этого
находят отношение
Δ
R c.
σ̂ x
Если R 0,8, то пренебрегают систематической составляющей, и тогда
Δ Δ.
Если R 8, то пренебрегают случайной составляющей погрешности, и
= с.
Если 0,8 R 8, то нельзя пренебречь ни систематической, ни случайно
составляющими погрешности измерения, и тогда доверительные границы
результирующей погрешности измерения находятся следующим образом:
Δ k Σ S Σ , где
k
c
1 m
2
ˆ x
ci
3 i 1
и зависит от соотношения случайной и систематической
составляющих;
2
S ci ˆ xi - оценка суммарного СКО результата измерения.
i 1 3
2
m
1.3.6 Формы представления результатов измерений
Результат измерения записывают по одной из форм, представленных в
МИ 1317-86 МУ ГСИ “Результаты и характеристики погрешности измерения.
Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их
параметров”:
1) если погрешность измерений выражается доверительным интервалом
от Δн до Δв :
А: Δ от Δн до Δв ; Рд =
, где А – результат измерения;
2) при одинаковых числовых значениях Δн
и Δв :
(А Δ ) ; Рд = … .
1.3.7 Правила округления результата измерений и погрешности
Исходными данными для расчета являются нормируемые значения
погрешности средства измерения, которые указываются всего с одной или
двумя значащими цифрами. Следовательно, в окончательном значении
рассчитанной погрешности должны быть оставлены одна-две значащие цифры.
Например, если число 1,2 округляется до одной значащей цифры, то
отбрасывание второго знака приводит к ошибке порядка 30-50%. И наоборот,
если число 0,94 округлить до 0,9, то получается дезинформация, т.к. исходные
данные не обеспечивают такой точности. В связи с этим приняты следующие
правила округления значений:
1) погрешность результата измерения указывается двумя значащими
цифрами, если первая из них равна 1 или 2, и одной, если 3 и более;
2) результат измерения округляется до того же десятичного разряда,
которым оканчивается округленное значение погрешности;
3) округление производится лишь в конечном ответе, а все
предварительные вычисления проводятся с одним-двумя лишними знаками.
Недостатком этих правил является тот факт, что относительная
погрешность от округления изменяется скачком при переходе, например, от
числа 0,29 (0,30-0,29)/0,30 = 3% к числу 0,3 (0,4-0,3)/0,3 = 30%.
Следовательно, для устранения скачка относительной погрешности
предлагается каждую декаду возможных значений округляемой погрешности
делить на три части: от 0,1 до 0,2; от 0,2 до 0,5 и от 0,5 до 1,0 - и в каждой
использовать свой шаг округления: 0,02; 0,05 и 0,1. Тогда ряд разрешенных к
употреблению округленных значений погрешности получает вид 0,10-0,120,14-0,16-0,18-0,20-0,25-0,30-0,35-0,40-0,45-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1,0.
Преимущество этого способа округления состоит в том, что погрешность от
округления на границах участков изменяется лишь от 5 до 10%. Следовательно,
последние цифры результат должны соответствовать приведенному ряду.
2 Метрологическое обеспечение измерений
2.1 Структура метрологического обеспечения в Республике Беларусь
Для организации обеспечения единства измерений и единообразия
средств измерений в стране создана метрологическая служба – совокупность
организационно и (или) функционально связанных между собой юридических
лиц, их структурных подразделений либо структурное подразделение
юридического лица, деятельность которых направлена на обеспечение единства
измерений. Эти органы осуществляют надзор за состоянием средств измерений
и обеспечивают передачу размера единиц физических величин от эталонов к
рабочим средствам измерений.
Главной задачей метрологической службы является создание в стране
таких условий для метрологической деятельности. Которые сведут к минимуму
вероятность получения недостоверных результатов измерений и вычислений.
Установление и применение научных и организационных основ,
технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства
измерений
и
единообразия
средств
измерений
определяют
как
метрологическое обеспечение (МО).
Научной основой метрологического обеспечения является метрология.
Техническую основу метрологии составляют
- система государственных эталонов единиц физических величин, обеспечивающая воспроизведение единиц с наивысшей точностью;
- система передачи размеров единиц ФВ от эталонов к рабочим средствам
измерений;
- система разработки, постановки на производство и выпуска в обращение
рабочих средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой
точностью характеристик продукции;
система
государственных
испытаний
средств
измерений,
предназначенных для серийного и массового производства;
- система обязательной государственной и ведомственной поверки или
метрологической аттестации средств измерений, обеспечивающая их единообразие при изготовлении, эксплуатации и ремонте;
- система стандартных справочных данных о физических константах и
свойствах веществ и материалов;
- система разработки, стандартизации и аттестации методик выполнения
измерений.
Кроме того, в связи с интенсивным развитием информационных технологий актуальной становится задача метрологического обеспечения программных продуктов и вычислительных средств.
Решение указанных задач осуществляется органами метрологической
службы, входящими в структуру Системы обеспечения единства измерений
(СОЕИ) – совокупности законодательных актов, положений, правил и норм,
технических средств, органов и служб, применение и деятельность которых
направлены на поддержание единства и требуемой точности измерений в
стране.
Структура метрологической службы в Республике Беларусь представлена
на рисунке 2.1.
На различных этапах жизненного цикла технического устройства его
метрологическое обеспечение имеет ряд общих и самостоятельных задач. К
ним можно отнести исследование параметров для определения требований к
качеству; выбор средств измерений; определение метода измерения и контроля
физических величин; поверка применяемых средств измерений; надзор за
соблюдением на предприятии утвержденных методик измерения и контроля;
проведение метрологической экспертизы конструкторской и технологической
документации; надзор за состоянием средств измерений и за соблюдением
сроков из поверки; внедрение новых типов средств измерений и контроля.
Рисунок 2.1 – Структура метрологической службы в Республике Беларусь
Существующая система МО измерений опирается на комплекс
стандартов СОЕИ (ГСИ). В эту систему входят стандартизация терминов и
определений в области метрологии; единицы ФВ, нормы точности измерений и
формы представления результатов измерений, нормируемые метрологические
характеристики средств измерений, государственные эталоны и поверочные
схемы, методы и средства поверки средств измерений, организация и порядок
проведения государственных испытаний, поверки и метрологической
аттестации средств измерений. В задачи метрологической службы в этой связи
входит осуществление метрологического надзора и контроля за выполнением
метрологических правил и норм, а также создание комплекса стандартов СОЕИ
и Контроля за выполнением их требований, пресечение нарушений
метрологических правил и норм, принятие мер по устранению этих нарушений.
Ответственность за правильность, своевременность и полноту МО
технических устройств возлагается на потребителей (заказчиков).
Деятельность органов ГМС регламентируется СТБ 8006-95 «СОЕИ РБ
Государственный метрологический надзор и метрологический контроль.
Основные положения».
Существует два вида контроля за выполнением метрологических правил
и норм: государственный метрологический надзор и метрологический
контроль.
Государственный метрологический надзор (ГМН) – деятельность
органов Государственной метрологической службы (ГМС) по проверке
соблюдения установленных метрологических правил и норм.
ГМН проводится применительно к единицам измерений; средствам
измерений; методикам выполнения измерений; результатам измерений;
субъектам хозяйствования, которые в соответствии с установленным порядком
должны иметь разрешение Госстандарта на право производства, ремонта,
поверки, калибровки, продажи и проката средств измерений; к лицам,
осуществляющим измерения, а также другим объектам, к которым
предъявляются метрологические требования, имеющие обязательную силу.
К сфере действия МГН относятся следующие виды деятельности:
- проведение торговых операций и взаимных расчетов между покупателем и продавцом, в том числе операций с применением игровых автоматов и
устройств;
- диагностика и лечение заболеваний человека и животных;
- контроль медикаментов;
- контроль за состоянием окружающей среды;
- проведение государственных учетных операций;
- контроль безопасности и условий труда;
учет,
хранение
перевозка
и
уничтожение
токсичных,
легковоспламеняющихся, взрывчатых и радиоактивных веществ;
- проведение геодезических и гидрометеорологических операций;
- обеспечение обороны государства;
- проведение банковских, налоговых, таможенных и почтовых операций;
- производство продукции, поставляемой по контрактам для государственных нужд;
- испытания и контроль качества продукции в целях определения ее
соответствии обязательным требованиям стандартов РБ;
- обязательная сертификация продукции и услуг;
- контроль всех видов сырья и продуктов питания;
- проведение испытаний, поверка, калибровка, метрологическая
аттестация, ремонт, продажа и прокат средств измерений;
- измерения, проводимые по поручению органов суда, прокуратуры,
арбитражного суда, государственных органов управления РБ;
- измерения, результаты которых служат основанием для регистрации
национальных и международных спортивных рекордов.
2.2 Передача размера единиц электрических физических величин
Для передачи размера единиц физических величин (ФВ) применяются
эталоны. Эталон единицы ФВ – СИ (или комплекс СИ), предназначенное для
воспроизведения и(или) хранения единицы и передачи ее размера
нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в
установленном порядке. Конструкция эталона, его свойства и способ
воспроизведения единицы определяются природой данной ФВ и уровнем
развития измерительной техники в данной области измерений.
Эталоны единиц ФВ имеют классификацию в зависимости от
метрологического назначения:
- первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение
единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же
единицы) точностью. Если первичным эталоном технически нецелесообразно
обслуживать весь диапазон изменения измеряемой величины, создают
несколько первичных эталонов, охватывающих части этого диапазона с таким
расчетом, чтобы был охвачен весь диапазон. В этом случае проводят
согласование размеров единиц, воспроизводимых соседними первичными
эталонами;
- вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы
непосредственно от первичного эталона данной единицы;
- эталон сравнения – эталон, применяемый для сличения эталонов,
которые по тем или иным причинами не могут быть непосредственно сличены
друг с другом;
- исходный эталон – эталон, обладающий наивысшими метрологическим свойствами в данной лаборатории, организации, на предприятии), от
которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся СИ.
При этом под подчиненным эталоном понимают стоящий ниже исходного по
поверочной схеме эталон;
- рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи размера
единицы рабочим СИ.
Кроме того, различают государственный эталон – первичный эталон на
территории государства, национальный эталон – эталон, исходный для
страны, и международный эталон, являющийся международной основой для
согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых
национальными эталонами.
Совокупность государственных первичных и вторичных эталонов,
являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране, составляет
эталонную базу страны. В Республике Беларусь это Национальный
метрологический институт – главный центр эталонов.
При поверке или калибровке осуществляется передача размера единицы
– приведение размера единицы ФВ, хранимой поверяемым СИ, к размеру
единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном. На практике передача
размеров единиц ФВ от эталонов к рабочим СИ осуществляется с помощью
рабочих эталонов.
Рабочие эталоны могут объединяться в установки, позволяющие быстро
выполнять все операции поверки, - поверочные установки.
Поверочная
установка
–
это
измерительная
установка,
укомплектованная рабочими эталонами и предназначенная для поверки
рабочих СИ и подчиненных рабочих эталонов.
Поверка СИ должна быть организована таким образом, чтобы обеспечить
минимальные потери точности при передаче размера единиц. Для этой цели
устанавливается строго определенный порядок передачи размера каждой
единицы ФВ, который приводится в поверочной схеме.
Поверочная схема для средств измерений – нормативный документ,
устанавливающий соподчинение СИ, участвующих в передаче размера
единицы от эталона рабочим СИ (с указанием методов и погрешности при
передаче).
Различают государственные и локальные поверочные схемы (ПС).
Государственная ПС – ПС, распространяющаяся на все СИ данной ФВ,
имеющиеся в стране.
Локальная ПС – ПС, распространяющаяся на СИ данной ФВ,
применяемые в регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (в
организации).
ПС для разных ФВ могут существенно отличаться, но принципы
построения остаются общими:
- ПС имеют иерархический характер (низшие звенья ПС подчиняются
высшим);
- для целей передачи размеров единиц используются только эталоны.
Рабочие СИ, даже самой высокой точности, для передачи размера единиц
использоваться не могут.
Пример компоновки элементов государственной ПС представлен на
рисунке 2.2.
При выборе рабочих эталонов для разных звеньев ПС обычно
руководствуются требованием, чтобы соотношение погрешностей рабочего
эталона и поверяемого СИ составляло 1:3, 1:4, 1:5 с учетом принятого метода
поверки, характера погрешностей и особенностей применяемых СИ.
Государственный
эталон
Метод передачи
размера единицы
Метод передачи
размера единицы
1
2
Эталон
Эталон
Метод передачи
размера единицы
1
Эталон
Метод
передачи
размера
единицы
Метод
передачи
размера
единицы
Метод
передачи
размера
единицы
1
1
1
Рабочее СИ
Рабочее СИ
Рабочее СИ
Рабочее СИ
Рисунок 2.2 – Пример компоновки государственной ПС
2.3 Международные организации по метрологии
2.3.1 Международная организация мер и весов
Международная организация мер и весов (МОМВ) была создана
одновременно с подписанием дипломатического договора - «Метрической
конвенции» 20 мая 1875 года в Париже полномочными представителями
правительств 17 государств. В настоящее время в ее состав входят представители
68 государств.
Основной задачей организации является обеспечение единообразия и
необходимой точности мер и весов, а также измерительных приборов в
международном масштабе.
Высший орган МОМВ - Генеральная конференция мер и весов (ГКМВ),
общее собрание всех членов организации, которое проводится 1 раз в 4 года.
Руководящим органом МОМВ является Международный комитет мер и
весов (МКМВ), в состав которого входят 18 ученых из разных стран мира,
избираемых на ГКМВ. Заседания МКМВ проходят 1 раз в год.
Рабочим органом МОМВ является Международное бюро мер и весов
(МБМВ, Bureau International des Poids et Mesures (фран.), BIPM, www.bipm.org) –
это международный центр метрологии с научно-исследовательскими
лабораториями, со штатом сотрудников около 70 человек, в число которых
входят ученые и специалисты из разных стран мира.
МОМВ сотрудничает с другими международными метрологическими
организациями, а результаты научно-исследовательской деятельности МОМВ
используются при разработке стандартов и других нормативных документов по
метрологии.
В 2003 г. Республика Беларусь присоединилась к Соглашению «О
взаимном признании национальных измерительных эталонов и сертификатов
калибровки и измерений, выдаваемых национальными метрологическими
институтами» (CGPM-MRA). Соглашение опирается на согласие и стремление
каждого национального метрологического института использовать единицы
Международной системы единиц (СИ), принятой ГКМВ, в качестве основы для
своих измерений и для выражения неопределенности измерений, а также
поддержания на должном уровне национальной эталонной базы, и служит
основой для признания сертификатов калибровки и испытаний всех его
участников. Участие в международных сличениях будет способствовать
повышению точности национальных эталонов.
2.3.2 Международная организация законодательной метрологии
OIML
Международная организация законодательной метрологии OIML
(International Organization of Legal Metrology, www.oiml.org) создана в 1955 г. и
является межправительственной организацией по законодательной метрологии.
Объединяет и согласует деятельность около 110 стран мира в области
сопоставимости, правильности и точности результатов измерений. РБ является
членом OIML.
Основная деятельность OIML в области стандартизации сосредоточена на
разработке согласованных единых методов нормирования метрологических
характеристик средств измерений, применении унифицированных единиц
измерений, обеспечении единства измерений. Результатами этой деятельности
является разработка ТК и ПК OIML международных документов (МД) и
международных рекомендаций (МР). В настоящее время насчитывается 18 ТК
OIML, в состав которых входят 52 ПК. МД носят директивных характер, т.е.
являются обязательными для исполнения, а МР – рекомендательный
(добровольный) характер. МД и МР издаются на английском и французском
языках. Всего опубликовано около 120 МР, 30 МД, 3 Международных Словаря
и других публикаций. Например:
- МД 1 «Закон о Метрологии»;
- МД 11 «Общие требования к электронным средствам измерений»;
- МД 14 «Квалификационная характеристика специалиста метрологической
службы»;
- МР 34 «Классы точности средств измерений»;
- VIM Международный словарь основных и общих терминов по
метрологии (совместное издание ISO, IEC, BIPM, OIML).
3 Технические методы и средства измерений
3.1 Классификация средств измерений
Средства измерений (СИ), применяемые для измерения характеристик
электрических сигналов и параметров радиотехнических цепей можно условно
разделить на две большие группы: электромеханические и электронные
измерительные приборы (ИП).
Электромеханические приборы, как правило, состоят из относительно
простой измерительной цепи и измерительного механизма.
Измерительная цепь – это совокупность элементов СИ, образующих
непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической
величины от входа до выхода.
Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным
каналом.
Измерительный механизм СИ – совокупность элементов СИ, которые
обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового пятна и
т.д.). Он состоит из механических и электрических элементов (пружин,
катушек, магнитов), взаимодействие которых вызывает из взаимное
перемещение.
В состав электронных ИП входят электронные устройства: усилители,
счетчики, дешифраторы, электронные ключи и т.п.
Каждый ИП имеет отсчетное устройство, которое позволяет производить
отсчет измеряемой величины. Измерительная информация может быть
представлена в цифровой или аналоговой форме.
В зависимости от способа обработки и представления информации
ИП делятся на аналоговые и цифровые.
В аналоговых ИП выходные сигналы, а следовательно, и показания
являются непрерывными функциями изменения измеряемой величины. В
цифровых ИП вырабатываются дискретные сигналы измерительной
информации, а показания представляются в цифровой форме.
Электронные ИП по характеру измерений и виду измеряемой
величины делятся на 20 подгрупп, которым присваиваются буквенные
обозначения:
А – приборы для измерения силы тока;
В - приборы для измерения напряжения;
Е - приборы для измерения параметров и компонентов цепей с
сосредоточенными постоянными;
М - приборы для измерения мощности;
Р - приборы для измерения параметров элементов и трактов с
распределенными постоянными;
Ч - приборы для измерения частоты и времени;
Ф - приборы для измерения разности фаз и группового времени
запаздывания;
С - приборы для исследования формы сигнала и спектра;
Х – приборы для наблюдения и исследования характеристик
радиоустройств;
И – приборы для импульсных измерений;
П - приборы для измерения напряженности поля и радиопомех;
У – усилители измерительные;
Г – генераторы измерительные;
Д – аттенюаторы и приборы для измерения ослабления;
К – комплексные измерительные установки;
Л – приборы для измерения параметров электронных ламп и
полупроводниковых приборов;
Ш – приборы для измерения электрических и магнитных свойств
материалов;
Э – измерительные устройства коаксиальных и волноводных трактов;
Я – блоки радиоизмерительных приборов;
Б – источники питания для измерений и радиоизмерительных приборов.
В подгруппах приборы по признакам основной выполняемой функции
разделяются на виды. Вид СИ – совокупность СИ, предназначенных для
измерения данной физической величины. Вид СИ обозначается арабской
цифрой после буквы, обозначающей вид. Например, В2 – вольтметры
постоянного тока, В3 – вольтметры переменного тока, В7 – универсальные
вольтметры.
Приборы каждого вида по совокупности технических характеристик и
очередности разработок разделяются на типы, которым присваивается
порядковый номер модели: В7-28. Тип СИ – совокупность СИ одного и того же
назначения, основанных на оном и том же принципе действия, имеющих
одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической
документации. Для модернизированных приборов после цифры,
обозначающей тип, ставятся в алфавитном порядке буквы русского алфавита,
соответствующие очередной модернизации: В7-28А. Конструктивная, но не
электрическая модернизации обозначается цифрой после косой черты: В728А/1. Для комбинированных приборов после буквы, обозначающей
подгруппу, ставится буква К: ФК2-18 – прибор для измерения фазовых сдвигов
и параметров четырехполюсников. Для приборов, предназначенных для работы
в тропическом климате, после обозначения типа ставится буква Т.
Обозначения электромеханических приборов состоят из букв, которые
в основном соответствуют типу прибора, и цифр (М, Э и т.п.).
В зависимости от формы представления показаний приборы делятся
на
показывающие,
допускающие
только
отсчет
показаний,
и
регистрирующие, в которых возможен не только отсчет, но и регистрация
показаний в форме диаграмм (самопишущие приборы) или распечатки
(печатающие).
По условиям применения ИП делятся на три группы:
1) приборы общего применения, предназначенные для использования в
различных радиотехнических устройствах независимо от их назначения;
2) приборы специальные (сервисные), узкого назначения,
предназначенные для измерения параметров сигналов в определенных
устройствах (объектах);
3) приборы встроенные, конструктивно входящие в состав
радиоэлектронных устройств.
Некоторые ИП можно использовать в качестве всех трех (например,
электронные вольтметры, генераторы).
Вся совокупность ИП по назначению условно разбивается на три
основные группы:
1) приборы для измерения параметров и характеристик электрических
сигналов (подгруппы А, В, М, Ч, С, …);
2) приборы для измерения параметров и характеристик электрических
цепей (измерители сопротивления, индуктивности, емкости – Е, Р и др.);
3) источники измерительных сигналов – измерительные генераторы (Г).
Важным классификационным признаком является принцип действия в
соответствии с используемым методом измерений. По этому признаку
различают
- приборы прямого преобразования (действия);
- приборы сравнения (компенсационного преобразования).
Прибором прямого преобразования называется ИП, в котором
происходит одно или несколько преобразований входного сигнала в одном
направлении. Его структурная схема представлена на Рисунке 3.1.
Х
…
П2
П1
Х1
Х2
Пn
Хn-1
Хn
Индикаторное
устройство
Рисунок 3.1 – Структурная схема ИП прямого преобразования.
Тип индикаторного устройства (ИУ) определяется принадлежностью.
Прибора к той или иной группе (аналоговой, цифровой, показывающий или
регистрирующий).
Входной сигнал Х последовательно преобразуется в выходной Хn,
который отображается на ИУ или используется при дальнейшей обработке.
Прибором сравнения называется ИП, предназначенный для
непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение
которой известно (мерой). Известная величина воспроизводится с помощью
меры или набора мер. Структурная схема прибора сравнения представлена на
Рисунке 3.2.
Х
Схема
сравнения
П1
…
Хn
Пn
Х
Индикаторное
устройство
Хm
Мера
Пm
…
П1
Рисунок 3.2 – Структурная схема ИП сравнения.
В ИП сравнения измеряемая величина Х подвергается прямому
преобразованию в преобразователях П1, …, Пn, и по цепи обратной связи
сигнал Хn через преобразователи П1, …, Пm управляет значением меры.
При полной компенсации сигналов в схеме сравнения в установившемся
режиме X = X – Xm = 0. Изменением коэффициента передачи цепи обратного
преобразования добиваются нулевых показаний ИУ. Значение измеряемой
величины в этом случае будет равно значению меры Хm. Такая модификация
метода сравнения получила название нулевого метода.
Другой разновидностью метода сравнения является дифференциальный
метод. В этом случае в установившемся режиме X = X – Xm 0. С помощью
ИУ фиксируется величина X, а измеряемая величина будет равна X = Xm + X.
К приборам сравнения можно отнести измерительные мосты,
потенциометры, некоторые виды вольтметров.
3.2 Метрологические характеристики средств измерений и их
нормирование
Все характеристики СИ можно разделить на две группы:
метрологические и технические.
Метрологическая характеристика – это характеристика одного из
свойств СИ, влияющая на результат измерения и на его погрешность.
Метрологические характеристики регламентируются следующими
документами:
ГОСТ 22261-94 Средства измерений электрических и магнитных величин.
Общие технические условия;
ГОСТ 8.009-84 ГСИ Нормируемые метрологические характеристики
средств измерений;
ГОСТ 24314-80 Приборы электронные измерительные. Термины и
определения. Способы выражения погрешностей и общие условия испытаний.
К основным метрологическим характеристикам СИ относятся
чувствительность, входной импеданс, вариация показаний, динамические
характеристики, погрешность СИ, выходной код, число разрядов кода,
номинальная цена единицы наименьшего разряда.
Чувствительность СИ – свойство СИ, определяемое отношением
изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению
измеряемой величины:
SП
.
X
На практике используется такая метрологическая характеристика,
связанная с чувствительностью, как цена деления шкалы (постоянная
прибора) – разность значений величины, соответствующих двум соседним
отметкам шкалы СИ.
Для равномерной шкалы СП = 1/ SП.
Если шкала прибора неравномерная, т.е. в пределах шкалы цена деления
меняется, то нормируется минимальная цена деления.
Иногда
в
качестве
характеристики
используется
порог
чувствительности (предельная чувствительность) - характеристика СИ в виде
наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого
может осуществляться ее изменение данным средством.
Входной импеданс (Zвх) определяется влияние СИ на работу
исследуемой схемы. За счет потребления некоторой мощности СИ может
изменить режим работы маломощного источника входного сигнала, что
приводит к появлению методической погрешности.
Входной
импеданс
характеризуется
активной
и
реактивной
составляющими. Часто в качестве параметров входа СИ указывается значение
входного активного сопротивления и входной емкости.
На постоянном токе и в диапазоне низких частот нормируется входное
активное сопротивление.
Вариация показаний ИП (выходного сигнала измерительного
преобразователя) – это разность показаний прибора в одной и той же точке
диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и
больших значений измеряемой величины.
В высокочувствительных (особенно электронных) ИП вариация
показаний приобретает иной смысл и может быть определена как колебание их
показаний около среднего значения.
Например, для амперметра вариация показаний b = |Iм – Iб| при подходе к
данной точке со стороны меньших Iм и больших Iб значений тока.
Динамические характеристики – это характеристики инерционных
свойств СИ. Они определяют зависимость параметров выходного сигнала СИ
от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала. Нагрузки,
внешних факторов.
Динамические характеристики могут нормироваться
1) функцией связи между входными и выходными сигналами
(передаточной функцией, переходной характеристикой и т.п.);
2) графиками (таблицами) амплитудно-частотной и фазо-частотной
характеристик;
3) временем установления показаний или быстродействием СИ –
величиной, обратной времени установления показаний.
Погрешность СИ может быть представлена в форме абсолютной,
относительной и приведенной погрешностей или класса точности.
Класс точности средства измерения - это обобщенная характеристика
средства измерения, определяемая пределами допускаемых основной и
дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средства
измерения, влияющими на точность, значения которой устанавливаются в
стандартах на отдельные виды средств измерений.
Значение класса точности также выбирается из ряда (1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4;
5; 6)10n, где n=-1, 0, 1, 2, ... .
Способ обозначения класса точности определяется формой выражения
основной погрешности.
Примеры обозначения класса точности:
формулы
С
таблицы, графики
IY
А2
формула
формула
0,02/0,01
Таблицы,
графики
D
G1
III
ХN выражено в
единицах
измеряемой
величины
ХN выражено в
длине
рабочей
части шкалы
Значение
указывается
нормативнотехнической
документации
2,0
с=0,02
d=0,01
Указывается
нормативнотехнической
документации
2,5
2,5
0,5
0,5
в
в
Для приборов с цифровым отсчетом нормируются выходной код, число
разрядов кода и номинальная цена единицы наименьшего разряда.
В технических описаниях приборов обычно указывают параметры,
которые можно объединить в группу количественных характеристик,
определяющих область применения. Она характеризуется совокупностью
допустимых диапазонов трех групп физических величин:
1)
диапазон
возможных
значений
измеряемых
величин
(информативных параметров) или пределы шкалы ИП. Здесь можно выделить
два понятия: диапазон показаний СИ – область значений шкалы прибора,
ограниченную начальным и конечным значением щкалы, - и диапазон
измерений СИ – область значений величины, в пределах которой нормированы
допускаемые пределы погрешности СИ;
2) диапазон возможных значений неизмеряемых величин
(неинформативных параметров), например, для вольтметра переменного
напряжения – частотный диапазон;
3) диапазон возможных значений влияющих величин (диапазон
температур, внешних полей, ускорений и т.п.).
Технические характеристики средств измерений
В технической документации каждого СИ обычно указывается его
назначение, то есть основные функции СИ и область его применения.
Характеристика назначения может включать в себя предельные значения
неинформативных параметров и рабочие условия применения СИ.
Метрологическая исправность СИ – состояние СИ, при котором все его
нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным
требованиям.
Надежность СИ – свойство измерительной техники функционировать
при сохранении метрологических и других характеристик в заданных пределах
и режимах работы.
Метрологическая надежность СИ – надежность СИ в части сохранения
его метрологической исправности.
При выходе метрологических характеристик СИ за установленные
пределы наступает метрологический отказ СИ.
Надежность СИ характеризуется следующими показателями.
1) Безотказность – свойство СИ сохранять работоспособность в течение
некоторой наработки без вынужденных перерывов. Ее характеризует
наработка на отказ – среднее значение наработки СИ между двумя отказами.
Для СИ электрических и магнитных величин, разработанных после 01.01.84 г.
Наработка на отказ должна составлять не менее 1000 часов.
2) Долговечность – свойство СИ сохранять работоспособность до
предельного состояния с необходимыми перерывами для технического
обслуживания ремонтов. Она характеризуется вероятностью отсутствия
скрытых, неявных отказов за межповерочный интервал. Средний срок службы
ИП должен составлять не менее 8 лет, средний ресурс – не менее 5000 часов.
3) Ремонтопригодность – приспособленность СИ к проведению
технического обслуживания и ремонта. Ее характеризует среднее время
восстановления – от 10 мин. до 96 часов.
4) Сохраняемость – способность СИ сохранять метрологические
характеристики при хранении, транспортировке.
В зависимости от значений влияющих величин, характеризующих
климатические и механические воздействия в рабочих условиях применения, а
также предельные условия транспортирования, СИ делятся на 7 групп.
Большему номеру группы СИ соответствуют более жесткие условия
применения и транспортирования.
В нормативно-технической документации на СИ устанавливают также
требования к электропитанию, ко времени установления рабочего режима и
продолжительности непрерывной работы, к электрической прочности и
сопротивлению изоляции, требования безопасности.
3.3 Электрические измерения неэлектрических величин
3.3.1 Основные принципы и методы преобразования измерительной
информации
Измерительное преобразование – это отражение размера одной
физической величины размером другой физической величины, функционально
с ней связанной.
В основу построения любого измерительного устройства положено
применение измерительных преобразований.
Измерительный преобразователь (ИП) – техническое средство с
нормативными
метрологическими
характеристиками,
служащее
для
преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный
сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований,
индикации или передачи. Другими словами, ИП – это техническое устройство,
построенное на определенном физическом принципе или эффекте,
выполняющее одно частное измерительное преобразование.
По виду входных и выходных физических величин ИП
классифицируются следующим образом:
1) преобразователи неэлектрических величин в неэлектрические;
2) преобразователи неэлектрических величин в электрические;
3) преобразователи электрических величин в электрические;
4) преобразователи электрических величин в неэлектрические.
В простейшей измерительной систем присутствуют все виды ИП
(рисунок 2.5).
Возбуждение
Объект
измерения
Преобразование
Передача
Регистрация
Обработка
Индикация
Измерительная система
Управление
Рисунок 2.5 – Структурная схема простейшей измерительной системы
Преобразователь – первый элемент измерительной системы – является
основным источником электрического сигнала, тогда как остальная часть цепи
должна обеспечить передачу, обработку и использование сигнала. Надлежащий
выбор преобразователя и правильное построение измерительного канала
означают, что в сигнал не вносится дополнительных погрешностей или
ограничений сверх тех, которые были ему присущи изначально. Следовательно,
от высокого качества преобразователя в первую очередь зависят как более или
менее точное соответствие между истинным значением измеряемой величины и
значением, полученным при измерениях, так и пределы вносимых в
полученную величину погрешностей.
По месту расположения в измерительной цепи различают следующие
виды преобразователей:
1) первичный ИП – ИП, на который непосредственно воздействует
измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной
цепи измерительного прибора (установки, системы);
2) промежуточный ИП – ИП, занимающий место в измерительной цепи
после первичного ИП.
По характеру преобразования различают
1) аналоговый ИП – ИП, преобразующий одну аналоговую величину
(аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину
(аналоговый измерительный сигнал);
2) аналого-цифровой ИП – ИП, предназначенный для преобразования
аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
3) цифроаналоговый ИП – ИП, предназначенный для преобразования
числового кода в аналоговую величину.
Кроме того, можно определить еще
передающий ИП – ИП, предназначенный для дистанционной передачи
сигнала измерительной информации, и
масштабный ИП – ИП, предназначенный для изменения размера
физической величины или измерительного сигнала в заданное число раз.
3.3.2 Метрологические характеристики ИП
Полученная на выходе ИП физическая величина должна содержать всю
информацию об измеряемом параметре.
Функциональная зависимость выходной величины ИП от входной,
описываемая аналитическим выражением в виде таблиц или графически,
называется функцией преобразования ИП.
Зная функцию преобразования и измерив значение выходного сигнала Y,
можно определить значение входной величины Х. Для всех преобразователей
функция преобразования в численной форме определяется экспериментально в
результате градуировки.
Для описания линейной функции преобразования Y = F(X) = Y0 + SX
достаточно двух параметров: начального значения выходной величины Y0
(нулевого уровня), соответствующего нулевому значению Х, и показателя
наклона характеристики S = Y / X, характеризующему чувствительность
преобразователя.
Чувствительность ИП – это отношение изменения выходной величины
ИП к вызывающему ее изменению входной величины.
Необходимо обеспечить постоянство чувствительности, которая должна
как можно меньше зависеть от значений Х (определяя линейность функции
преобразования) и частоты их изменений, от времени и от воздействия других
физических величин, характеризующих не сам объект, а его окружение (так
называемых влияющих величин). Тем не менее на практике оказывается, что
чувствительность каждого ИП постоянна только на определенном участке
функции преобразования, который ограничивается с одной стороны пределом
преобразования, а с другой – порогом чувствительности.
Предел преобразования – это максимальное значение входной
величины, которое еще может быть им воспринято без искажения и без
повреждения преобразователя.
Порог чувствительности – это минимальное изменение значения входной
величины, способное вызвать заметное изменение выходной величины ИП.
При нелинейной функции преобразования чувствительность зависит от
значения входной величины.
3.3.3 Первичные измерительные преобразователи
В данной дисциплине ограничимся рассмотрением ИП, широко
применяемых в области радиотехники и электроники.
Наиболее распространены три группы первичных ИП.
1. ИП, использующие механическое перемещение для измерения какоголибо параметра электрической цепи или генерирования измерительного
сигнала. Они состоят из двух частей: чувствительного элемента,
преобразующего измеряемую величину в механическое перемещение, и
преобразователя перемещения в электрическую величину.
2. ИП, использующие зависимость электрической величины,
характеризующей чувствительный элемент, от температуры.
3. ИП, использующие изменение электрических свойств объекта
измерения с изменением его неэлектрических параметров.
По виду выходной электрической величины ИП делятся на
параметрические и генераторные.
Выходной величиной параметрических ИП является пассивный
параметр электрической цепи – сопротивление, емкость, индуктивность или
взаимная индуктивность. Применение таких ИП требует вспомогательных
источников питания.
Выходной величиной генераторных преобразователей является сила
тока, ЭДС или напряжение. Таким образом, они сами являются источниками
электрического сигнала.
3.3.4 Параметрические ИП
3.3.4.1 Резистивные ИП
Принцип действия резистивных ИП основан на зависимости
сопротивления постоянному току от измеряемой неэлектрической величины:
l
R ρ , где - удельное сопротивление материала проводника, l – его
S
длина, S – площадь поперечного сечения.
Первую и наиболее простейшую группу составляют контактные ИП, в
которых входная неэлектрическая величина преобразуется в замкнутое или
разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью.
Естественной входной величиной является механическое перемещение, а
выходной – сопротивление контакта. Такие ИП применяются при допусковом
контроле механических и теплотехнических параметров деталей и процессов.
Основными параметрами контактных ИП можно считать сопротивление
между контактами в замкнутом и разомкнутом состоянии и мощность
управляющей ими цепи.
Электрический и механических износ контактных групп будут являться
источниками погрешностей.
Вторая группа резистивных ИП – это реостатные ИП. Они применяются
для измерения давления, уровня, массы, а также следящих системах.
Реостатный ИП представляет собой резистор переменного сопротивления
(потенциометр, реостат, реохорд), подвижная щетка которого перемещается под
воздействием неэлектрической величины, изменяя его выходное сопротивление.
Входной величиной является угловое или линейное перемещение движка,
а выходной – изменение активного сопротивления.
К основным параметрам реостатных ИП относятся номинальное
сопротивление, максимальная рассеиваемая на резистивном элементе мощность
при номинальном сопротивлении, вид функциональной зависимости,
чувствительность, погрешность преобразования.
Реостатные ИП включаются в основном в потенциометрические
(делитель напряжения) и мостовые измерительные цепи. Питание
измерительной цепи осуществляется постоянным или переменным током.
Источниками
погрешностей
будут
температурное
изменение
сопротивления ИП; погрешность дискретности, обусловленная скачкообразным
изменением сопротивления ИП при переходе движка с одного витка на другой;
погрешность из-за гистерезиса, вызванная трением в реостатном ИП.
К третьей группе резистивных ИП относятся тензорезистивные ИП,
основанных на зависимости электрического сопротивления материала
проводника от механического напряжения (явление тензоэффекта).
Относительное изменение сопротивления прямо пропорционально
величине деформации:
ΔR
G ε , где - величина деформации, G = const – тензометрический
R
коэффициент. Для большинства материалов он больше нуля, что соответствует
росту сопротивления при увеличении деформации.
При измерениях тензорезистивные ИП включаются в мостовые и
потенциометрические измерительные цепи.
Источником погрешности является температурная зависимость
сопротивления и коэффициента деформации
коэффициента линейного
теплового расширения исследуемой детали, вызывающая «ползучесть»
характеристики вследствие остаточных деформаций решетки и вследствие
старения, а также снижение чувствительности с ростом частоты изменения
измеряемой деформации.
Четвертую группу резистивных ИП составляют терморезистивные
(термочувствительные)
преобразователи,
в
которых
используется
зависимость сопротивления проводника (или полупроводника) от температуры:
Rt = R0(1 + t + t2 + t3 + … +),
где Rt – сопротивление отрезка провода при температуре tС; R0 – его
сопротивление при 0С; , , - коэффициенты температурной
чувствительности сопротивления, причем .
Входной величиной терморезистивных преобразователей является
температура, а выходной – электрическое сопротивление.
Для большинства металлов сопротивление увеличивается в зависимости
от температуры в основном по линейному закону, а коэффициенты и
являются коэффициентами более высокого порядка, которые малы, и ими
можно пренебречь. Тогда функция преобразования становится линейной:
Rt = R0(1 + t).
Но такая зависимость справедлива лишь для небольшого частотного
диапазона.
В чистых металлах кристаллическая решетка не имеет примесей или
искажений, и следовательно, 0. Сопротивление электрическому току
обусловлено взаимодействием свободных электронов проводимости с
колеблющимися атомами кристаллической решетки, что приводит к росту
сопротивления с ростом температуры (температурный коэффициент
сопротивления (ТКС) положителен).
В полупроводниковых материалах этот эффект скрыт более сильным
эффектом: число свободных носителей заряда зависит от абсолютной
температуры. Чем выше температура, тем больше электронов из валентной
зоны преодолевает запрещенную зону и попадает в зону проводимости (в
случае чистых полупроводников) или возрастает количество активированных
донорных или акцепторных атомов (в случае примесных полупроводников).
Число свободных носителей заряда увеличивается согласно соотношению
Eg
n n 0 e 2kt , где
Eg – энергия, необходимая для преодоления запрещенной зоны;
k – постоянная Больцмана.
Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с
повышением температуры, в температурный коэффициент сопротивления
(ТКС) отрицателен.
ТКС терморезистивных преобразователей определяется по формуле
ΔR
, где R0 – сопротивление при начальной температуре (обычно
αt
R 0 Δt
это ноль или температур нормальных условий), t может выражаться либо в С,
либо в Кельвинах.
Зависимость ТКС от температуры может быть линейной, квадратичной
или более сложной, но ТКС может и не зависеть от температуры.
Металлические терморезистивные преобразователи получили название
терморезисторов, а полупроводниковые – термисторов.
Материалы для терморезистивных ИП должны иметь высокостабильный
и большой ТКС, линейную зависимость сопротивления от температуры,
хорошую воспроизводимость свойств и инертность к воздействию окружающей
среды. К таким материалам относятся медь, платина, вольфрам, никель,
полупроводники на основе окислов переходных металлов (титана, кобальта,
никеля), титанат натрия, двуокись ванадия и т.п.
Терморезистивные ИП применяются для измерения температуры,
скорости потоков, плотности, состава, теплопроводности газов и жидкостей,
вакуума.
Источниками погрешностей являются
- нестабильность во времени начального сопротивления и температурного
коэффициента сопротивления;
- сопротивление проводов, соединяющих ИП с измерительным
устройством;
- нелинейность функции преобразования;
- тепловая инерционность;
- нагрев ИП измерительным током.
К
пятой
группе
резистивных
преобразователей
относятся
фоторезистивные ИП. Принцип их действия основан на явлении внутреннего
фотоэффекта, т.е. освобождения
электрических зарядов в материале
преобразователя под действием света и обусловленное этим увеличение
проводимости (соответственно уменьшение электрического сопротивления).
Этот эффект присущ только полупроводниковым материалам, таким, как
сернистый свинец, селенид кадмия, монокристаллический сернистый кадмий.
Наиболее часто используется сернистый кадмий CdS, так как его
чувствительность к цветовому спектру очень близка к спектральной
чувствительности
человеческого
глаза.
При
этом
максимальная
чувствительность реализуется на длине волны порядка 0,6 мкм, а
сопротивление изменяется от мегомов в условиях темноты до нескольких сотен
Ом при ярком свете. Время отклика на световой импульс обычно близко к 50 мс.
Функция преобразования фоторезистивного ИП представлена на рисунке 2.6.
Как видно, функция преобразования нелинейна, но ее можно
линеаризовать в ограниченном диапазоне с помощью постоянного резистора,
включенного параллельно фоторезистору (шунтирование фоторезистора).
R, Ом
Освещенность, лк
Рисунок 2.6 – Функция преобразования фоторезистивного
преобразователя
Сопротивление освещенного фоторезистора зависит от температуры,
однако чувствительность к температуре с ростом освещенности ослабевает.
Фоторезистивные ИП находят применение в таких исследованиях, когда
не требуется прецизионных измерений, а делается оценка уровня принимаемого
поля (регистрируется свет – темнота или наличие светового импульса).
При использовании фоторезистора в качестве приемника оптических
сигналов сам фоторезистор и его схема преобразуют в форму электрических
импульсов оптические импульсы, которые получаются, когда световой поток
попеременно пропускается или прерывается в ритме, несущем требуемую
информацию (например, счет предметов, измерение скорости сращения диска и т.п.).
3.3.4.2 Емкостные измерительные преобразователи
Принцип действия емкостных ИП основан на зависимости емкости
конденсатора от размеров и взаимного расположения его обкладок, а также от
диэлектрической проницаемости среды между ними.
Зависимость емкости конденсатора от размеров его обкладок и от
взаимного расположения пластин используется для измерения перемещений и
величин, которые могут быть преобразованы в перемещение, а зависимость
емкости от диэлектрической проницаемости среды между обкладками – для
измерения уровня жидкости, влажности, толщины материалов из диэлектрика.
Конденсатор, образованный двумя параллельными пластинами,
разделенными диэлектриком, имеет емкость
εε S
c 0 , где
d
S – площадь поперечного сечения в перекрывающемся пространстве
между двумя пластинами;
d – расстояние между пластинами;
, 0 – соответственно диэлектрическая проницаемость среды между
обкладками и вакуума.
Основным принципом построения емкостных ИП является изменение
расстояния между пластинами и вариация диэлектрических свойств изолятора.
Соответственно этому и имеется ряд различных конструкций емкостных ИП.
1 ИП с изменяемым расстоянием между пластинами.
Если одна пластина конденсатора зафиксирована, то изменение
положения подвижной пластины ведет к изменению величины емкости
(рисунок 2.7).
Фиксированная
пластина
Диафрагма
с(х)
х
d
а)
х
б)
Давление
в)
Рисунок 2.7 – Емкостные измерительные преобразователи с
переменным расстоянием между пластинами.
Если одна пластина конденсатора зафиксирована (рис. 2.7, а), то
изменение положения подвижной пластины ведет к изменению величины
емкости. Такой преобразователь можно применять для измерения малых
приращений смещения без контакта с измеряемым объектом. На рисунке 2.7, в
изображен преобразователь, с помощью которого можно измерять давление.
Функция преобразования обоих преобразователей изображена на рисунке 2.7, б.
2 Емкостный ИП с переменной площадью пластин
с(х)
х
d
х
в)
б)
а)
Рисунок 2.8 – Емкостный ИП с переменной площадью пластин
Такая конструкция применяется в качестве выходного преобразователя
для измерения электрических напряжений (емкостный потенциометр).
3 Емкостный ИП с изменяющимся положением диэлектрика.
Действие емкостного ИП с изменяющимся положением диэлектрика
основано на изменении относительного количества двух различных
диэлектриков между пластинами конденсатора (рисунок 2.9).
x
d
1
2
2
L
Рисунок 2.9 – Емкостный ИП с изменяющимся положением диэлектрика.
Такое устройство может рассматриваться как параллельное соединение
двух конденсаторов. Следовательно, их общая емкость будет равна сумме
емкостей двух конденсаторов, образованных диэлектриками:
ε ε bx ε ε b(L x) ε 0b
ε 2L (ε 2 ε1 )x.
c 1 0 2 0
d
d
d
Таким образом, емкость конденсатора зависит от смещения х и может
быть использована для измерения перемещения х. Функция преобразования
такого преобразователя линейна.
Разновидностью такого преобразователя является преобразователь для
измерения уровня жидкости, в котором пластины конденсатора образованы
двумя проводящими концентрическими цилиндрами с двумя диэлектриками
между ними.
При большом числе промежуточных преобразований в приборах прямого
преобразования существенно возрастает суммарная погрешность. Для ее
снижения применяют дифференциальные ИП, которые имеют меньшую
аддитивную погрешность, меньшую нелинейность функции преобразования и
повышенную
чувствительность
по
сравнению
с
аналогичными
недифференциальными ИП. Особенностью таких преобразователей является
наличие двух каналов преобразования и дифференциального звена, имеющего
один вход и два выхода (рисунок 2.10).
y0+y
х0+х Дифференциальный
ИП
Вычитающее
устройство
2y
Индикаторный
прибор
y0-y
Рисунок 2.10 – Структурная схема дифференциального ИП.
При изменении входной величины х относительно начального значения
х0 выходные величины Y дифференциального ИП получают приращения с
разными знаками относительно начального значения Y.
Дифференциальный вариант емкостного ИП представлен на рисунке 2.11.
2
х
1
х
х
1
с1 с2
а)
2
3
с1 с2
б)
с2
с1
в)
Рисунок 2.11 – Дифференциальные емкостные преобразователи: а) – с
изменяемым расстоянием между пластинами; б) – с изменяемой площадью
перекрытия пластин; в) – с изменяемым положением диэлектрика. Здесь 1 –
подвижные пластины, 2 – неподвижные пластины, 3 – шток.
Благодаря повышенной чувствительности дифференциальные емкостные
ИП могут использоваться для измерения малых (менее 1,0 мм) перемещений.
Погрешности преобразования емкостных ИП могут вызывать колебания
температуры, влияющие как на линейные размеры, так и на диэлектрическую
проницаемость; паразитные реактивности; неточность изготовления, особенно
электродов сложной формы.
3.3.4.3 Индуктивные измерительные преобразователи
Действие индуктивных ИП основано на зависимости индуктивности или
взаимной индуктивности обмоток преобразователя от положения отдельных
элементов магнитопровода, на котором они расположены и перемещение
которых определяется чувствительным элементом, воспринимающим
измеряемую величину. Такие преобразователи используются для измерения
механических перемещений, давлений, усилий, моментов, расходов и других
величин, преобразуемых в механические перемещения.
L
d
x
Рисунок 2.12 – Индуктивный измерительный преобразователь.
Пунктиром показан путь магнитного потока
Величина магнитного потока в последовательной цепи зависит от
магнитного сопротивления элементов этой цепи. Слой воздуха между
ферромагнитной пластиной и ферромагнитным сердечником также является
частью цепи. Величина зазора изменяется с перемещением пластины
относительно магнитопровода. Следовательно, изменяется магнитный поток в
цепи, а с ним и индуктивность катушки на сердечнике. Таким образом,
величину перемещения можно определить по изменению индуктивности катушки.
Общее магнитное сопротивление А последовательной цепи равно сумме
магнитных сопротивлений сердечника, пластины и воздушных зазоров. Если
зазор равен нулю (d = 0), а магнитное сопротивление сердечника и пластины в
сумме равно A0, то общее магнитное сопротивление цепи можно найти по
формуле
2d
, где
A A0
μ 0S
0 – магнитная проницаемость вакуума;
S – площадь поперечного сечения зазора.
Учитывая, что индуктивность катушки L = N2 / A, и обозначив отношение
2
через k = const, получим функцию преобразования индуктивного ИП:
μ 0 A 0S
L0
, где
L
1 kd
L0 – индуктивность катушки в случае, когда величина зазора d равна
нулю. Как видно из уравнения, функция преобразования нелинейна.
Индуктивные ИП можно также конструировать как дифференциальные.
Здесь, так же, как и с случае емкостных ИП, имеется три возможности
построения: с переменной величиной зазора магнитопровода, с переменной
площадью зазора магнитопровода и с переменной магнитной проницаемостью
зазора. Все эти меры позволяют увеличить чувствительность преобразователя.
Действие взаимоиндуктивных (трансформаторных) ИП основано на
изменении взаимной индуктивности катушек под действием механических
перемещений. При этом может перемещаться как сердечник или его часть, так
и одна из катушек индуктивности.
Взаимоиндуктивный ИП, предназначенный для измерения линейных
перемещений, состоит из двух обмоток с разным количеством витков. Одна
обмотка питается от источника переменного тока, и ЭДС, наведенная во второй
обмотке, является функцией зазора d.
Для измерения угловых перемещений вторую обмотку выполняют в виде
цилиндра, который может вращаться в кольцевом зазоре, образованном
магнитопроводом и магнитным сердечником. Такой ИП позволяет измерять
большие угловые перемещения.
Источником погрешностей индуктивных и взаимоиндуктивных ИП будет
температурная зависимость активной составляющей сопротивления.
3.3.5 Генераторные измерительные преобразователи
Выходной величиной генераторных ИП является сила тока либо
напряжение.
Генераторные ИП применяются для
- преобразования магнитных величин в свободном пространстве и в
магнитных материалах;
- определения характеристик магнитных материалов;
- неразрушающего контроля качества материалов методами магнитного,
структурного анализа и магнитной дефектоскопии;
- исследования электромагнитных механизмов приборов и устройств и их
отдельных узлов;
- физических исследований атомов и элементарных частиц;
- исследования магнитного поля Земли, космического пространства,
планет;
- геологических исследований земной коры;
- медицинских исследований.
Для преобразования магнитных величин в электрические используются
различные проявления магнитного поля: электрическое, механическое,
оптическое и др.
3.3.5.1 Индукционные магнитоизмерительные преобразователи
Действие индукционных магнитоизмерительных преобразователей
основано на явлении электромагнитной индукции. Измерительная катушка
является ИП, посредством которого магнитные величины могут быть
преобразованы в ЭДС.
При изменении магнитного потока Ф в катушке возникает ЭДС:
dΦ
dΨ
, где
E w к
dt
dt
wк – количество витков в катушке;
= wк - потокосцепление магнитного поля с измерительной катушкой.
Если магнитное поле однородно в переделах катушки и ориентировано
вдоль оси катушки, то
dB
dH
, где
E w кSк
μw к S к
dt
dt
Sк – площадь каждого из витков;
- магнитная проницаемость среды;
Н – напряженность магнитного поля.
Если ось катушки составляет с вектором напряженности угол , то
d
E w к S к ( H μ Cosα ) .
dt
Следовательно,
можно
выделить
три
разновидности
магнитоизмерительных преобразователей в виде индукционных катушек:
- преобразователи, у которых изменение магнитного потока Ф
осуществляется за счет изменения напряженности магнитного поля Н;
- преобразователи, у которых изменение магнитного потока Ф
осуществляется за счет изменения Cos ;
- преобразователи, у которых изменение магнитного потока Ф
осуществляется за счет изменения магнитной проницаемости среды, в
которой действует магнитное поле.
Последний тип преобразователей получил название ферроиндукционных
измерительных преобразователей.
Размеры, форма и конструкция катушек определяются назначением. При
измерениях в воздушных средах применяются цилиндрические или плоские
прямоугольного сечения катушки, размеры которых тем меньше, чем больше
неоднородность поля. Для измерения напряженности магнитного поля у
поверхности постоянных магнитов и намагниченных тел применяются
миниатюрные плоские катушки прямоугольного сечения, а у поверхности
листовых ферромагнитных материалов – длинные плоские катушки,
выполненные на очень тонком (узком) каркасе. При измерениях внутри
магнитных материалов катушки наматываются непосредственно на образец.
При измерениях в переменных магнитных полях применяются неподвижные
катушки.
3.3.5.2 Сверхпроводниковые преобразователи
Сверхпроводниковые преобразователи применяются для преобразования
параметров постоянных и переменных полей в электрический ток или
напряжение, частота которого пропорциональна изменению измеряемой
магнитной величины (магнитного потока или магнитной индукции).
В основу действия сверхпроводниковых преобразователей положены два
эффекта, имеющие место в сверхпроводящих материалах при низких
температурах. Первый – это явление квантования магнитного потока,
заключающееся в том, что магнитный поток, пересекающий сверхпроводящее
кольцо, может принимать значения, кратные кванту магнитного потока
h
Φ0
2,1 10 5 Вб , где h – постоянная Планка, е – заряд электрона. Второй
2e
эффект- это эффект Джозефсона, имеющий место в переходе «сверхпроводник
– диэлектрик – сверхпроводник»: в сверхпроводящем состоянии через переход
протекает ток без падения напряжения на диэлектрике. Если ток превысит
некоторое критическое значение Iк, то на переходе возникнет падение
2e U
напряжения и в переходе потечет ток с частотой f U
.
h Φ0
Сверхпроводниковый ИП представляет собой сверхпроводящее кольцо с
одним или двумя джозефсоновскими переходами. Такая конструкция получила
название сверхпроводящего квантового интерферометра (СКВИД). Он
преобразует изменения магнитного потока или магнитной индукции в
количество
периодических
изменений
напряжения,
снимаемого
с
преобразователя. Структурная схема прибора для измерения магнитного потока
представлена на Рисунке 2.13.
U
В (Φ )
Счетчик
Преобразователь
-Ф0
0
+Ф0
Рисунок 2.13 – Структурная схема тесламетра на основе
сверхпроводящего преобразователя.
3.3.5.3 Измерительные преобразователи Холла
Действие измерительных преобразователей Холла основано на эффекте
возникновения поперечной разности потенциалов (так называемой ЭДС Холла)
на боковых гранях полупроводниковой пластины при помещении ее в
поперечное магнитное поле и пропускании через нее электрического тока в
продольном направлении (Рисунок 2.14).
В
L
+
4
I
L
ЕХолла
2
1
3
Рисунок 2.14 – Преобразователь Холла.
ЭДС Холла можно определить из следующего выражения:
EХолла = RХолла(кгеом, )IBCos(/d), где
RХолла – постоянная Холла, зависящая от свойств материала
преобразователя;
(кгеом, ) – величина, зависящая от геометрии преобразователя и так
называемого угла Холла между векторами плотности тока и напряженности
вызывающего его электрического поля;
d – толщина пластинки.
3.3.5.4 Преобразователи Гаусса
В основу принципа работы преобразователей Гаусса положен эффект
изменения внутреннего сопротивления некоторых материалов в магнитном
поле вследствие изменения подвижности носителей заряда. Под действием
магнитного поля траектории носителей искривляются, вследствие чего
скорость их движения в направлении электрического поля уменьшается.
Такие преобразователи используются в приборах для измерения
магнитной индукции в постоянных и переменных магнитных полях (особенно в
сильных).
3.3.5.5 Пьезоэлектрические преобразователи
В пьезоэлектрических ИП используется так называемый прямой и
обратный пьезоэлектрический эффект.
При прямом пьезоэффекте под воздействием механических напряжений
на поверхностях кристаллов возникает электрический заряд, прямо
пропорциональный приложенной силе:
q = CF, где
F – сила;
С – чувствительность преобразователя.
К пьезоэлектрикам можно отнести такие материалы, как кварц, сегнетова
соль, турмалин, пьезоэлектрическая керамика (цирконат и титанат свинца).
При обратном пьезоэффекте разность потенциалов, приложенная к
поверхностям кристалла, вызывает его деформацию. Если при этом
использовать переменный ток высокой частоты, то кристалл будет создавать
высокочастотные механические колебания, и таким образом мы получим
ультразвуковой генератор.
3.3.5.6 Термоэлектрические преобразователи
Действие
термоэлектрических
преобразователей
основано
на
термоэлектрическом эффекте в цепи термопары (явлении Зеебека). Если в
месте соединения двух разнородных проводников (термопары) изменилась
температура, то между свободными концами термопары возникает ЭДС,
определяемая следующим выражением:
Е = 1Е + 2Т2 + 3Т3 + …, 1 2 3.
Величина ЭДС зависит от типа двух металлов и температур места
соединения. Обычно одно соединение поддерживается при температуре 0С.
Функцию преобразования термопары определяют в результате
градуировки. Для большинства термопар функция преобразования имеет вид,
представленный на рисунке 2.15.
Е
Т
Рисунок 2.15 – Функция преобразования термопары
В большинстве случаев применяются следующие типы термопар:
хромель – константан, железо - константан, хромель – алюмель, платина –
(родий+платина), платина – палладий и др.источниками погрешностей
являются несоответствие температур свободного спая термопары температуре,
при которой проводилась градуировка; изменение сопротивления термопары
вследствие изменения измеряемой температуры.
3.3.5.7 Фотоэлектрические преобразователи
Действие
фотоэлектрических
преобразователей
основано
на
преобразовании информации, содержащейся в видимом свете или излечении
соседних длин волн – ультрафиолетовом и инфракрасном – в электрические
сигналы.
Можно выделить три типа преобразователей:
- преобразователи с внешним фотоэффектом;
- преобразователи с внутренним фотоэффектом;
- фотогальванические преобразователи.
К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и
газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители.
Вакуумные фотоэлементы представляют собой стеклянную колбу со
встроенными анодом и фотокатодом, из которой откачан воздух. При
освещении фотокатода под влиянием фотонов света происходит эмиссия
электронов. Если между анодом и фотокатодом приложено электрическое
напряжение, то возникает электрический ток (фототок). Величина фототока
определяется интенсивностью света, падающего на фотокатод. Материалы
фотокатода (двойные щелочи на основе калия и цезия, натрия и калия)
определяют чувствительность прибора и длины волн, на которые он реагирует
(от 200 до 700 нм).
Газонаполненные фотоэлементы заполнены инертными газами (неоном,
аргоном, криптоном, ксеноном). Благодаря ионизации газа происходит
усиление тока фотоэмиссии и, как следствие, увеличение чувствительности (до
100 – 250 мкА / лм). Чувствительность сильно зависит от напряжения питания,
следовательно, напряжение питания должно стабилизироваться и не превышать
значений й00 – 240 В, так как при больших напряжениях начинается область
самостоятельного разряда.
В газонаполненных фотоэлементах максимальная амплитуда фототока
достигается лишь через некоторое время после начала освещения (по мере
развития газового разряда), следовательно, их возможно применять на частотах,
не превышающих нескольких сотен герц.
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) представляют собой вакуумный
фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока
фотоэмиссии за счет использования вторичной фотоэмиссии. Коэффициент
усиления может достигать 100000. Используются для определения очень
низких уровней освещенности.
Фотогальванические ИП – это фотоэлектронные приборы с p-nпереходом: фотодиоды и фототранзисторы.
Фотодиод представляет собой обычный диод в корпусе, в котором
имеется окошко, позволяющее свету попадать в полупроводниковое
соединение. Схема включения фотодиода в электрическую цепь представлена
на рисунке 2.16.
Cвет
V+
V0
Рисунок 2.16 – Схема включения фотодиода в электрическую цепь
Ток,
протекающий
через
фотодиод,
прямо
пропорционален
интенсивности света. Выходной сигнал снимается в виде разности потенциалов
на резисторе, включенном последовательно с диодом.
3.3.5.8 Гальванические преобразователи
Действие гальванических ИП основано на зависимости потенциала
электрода от концентрации ионов в растворе. Преобразователь состоит из двух
полуэлементов, заполненных электролитом и соединенных с помощью
гальванического ключа, представляющего собой трубку с KCl, закрытую с двух
сторон полупроницаемыми пробками.. Один полуэлемент заполнен
электролитом с известной концентрацией, а другой – электролитом,
концентрация которого измеряется. Металлические электроды, погруженные в
раствор электролита, частично в нем растворяются, и положительные ионы
металла переходят в раствор, а электрод получает положительный заряд. При
равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов
в растворе и может служить для определения их концентрации. ЭДС на выходе
преобразователя определяется неизвестной концентрацией.
Гальванические ИП применяются в химической, нефтяной, пищевой
промышленности при измерении концентраций ионов в растворах, газах, при
измерении влажности.
3.4 Измерение тока и напряжения
3.4.1 Измеряемые параметры тока и напряжения
При синусоидальной форме сигнала аналитическое выражение будет
иметь вид
i = ImSin(t + ); u = UmSin(t + ), где
i, u – мгновенные значения силы тока и напряжения;
Im, Um – максимальное значение из всех мгновенных значений за период
или полупериод (пиковое, или амплитудное, значение);
- начальная фаза;
t – фаза.
Большинство
электромеханических
приборов
реагирует
на
средневыпрямленное
значение
тока
(напряжения)
–
среднее
арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:
1T
1T
I св | i | dt или U св | u | dt , где
T0
T0
Т – период измеряемого сигнала.
В технике переменных токов часто приходится иметь дело с тепловым и
механическим воздействием тока. Количество теплоты и механическая сила
зависят от квадрата мгновенного значения тока (напряжения), называемого
среднеквадратическим значением тока (напряжения):
1T 2
1T 2
I ск
i dt ; U ск T u dt .
T0
0
Связь между пиковым и
среднеквадратическим значениями
устанавливается с помощью коэффициента амплитуды kа = Im / Iск = Um / Uск.
Связь между среднеквадратическим и средневыпрямленным значениями
тока (напряжения) устанавливает коэффициент формы kф = Iск / Iсв = Uск / Uсв.
Иногда для удобства расчетов вводят коэффициент усреднения
=
kу kа kф = =. Im / Iсв = Um / Uсв.
Эти коэффициенты позволяют определить любой параметр переменного
напряжения, если известен один из параметров и форма напряжения.
Кроме сигналов синусоидальной формы, в радиотехнике широко
используются сигналы несинусоидальной формы. Характеристиками таких
сигналов, кроме среднеквадратического и средневыпрямленного значений,
являются максимальное, минимальное и среднее (постоянная составляющая)
значения сигнала.
Необходимой предпосылкой правильного выбора прибора и метода
измерения тока (напряжения) является знание частоты, формы, ожидаемого
значения измеряемой величины и ряда других характеристик.
Для
измерения
тока
и
напряжения
используются
методы
непосредственной оценки и сравнения.
3.4.2 Общие сведения об электромеханических приборах
Основным элементом электромеханического прибора является
электромеханический измерительный механизм. Он предназначен для
преобразования электрической энергии в механическую энергии перемещения
подвижной части (чаще всего угловое) показывающего или регистрирующего
прибора.
В зависимости от принципа действия (по способу преобразования
электрической энергии в механическую) различают следующие основные
системы измерительных механизмов (ИМ):
- магнитоэлектрические измерительные механизмы (МЭИМ);
- электромагнитные измерительные механизмы (ЭМИМ);
- электродинамические измерительные механизмы (ЭДИМ).
Электромеханический измерительный механизм (ЭИМ) прибора прямого
преобразования состоит из неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и
подвижной частей. Неподвижная часть в зависимости от системы ЭИМ состоит
из постоянного магнита (в МЭИМ), ферромагнитных элементов (в ЭМИМ) или
катушек (в ЭДИМ). Подвижная часть (рамка, катушка, сердечник) механически
или оптически связана с
показывающим устройством. Показывающее
устройство ЭИМ состоит из шкалы и стрелочного или светового указателя.
Шкала СИ – часть показывающего устройства СИ, представляющая
собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией.
Показывающее устройство СИ – совокупность элементов СИ, которые
обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или
связанных с ней величин.
Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих
двум соседним отметкам шкалы СИ, - согласовывается с абсолютной
погрешностью СИ и превышает ее в 2 – 4 раза.
Область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным
значениями шкалы, определяет диапазон показаний СИ.
Область значений величины, в пределах которой нормированы
допускаемые пределы погрешности СИЮ, определяет диапазон измерений
СИ. Класс точности средства измерений гарантируется только в диапазоне
измерений.
Обозначения, наносимые на шкалы приборов, нормируются ГОСТ 23217
«Приборы электроизмерительные аналоговые с непосредственным отсчетом.
Наносимые условные обозначения». Это единицы измеряемой величины; класс
точности прибора; условные обозначения системы прибора и степени
защищенности от магнитных и электрических полей; условное обозначение
роды тока и числа фаз; условное обозначение рабочего положения прибора;
условное обозначение испытательного напряжения изоляции; тип прибора и
т.д. Кроме того ЭИМ могут иметь корректоры, предназначенные доля
установки стрелки показывающего устройства на нуль.
Принцип работы ЭИМ заключается в следующем. Если ЭИМ включить
в цепь постоянного тока, то под действием вращающего момента,
функционально связанного с измеряемой величиной, подвижная часть
поворачивается по отношению к неподвижной.
Вращающий момент для любой конструкции ЭИМ может быть определен
из общего уравнения динамики системы, согласно которому момент,
действующий в системе, определяется через изменением энергии W:
W
, где
Mв
α
- угловое перемещение подвижной части (угол поворота).
Воздействие на систему только вращающего момента привело бы к
отклонению подвижной части до упора. Для обеспечения перемещения
подвижной части пропорционально измеряемой величине в ЭИМ создается
противодействующий момент Мп (с помощью пружин, растяжек). Он
пропорционален углу поворота:
Мп = kп, где
Kп – удельный противодействующий момент, зависящий от размеров
пружины и свойств материала.
При равенстве вращающего и противодействующего моментов наступает
равновесие подвижной части. Тогда
W
Мв = Мп, следовательно,
k П α , откуда угол отклонения стрелки
α
1 W
. Эти выражения справедливы для механических сил (для МЭИМ).
α
k П α
Если противодействующий момент создается за счет электрических сил
(в ЭМИМ и ЭДИМ), то движение подвижной части прекращается при
равенстве двух моментов противоположного направления:
М1 = k1 f2() x1 – вращающий момент;
М2 = k2 f2() x2 – противодействующий момент, где
х1, х2 – измеряемые электрические величины;
k1, k2 – удельные вращающий и противодействующий моменты.
f ( ) k 2 x2
В состоянии равновесия М1 = М2, и 1
. Отсюда можно
f 2 ( ) k1 x1
получить выражение для угла поворота , который будет зависеть от
отношения измеряемых величин х1 и х2. Приборы, определяющие отношение
двух величин, называются логометрами. В логометрах в обесточенном
состоянии подвижная часть может находиться в любом положении, то есть
стрелка прибора не устанавливается на нулевую отметку шкалы (что не
является признаком неисправности прибора).
Подвижная часть прибора после каждого изменения своего положения
устанавливается в равновесие после нескольких колебаний. На это требуется
некоторое время, определяющее быстродействие прибора. Например, для ЭИМ
время установления показаний не должно превышать 4 с. Для уменьшения
времени установления показаний применяют успокоители следующих
конструкций:
- воздушные, тормозящие стрелку за счет сопротивления воздуха;
- магнитоиндукционные, основанные на принципе Ленца;
- жидкостные.
Высокочувствительные измерительные механизмы создаются без
успокоителей, что позволяет уменьшить массу подвижной части и,
следовательно, возникающее трение.
Электроизмерительные приборы, выполненные на основе ЭИМ, по
погрешностям измерений делятся на 8 классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0;
1,5; 2,5; 4,0.
3.4.3 Магнитоэлектрические измерительные приборы
Принцип действия МЭИМ основан на взаимодействии токов,
протекающих в одном или нескольких контурах с полями одного или
нескольких постоянных магнитов. Подвижными могут быть как контуры с
током, так и постоянные магниты.
Постоянный магнит и ферромагнитный цилиндр образуют магнитную
систему МЭИМ. Такая конструкция обеспечивает постоянство магнитной
индукции в воздушном зазоре, где вращается катушка, а магнитные силовые
линии будут ориентированы по радиусу цилиндра. В оси крепятся две
спиральные пружины для создания противодействующего момента и
подведения тока к катушке. Одна соединяется с корпусом, другая – с
корректором нуля. У оси еще крепится стрелка с грузиками. Грузики
предназначены для уравновешивания подвижной части.
Энергия магнитоэлектрической системы, сосредоточенная в механизме и
вызывающая вращающий момент, равна
W = WM + WK + WВЗ, где
WМ – энергия поля магнита;
LI 2
- энергия катушки с током;
WK
2
WВЗ = I – энергия взаимодействия поля магнита и катушки с током;
- потокосцепление.
Вращающий момент можно для системы с равномерным радиальным
магнитным полем равен
MB = BSwI, где
В – магнитная индукция в зазоре постоянного магнита;
S – площадь поперечного сечения катушки;
W – число витков катушки.
Так как противодействующий момент создается спиральными
пружинами, то он будет равен
MП =kП, где
KП – коэффициент жесткости пружины.
Приравняв вращающий и противодействующий моменты, получим
уравнение шкалы (уравнение измерения) МЭИМ, устанавливающее
зависимость угла поворота подвижной части измерительного механизма от
измеряемой величины:
BSw
α
I SI I , где
kП
BSw
- чувствительность измерительного механизма к току.
SI
kП
Из полученных выражений можно сделать следующие выводы:
- угол отклонения подвижной части (стрелки) МЭИМ прямо
пропорционален току;
- чувствительность МЭИМ постоянна, следовательно, шкала
равномерная;
- МЭИМ реагирует только на постоянный ток, а при включении у цепь
переменного тока вследствие инерционности подвижной части стрелка будет
совершать колебательные движения только на низких частотах.
Из внешних факторов на МЭИМ наибольшее влияние оказывает
температура, при изменении которой изменяются магнитная индукция и
сопротивление катушки.
Аналогичным образом устроены магнитоэлектрические логометры,
только они имеют две катушки на общей оси, установленные перпендикулярно
друг к другу, а полюсные наконечники расточены в форме цилиндра, что
приводит к зависимости магнитной индукции в зазоре от угла поворота. Исходя
из этого уравнение шкалы магнитоэлектрического логометра примет вид
B1 ( ) w 2 S2 I 2
.
B2 ( ) w1 S1 I1
Решив уравнение относительно угла поворота, получим выражение для
угла поворота в зависимости от отношения токов, протекающих в катушках:
I
α F 2 .
I1
3.5 Измерение тока на радиочастотах
Для измерения силы тока на радиочастотах применяются
электромеханические приборы в сочетании с преобразователями роды тока.
Наиболее подходящими являются МЭИМ, отличающиеся высокой
чувствительностью, точностью и малым потреблением мощности. Все
высокочастотные аналоговые амперметры являются приборами прямого
преобразования и представляют собой комбинацию преобразователя
переменного тока в постоянный и МЭИМ.
В зависимости от типа преобразователя имеются следующие
разновидности амперметров:
- выпрямительные;
- термоэлектрические;
- фотоэлектрические;
- электронные.
Электронные амперметры как самостоятельные не выпускаются. Они
входят в состав универсальных электронных вольтметров (В7) и будут
рассмотрены в соответствующем разделе.
3.5.1 Выпрямительные амперметры
В качестве преобразователя на низких частотах часто используют
полупроводниковые диоды.
В зависимости от схемы соединения МЭИМ с выпрямителем различают
амперметры с однополупериодным и двухполупериодным выпрямлением.
Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рисунке 3.4.1.
V1
А
А
Iа
Ix~
Rа
t
Б
Ia
Ix
R
V2
t
Ux
Рисунок 3.4.1 – Схема однополупериодного выпрямителя
В течение одного полупериода ток протекает через прибор, а в течение
второго – по цепи R – V2. Обе цепи идентичны (диоды V1 и V1 одинаковые, R
= Rа), следовательно, подключение амперметра не изменяет характера тока в
нагрузке.
Мгновенный вращающий момент
Mв t = B0wSi, где i = ImSin(t + ) – мгновенное значение тока.
Вследствие инерционности подвижной части ее отклонение будет
пропорционально среднему значению вращающего момента, следовательно,
уравнение шкалы будет иметь вид
α
B0 S w 1 T/2
B S w I св
I
I m Sinωidt 0
SIв св , где
kП
T 0
kП
2
2
S Iв
B0 S w
- чувствительность амперметра.
kП
Из полученного выражения видно, что выпрямительные амперметры
измеряют средневыпрямленное значение тока.
Схема с двухполупериодным выпрямлением представляет собой диодный
мост, в одну из диагоналей которого включен МЭИМ, а ток через него
протекает в течение обоих полупериодов, поэтому уравнение шкалы будет
иметь вид
α SIв
I св
2 SIв I св ,
2
а следовательно, при одном и том же значении тока в цепи угол отклонения
подвижной части прибора будет в два раза больше, чем у однополупериодного,
что приводит к увеличению чувствительности МЭИМ вдвое.
Источниками погрешностей выпрямительных амперметров являются
1) зависимость коэффициента выпрямления диода от температуры;
2) изменение формы измеряемого тока;
3) погрешности градуировки амперметра;
4) изменение емкостного сопротивления диодов в зависимости от
частоты.
Погрешность выпрямительных амперметров составляет (1,5 – 4)%,
используются они в диапазоне частот до 2 кГц, а с частотной коррекцией – до
нескольких десятков кГц. С повышением частоты измеряемого тока
погрешность возрастает.
3.5.2 Термоэлектрические амперметры
Термоэлектрические преобразователи состоят из термопар, которые
могут быть контактными и бесконтактными. В состав термопреобразователя
входит подогреватель, по которому протекает измеряемый ток. В
бесконтактных преобразователях отсутствует гальваническая связь между
подогревателем и термопарой, поэтому измеряемый ток не ответвляется в цепь
индикаторного прибора. Недостатком таких преобразователей является
большая инерционность.
Разность температур спая и свободных концов термопары вызывает
термо-э.д.с., которая связана с током Iх, протекающим по подогревателю:
ET = kT Ix2 , где k Т – температурный коэффициент сопротивления,
зависящий от материала термопары. Измеряемый ток Iх характеризует тепловое
действие тока, и, следовательно, является среднеквадратическим. Уравнение
шкалы имеет следующий вид:
SI k T
2
I x SIx I 2x ,
Ra RT
где SIx – чувствительность термоэлектрического амперметра.
α
Из подученного уравнения следует, что шкала термоэлектрического
амперметра квадратичная, а показания не зависят от вида измеряемого тока.
Диапазон измеряемых токов – от миллиампер до десятков ампер.
Источниками погрешностей являются:
1) изменение температуры окружающей среды;
2) частотная зависимость сопротивления подогревателя.
Для
уменьшения
температурной
зависимости
показаний
термоамперметра
последовательно
с
индикатором
включается
температуронезаивимый резистор из манганиновой проволоки.
3.5.3 Фотоэлектрические амперметры
В фотоэлектрических амперметрах под действием измеряемого тока
нагревателя нить измерительной лампы, а световой поток, излучаемый лампой,
попадает на фотоэлектрический преобразователь, где преобразуется в
электрический ток, усиливается и регистрируется магнитоэлектрическим
амперметром, проградуированным в значениях среднеквадратического тока.
Достоинствами таких амперметров является высокая точность благодаря
возможности градуировки на постоянном токе или токе низкой частоты,
вследствие чего они широко применяются для измерения высокочастотный
токов.
Фотоэлектрические амперметры входят в состав поверочных установок и
государственного специального эталона единицы силы переменного тока.
3.5.4 Расширение пределов измерения силы тока
Для расширении пределов измерения постоянного тока применяют
шунты – резисторы, включаемые параллельно амперметру. Выбор
сопротивления шунта для данного прибора зависит от коэффициента
расширения пределов измерения n = I / Ia, где Iа – максимальный ток
отклонения подвижной части измерительного механизма без шунта, I – предел
измерения с подключенным шунтом. Отсюда сопротивление шунта будет равно
R
RШ a , где Rа – внутреннее сопротивление измерительного механизма.
n 1
Погрешность амперметра с шунтом возрастает из-за неточности
изготовления шунтов и различных ТКС катушки амперметра и шунта. Классы
точности амперметров с шунтами – 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.
При использовании шунтов на переменном токе возникают
дополнительные частотные погрешности, и в этом случае для расширения
пределов измерения тока применяют измерительные трансформаторы тока
(особенно для больших токов). Первичная обмотка трансформатора содержит
малое количество витков и включается последовательно с нагрузкой.
Вторичная обмотка содержит большое число витков и подключается к
амперметру.
I1н w 2
, где I1н и I2н –
I 2н w 1
номинальные токи в первичной и вторичной обмотках; w1 и w2 –
соответствующее число витков обмоток. Отсюда можно найти измеряемый ток.
С помощью применения трансформаторов тока можно измерять токи в
первичной цепи от 0,1 А до 60 кА.
Следует отметить, что при использовании трансформаторов тока
необходимо заземление!
Источниками погрешностей будут потери при преобразовании тока.
Классы точности амперметров с измерительными трансформаторами –
0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10.
Номинальный коэффициент трансформации k Iн
3.5.5 Методическая погрешность при измерении силы тока
При включении амперметра в цепь изменяется режим работы цепи, так
как амперметр потребляет некоторую мощность, что приводит к появлению
методической погрешности.
До включения амперметра в измерительную цепь ток в цепи
(действительное значение тока) равен I x
U
, где U – падение напряжения на
Rн
нагрузке, Rн – сопротивление нагрузки.
После включения амперметра в цепь ток в цепи (измеренное значение)
U
будет равен I x
, где Rа – внутреннее сопротивление амперметра.
R н Ra
Относительная погрешность измерения в этом случае будет равна
I Ix
Ix
1
Rн .
1
Ra
Минус показывает, что измеренное значение тока меньше
действительного.
Из полученного уравнения видно, что для минимизации методической
погрешности при измерении силы тока необходимо, чтобы Ra Rн,
следовательно, при конструировании амперметров необходимо стремиться к
снижению внутреннего сопротивления амперметра.
Эта погрешность является систематической и может быть исключена из
результатов измерения введением поправки.
3.6 Измерение напряжения электронными аналоговыми вольтметрами
3.6.1 Аналоговые вольтметры прямого преобразования
К аналоговым вольтметрам относятся электромеханические и
электронные вольтметры, в которых измеряемое напряжение преобразуется в
пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим
прибором.
Структурная схема аналогового вольтметра представлена на рисунке 3.6.1.
Входное
устройство
Измерительный
преобразователь
Индикаторное
устройство
Рисунок 3.6.1 – Обобщенная структурная схема аналогового вольтметра
В качестве входного устройства обычно используется делитель
напряжения либо аттенюатор, расширяющие пределы измерения.
Измерительный преобразователь – это усилитель постоянного тока в
вольтметрах постоянного напряжения (В2) либо выпрямитель в сочетании с
усилителем постоянного либо переменного тока (В3, В4).
Для вольтметра постоянного напряжения структурная схема имеет вид,
представленный на рисунке 3.6.2.
Входное
устройство
Усилитель
постоянного тока
МЭИМ
Рисунок 3.6.2 – Структурная схема вольтметра постоянного напряжения.
Уравнение шкалы такого вольтметра имеет вид α S B
Ux
, где Uх –
kу
измеряемое напряжение; kу – коэффициент усиления усилителя; Sв –
чувствительность вольтметра, включающая в себя чувствительность МЭИМ и
чувствительность усилителя постоянного тока.
Недостатком этой схемы является ограничение нижнего предела
измерения напряжения несколькими сотнями милливольт. Устранения этого
недостатка добиваются применяя операции «модуляция» - «усиление» «демодуляция».
3.6.2 Вольтметры переменного напряжения
Вольтметры переменного напряжения строятся по двум схемам: с
детектором на входе и с детектором на выходе.
На рисунке 3.6.3 представлена схема вольтметра с детектором на входе.
Входное
устройство
Детектор
Uх~
Uх=
Усилитель
постоянного тока
МЭИМ
Рисунок 3.6.3 – Структурная схема вольтметра постоянного напряжения
с детектором на входе.
Схема с детектором на входе не имеет ограничения по диапазону частот
измеряемых напряжений (от 20 Гц до 500 МГц, даже до 1000 – 3000 МГц), но
обладает низкой чувствительностью (несколько делений на мВ).
На рисунке 3.6.4 представлена схема вольтметра с детектором на выходе.
Входное
устройство
Uх~
Усилитель
переменного тока
Детектор
МЭИМ
Uх=
Рисунок 3.6.4 – Структурная схема вольтметра переменного напряжения
с детектором на выходе.
В вольтметрах с детектором на выходе уже полоса частот измеряемого
напряжения, которая ограничивается полосой пропускания усилителя
переменного тока (не более 50 МГц), но выше чувствительность.
У обеих модификаций вольтметров может быть широкий диапазон
измеряемых напряжений (за счет изменения коэффициента деления входного
устройства и коэффициента усиления усилителя).
В аналоговых вольтметрах переменного напряжения в качестве
детекторов
используются
термоэлектрические
и
выпрямительные
преобразователи. Тип детектора определяет вид измеряемого напряжения.
Следовательно, показания вольтметра могут быть пропорциональны
среднеквадратическому, пиковому и средневыпрямленному значениям
переменного напряжения, что соответствует классификации вольтметров:
вольтметры средневыпрямленного, среднеквадратического и амплитудного
значения (импульсные).
В вольтметрах среднеквадратического значения используются
бесконтактные вакуумные термопреобразователи (рисунок 3.6.5).
Усилитель
переменного
тока
ТП1
Е
Усилитель
постоянного
тока
Uвых
Uх~
ТП2
Рисунок 3.6.5 – Детектор среднеквадратического значения.
Вольтметры такого типа обычно выполняются с усилителем на входе, а
усилитель постоянного тока имеет большой коэффициент усиления.
Основная погрешность преобразования зависит от неидентичности
параметров термопреобразователей и увеличивается с их старением до 2,5 – 6 %.
Рассматриваемые вольтметры обеспечивают измерение сигналов,
имеющих большое количество гармонических составляющих. Недостатком их
является сравнительно большое время измерения (1 – 3 с), определяемее
инерционностью термопреобразователей.
Вольтметры амплитудного значения могут выполняться по схеме с
открытым или закрытым входом (рисунок 3.6.6).
С
V
+
+
Ux~
С
R
Uпик
Ux~
V
R
Фильтр
Uпик
а)
б)
Рисунок 3.6.6 – Детектор пикового значения (а – с открытым входом; б –
с закрытым входом).
Преобразователь с открытым входом (рисунок 3.5.6, а) работает при
определенной полярности постоянной составляющей (+ должен быть приложен
к аноду диода) Для измерения напряжения с отрицательной постоянной
составляющей диод включают наоборот.
Измеряемое напряжение Ux~ будет равно сумме постоянной U0 и
переменной составляющих сигнала:
Ux~ = U0 + UmSin t.
Когда к преобразователю приложено переменное напряжение, через диод
протекает ток, и конденсатор зарядится до некоторого напряжения Uс. Значение
сопротивления резистора R должно быть большим для обеспечения большой
постоянной времени с. Относительная погрешность преобразования будет
равна
δ
Um Uc
T
, где Т – период исследуемого колебания.
Um
2RC
Детектор с закрытым входом (рисунок 3.6.6, б) работает следующим
образом. Если на вход преобразователя подано гармоническое напряжение, то
конденсатор зарядится за счет постоянной составляющей до уровня U0, и
преобразователь будет реагировать только на переменную составляющую. Во
время действия положительной полуволны выходное напряжение Uпик
Um+, а при отрицательной - Uпик Um-. Напряжение на резисторе R является
пульсирующим, и на низких частотах стрелка индикатора будет колебаться.
Для уменьшения пульсация на выходе такого преобразователя ставится RCфильтр.
Вольтметры с закрытым входом используются для измерения пульсаций
напряжения источников питания, определения симметричности амплитудной
модуляции, наличия ограничения сигналов и т.д.
Шкалы вольтметров с амплитудными преобразователями градуируются в
среднеквадратических значениях при синусоидальной форме напряжения на
входе. При измерениях напряжения любой формы Uпик = Uv 2 kа.
Вольтметры
средневыпрямленного
значения
выполнятся
по
выпрямительной схеме с двухполупериодным выпрямлением. Шкала
вольтметра градуируется в среднеквадратических значениях синусоидального
напряжения. При измерениях напряжения несинусоидальной формы
U v k фх
пользуются соотношением U x
.
1,11
3.6.3 Аналоговые вольтметры сравнения
В большинстве случаев в аналоговых вольтметрах сравнения используют
нулевой метод (в так называемых компенсационных вольтметрах). По
сравнению с вольтметрами прямого преобразования это более сложные, но и
более точные приборы. Кроме того, в момент компенсации они не потребляют
мощности от источника питания, следовательно, с их помощью можно
измерять э.д.с. маломощных источников питания. В приборах сравнения
используется мера.
Принцип действия потенциометра постоянного тока основан на
взаимном уравновешивании (компенсации) э.д.с. испытуемого источника и
известного падения напряжения на сопротивлении. В качестве меры
используется нормальный элемент – электрохимический элемент, э.д.с.
которого известна с очень высокой степенью точности (классы точности от
0,0002 до 0,02). Малая погрешность потенциометра определяется высокой
стабильностью э.д.с. нормального элемента и чувствительностью нульиндикатора. Особенностью измерений является тщательное соблюдение
полярности соединения; в противном случае добиться компенсации
невозможно.
Потенциометры переменного тока по принципу действия аналогичны
рассмотренному, однако погрешность их больше (в лучшем случае 0,05%), так
как отсутствуют меры э.д.с. переменного тока, аналогичные нормальному
элементу.
3.6.4 Расширение пределов измерения напряжения
Для расширения пределов измерения постоянного напряжения
используются добавочные сопротивления, подключаемые последовательно с
вольтметром. Если необходимо расширить пределы измерения от Uv до U, то
величину добавочного сопротивления можно вычислить из выражения
U
R д R v
1 , где Rv – входное сопротивление вольтметра.
Uv
Однако при использовании добавочного сопротивления возрастает
погрешность измерения из-за неточности изготовления резисторов и появления
частотной погрешности.
Для расширения пределов измерения на постоянном токе используют
измерительные трансформаторы напряжения. При этом количество витков в
первичной обмотке должно быть больше количества витков во вторичной
обмотке. Расширенный предел измерения будет равен U = KUHUv.
3.6.5 Методическая погрешность при измерении напряжения
Схема включения вольтметра в измерительную цепь представлена на
рисунке 3.6.7.
Е0
U
Rн
V
Rv
R0
Рисунок 3.6.7 – Сема включения вольтметра в измерительную цепь (R0 –
внутреннее сопротивление источника питания; Е0 – его э.д.с.; Rv – входное
сопротивление вольтметра; Rн – сопротивление нагрузки).
При измерении вольтметр потребляет некоторую мощность;
следовательно, при измерении напряжения будет присутствовать методическая
погрешность.
До включения вольтметра в цепь напряжение на нагрузке U
(действительное значение напряжения) равно
E R
U 0 н .
R0 Rн
Измеренное значение напряжения (после подключения вольтметра) равно
E0
R Rv
Ux
н
Rн Rv Rн Rv .
R0
Rн Rv
Отсюда методическая погрешность измерения напряжения будет
δU
Ux U
U
1
Rv Rv .
1
Rн R0
Из данного выражения можно сделать вывод, что для уменьшения
методической погрешности необходимо выбирать вольтметр с возможно
большим входным сопротивлением. Эту погрешность можно исключить и
скорректировать результат измерения.
3.6.6 Зависимость показаний вольтметров от формы кривой
измеряемого напряжения
Важной характеристикой вольтметра является его градуировочная
характеристика, устанавливающая соотношение между показанием прибора Uп
и значением определяемого параметра Ux: Ux = cUп, где с – градуировочный
коэффициент, зависящий от типа детектора и вида измеряемого параметра.
Шкалы подавляющего большинства вольтметров градуируют в
среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, так как при
измерении гармонического напряжения преимущественно интересуются его
среднеквадратическим значением.
Если детектор квадратичный, то с =1 и показание прибора
непосредственно дает значение Uск, т.е. Uп = Uск. При детекторах других типов
с 1.
Чтобы правильно определить искомый параметр напряжения по
показаниям прибора, необходимо знать тип детектора и градуировочную
характеристику.
Когда измеряется напряжение несинусоидальной формы вольтметрами,
предназначенными для измерения гармонических напряжений, шкалы которых
проградуированы в среднеквадратических значениях синусоидального
напряжения, то в случае открытых входов вольтметров поступают следующим
образом:
- показание вольтметра с пиковым детектором умножают на 1,41: Um =
1,41Uп;
- при квадратичном детекторе Uск = Uп;
- для детектора средневыпрямленного значения Uсв = 0,9Uп.
3.7 Измерение постоянного напряжения цифровыми вольтметрами
Цифровой вольтметр – прибора, автоматически вырабатывающий
дискретные сигналы измерительной информации, показания которого
представлены в цифровой форме.
Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра представлена на
рисунке 3.5.8.
Uх
Входное
устройство
Аналого-цифровой
преобразователь
МЭИМ
Рисунок 3.5.8 – Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра
Входное устройство изменяет масштаб измеряемого напряжения, при
необходимости отфильтровывает помехи и изменяет полярность напряжения.
Основным классификационным признаком является вид аналогоцифрового преобразователя (АЦП), применяемого в вольтметре.
В зависимости от структурной схемы АЦП различают
- вольтметры с прямым преобразованием без обратной связи;
- вольтметры с уравновешивающий (компенсационным) преобразованием
с общей отрицательной обратной связью.
3.7.1 Вольтметры с прямым преобразованием
3.7.1.1 Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием
Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого
напряжения Uх в пропорциональный интервал времени t, длительность
которого определяется путем заполнения импульсами опорной частоты и
подсчета числа этих импульсов N с помощью счетчика.
Структурная схема представлена на рисунке 3.5.9.
Uх
Входное
устройство
Uх
Компаратор
1
Uк1
Селектор
Тсч
ГЛИН
U0
Uуу
Компаратор
2
ГСчИ
Uсел
Счетчик
Uсч
Индикатор
Uк2
Управляющее
устройство
Uуу
Рисунок 3.5.9 – Структурная схема цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразованием.
На рисунке 3.5.10 представлены эпюры напряжения, иллюстрирующие
работу вольтметра.
UУУ
T
t
U0
UХ
t
UС1
UС2
UСЕЛ
t
t1
t
t
t2
t
UГСЧ
t
UСЧ
t
N
Рисунок 3.5.10 – Эпюры напряжений, иллюстрирующие работу
вольтметра с время-импульсным преобразованием.
Измеряемое напряжение через входное устройство подается на
компаратор 1. Управляющее устройство задает циклы измерения в
автоматическом режиме (длительностью Тсч). В начале цикла измерения
импульс управляющего устройства сбрасывает предыдущие значения,
отсчитанные счетчиком, и запускает генератор линейно изменяющегося
напряжения ГЛИН. Напряжение Uх и образцовое напряжение U0 поступают на
входы компаратора 1, и в момент времени их равенства t1 на выходе
компаратора 1 возникает импульс Uк1, открывающий селектор. В момент
времени t2, когда U0 = 0, компаратор 2 вырабатывает импульс Uс2,
закрывающий селектор. Счетчик считает количество импульсов N с генератора
счетных импульсов ГСчИ, прошедших через селектор. Измеряемое напряжение
будет равно
Ux = kt, где k
dU 0
tg α - скорость изменения напряжения ГЛИН.
dt
В свою очередь, t = NTсч, откуда следует Ux = kNTсч = kvN; kv =
kTсч = const.
Kv выбирается из условия kv = 10-m, где m = 0, 1, 2, … Показатель m
изменяется при переключении пределов измерения.
Источниками погрешностей являются
- погрешность, обусловленная нелинейностью образцового напряжения
U0 и нестабильностью скорости его нарастания U0;
- погрешность из-за нестабильности частоты ГСчИ ГСчИ;
- погрешность дискретности, равная единице младшего разряда 1/N;
- погрешность из-за входной гармонической помехи.
Рассмотренный
вольтметр
является
неинтегрирующим.
В
интегрирующих вольтметрах время-импульсного преобразования подсчет
импульсов ведется за время Т1 + Т2. Такие вольтметры более помехоустойчивы.
3.7.1.2 Цифровые вольтметры с частотно-импульсным преобразованием
Принцип работы основан на преобразовании измеряемого напряжения в
пропорциональную ему частоту следования импульсов, а затем в цифровой код.
Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием
представлена на рисунке 3.5.11.
Uх=
Преобразователь
напряжение - частота
Входное
устройство
fx
Цифровой
частотомер
Рисунок 3.5.11 – Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным
преобразованием.
Частота на выходе преобразователя «напряжение-частота» равна
fx = kUx=, где k – коэффициент преобразования.
В зависимости от метода преобразования «напряжение – частота» все
схемы преобразователей подразделяются на 2 группы:
- преобразователи с непосредственным преобразованием;
- преобразователи с косвенным преобразованием.
Структурная схема и эпюры напряжения преобразователя с
непосредственным преобразованием представлены на рисунке 3.5.12.
Ux=
Интегратор
Uи
Компаратор
fx
Ux=
Uи
U0
t
Uос
U0
t1
Формирующее
устройство
Источник образцового
напряжения
t2
t
Tx
Рисунок 3.5.12 – Структурная схема преобразователя с непосредственным
преобразованием.
В интеграторе напряжение Ux интегрируется с постоянной времени 1:
t1
1
U и U x dt .
τ1 0
Напряжение возрастает и сравнивается в компараторе с образцовым
напряжением U0 в течение времени t1. Сигнал после компаратора воздействует
на формирователь импульсов обратной связи, и на входе интегратора
действуют одновременно два сигнала: Ux и Uос отрицательной полярности.
Частота импульсов обратной связи пропорциональна измеряемому
напряжению:
fx = kUx=.
При изменении Uх изменяется крутизна Uи на выходе интегратора, а
следовательно, изменяется и частота fх.
В преобразователе с косвенным преобразованием измеряемое
напряжение влияет на параметр, определяющий частоту генератора с
самовозбуждением (гармонического или релаксационного), однако такие
вольтметры имеют невысокие метрологические характеристики.
Источники
погрешности
вольтметров
с
частотно-импульсным
преобразованием:
- погрешности, свойственные цифровому частотомеру (относительная
нестабильность частоты генератора и погрешность дискретности);
- погрешности, вносимые преобразователем «напряжение-частота» из-за
неточности установки и нестабильности значений U0, .
3.7.1.3 Цифровые вольтметры с кодо-импульсным преобразованием
Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого
напряжения в цифровой код путем последовательного сравнения с рядом
дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному
закону.
Операция преобразования может осуществляться по алгоритму
развертывающего и следящего уравновешивания.
Структурная схема вольтметра с развертывающим уравновешиванием
представлена на рисунке 3.5.13.
Ux
Входное
устройство
Ux
Компаратор
Селектор
ГСчИ
Управляющее
устройство
Счетчик
UГЛСН
ГЛСН
Отсчетное
устройство
UГЛСН
Ux
t
Рисунок 3.5.13 – Структурная схема цифрового вольтметра с
развертывающим уравновешиванием.
С блока генератора линейно-ступенчатого напряжения (ГЛСН) сигнал в
виде набора образцовых напряжений в течение цикла измерения поступает на
сравнивающее устройство (компаратор). Длительность ступеньки определяется
периодом следования импульсов с генератора счетных импульсов (ГСчИ), а
величина ступеньки определяет шаг квантования (младший разряд счета).
Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С поступлением
их с ГЛСН последовательно снимаются образцовые напряжения в двоичнодесятичном коде. На второй вод компаратора со входного устройства поступает
измеряемое напряжение Ux. При равенстве Ux = UГЛСН компаратор срабатывает
и стоп-импульсом закрывает селектор. Поскольку UГЛСН = const, показание
счетчика прямо пропорционально измеряемому напряжению Uх, и мы получаем
прямоотсчетный цифровой вольтметр.
Вольтметры с развертывающим уравновешиванием имеют малое
быстродействие и невысокие метрологические характеристики.
Структурная
схема
вольтметра
со
следящим
(поразрядным
уравновешиванием представлена на рисунке 3.5.14 .
Ux=
Входное
устройство
Компаратор
Uк
Управляющее
устройство
ЦАП
U0
Блок опорного
напряжения
Отсчетное
устройство
U0
U
4+2
8
4+1
4
0 1 0 1
Ux==5В
t
T
Рисунок 3.5.14 – Структурная схема цифрового
вольтметра с
порязрядным уравновешиванием.
Блок опорного напряжения состоит из источника и нагрузок,
скомпонованных по двоично-десятичным разрядам, в которых имеются 4
резистора с «весами» 8, 4, 2, 1. Управляющее устройство вырабатывает
тактовые импульсы. С помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)
реализуется отрицательная обратная связь путем преобразования кода
(например, 8421) в аналоговое напряжение Uк, которое затем сравнивается с
измеряемым напряжением Ux= в компараторе. Это сравнение всегда начинается
со старшего разряда (например, 8 В). Если при этом Uк Uх=, то компаратор не
оказывает воздействия на управляющее устройство, и оно тактовым
импульсом подключает к ЦАП очередной разряд Uк (1). Если Uк Uх=, то
разряд пропускается (0). Процесс сравнения заканчивается после полного
перебора всех разрядов Uк. Одновременно с переключением разрядов
управляющее устройство формирует код для отсчетного устройства, где после
перехода к десятичной системе счисления воспроизводится результат
измерения. В данной схеме есть опасность возникновения автоколебаний в
системе, хотя она лучше схемы со следящим уравновешиванием.
Источниками погрешностей являются неточная установка и
нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ.
Погрешность измерения цифровыми вольтметрами с кодо-импульсным
преобразованием составляет (0,05 … 0,1)%.
3.8 Цифровые вольтметры переменного напряжения
Входной величиной АЦП в данном случае является напряжение
переменного тока произвольной формы, изменяющееся в широком диапазоне
частот, а выходной величиной – цифровой код.
В то же время для преобразования измеряемого напряжения в цифровой
код оно должно иметь форму, удобную для кодирования. Следовательно,
необходимы предварительные функциональные преобразования переменного
напряжения в постоянное, обработка мгновенных значений переменного
напряжения и трансформация спектра переменного напряжения в область более
низких частот.
Преобразователи переменного напряжения в постоянное просты,
удобны, работают в широком диапазоне частот. После преобразования можно
использовать цифровые вольтметры переменного напряжения.
Преобразователи с обработкой мгновенных значений применяют на
низких частотах.
Преобразователи с трансформацией спектра применяют на высоких
частотах.
Преобразователи переменного напряжения в постоянное аналогичны
детекторам аналоговых вольтметров. Следовательно, измеряемое переменное
напряжение
может
быть
пропорционально
амплитудному,
среднеквадратическом или средневыпрямленному напряжению. Однако
требования к таким преобразователям выше в части точности и линейности
преобразования, чувствительности, динамического и частотного диапазонов.
По-иному могут проектироваться преобразователи амплитуды импульсов
в импульсных цифровых вольтметрах. Амплитуда импульсов может
преобразовываться в пропорциональный интервал времени, который
заполняется импульсами ГСчИ. Это преобразование осуществляется с
помощью схемы, аналогичной пиковому детектору. Конденсатор заряжается до
Umax за время действия импульса, а по окончании импульса разряжается через
токостабилизирующий элемент по линейному закону.
Рассмотренные
принципы
построения
цифровых
вольтметров
переменного напряжения приняты ха основу при проектировании
универсальных вольтметров. Измеряемая величины преобразуется в
постоянное напряжение с последующим его измерением цифровым
вольтметром постоянного тока. Аналоговая часть представляет собой набора
преобразователей измеряемых величин в постоянное напряжение,
коммутируемых на вход цифрового вольтметра в соответствующих режимах
работы.
Основными узлами цифровых вольтметров являются ключи, логические
элементы, операционные усилители, триггеры, сравнивающие устройства
(компараторы), интеграторы, цифро-аналоговые преобразователи, счетчики
импульсов, отсчетные устройства.
3.9 Измерение частоты электромагнитных колебаний
3.9.1 Классификация приборов для измерения частоты и интервалов
времени
Период – это наименьший интервал времени, через который повторятся
мгновенные значения x(t), то есть x(t) = x(t+T).
Частота – в общем случае – характеризует число идентичных событий в
единицу времени.
Для гармонического сигнала:
угловая частота – изменение фазы сигнала в единицу времени ( =
2f).
Частотно-временные измерения могут быть не только абсолютными, но и
относительными, при которых оценивается изменение частоты во времени –
нестабильность частоты.
Долговременная нестабильность связана с систематическим смещением
частоты за длительное время ( 100 с).
Кратковременная нестабильность определяется флуктуациями частоты
(если интервал наблюдения менее 100 с).
Приборы для измерения частоты классифицируются следующим образом:
Ч1 – стандарты частоты и времени;
Ч2 – резонансные частотомеры;
Ч3 – электронно-счетные частотомеры;
Ч4 – гетеродинные, мостовые и емкостные частотомеры;
Ч5 – синхронизаторы и преобразователи частоты;
Ч6 – синтезаторы частоты, делители и умножители;
Ч7 – приемники Сигалов эталонных частот, компараторы и
синхронометры;
Ч8 – преобразователи частоты в другую электрическую величину.
В зависимости от диапазона и требуемой точности методы измерения
частоты классифицируются следующим образом:
- метод перезаряда конденсатора;
- резонансный метод;
- метод сравнения (гетеродинный);
- метод дискретного счета (цифровой);
- осциллографический (будет рассмотрен в главе «Осциллографические
измерения»).
Метод перезаряда конденсатора имеет низкую точность и
ограниченный частотный диапазон и в настоящее время практически не
используется.
3.9.2 Резонансные частотомеры
Метод основан на использовании явления электрического резонанса в
колебательных системах. По сути метод заключается в сравнении измеряемой
частоты с собственной резонансной частотой
колебательного контура.
Структурная схема резонансного метода представлена на рисунке 3.5.1.
fx
Элемент
связи
Колебательная
система
Элемент
связи
Механизм
перестройки
Индикатор
резонанса
Рисунок 3.5.1 – Структурная схема резонансного частотомера.
С помощью элементов связи колебательная система подключается к
источнику измеряемой частоты и индикатору, настройка в резонанс
фиксируется с помощью индикатора, а значение измеряемой частоты
отсчитывается по шале, связанной с механизмом перестройки.
В зависимости от диапазона измеряемых частот в качестве колебательных
систем используются контуры с сосредоточенными или распределенными
постоянными.
Резонансные частотомеры с сосредоточенными постоянными
используются в диапазоне частот 50 кГц – 200 МГц и представляют собой
колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора.
Точность настройки в резонанс тем выше, чем выше добротность контура.
Связи контура с объектом измерения и с индикатором резонанса должны
быть минимальными для того, чтобы, с одной стороны, колебательный контур
не влиял на источник колебаний измеряемой частоты, а с другой – чтобы
вносимые в контур сопротивления не уменьшали его добротности.
При измерении контур настраивают в резонанс, а измеряемую частоту
находят из формулы Томсона для резонансной частоты колебательного
контура:
1
f рез
.
LC
Обычно используются сменные катушки индуктивности и конденсаторы
переменной емкости, что позволяет перекрыть достаточно широкий диапазон
частот при сравнительно узких поддиапазонах. С объектом измерения
частотомер связан слабой индуктивной связью. Индикатор резонанса
подключается к контуру либо через емкостный делитель, либо индуктивно.
На частотах выше 1000 МГц используются контуры с распределенными
постоянными.
На частотах до 10 ГГц колебательная система представляет собой
четвертьволновую разомкнутую коаксиальную линию, нагруженную емкость
С. Индикатор состоит из детекторной секции и магнитоэлектрического
микроамперметра. Индикатор резонанса связан с отрезком линии и с
источником измеряемой частоты с помощью петли связи. При настройке такого
частотомера в резонанс одновременно изменятся длина линии и емкость С.
Погрешность измерения частоты составляет (0,1 – 0,5)%.
На частотах выше 10 ГГц применятся объемные резонаторы,
представляющие собой отрезки волновода.
К основным параметрам резонансных частотомеров можно отнести
- диапазон измеряемых частот;
- погрешность измерения;
- чувствительность (минимальная мощность, необходимая для
отклонения стрелки индикатора).
Источниками погрешностей резонансных частотомеров являются
- точность настройки контура в резонанс;
- погрешность градуировки и разрешающей способности индикатора;
- люфт в механизме перестройки;
- изменение внешней температуры;
влажность окружающей среды.
При точных измерениях вводится поправка на температуру и влажность
по специальным графикам.
3.9.3 Измерение частоты гетеродинным методом
Сущность гетеродинного метода заключается в сравнении частоты
исследуемого сигнала с известной частотой сигнала перестраиваемого
генератора (гетеродина). Как самостоятельные прибора гетеродинные
частотомеры в настоящее время не выпускаются, но широко используются в
гетеродинным преобразователях частоты, служащих для расширения пределов
измерения цифровых частотомеров в сторону СВЧ.
Структурная схема гетеродинного частотомера представлена на рисунке
3.5.2.
fx
Входное
устройство
Смеситель
Фильтр
Усилитель
fг
Гетеродин
Индикатор
Рисунок 3.5.2 – Структурная схема гетеродинного частотомера.
Измеряемая частота fх понижается за счет смешивания колебаний с
частотой fх с колебаниями перестраиваемого гетеродина, частота которого fг
известна и имеет высокую стабильность. На выходе смесителя образуются
сигналы комбинационных частот nfг mfx. Из всех этих частот путем
фильтрации выделяется разностная частота nfг - mfx.
В зависимости от вида применяемого оконечного измерителя
(индикатора) возможны различные методики измерения.
1 Получение нулевых биений
Гетеродин перестраивают по частоте до нулевых биений, фиксируемых
n
индикаторным прибором: nfг = mfx. Отсюда искомая частота f x f г .
m
2 Измерение разностной частоты
Задача гетеродинного преобразования сводится к понижению измеряемой
частоты до диапазона рабочих частот оконечного измерителя (осциллографа
или цифрового частотомера) измерив разностную частоту fр = nfг - mfx,
nf f р
получают f x г
. В данном случае гетеродин выступает в качестве меры,
m
следовательно, погрешность измерения частоты зависит от погрешности меры.
С помощью гетеродина можно расширить диапазон измеряемых частот
до десятков ГГц.
Источники погрешностей:
- погрешность меры;
- погрешность сравнения;
- погрешность фиксации разностной частоты.
3.9.4 Метод дискретного счета. Электронно-счетные частотомеры
В настоящее время наиболее широко используются электронно-счетные
частотомеры со знаковой индикацией результата измерений, в которых
реализуется метод дискретного счета (цифровой метод измерения частоты).
Сущность этого метода заключается в подсчете числа периодов неизвестной
частоты ха определенный интервал времени.
По принципу действия электронно-счетные частотомеры относятся к
приборам прямого преобразования, осуществляющими счет числа идентичных
событий за интервал времени измерения. В зависимости от значения этого
интервала (временной базы) различают
- частотомеры средних значений, в которых измерение осуществляется за
интервал времени t0 Тх, как в интегрирующих цифровых приборах;
- частотомеры мгновенных значений, в которых осуществляется
измерение частоты за один период колебаний, как в неинтегрирующих
цифровых приборах.
Наибольшее распространение получили частотомеры средних значений,
структурная схема которых приведена на рисунке 3.5.3.
Вх. 1
Вх. 2
Входное
устройство 1
Формирующее
устройство 1
Временной
селектор
Счетчик
Входное
устройство 2
Формирующее
устройство 2
Устройство
управления
Цифровой
индикатор
Tx
S
Делители и умножители
частоты
f1/f2
Кварцевый
генератор
fx
Рисунок 3.5.3 – Обобщенная структурная схема цифрового частотомера.
В режиме измерения частоты сигнал подается на вход 1, а переключатель
S находится в положении «fx». Формирующее устройство 1 (ФУ1)
предназначено для преобразования гармонических сигналов в однополярные
импульсы, следующие с периодом Тх, соответствующим fх(счетные импульсы),
а ФУ2 – в импульсы с периодом Т0, соответствующим образцовой частоте f0
сигнала кварцевого генератора. На входе ФУ1 (входное устройство 1 ВУ1)
включается компенсированный делитель напряжения или аттенюатор, с
помощью которого устанавливается напряжение, необходимое для нормальной
работы ФУ.
Для формирования меток времени предназначен блок образцовых частот
(БОЧ) в составе кварцевого генератора с делителями и умножителями частоты.
БОЧ позволяет получить импульс временной базы с необходимой
длительностью t0 или периодическую последовательность импульсов с
калиброванным периодом. Формирование импульса t0, который определяет
время измерения и называется временем счета, осуществляется в устройстве
управления (УУ). В этом же устройстве вырабатывается импульс сброса для
обнуления счетчика и индикатора и сигнал для блокировки селектора.
Блокировка селектора необходима для сохранения показаний индикатора на
некоторый интервал времени. Селектор открывается на установленный
интервал времени t0 и пропускает на счетчик импульсы, следующие с периодом
Тх. Полученная информация с помощью дешифратора, входящего в состав
индикатора, дешифрируется и отображается на цифровом табло в единицах
измеряемой частоты.
Процесс измерения частоты иллюстрируется временными диаграммами,
изображенными на рисунке 3.5.4.
U1
t
U2
U3
U4
U5
TХ
t
TИ
t
t
t
Рисунок 3.5.4 – временные диаграммы, иллюстрирующие работу
частотомера в режиме измерения частоты.
Счетные импульсы, сформированные из сигнала Uх, поступают на вход
временного селектора. Селектор открыт во время действия импульса
длительностью t0, сформированного из сигнала БОЧ. Следовательно, счетчик
зафиксирует число импульсов N, которое без учета погрешности дискретности
можно определить из формулы t0 = NT0. Откуда значение частоты будет
определяться из соотношения
fx = N / t 0 .
Источниками погрешности при измерении частоты будут относительная
нестабильность частоты кварцевого генератора 0 и погрешность дискретности,
равная 1/N. Погрешность дискретности обусловлена тем, что за время
измерения счетчик сосчитает только целое количество импульсов, а часть
периода будет потеряна в начале и в конце времени счета t0. Наличие делителей
частоты в БОЧ позволяет уменьшить погрешность дискретности при измерении
низких частот.
При измерении периода переключатель S переводится в положение Tх, а
сигнал подается на вход 2. Интервал времени измерения определяется
величиной Tх, а счетными являются импульсы, сформированные из частоты
кварцевого генератора. Для уменьшения погрешности дискретности частота
кварцевого генератора умножается в требуемое число раз. Следовательно,
период сигнала можно определить по формуле
t
Tx N 0n , где n – 0, 1, 2, … .
10
В диапазоне низких и инфранизких частот (при больших значениях Т х и
n) интервал времени измерения может быть равен Тх, то есть частота
измеряется за один период сигнала. В этом режиме частотомер является
неинтегрирующим. В реальных схемах предусматривается возможность
измерения и нескольких периодов Тх с последующим усреднением результатов
измерений. Интервал времени измерения регулируется в УУ и может быть
t
равным 10mТх. Тогда Tx N (n0 m) .
10
Относительная погрешность измерения периода определяется по таким
же образом, как и для частоты.
Одним из способов повышения точности измерения частоты является
переход от измерения частоты к измерению периода. Кроме того, могут
использоваться способы умножения измеряемой частоты, нониусный
(верньерный) способ растяжки дробно части периода и преобразование частоты
fх в напряжение с последующим измерением его с помощью цифрового
вольтметра.
С помощью электронно-счетного частотомера можно измерять
отношение двух частот. В этом ежимее переключатель S ставится в положение
f1/f2, сигнал с большей частотой (f1) подается на вход 1, а сигнал с меньшей
частотой (f2) – на вход 2. Следовательно, время счета t0 формируется из сигнала
с частотой f2, а в качестве счетных используются импульсы, которые
формируются из сигнала с частотой f1. Количество импульсов N, которые
сосчитает счетчик, будет равно искомому отношению частот.
Основным фактором, ограничивающим диапазон частотомера сверху,
является погрешность дискретности. Диапазон частот сверху ограничен
быстродействием счетчика и составляет примерно 200 МГц. Для расширения
частотного диапазона в сторону ВЧ и СВЧ используются два способа:
предварительное деление частоты входного сигнала и преобразование частоты.
3.10 Исследование формы электрических сигналов
Приборы, предназначенные для исследования формы и спектра сигналов,
составляют одну из многочисленных групп средств измерений.
Осциллографами называются приборы, предназначенные для
наблюдения, записи или фотографирования электрических процессов, которые
изменяются во времени, и измерения их параметров.
Анализаторами спектра называются устройства, позволяющие снимать
зависимость амплитуд или мощностей гармонических колебаний, входящих в
состав сложного сигнала, от частоты.
Осциллографы и анализаторы спектра относятся к подгруппе С и делятся
на виды: С1 – осциллографы универсальные; С4 – анализаторы спектра; С7 –
осциллографы скоростные и стробоскопические; С8 – осциллографы
запоминающие; С9 – осциллографы специальные.
Наибольшее распространение получили универсальные электронные
осциллографы, позволяющие исследовать различные электрические процессы в
широком диапазоне амплитуд, длительностей и частот повторения сигналов. В
зависимости от схемных решений их можно разделить на одноканальные,
многоканальные и многофункциональные. Многоканальность достигается
применением многолучевых электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и коммутаторов
сигналов. В многофункциональных осциллографах с помощью сменных
блоков реализуются такие дополнительные функции, как измерение
электрических и неэлектрических величин, анализ спектра сигналов,
исследование характеристик радиотехнических цепей и устройств.
В скоростных осциллографах исследование формы колебаний СВЧ и
кратковременных импульсных сигналов обеспечивается с помощью
специальной ЭЛТ бегущей волны (ТБВ). Полоса пропускания таких
осциллографов может превышать 1 ГГц.
Стробоскопическим называется осциллограф, в котором для получения
изображения формы сигнала используется упорядоченный или случайный
отбор мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляется временное
преобразование сигнала. Такие осциллографы позволяют исследовать сигналы
с полосе частот от 0 до 10 ГГц.
Запоминающий осциллограф представляет собой прибор, в котором с
помощью специального устройства, например ЭЛТ с памятью или
электронного запоминающего устройства, сохраняется на определенное время
исследуемый сигнал и при необходимости представляется для однократного
или многократного визуального наблюдения или для дальнейшей обработки.
К специальным осциллографам относятся прибора, предназначенные для
исследования сигналов сложной формы типа телевизионного. Наряду с
основными блоками такие осциллографы имеют устройства выделения строки,
восстановления постоянной составляющей и т.п. Такие осциллографы широко
применятся при настройке телевизионной аппаратуры и кроме специальных
измерений могут использоваться как широкополосные осциллографы.
3.10.1 Структурная схема типового универсального электронного
осциллографа (ЭО)
Рисунок 3.6.1 – Обобщенная структурная схема типового одноканального
универсального осциллографа.
Схема ЭО состоит из ЭЛТ, канала вертикального отклонения Y, канала
горизонтального отклонения Х, канала яркости Z, калибраторов амплитуды и
длительности, блока питания.
В современных осциллографах применяются ЭЛТ с электростатическим
управлением лучом, имеющие достаточную широкополосность. На экране ЭЛТ
воспроизводится изображение исследуемого процесса. Для этой цели
необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально
времени, а по вертикальной оси – пропорционально исследуемому
напряжению. Следовательно, ЭЛТ в основном влияет на такие важные
технические характеристики ЭО, как погрешность измерений амплитудных и
временных параметров, возможность наблюдения импульсов различной
длительности, яркость свечения и продолжительность изображения на экране.
Важными электрическими параметрами ЭЛТ являются чувствительность по
вертикали и горизонтали, полоса пропускания и другие. К световым
параметрам относятся ширина линии, скорость записи отдельных сигналов,
яркость свечения экрана и времени послесвечения.
Для отсчета измеряемых величин перед экраном помещается сетка
(шкала), которая наносится на прозрачный материал. Эта шкала имеет
подсветку с использованием эффекта полного внутреннего отражения в толще
материала. В некоторых ЭЛТ шкала наносится непосредственно на
внутреннюю поверхность экрана, что позволяет уменьшить ошибки отсчета изза параллакса. Площадь, ограниченная шкалой, определяет рабочую площадь
экрана, в пределах которой гарантируются соответствующие технические
характеристики ЭО.
Канал вертикального отклонения Y (канал сигнала) предназначен для
согласования входа ЭО с исследуемым устройством, усиления исследуемых
сигналов и преобразования их в два противофазных напряжения, которые
подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Канал состоит из
входного устройства (ВУ), предварительного усилителя (ПУ), линии задержки
(ЛЗ) и оконечного усилителя вертикального отклонения (УВО). ВУ
предназначено для согласования входного сопротивления канала с
исследуемым устройством и ослабления исследуемого сигнала для
предотвращения перегрузки усилителя при больших значениях входного
напряжения. В ПУ сосредоточены основные регулировки канала: плавная и
ступенчатая регулировка усиления, балансировка усилителя постоянного тока и
др. ЛЗ обеспечивает подачу исследуемого сигнала на вертикально
отклоняющие пластины с задержкой относительно начала развертки, что дает
возможность наблюдать фронт импульса и исключить нелинейность
начального участка развертки. УВО необходим для получения осциллограммы
слабых сигналов, т.е. для повышения чувствительности осциллографа.
1Канал горизонтального отклонения Х (канал развертки и синхронизации)
предназначен для создания напряжения развертки горизонтали, усиления
сигналов синхронизации и преобразования импульсов синхронизации (в
импульсных осциллографах) любой полярности в импульсы определенной
полярности, необходимые для запуска развертки. Канал содержит устройство
синхронизации и запуска развертки, генератор развертки (ГР), усилитель
горизонтального отклонения (УГО) и переключатель. Устройство запуска
развертки служит для усиления и регулировки амплитуды, а также для
изменения полярности синхронизирующих напряжений. С помощью ГР
обеспечивается получение напряжения развертки. В общем случае ГР
вырабатывает напряжение пилообразной формы (линейная непрерывная
развертка). Это напряжение характеризуется длительностями прямого хода ТП,
обратного хода ТОБР и блокировки и блокировки ТБЛ (рис.2.2) ТР = ТП + ТОБР +
ТБЛ.
Рабочим интервалом является время
прямого хода, в течение которого
напряжение на пластинах Х линейно
во времени:
Um
UX
t , 0 t TП ,
TП
где Um – амплитуда напряжения
развертки; t – текущее время.
В течение ТП луч будет описывать на
экране такую же функциональную
зависимость,
какую
имеет
Рисунок 3.6.2
исследуемый сигнал во времени. В
течение времени обратного хода и блокировки ГР формирует импульс,
поступающий в канал управления яркостью и гасящий луч ЭЛТ на время
ТО+ТБЛ.
Чтобы получить на экране ЭЛТ хотя бы один полный период
исследуемого напряжения, период напряжения развертки ТР должен быть
кратным периоду исследуемого напряжения ТС, т.е. должно выполняться
условие синхронизации
ТР = nTC,
где n = 2, 3, … - целые числа.
На практике n > 3 брать нецелесообразно, т.к. ухудшается детальность
наблюдения сигнала. Если условие синхронизации не выполняется (n – дробное
число), то на экране ЭЛТ получается неустойчивое бегущее изображение.
Для соблюдения данного условия и непрерывного поддержания
устойчивого изображения необходимо синхронизировать развертку с
исследуемым напряжением. Сущность синхронизации состоит в том, что
вместе с изменением периода исследуемых колебаний Т автоматически
(синхронно) в осциллографе изменяется на такую же величину период
развертки ТР. При этом начало периода развертки совпадает с началом периода
сигнала.
Существенным недостатком непрерывной развертки является то, что она
не обеспечивает наблюдение однократных импульсов малой длительности, а
при исследовании процессов с большой скважностью этот режим
неэффективен. Поэтому при исследовании указанных процессов используются
другие виды разверток (задержанная, задерживающая, ждущая, однократная).
Выбор вида развертки зависит от характера исследуемого сигнала.
Назначение усилителя горизонтального отклонения УГО аналогично
УВО.
Канал управления яркостью луча Z используется при измерении
временных параметров периодических процессов.
Калибраторы амплитуды и длительности являются встроенными в
осциллограф источниками сигналов с точно известными параметрами.
Благодаря им обеспечивается возможность измерений амплитудных и
временных параметров исследуемых сигналов.
Для расширения функциональных возможностей осциллографа канал Y
может дополняться электронным коммутатором, с помощью которого на экране
однолучевой ЭЛТ можно наблюдать осциллограммы нескольких сигналов. В
этом случае ЭО становится многоканальным. Структурная схема цепей
двухканального ЭО изображена на рисунке 3.6.3.
Рисунок 3.6.3 – структурная схема двухканального осциллографа
Как видно на рисунка 3.6.3, с помощью электронного коммутатора (ЭК)
осуществляется поочередная или одновременная подача сигналов с входов Y1 и
Y2 на пластины Y ЭЛТ, чем и достигается эффект многоканальности.
При использовании осциллографа параметры сигналов определяются по
их осциллограммам. Достоверность результатов измерений зависит от точности
воспроизведения осциллограмм. Погрешности измерений зависят от
правильного выбора осциллографа, установки оптимальных размеров
осциллограммы, установки оптимальных размеров осциллограммы, выбора
вида синхронизации и других факторов. При этом погрешность
воспроизведения осциллограммы зависит от линейных (частотных) и
нелинейных искажений сигналов.
С помощью ЭО можно измерять как постоянное напряжение, так и
мгновенное, максимальное, минимальное значения и размеры сигнала.
3.10.2 Цифровые осциллографы
В цифровом осциллографе исследуемый аналоговый сигнал
преобразуется с помощью АЦП в коды, которые далее запоминаются в
дискретной памяти, реализуемой с помощью оперативного запоминающего
устройства (ОЗУ).
U(t)
АЦП
ОЗУ
ВИ
УУ
Рисунок 3.6.4 – Обобщенная структурная схема цифрового осциллографа
(ЦО)
ОЗУ позволяет запомнить весь массив мгновенных значений U(t),
поступающих в виде кодов с АЦП, а также необходимую служебную
информацию. Скорость записи в ОЗУ и его емкость оказывают существенное
влияние на быстродействие и метрологические характеристики цифрового
осциллографа.
Визуальные индикаторы (ВИ), применяемые в ЦО, можно разделить на
две группы: ЭЛТ и матричные индикаторные панели (МИП). При
использовании ЭЛТ необходимы дополнительные цифро-аналоговые
преобразователи (ЦАП), преобразующие коды ОЗУ в напряжение сигнала U(t),
поступающее на пластины Y, и напряжение развертки, подаваемое на пластины
Х ЭЛТ. При переходе к МИП необходимость в ЦАП отпадает.
Управление работой ЦО осуществляется тактовыми импульсами
управляющего устройства (УУ). В АЦП реализуется кодо-импульсный метод
преобразования при развертывающем уравновешивании с равномерноступенчатым изменением компенсирующего напряжения. Благодаря этому
имитируется временная развертка осциллографа.
3.10.3 Осциллографы смешанных сигналов
Высокая частота дискретизации и широкая полоса пропускания
цифрового осциллографа позволяет регистрировать и просматривать сигналы с
высоким разрешением. Он позволяет отображать и измерять аналоговые
характеристики электрических сигналов всех типов. Наличие 2-4 каналов
позволяет сопоставить аналоговые и цифровые сигналы и сигналы
последовательной передачи данных.
Основная область применения цифрового осциллографа:
- измерение амплитуд и временных параметров и характеристик сигналов;
- измерение тока;
- измерение параметров переходных процессов;
- определение характеристик целостности сигнала.
В метрологической практике для проверки и отладки цифровых схем
идеальным прибором является логический анализатор. Логические анализаторы
имеют от 34 до сотен и даже тысячи каналов, тогда как осциллограф имеет
только 2-4 канала. Логические анализаторы регистрируют сигналы иначе, чем
осциллографы. Обычно дискретизация сигнала в осциллографах выполняется с
использованием 8-разрядного
АЦП для
достоверного,
детального
воспроизведения сигнала на экране осциллографа. А логический анализатор
просто сравнивает входной сигнал с заданным пользователем уровнем
порогового напряжения. Если сигнал выше порогового уровня, он
рассматривается как логическая 1, если ниже – как логический 0. Такие
различные подходы к регистрации сигнала приводят к тому, что один и тот же
импульс отображается по-разному, как показано на рисунке
Логический
анализатор
Логическая 1
Логический 0
Уровень порогового
напряжения
Цифровой
осциллограф
Область применения логического анализатора:
- всесторонняя многоканальная проверка работы цифровой системы;
- отслеживание выполнения программ;
- проверка временных характеристик системы;
- тестирование параметров системы;
- исследование быстродействующих запоминающих устройств.
Возможности цифрового осциллографа с функциями логического
анализатора совмещают осциллографы смешанных сигналов (MSO – Mixed
Signal Oscilloscope), которые имеют дополнительные инструменты,
позволяющие проводить декодирование и поиск интересующих событий. Этот
осциллограф усовершенствован для анализа различных сигналов посредством
интеграции основных функций логического анализатора. Осциллограф
смешанных сигналов работает как цифровой осциллограф, но позволяет
использовать дополнительно преимущества 16 цифровых каналов. Полностью
удовлетворяет запросам по проверке и тестированию новых разработок.
Область применения осциллографа смешанных сигналов:
- разработка и проверка сложных систем;
- системотехника;
- отладка устройств последовательной передачи данных;
- отладка ЦАП и АЦП;
- проектирование и проверка работы микросхем программируемой логики
FPGA;
- автомобильная электроника.
3.10.4 Осциллографические измерения
При использовании осциллографа параметры сигналов определяют по их
осциллограммам. Достоверность результатов зависит от точности
воспроизведения осциллограмм. Погрешности измерения зависят от
правильного выбора осциллографа, установки оптимальных размеров
осциллограммы, выбора вида синхронизации и других факторов.
3.10.4.1 Измерение напряжений
С помощью электронного осциллографа можно измерять как постоянное
напряжение (при наличии открытого входа Y), так и мгновенное,
максимальное, минимальное значения и размах сигнала.
Напряжение может быть измерено методом прямого преобразования и
методом сравнения. При использовании метода прямого преобразования
(калиброванного отклонения) с помощью калибратора амплитуды
предварительно калибруется требуемый коэффициент отклонения К в, который
является ценой деления шкалы, нанесенной на экран. Значение напряжения в
этом случае можно определить по формуле
Ux = Квh, где
H – отклонение луча на экране осциллографа, соответствующее
измеряемому значению сигнала.
Суммарная погрешность измерения напряжения данным методом зависит
от погрешности, возникающей при калибровке коэффициента отклонения,
погрешности из-за неравномерности и визуальной погрешности.
Погрешность измерений может быть уменьшена при использовании
метода сравнения и двухканального осциллографа или осциллографа с
дифференциальным входом. На один вход подается исследуемый сигнал, а на
второй – образцовое постоянное или переменное напряжение. Совмещая
изображение калибровочного сигнала с границами осциллограммы
исследуемого сигнала, определяют с помощью вольтметра значение
калибровочного сигнала, а следовательно, искомое значение напряжения.
3.10.4.2 Измерение временных параметров и параметров импульсов
Временные интервалы, так же, как и напряжения, могут быть измерены
методом прямого преобразования и методом сравнения. В первом случае перед
измерением калибруется длительность прямого хода развертки, т.е.
устанавливается необходимое значение коэффициента развертки Кр с помощью
калибратора длительности. Измеренный интервал времени определяется по
формуле
t = Kpl, где
l – размеры исследуемого участка осциллограммы по горизонтали.
Погрешность измерения временных интервалов зависит от погрешности
калибровки временного интервала и визуальной погрешности.
Метод сравнения реализуется с помощью калибрационных меток,
которые формируются из сигнала с известным периодом и при подаче его на
вход Z накладываются на изображение сигнала. Совмещая метки с границами
исследуемого временного интервала, по периоду меток и их количеству
определяют значение измеряемого временного интервала.
3.10.4.3 Измерение частоты
Измерение частоты производится методом сравнения с частотой
образцового генератора. Осциллограф в этом случае играет роль индикатора
равенства или кратности измеряемой fx и образцовой fo частот и погрешности в
результат измерения практически не вносит.
Наиболее часто используются две разновидности этого метода: метод
интерференционных фигур и метод круговой развертки с модуляцией
яркости.
При использовании метода интерференционных фигур генератор
развертки выключается и сигнал образцовой частоты подается на вход Х, а
неизвестной – на вход Y осциллографа. На экране появляется
интерференционная фигура (рисунок 3.6.4 а).
а)
б)
Рисунок 3.6.4 – Измерение частоты
Вид интерференционной фигуры зависит от соотношения частот и фаз
сигналов. Кратность частот по интерференционным фигурам определяется
следующим образом. На полученной фигуре мысленно проводится
вертикальная прямая, не пересекающая узлы (рисунок 3.6.4 а). Подсчитывается
число пересечений nв с вертикальной прямой с линиями фигуры. Аналогично
находится число пересечений горизонтальной прямой с линиями фигуры nг. Из
уравнения nгfo = nвfх определяется значение измеряемой частоты fх.
С увеличение отношения частот усложняется вид интерференционной
фигуры, что затрудняет отсчет числа пересечений. При большой кратности
частот применяют метод круговой развертки с модуляцией яркости. Круговая
развертка создается напряжением образцового генератора. Сигнал образцовой
частоты в виде двух напряжений с фазовым сдвигом 90 подается на входы Х и
Y осциллографа, а напряжение с частотой fх подается на вход Z. На экране
получается изображение рисунка 3.6.4 б.Число темных и светлых участков
равно кратности частот n, а частота fx = nfo.
3.10.4.4 Измерение фазовых сдвигов
Измерение фазовых сдвигов измеряется методом наложения и методом
эллипса.
Наибольшее распространение получил метод наложения. При наличии
двухканального осциллографа исследуемые сигналы подаются на входы Y1 и
Y2, и на экране получается картина, изображенная на рисунке 3.6.5.
U
U
H
t
а)
h
t
б)
T
T
Рисунок 3.6.5 – Измерение фазового сдвига
3.11 Измерение фазового сдвига
К числу основных параметров электромагнитных колебаний,
определяющих состояние колебательного процесса В заданный момент
времени, относится фаза исследуемого сигнала. Для гармонического колебания
u(t) = Um sin (ωt + +φ) фаза Ф определяется аргументом Синусоидальной
функции, линейно зависящей от времени, т. е. Ф = ωt + φ, где ф – начальная
фаза. Если начальные фазы двух синусоидальных • колебаний с частотой ω
обозначить соответственно через φ1 и φ2 сдвига фаз будет равен – (φ1 - φ2).
Следовательно, фазовый сдвиг является постоянной величиной и не зависит от
момента времени отсчета.
В радиотехнике, электронике, технике связи и других областях науки и
техники измерение фазовых сдвигов гармонических сигналов позволяет
получить информацию о качестве радиоустройств, линий связи,
технологических процессов и т. д. Для проведения таких измерений
используются приборы подгруппы Ф (Ф2 – измерители фазовых сдвигов; ФЗ –
измерительные фазовращатели; Ф4 – измерители группового времени
запаздывания).
Наибольшее распространение получили следующие методы измерения
фазовых сдвигов: метод суммы и разности напряжений, нулевой метод, метод
преобразования фазового сдвига во временной интервал, которые изучаются в
рамках настоящей лабораторной работы.
3.11.1 Метод суммы и разности напряжений
Сущность метода суммы и разности напряжений заключается в переносе
информации об измеряемом фазовом сдвиге в амплитуду результирующего
(суммарного или разностного) напряжения с последующим измерением этого
напряжения аналоговым или цифровым вольтметром. Если два гармонических
сигнала, описываемых выражениями
U1(t) = Um1 sin (ωt + φ1)
U2(t) = Um2 sin (ωt + φ2)
подать на схему сложения (сумматор), то амплитуда их векторной суммы при
Um1= Um2 = Um будет равна
2
U mc 2 U m cos 1
.
2
Аналогично, с помощью схемы вычитания можно образовать разностное
напряжение, амплитуда которого равна
2
U mp 2U m sin 1
.
2
В принципе, для намерения фазового сдвига φх =(φ1 - φ2) достаточно
использовать только суммарную Umc или разностную Ump составляющие
напряжения. Однако такой фазометр будет иметь пределы измерения от 0° до
+90°, неравномерную шкалу и резко выраженную зависимость погрешности
измерения фазовых сдвигов от значения φх. Кроме того, измеренное значение φх
будет зависеть от значения измеряемого напряжения Um. Поэтому в
практических схемах фазометров, реализующих метод суммы и разности
напряжений, используется как суммарное, так и разностное напряжения.
Структурная схема одного из возможных вариантов такого фазометра
приведена на рисунке 3.7.1.
Входные сигналы U1 и U2, амплитуды которых уравниваются с помощью
входных устройств, подаются на схемы сложения и вычитания. На выходах этих
схем после детектирования образуются суммарное и разностное постоянные
напряжения, которые поступают на вторую схему вычитания. На ее выходе
будет выделяться разностное напряжение, которое измеряется аналоговым или
цифровым вольтметром.
Зависимость
U mc U mp
2U m
от φх (рисунок 3.7.2) оказывается практически
равномерной, что позволяет при предварительной калибровке фазометра для
устранения зависимости φx от Um расширить пределы измерения до ± 180°.
Рисунок 3.7.1
Следует однако отметить, что при измерении фазовых сдвигов
фазометром, реализующим данный метод, на6людается неоднозначность
отсчета (кроме точек +1 и -1) значений измеренного фазового сдвига.
Действительно, одному и тому же значению разностного напряжения
U mc U mp
2U m
соответствуют два значения измеряемого фазового сдвига φх и φx'
(см. рисунок 3.7.2), Действительное значение фазового сдвига можно
определить путем дополнительного измерения, при котором Напряжение U2
сдвигается но фазе с помощью дополнительного фазовращателя на небольшой
фиксированный угол φ0.
Рисунок 3.7.2
Как видно из рисунка 3.7.2, если показанию вольтметра Uv при первом
измерении φх соответствуют два значения фазового сдвига φ и φ', го после
дополнительного сдвига фаз на угол φ0 показания вольтметра для углов φ1= φ +
φ0 и φ2 = =φ' + φ0 будут различны. Дополнительно измерив значение UB' и
пользуясь графиком (рисунок 3.7.2), легко определить действительное значение
фазового сдвига φх. При UB > UB' действительное значение фазового сдвига
будет находиться в пределах 0 < φх < π при UB < UB' – в пределах π < φх < 2π.
Метод суммы и разности напряжений используется для разработки
фазометров, работающих в широком диапазоне частот (до сотен ГГц), и
обеспечивает измерения фазовых сдвигов с основной погрешностью, не
превышающей ±(2–3)0 . Данный метод используется также в приборах,
предназначенных для контроля за постоянством фазового сдвига. При этом
погрешность измерения уменьшается до десятых долги градуса.
3.11.2 Нулевой метод
Типовая структурная схема фазометра, реализующего нулевой метод
измерения фазовых сдвигов, приведена на рисунке 3.7.3.
Входные сигналы U1 и U2 с помощью входных устройств выравниваются
по амплитуде и поступают на измерительный (ИФВ) к установочный (УФВ)
фазовращатели. В качестве индикаторного устройства (ИУ) могут
использоваться индикаторы равенства фаз напряжений U1' и
U2', их
противофазности или квадратурности.
Перед началом измерений фазометр калибруется с целью устранения
собственного фазового сдвига, вносимого элементами схемы. Для этого
указатель шкалы ИФВ устанавливают на нулевую отметку, на оба входа
фазометра подают один из исследуемых сигналов.
Рисунок 3.7.3
Изменением фазового сдвига, вносимого УФВ, добиваются нулевых
показаний индикаторного устройства (ИУ), компенсируя тем самым
собственный фазовый сдвиг фазометра. В режиме измерения начальная фаза
напряжения U1 с помощью ИФВ изменяется на величину φ0 (образцовый
фазовый сдвиг) и с помощью индикаторного устройства фиксируется величина
Δφ = φ0 + φх. При Δφ=0° φх = - φ0 т. е. измеренное значение фазового сдвига
отсчитывается непосредственно но шкале ИФВ. При Δφ = 180° измеряемый
фазовый сдвиг определяется по формуле φх =180° φ°.
В качестве индикатора значений Δφ= 0° и Δφ = 180° чаще всего
используется электронно-лучевой осциллограф. При подаче напряжений U1' и
U2' на входы X и Y электронно-лучевого осциллографа наблюдаемая на экране
электронно-лучевой трубки интерференционная фигура будет иметь вид
эллипса, параметры которого определяются значением измеряемого фазового
сдвига φх. При синфазности напряжений, поступающих на входы X и Y
осциллографа, эллипс "стягивается" в линию, которая наклонена вправо под
углом 45° (при Uj' – U2'). Если же Δφ=180°, линия будет наклонена влево также
под углом 45°. Момент "стягивания" эллипса в линию может быть зафиксирован
достаточно точно. Погрешность измерения фазового сдвига фазометром,
реализующим нулевой метод, определяется, в основном, погрешностью
градуировки шкалы ИФВ.
3.11.3 Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал
Измерение фазового сдвига методом преобразования во временной
интервал основано на алгоритме, описываемом выражением
3600
t x
Tx ,
где Тх – период сигнала;
Δtx – интервал времени, пропорциональный измеряемому фазовому
сдвигу.
Структурная схема фазометра, реализующего метод преобразования
фазового сдвига во временной интервал, приведена на рисунке 4, временные
диаграммы, поясняющие принцип его работы, представлены на рисунке 3.7.4.
Рисунок 3.7.4 – Структурная схема цифрового фазометра.
Гармонические сигналы U1 и U2 преобразуются с помощью
формирующих устройств в последовательность коротких импульсов U3 и U4
(рисунок 3.7.5), временное положение которых соответствует нуль-переходам
входных сигналов из отрицательной области в положительную. Интервал
времени Δtx между ближайшими импульсами первой U3 и второй U4
последовательностей будет пропорционален измеряемому фазовому сдвигу φх.
U1
t
U2
t
U3
t
U4
t
U5
t
U6
t
Рисунок 3.7.5 – Временные диаграммы, иллюстрирующие метод
преобразования фазового сдвига во временной интервал
Однако, как видно им выражения, для измерения фазового сдвига φх
рассматриваемым методом необходимо определить отношение Δtx/Tx. Это
отношение наиболее просто определяется как постоянная составляющая
периодической последовательности прямоугольных импульсов U (рисунок
3.7.5) в соответствии с выражением
U Um
t x
Tx .
Следовательно,
x 3600
U
Um .
Зафиксировав
с
помощью
стабилизатора
уровня
амплитуду
прямоугольных импульсов Um на уровне, например, 360 мВ и выделив с
помощью фильтра низкой частоты постоянную составляющую периодической
последовательности импульсов, получим, что измеренное средне значение
напряжения U (например, в мВ) будет равно измеряемому фазовому сдвигу в
градусах.
Рассмотренный цифровой фазометр; реализующий метод преобразования
фазового сдвига во временной интервал, работает по алгоритму
преобразования: фазовый сдвиг – интервал времени – напряжение – цифровой
код. Однако в настоящее время широко применяются цифровые фазометры,
реализующие алгоритм преобразования: фазовый сдвиг – интервал времени –
цифровой код. Целесообразность применения такого алгоритма преобразования
очевидна: упрощается алгоритм работы фазометра и, как следствие, появляется
потенциальная возможность повышения точности измерения фазовых сдвигов.
3.12 Измерение электрической мощности
3.12.1 Измерение ВЧ и СВЧ мощности
При измерении мощности на ВЧ и СВЧ встречаются два основных случая:
1) измерение мощности, проходящей от источника в данную нагрузку
(проходящей мощности);
2) измерение мощности, которую источник может отдать в согласованную
нагрузку (поглощаемой мощности).
Соответственно этим случаям все ваттметры подразделяются на ваттметры
проходящей мощности (М2) и ваттметры поглощаемой мощности (М3).
Основными узлами ваттметров являются приемный преобразователь (головка)
и измерительное устройство (ИУ). В приемных преобразователях (образуют
самостоятельный вид М5) осуществляется преобразование электромагнитной
энергии в другой вид энергии, доступной для прямого измерения. По способу
преобразования энергии вся совокупность существующих методов измерения
мощности и ваттметров может быть классифицирована следующим образом:
тепловые методы:
– калориметрический;
– болометрический (термисторный);
– термоэлектрический;
электронные методы:
– вольтметр с использованием эффекта Холла;
– с использованием эффекта «горячих» носителей тока;
– с использованием частотно-избирательных ферритов;
пондеромоторный метод;
фотометрический метод.
3.12.2.1 Измерение поглощаемой мощности
Типовая схема включения ваттметра поглощаемой
передающий тракт показана на рисунке 3.8.1
ИСТОЧНИК
РХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ПРИЕМНЫЙ
мощности
в
УСТРОЙСТВО
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ
ВАТТМЕТР
Рисунок 3.8.1
Приемные преобразователи ваттметров поглощаемой мощности являются
эквивалентом согласованной нагрузки и, как видно из рисунка 1, включаются
на конце передающей линии вместо реальной нагрузки. Для измерения
поглощаемой мощности используются все тепловые и большинство
электронных методов.
Тепловые методы основаны на преобразовании электромагнитной энергии
в тепловую с последующим измерением либо количества выделенного тепла
(приращения температуры), либо замещающей мощности постоянного тока
(или тока низкой частоты), вызывающей эквивалентное приращение
температуры. Основным достоинством тепловых ваттметров является
возможность калибровки и аттестации их на постоянном токе, что способствует
достижению высокой точности измерения мощности. Наибольшее
распространение в практике измерений получили болометрические
(термисторные) ваттметры, приемными преобразователями которых являются
терморезисторы (болометры и термисторы).
Общим для электронных методов является преобразование измеряемой
мощности в пропорциональное напряжение постоянного или переменного тока
с последующим измерением этого напряжения. Основным достоинством
электронных методов является малая инерционность, благодаря чему они
используются для прямого измерения средней и импульсной мощности.
Рассмотрим более подробно термоэлектрический метод и метод с
использованием эффекта «горячих» носителей тока.
Термоэлектрический метод основан на преобразовании с помощью
термопар энергии СВЧ в тепловую с последующим измерением возникающей
термо-ЭДС Е т , пропорциональной рассеиваемой в термопаре СВЧ-мощности.
Значение Е т практически не зависит от температуры окружающей среды в
связи, с чем отпадает необходимость в специальных схемах термокомпенсации.
Кроме того, термопары не требуют начального подогрева, имеют высокую
чувствительность и совместно с простым измерительным устройством
позволяют
реализовать
термоэлектрические
ваттметры
прямого
преобразования.
Конструктивно
приемные
преобразователи
термоэлектрических
ваттметров представляют собой отрезки коаксиальных или волноводных
трактов со встроенными термопарами, элементами согласования с трактом и
разделения цепей питания их по постоянному току и СВЧ.
Поскольку выходным сигналом преобразователя является постоянное
напряжение, индикаторные устройства термоэлектрических ваттметров
представляют собой вольтметр постоянного тока, шкала которого
проградуирована в значениях измеряемой мощности.
Метод с использованием эффекта «горячих» носителей тока основан на
разогреве носителей тока в полупроводниковых элементах, помещенных в
сильное электрическое поле. При использовании полупроводникового элемента
с точечным невыпрямляющим контактом разогрев носителей в области
контакта оказывается неоднородным, вследствие чего на потенциальном
барьере перехода металл-полупроводник возникает ЭДС, которую условно
называют термоЭДС «горячих» носителей. Чувствительность такого
преобразователя зависит от удельного сопротивления полупроводника,
размеров контакта, его формы, высоты потенциального барьера и некоторых
других констант.
Конструктивно приемные преобразователи представляют собой головки на
П-образном волноводе с размещенным в нем полупроводниковым элементом.
Преобразователь имеет большое выходное сопротивление по постоянному току
(более 3 кОм) и поглощает только 2-3 % падающей на него СВЧ-мощности.
Поэтому его невозможно согласовать с характеристическим сопротивлением
волновода в широком диапазоне частот, и в практических конструкциях
преобразователей
вместо
оконечной
короткозамыкающей
заглушки
применяется согласованная нагрузка.
Измерительное устройство ваттметров представляют собой вольтметр
постоянного или переменного тока в зависимости от режима измерения.
3.12.2.2 Измерение проходящей мощности
Под проходящей понимают мощность, рассеиваемую в реальной нагрузке
с КСВН>1 ( Г н >0). Таким образом, проходящая мощность ( Р пр ) всегда меньше
падающей ( Р пад ) на величину мощности, отраженной от нагрузки ( Р отр ), т.е.
Р пр Р пад Р отр Р пад (1 Г н ) 2 .
Основным достоинством ваттметров проходящей мощности является
возможность контроля значения Р пр без отключения реальной нагрузки. Для
обеспечения этого приемные преобразователи ваттметров должны быть
включены в передающий тракт между источником и нагрузкой, отбирать из
тракта лишь незначительную часть мощности, не искажать картину поля в
тракте и не ухудшать характеристики согласования. В зависимости от типа
приемных преобразователей и способа включения их в линию передачи
различают ваттметры проходящей мощности с направленными ответвителями,
поглощающей стенкой, пондеромоторные ваттметры и ваттметры с
использованием эффекта Холла.
На
рисунке
3.8.2
приведена
структурная
схема
наиболее
распространенного ваттметра с направленными отверстиями (НО),
ориентированными соответственно на Р пад (НО1) и Р отр (Н02). К выходам
H01 и Н02 поочередно подключается ваттметр поглощаемой мощности,
обеспечивая в соответствии с (1) измерение Р пр . Так как НО характеризуются
значениями коэффициента передачи (С) между первичным и вторичным
каналами (переходным ослаблением), то рабочая формула для определения по
результатам измерений искомого значения принимает вид
Р
Р
Р пр 1 2 ,
С1 С 2
где Р1 и Р 2 - мощности, измеряемые ваттметром во вторичных каналах
НО и пропорциональные соответственно Р пад и Р отр ;
С1 и С 2 – переходные ослабления H01 и Н02, определяемые как
Р
Р
С в.к (в разах); С 10lg в.к (дБ),
Р п.к
Р п.к
где Р п.к - мощность в первичном канале НО;
Р в.к – мощность, ответвленная во вторичный канал.
ВАТТМЕТР
РПАД
НАГРУЗКА
СОГЛАСОВАННАЯ
РОТР
НАГРУЗКА
ГЕНЕРАТОР
НО1
НО2
Рисунок 3.8.2
В практике измерений применяются ваттметры проходящей мощности и
других типов.
3.13 Автоматизация электрорадиоизмерений
3.13.1 Основные принципы автоматизации измерений
При проведении научных исследований, разработке, производстве и
эксплуатации современного радиоэлектронного оборудования возникает
необходимость перерабатывать большие объемы измерительной информации
за ограниченное время. Следствием этого является потребность в создании
автоматизированных СИ, которые позволяли бы автоматизировать процессы
измерений, обработки и регистрации их результатов при одновременном
исключении из результатов измерений субъективных погрешностей.
В общем смысле под автоматиза́цией понимают применение технических
средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.
Первым и наиболее очевидным направлением в области автоматизации
измерений является разработка СИ, в которых все необходимые процедуры настройки и регулировки выполняются автоматически. Автоматическая настройка
СИ (выставление пределов измерений, калибровка) достигается, например, преобразованием измеряемой величины к виду, позволяющему воздействовать на
последующие элементы схемы прибора; автоматическим изменением в
требуемых пределах величины, воспроизводимой мерой, входящей в состав
прибора; сравнением измеряемой величины с величиной, воспроизводимой
мерой. Характерным примером такого СИ является осциллограф с автоматизированным управлением.
Вторым направлением является разработка измерительных приборов с
непосредственным отсчетом, в которых реализована замена косвенных измерений
прямыми. Микропроцессоры, применяемые в приборах такого типа, позволяют
автоматизировать все необходимые вычислительные процедуры. Кроме того, в
ряде случаев оказывается возможным за счет схемотехнических решений
проектировать измерительные приборы, которые могут прямо измерять искомые
величины, трансформируя косвенные измерения в прямые (например, измеритель
отношения напряжений).
В качестве третьего направления можно отметить создание многофункциональных (комбинированных) измерительных приборов, выполняющих целый
ряд функций и позволяющих измерять несколько физических величин. Примерами многофункциональных приборов являются, например, универсальные цифровые вольтметры и мультиметры, позволяющие измерять силу и напряжение
постоянного и переменного токов, а также сопротивление. К третьему направлению автоматизации измерений относится и разработка панорамных измерительных приборов, в которых автоматизирован процесс измерения при исследовании зависимостей параметров сигналов или цепей от какого-либо аргумента
(анализ спектра сигналов, исследование амплитудно-частотных и фазочастотных
характеристик радиотехнических цепей и устройств). С помощью панорамных
приборов обеспечивается визуальное наблюдение зависимости определяемой характеристики от выбранного аргумента (чаще всего частоты) на экране осциллографического индикатора.
Измерительные приборы четвертого поколения - приборы с искусственным
интеллектом - создаются на основе микропроцессоров
и определяют
четвертое направление в области автоматизации измерений.
Микропроцессорное СИ содержит встроенный микропроцессор, запрограммированный на выполнение определенных измерительных функций:
- автоматической установки пределов измерения,
- корректировки аддитивных и мультипликативных погрешностей;
- автоматического управления процессом уравновешивания в приборах
сравнения;
- первичной обработки данных;
- статистической обработки данных;
- обработки данных при определении контролируемых параметров по измеренным значениям и известным зависимостям, при учете нелинейности характеристик элементов, влияния параметров окружающей среды, а также
сглаживания и аппроксимации полученных зависимостей;
- обработки данных по алгоритмам, реализующим метод измерения:
- регистрации данных в буферных регистраторах;
- визуализации и регистрации данных на осциллографах и дисплеях:
- диагностики функциональных узлов приборов;
- управления работой узлов, выполняющих отдельные функции измерительного преобразования;
- полного управления процессом измерения по заданной программе.
В приборах, входящих в измерительную систему, микропроцессоры используются также для связи приборов в единый комплекс, кодирования и декодирования данных, передаваемых по каналам связи, повышения надежности
системы путем защиты данных от искажений, сжатия данных и других задач,
характерных для информационно-измерительных систем.
Пятым направлением считают разработку измерительно-вычислительных комплексов (ИВК), в состав которых входят измерительные и вспомогательные устройства, управляемые от процессора, необходимые периферийные
устройства и программное обеспечение.
В качестве шестого и самого, пожалуй, актуального направления автоматизации измерений можно считать создание информационно-измерительных систем (ИИС).
Основную тенденцию в дальнейшем развитии СИ электрических величин
составляют приборы четвертого, пятого и шестого направлений.
3.13.2 Типовая схема автоматизированного измерительного эксперимента
Типовая схема автоматизированных измерений изображена на рисунке 3.9.
Рисунок 3.9 – Типовая схема автоматизированных измерений
Измеряемые ФВ, характеризующие объект измерений, поступают на
преобразователи, а затем коммутируются с целью повышения эффективности
использования схемы измерений при многоканальных измерениях. При этом
опрос преобразователей можно организовать циклическим, если измеряемые
параметры однородны и стационарны; программным, если сигналы стационарны, но неоднородны по спектру; адаптивным, если сигналы нестационарны.
Электрический сигнал с выбранного коммутатором преобразователя преобразуются в цифровой код в аналого-цифровом преобразователе (АЦП).
Сопряжение измерительного канала с ЭВМ обеспечивает интерфейс. Далее
измерительная информация подвергается обработке по заданной программе в
ЭВМ и представляется в удобной форме на экране дисплея. База данных
предназначена для хранения необходимой измерительной и справочной информации.
Если требуется представление результатов измерений в аналоговой форме,
применяются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Воздействие на
объект измерения осуществляется с помощью органов управления.
В автоматизированных измерениях последовательность действий и в целом логика эксперимента формализуются в программном обеспечении; кроме
того, наличие ЭВМ позволяет спланировать и провести дополнительно еще и
вычислительный эксперимент.
Одним из средств сопряжения измерительной аппаратуры с ЭВМ является
приборный интерфейс. Блок-схема ИИС, организованной на приборном
интерфейсе, изображена на рисунке 3.10. Подобные системы принято называть
измерительно-вычислительными комплексами (ИВК).
Рисунок 3.10 – Измерительная система с применением
приборного интерфейса
Средством, объединяющим измерительные, вычислительные управляющие
устройства на собственной шине микроЭВМ, является компьютерно-измерительная система (КИС). Обобщенная структурная схема КИС представлена на
рисунке 3.11.
Рисунок 3.11 – Обобщенная структурная схема компьютерноизмерительной системы
Программное обеспечение КИС можно условно разделить на три уровня:
аттестованные программы, прошедшие метрологическую аттестацию и допущенные к использованию с соответствующими КИС; программы, сшитые из
модулей библиотечных программ, и самостоятельные программы пользователей.
Основной
тенденцией
дальнейшего
развития
электрорадиоизмерительной техники является переход от разработки измерительных приборов
к разработке информационно-вычислительных комплексов (ИВК) и создание на
их основе информационно-измерительных систем (ИИС).
3.13.3 Применение микропроцессоров в электрорадиоизмерительных
приборах
Классические измерительные прибора дополняются встроенными
микропроцессорами (МП) с разработкой на этой основе приборов нового
поколения, которым свойственен искусственный интеллект. К основным
функция, выполняемым МП в таких приборах, относятся управление
различными узлами и прибором в целом, автоматическая коррекция
систематически погрешностей, обработка и преобразование результатов
измерений, диагностика неисправностей и т.д.
Рассмотрим характерные примеры применения МП в конкретных
измерительных приборах.
3.13.4 Двухканальный стробоскопический осциллограф
Применение МП расширило функции двухканального стробоскопического
осциллографа и позволило ему выполнять следующие функции:
- визуальное наблюдения, запись в память и измерение параметров двух
периодических сигналов;
- выполнение дискретного преобразования Фурье над сигналом,
записанным в памяти, и измерение амплитудных, фазовых и частотных
параметров сигнала;
- хранение в памяти нескольких ранее полученных сигналов или
спектров;
- одновременное наблюдение формы двух любых сигналов или спектров,
записанных в памяти;
- наблюдение методом наложения и запоминания на экране формы всех
сигналов или спектров, записанных в памяти;
- наблюдение формы любого сигнала, записанного в памяти, как функции
любого другого сигнала, также записанного в памяти;
- выполнение математической обработки сигналов с отображением ее
результатов на экране;
- наблюдение гистограмм детерминированных и случайных сигналов,
измерение их средних значений, а также расчет статистических моментов
высших порядков;
- измерение S-параметров взаимных четырехполюсников;
- выполнение функции импульсного рефлектометра с единичным
перепадом напряжении;
- запись в память произвольного массива информации, имитирующего
сигнал;
- осуществление двусторонней связи с ЭВМ в режиме диалога.
Осциллограф состоит из двух блоков: блока преобразователя и блока
процессора. В качестве визуального индикатора применяется газоразрядная
индикаторная панель. Стробоскопический преобразователь в дополнение к
своим обычным функциям преобразует аналоговый сигнал в цифровой код,
который вместе с кодами положений органов управления передается по
двунаправленной магистрали данных. Работой всех узлов блока управляет
управляющее устройство блока, которое также осуществляет логическое и
физическое сопряжение с блоком процессора.
Магистральный принцип обмена информацией реализуется в приборе
таким образом, что магистрали блоков преобразователя и процессора
физически повысить скорость обмена информацией между узлами,
находящимися в одном блоке, снизить требования к нагрузочной способности и
уменьшить уровень взаимных помех между блоками.
3.13.5 Измерительно-вычислительные комплексы
ИВК как автоматизированное средство измерений имеет в своем составе
процессор (процессоры) с необходимыми периферийными устройствами,
измерительные и вспомогательные устройства, управляемые от процессора, и
программное обеспечение комплекса. Именно номенклатура этих компонентов
определяет конкретную область применения ИВК. Для выполнения функций
измерений, управления процессом измерений и воздействия на объект
измерений, предоставления оператору результатов измерения в заданной форме
ИВК должны обеспечивать восприятие, преобразование и обработку сигналов
от первичных измерительных преобразователей, управление СИ и другими
компонентами, входящими в ИВК, выработку нормированных сигналов для
средств воздействия на объект измерений и оценку точности измерений и
представление результатов измерений в стандартизованной форме.
В состав любого ИВК входят технические и программные
компоненты. Технические компоненты подразделяются на основные и
вспомогательные, а программные компоненты, образующие в совокупности
математическое обеспечение ИВК, включает системное программное
обеспечение и общее прикладное программное обеспечение.
К основным техническим компонентам относятся средства измерений
(измерительные
компоненты),
средства
вычислительной
техники
(вычислительные компоненты), меры текущего времени и интервалов времени,
а также средства ввода-вывода цифровых и релейных сигналов.
Вспомогательными техническим компонентами являются средства
обеспечения совместной работы основных технических компонентов,
непосредственно не участвующие в процессе измерений: блоки электрического
сопряжения измерительных компонентов между собой и измерительных
компонентов с вычислительными (блоки интерфейсного сопряжения,
адаптеры), коммутационные устройства, устройства буферной памяти,
расширения функциональных возможностей ИВК и т.д.
Системное программное обеспечение ИВК представляет собой
совокупность программного обеспечения процессора и дополнительных
средств обеспечивающих работу ИВК в диалоговом режиме, управление
измерительными компонентами, обмен измерительной информацией и
проверку работоспособности ИВК.
Общее
прикладное
программное
обеспечение
образуется
совокупностью подпрограмм (программных модулей), реализующих типовые
алгоритмы обработки измерительной информации, типовые алгоритмы
планирования эксперимента и т.п.
К современным ИВК предъявляется очень широкий диапазон
технических требований. В одних случаях достаточная система с несколькими
каналами преобразования и обработки измерительной информации –
измерительными каналами – и частотой их опроса не более 1 кГц. В других
требуются уже тысячи измерительных каналов, а частота опроса моет достигать
10 МГц. Часто приходится сталкиваться в необходимостью проведения
измерении на объектах. Рассредоточенных и пространстве. Это приводит к
необходимости проектирования одноуровневых и многоуровневых ИВК. В
одноуровневых
ИВК
вся
измерительная
периферия
соединена
непосредственно с интерфейсом используемой ЭВМ, а для многоуровневых
характерна иерархическая структура, в которой вычислительная мощность
распределена между различными уровнями.
3.13.6 Информационно-измерительные системы
Для ИИС характерны не только автоматизация процедур регистрации,
сбора и передачи результатов измерений на обработку, но и проведение
измерительного эксперимента при активном воздействии на объект
исследования в соответствии с принятым планом. Оператору предоставляется
возможность вмешиваться в ход эксперимента и корректировать его в режиме
диалога. Структурная схема ИИС представлена на рисунке 3.9.1.
Разнообразие требований к ИИС и условий их функционирования
привели к необходимости внедрения агрегатного принципа построения ИИС из
унифицированных компонентов.
Типовые устройства ИИС определяются структурой используемого ИВК.
Дополнительно включаются следующие устройства:
- первичные преобразователи, непосредственно воспринимающие от
объекта исследования измеряемые величины и преобразующие их в изменение
какого-либо параметра выходного сигнала или выходной цепи;
- нормализующие преобразователи, необходимые для преобразования
неунифицированных
сигналов
первичных
преобразователей
в
унифицированные аналоговые или цифровые системы;
Неавтоматизированные СИ
Объект
исследования
Устройства
воздействия на объект
Первичные
измерительные
преобразователи
ИВК
Оператор
Рисунок 3. – Структурная схема ИИС
- АЦП, преобразующие в код амплитудные или временные параметры
сигналов;
- коммутаторы, осуществляющие поочередное подключение входных
сигналов на общий выход и работающие в циклическом (коммутация каналов
в периодически повторяющемся порядке), адресном (в соответствии с
подаваемым на него адресом канала) или адаптивном (по результатам анализа
текущих свойств входных сигналов) режимах;
- линии связи для передачи данных, представленных в цифровой форме.
При передаче производятся необходимые преобразования форматов сообщений
и сигналов с последующим восстановлением на приемном конце;
- цифровые измерительные приборы (ЦИП), входящие в состав ИИС,
выполнят свои прямые функции и обеспечивают представление данных в виде,
позволяющем оператору визуально воспринимать их. Как правило, это
цифровые измерители параметров электрических сигналов и цепей, в которых
предусматривается дистанционное управление. В последнее время в ИИС в
качестве индикатора используют мониторы ПЭВМ.
Среди видов ИИС для электрорадиоизмерительной техники характерны
измерительные системы и системы автоматического контроля параметров
радиоэлектронного оборудования.
3.13.7 Измерительные системы
Если исследуемый объект находится на большом расстоянии, ИС
называется телеизмерительной.
По принципу построения различают следующие разновидности ИС: с
коммутатором, с развертывающим уравновешиванием и сканирующие.
В ИС с коммутатором унифицированные сигналы с выходов
нормализующих преобразователей подаются на входы коммутатора и далее
поступают в блок обработки информации ИВК. Такие системы называются
также многоточечными.
ИС с развертывающим уравновешиванием, называемые также
мультиплицированными системами, основаны на принципе динамической
компенсации.
Сканирующие ИС основаны на просматривании (сканировании) полей
каких-либо объектов и выдаче измерительной информации о состоянии этих
полей. Это обеспечивается сканирующим устройством, создающим
развертывающее движение датчика при наличии контакта с исследуемым
полем (контактные датчики) или его отсутствии (бесконтактные датчики).
3.13.8 Системы автоматического контроля
Основным назначением системы автоматического контроля (САК)
является контроль и прогнозирование технического состояния (качества)
оборудования как объекта контроля. В свою очередь техническое состояние
(качество) объекта контроля характеризуется степенью соответствия всей
совокупности его параметров установленным требованиям на заданный или
прогнозируемый момент времени.
В реальных САК процесс контроля может быть как полностью
автоматическим (без непосредственного участия человека), так и
автоматизированным (с частичным участием человека). По степени связи с
объектом контроля различают встроенные (бортовые), внешние (наземные) и
комбинированные (наземно-бортовые) САК.
Число контролируемых параметров может изменяться в широких
пределах в зависимости от вида радиоэлектронного оборудования, цели
контроля и методов съема измерительной информации.
В зависимости от цели контроля выделяют следующие параметры:
- определяющие (позволяющие оценить техническое состояние объекта
контроля);
- вспомогательные (используемые для поиска места отказа);
- аварийные (позволяющие предсказать возможность возникновения
аварийной ситуации);
- прогнозирующие (содержащие информацию, необходимую для
прогнозирования технического состояния объекта контроля).
Необходимость выполнять в процессе контроля не только измерительные,
но и информационно-логические операции, заключающиеся в сопоставлении
полученных результатов измерений с требованиями к объекту, усложняют САК
по сравнению с ИС. Обобщенная структурная схема САК представлена на
рисунке 3.9.2.
Общими для всех видов САК являются процессы формирования
информации об объектах контроля, классификации технических состояний их и
выдачи информации о техническом состоянии.
Формирователь включает датчики, генераторы стимулов, коммутаторы
и различные преобразователи. Он выдает первичную измерительную информацию
о техническом состоянии объекта контроля, осуществляя все необходимые
преобразования контролируемых параметров Xi в унифицированные сигналы Yi.
Xi
Формирователь
Uф
Yi
Классификатор
Yk
Uк
Информатор
Диспетчер
Uи
Рисунок 3.9.2 – Обобщенная структурная схема САК
Классификатор (уставки, компараторы, цифровые вычислительные
устройства) на основе поступивших от формирователя сигналов Yi указывает
на принадлежность технического состояния объекта контроля к
соответствующему классу состояний.
Информатор объединяет индикаторные и регистрирующие устройства,
элементы самоконтроля и поиска неисправностей в САК. На основе
поступивших с формирователя и классификатора сигналов Yi и Yk он выдает
итоговую информацию о техническом состоянии объекта контроля в виде
сведений о значениях контролируемых параметров, их отклонениях от
номинальных значений, инструкций по устранению неисправностей и т.п.
Диспетчер представляет собой управляющую часть САК и выдает
управляющие сигналы Uф, Uк и Uи на все остальные части.
Управление производится на основе соответствующей программы и
внутренних сигналов, поступающих с формирователя, классификатора и
информатора.
3.13.9 Интерфейсы измерительных приборов
Интерфе́йс (от англ. interface - поверхность раздела, перегородка) совокупность средств и методов взаимодействия между элементами системы.
В зависимости от контекста, это понятие применимо как к отдельному
элементу (интерфейс элемента), так и к соединениям отдельных элементов
системы (интерфейс сопряжения элементов).
В радиоэлектронике и метрологии под интерфейсом понимают
совокупность технических и программных средств, обеспечивающих
взаимодействие различных функциональных устройств вычислительных,
управляющих или измерительных систем (например, оперативного и внешнего
запоминающих устройств ЭВМ). Интерфейс позволяет составлять системы из
готовых модулей в соответствии с установленными правилами кодирования и
синхронизации передаваемой информации, с применением механических и
электрических соединительных устройств, с учетом вида передаваемых
сигналов, формы представления информации и т.д.
К основным характеристикам интерфейса относятся:
- форматы передаваемой информации;
- команды и состояния канала обмена;
- состав и типы линий канала обмена;
- алгоритм функционирования;
- передающие и приемные электронные схемы;
- параметры сигналов и требования к ним;
- конструктивные решения (включая нумерацию контактов в разъемах).
Выбор интерфейса канала обмена определяется требованиями к системе
обмена: функциональной связанности модулей с заданным быстродействием;
высокой надежности передачи данных; долговечности и износоустойчивости
оборудования; ремонтопригодности; учета возможности расширяемости
системы; простоты схемных и конструктивных решений; минимизации
стоимости, массы и габаритных размеров.
Внешний интерфейс приборов и их модулей делится на группы:
- специальные интерфейсы каналов обмена с датчиками и
исполнительными устройствами;
- унифицированные интерфейсы каналов обмена с локальными
периферийными устройствами;
- унифицированные интерфейсы каналов межприборного обмена
сосредоточенных систем;
- унифицированные интерфейсы каналов межмодульного обмена
распределенных систем;
- унифицированные для всей АСУ интерфейсы межсистемного обмена.
Разделение
внешних
интерфейсов
приборов
на
интерфейсы
сосредоточенных и распределенных измерительных систем связано с временем
передачи данных между приборами и временем обработки этих данных.
Приборные интерфейсы служат для компоновки различных комплексов из
стандартных измерительных приборов, устройств ввода-вывода и управляющих
устройств. Пример, фирма «Philips» разработала систему сопряжения Partyline System, предназначенную для объединения в ИИС до 15 приборов.
Организацию интерфейса можно классифицировать по следующим
четырем признакам: способу соединения модулей системы (магистральный,
радиальный, цепочечный, комбинированный); способу передачи информации
(параллельный, последовательный, параллельно-последовательный); принципу
обмена информацией (асинхронный, синхронный); режим передачи
информации (двусторонняя одновременная передача, двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).
Для измерения медленно изменяющихся величин может подойти
последовательный интерфейс с подключением к COM-порту компьютера, а для
измерений и управления в быстро изменяющихся системах преобразователи
нужно подключать к PCI-шине или USB-интерфейсу персонального
компьютера. В старых компьютерах можно использовать и ISA-шину (в
материнских платах компьютеров, выпускаемых в настоящее время, нет слотов
для подключения ISA-плат).
Схемы интерфейса программно-управляемых приборов выполняются в
двух вариантах. Во-первых, в виде схем, конструктивно находящихся внутри
прибора и являющихся его составной частью, с установкой стандартного
разъема на задней панели прибора. Этот вариант применяется
преимущественно в новых приборах, выпускаемых по стандарту IEC (МЭК).
Во-вторых, в виде отдельно выполненных интерфейсных модулей,
подключаемых к серийно выпускаемым или находящимся в обращении
цифровым приборам и устройствам.
В последнее время широко применяются системные интерфейсы или
интерфейсы локальных сетей. Системный интерфейс, как правило, имеет
многоуровневую архитектуру - совокупность аппаратных и программных
средств. Из зарубежных локальных сетей наиболее известны DEC net фирмы
«Digital Equipment Corp», z-net фирмы «Zilog Inc"», сеть фирмы IBM, Om minet
фирмы «Corvus Inc» и др.
3.13.10 Виртуальные измерительные приборы: общие принципы
построения и функционирования
Виртуальные приборы (virtual instruments) - компьютерные программы,
исполняющие функции различных приборов, с помощью компьютера и
относительно несложного оборудования (аналого-цифровых и цифроаналоговых
преобразователей, датчиков и исполнительных устройств). Виртуальные
приборы используют как для замены обычных приборов, так и для реализации
уникальных измерений, для которых нет обычных приборов.
Взаимодействие программы виртуального прибора с внешним миром в
некоторых случаях может обеспечиваться стандартными устройствами
персонального компьютера, например, звуковой платой, но в большинстве
случаев необходимо специальное оборудование. Несложные осциллографы и
генераторы сигналов, использующие звуковую плату, вполне пригодны для
ознакомления с основами измерений параметров сигналов. Еще одно
имеющееся в персональном компьютере устройство - игровой порт может
использоваться виртуальными приборами в качестве индикатора замыкания
электрических цепей и служить исполнительным устройством, например,
виртуального омметра.
С помощью АЦП- и ЦАП-сопряжения виртуальные инструменты
получают информацию от измерительных датчиков и генерируют сигналы
произвольной формы для управления исполнительными устройствами.
Виртуальные приборы не только выполняют измерения, они особенно полезны
для проведения исследований, требующих сложных воздействий на изучаемые
объекты, а также для анализа многомерных откликов непосредственно в ходе
эксперимента при помощи пользовательского интерфейса.
Интерфейс пользователя включает средства отображения данных и
управления экспериментом. Он позволяет экспериментатору взаимодействовать
с программой виртуального прибора примерно так же, как с обычным
прибором. В современных программах виртуальных приборов для этого
активно используют графические возможности компьютера. Виртуальные
органы управления для удобства экспериментатора обычно отображают на
экране в виде объектов, напоминающих органы управления традиционных
приборов (кнопки, потенциометры). Виртуальные приборы, однако, не просто
заменяют обычные приборы, а предоставляют много новых возможностей, за
счет способности компьютера обрабатывать данные в эксперименте в режиме
реального времени. Пользовательский интерфейс дает оперативное
отображение результатов измерений и выполняемой по ходу эксперимента
обработки данных. Одновременное измерение разных характеристик
исследуемой системы как функций изменяемых в эксперименте параметров,
анализ многомерных данных, проверка их соответствия различным моделям все это доступно непосредственно в эксперименте. Экспериментатор имеет
двустороннюю связь с объектом через экран компьютера: динамика
характеристик объекта отображается в графической форме, а визуальные
элементы управления позволяют воздействовать на объект с помощью
исполнительных механизмов.
Наиболее широкое распространение в измерительной технике при
создании виртуальных приборов получила графическая программная среда
LabVIEW, разработанная фирмой National Instruments (США), первая версия
которой была создана 20 лет назад. С помощью LabVIEW 8.20 можно
разрабатывать интерфейсы для контрольно-измерительных систем совместно с
операционными системами Windows, Macintosh OS X и Linux.
4 Основы сертификации
4.1 Законодательные и нормативные документы в области качества.
Государственная программа «Качество»
Качество продукции, процессов или услуг – это совокупность свойств
продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные
потребности в соответствии с ее назначением.
Основной целью государственной программы «Качество», обеспечивающей реализацию политики государства в области качества, является создание
условий, способствующих производству конкурентоспособных отечественных
товаров, дальнейшему насыщению потребительского рынка качественными
безопасными энергоэффективными товарами, внедрению в промышленное производство современных методов и форм управления качеством, оздоровлению
окружающей среды, экономии материальных и энергетических ресурсов.
Государственное управление в области качества в республике осуществляется на основе рационального сочетания правовых, экономических и
организационно-распорядительных мероприятий, обеспечивающих повышение
качества и конкурентоспособности продукции.
К основным задачам Государственной программы «Качество» можно
отнести следующие:
- реализацию на практике нормативных правовых и технических нормативных правовых актов в области технического нормирования и стандартизации;
- проведение сертификации продукции, систем менеджмента качества,
систем управления окружающей средой с целью подтверждения их соответствия государственным и международным требованиям;
- обеспечение внедрения на предприятиях республики ресурсосберегающих и энергоэффективных технологий;
- стимулирование создания новых видов конкурентоспособных товаров;
- развитие технического нормирования и стандартизации, в том числе в
области ресурсо- и энергосбережения;
- совершенствование системы образования и подготовки кадров в области
качества;
- совершенствование форм и методов управления качеством на всех
уровнях управления;
- развитие системы подтверждения соответствия продукции, услуг,
систем управления, персонала с учетом международных требований;
- создание ТНПА, обеспечивающих функционирование систем Аккредитации и подтверждения соответствия;
- совершенствование информационного обеспечения в области качества
и конкурентоспособности;
- активизацию пропаганды в области управления качеством во всех
сферах деятельности.
Выполнение мероприятий Государственной программы, финансируемых
из средств республиканского бюджета, осуществляется на основании договоров, заключаемых исполнителями с государственным заказчиком
программы – Госстандартом РБ. Требования к качеству на международном
уровне определены стандартами серии ИСО 9000.
4.2 Международные стандарты серии ИСО 9000
Качество не может быть гарантировано только путем контроля готовой
продукции. Оно должно обеспечиваться уже в процессе изучения требований
рынка, на стадии проектных и конструкторских разработок, при выборе поставщиков сырья, материалов и комплектующих изделий, на всех стадиях производства и при реализации продукции, ее техобслуживания в процессе эксплуатации потребителем и утилизации после использования.
В настоящее время наиболее эффективной моделью качества является
модель Всеобщего Менеджмента Качества (Total Quality Management – TQM).
В качестве основных идей TQM можно выделить следующие: деятельность
предприятия ориентируется только на удовлетворение требований потребителя;
непрерывное совершенствование всех сфер деятельности предприятия в
области качества; участие каждого работника предприятия в решении проблем
качества; упор на предупреждение несоответствий; качество конечного объекта
– следствие достижения качества на всех предшествующих этапах. При этом
эффективность всеобщего управления качеством зависит от личного участия
высшего руководства предприятия в вопросах, связанных с качеством,
смещения центра тяжести усилий в проблеме качества в сторону человеческих
ресурсов и преобразования организационной структуры под всеобщий
менеджмент качества.
С целью разработки единообразного подхода к решению вопросов
управления качеством, устранения различий и гармонизации требований на
международном уровне в составе ИСО был создан технический комитет ТК 176
«Управление качеством и обеспечение качества», результатом деятельности
которого явилось появление пяти стандартов серии ИСО 9000, посвященных
регламентации деятельности в области менеджмента качества, а также
трехъязычный словарь терминов и определений в области качества.
В стандартах серии ИСО 9000 установлены основные требования по
созданию общих программ управления качеством в промышленности и в сфере
обслуживания (банковское дело, больницы, гостиницы, рестораны и т.д.).
Установив конкретные требования к системам обеспечения качества, они положили начало процедурам разработки, внедрения и сертификации систем кАчества, в результате чего появилось новое самостоятельное направление менеджмента – менеджмент качества – деятельность руководства предприятия
или организации, направленная на создание таких условий производства, которые необходимы и достаточны для выпуска качественной продукции. В свою
очередь система менеджмента качества (СМК) – система менеджмента для
руководства и управления организацией применительно к качеству. Общее
руководство качеством осуществляется с помощью системы качества – совокупности организационной структуры, процедур, процессов и ресурсов,
необходимых для осуществления менеджмента качества.
Основополагающим в серии указанных стандартов является МС ИСО 9000
«Общее руководство качеством и стандарты по обеспечению качества.
Руководящие указания по выбору и применению». Он содержит основные
принципы реализации политики руководства и обеспечения качества; разъясняет взаимосвязь между различными понятиями в области качества и
определяет правила использования трех моделей качества,
приведенных в ИСО 9001, ИСО 9002, ИСО 9003. В данном стандарте
введено новое понятие: представление заказчику доказательств того, что система качества и продукция поставщика (изготовителя) соответствует установленным требованиям.
МС ИСО 9001 «Система качества. Модель для обеспечения качества при
проектировании и(или) разработке, производстве, монтаже и обслуживании»
оговаривает требования в отношении системы качества, которые применяются,
если контракт, заключаемый двумя сторонами, требует, чтобы была продемонстрирована способность поставщика разрабатывать и поставлять продукцию.
МС ИСО 9002 «Система качества. Модель для обеспечения качества при
производстве и монтаже» устанавливает требования по качеству, которые
применяются, если по контракту, заключенному между двумя сторонами,
поставщик должен продемонстрировать свою способность осуществлять надзор
за технологическими процессами, являющимися решающими при приемке
конечного продукта.
МС ИСО 9003 «Система качества. Модель для обеспечения качества при
окончательном контроле и испытаниях» оговаривает требования, которые
применяются, если по контракту, заключаемому между двумя сторонами,
поставщик долен продемонстрировать способность осуществлять контроль и
окончательные испытания для решения вопроса о приемке конечного продукта.
Из трех моделей системы качества наиболее жесткой для поставщика
является модель согласно МС ИСО 9001, так как он должен доказать заказчику,
что не только поставка отвечает сформулированным требованиям, не только
его производственный аппарат позволит ему выполнить требуемую поставку,
но и что он (поставщик) может осуществлять надзор за требуемой поставкой с
момента ее разработки. Эта модель является наиболее полной, так как она
охватывает все стадии жизненного цикла продукции.
Первичным этапом при создании на предприятии (СМК) является
формулирование и документальное оформление руководством предприятия
политики в области качества – основных направлений и целей предприятия в
области качества, официально сформулированных руководством предприятия.
Политика в области качества формулируется в виде направлений деятельности
или стратегической цели и предусматривает улучшение экономического
состояния предприятия; расширение рынков сбыта; достижение нового
технического уровня продукции; ориентацию на удовлетворение требований
потребителей; освоение принципиально новых изделий; улучшение показателей качества продукции; снижение уровня дефектности продукции; увеличение сроков гарантии на продукцию; развитие сервиса.
1 Маркетинг, поиски
и изучение рынка
2 Проектирование и
разработка технических
требований, разработка
продукции
9 Монтаж и
эксплуатация
8 Реализация и
распределение
3 Материальнотехническое снабжение
Изготовитель
(поставщик)
10 Техническая помощь
в обслуживании
Потребитель
(заказчик)
11Утилизация после
использования
4 Подготовка и
разработка
производственных
процессов
5 Контроль, проведение
испытаний
7 Упаковка и хранение
6 Производство
Рисунок 5.1 – Типичные этапы жизненного цикла продукции (петля качества)
Система качества разрабатывается с учетом конкретной деятельности
предприятия, но в любом случае она должна охватывать все стадии жизненного цикла продукции – так называемой «петли качества» (рисунок 5.1).
СМК должна обеспечивать управление качеством на всех этапах жизненного цикла продукции; обеспечить участие всех работников предприятия в
управлении качеством; устанавливать ответственность руководства; обеспечивать неразрывность деятельности по качеству с деятельностью по снижению
затрат; обеспечивать проведение профилактических проверок по предупреждению несоответствий и дефектов; обеспечивать обязательность выявления дефектов и препятствовать их допуску в производство и к потребителю; устанавливать порядок проведения периодических проверок, анализа и совершенствования системы; устанавливать и обеспечивать порядок документального
оформления всех процедур системы.
4.3 Охрана окружающей среды (ISO 14001)
Появление в 1996 году ISO 14001 — первого международного стандарта из
серии ISO 14000, содержащего требования к системе экологического
менеджмента,
обусловлено
необходимостью
оценки
эффективности
существующих систем экологического менеджмента на разных предприятиях и
компаниях в разных странах мира по единым объективным критериям и
облегчения задач предприятий имеющих намерения создать систему
экологического менеджмента.
До ISO 14001 уже были разработаны национальные стандарты по системе
экологического менеджмента (BS 7750, EMAS), но ISO 14001 является первым
международным стандартом в данной области. Серия ISO 14000 также связана
с выпущенной ранее серией ISO 9000, устанавливающей требования к системе
менеджмента качества.
Серия ISO 14000 включает следующие стандарты (здесь мы
рассматриваем только стандарты, переведенные на русский язык и принятые в
России в качестве национальных стандартов — серии ГОСТ Р ИСО 14000):
ISO 14001
Системы экологического менеджмента. Требования и
руководство по использованию
ISO 14004
Системы экологического менеджмента. Общее руководство по
принципам и методам
ISO 14010
Руководящие указания по экологическому аудиту. Общие
принципы
ISO 14011
Руководящие указания по экологическому аудиту. Процедуры
аудита. Проведение аудита систем экологического
менеджмента
ISO 14012
Руководящие указания по экологическому аудиту. Критерии
квалификации аудиторов систем экологического менеджмента
ISO 14040
Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла.
Принципы и структура
ISO 14050
Глоссарий
Из серии ISO 14000 (ГОСТ Р ИСО 14000) только стандарт ISO 14001
(ГОСТ Р ИСО 14001) содержит требования к системе экологического
менеджмента. Сертификация проходит только по этому стандарту.
Остальные стандарты данной серии призваны дополнять стандарт ISO
14001. Например, ISO 14004 содержит более развернутое руководство по
созданию системы экологического менеджмента, серия документов 14010 14012 определяет принципы аудита СЭМ.
В соответствии со стандартом ISO 14001 (ГОСТ Р ИСО 14001), под
воздействием на окружающую среду понимается не только воздействие
оказываемое в результате производственной деятельности предприятия, но и
воздействие оказываемое продукцией или услугами. В связи с этим был
разработан стандарт ISO 14040, описывающий методологию и принципы
оценки жизненного цикла продукции.
Стандарт ISO 14050 содержит все определения, используемые в
стандартах серии ISO 14000.
ISO 14001 является исключительно добровольным стандартом. Данный
стандарт содержит общие "рамочные" требования к системе экологического
менеджмента и не содержит требований к результатам природоохранной
деятельности, такие требования предприятие устанавливает само в своей
экологической политике (в общем виде) и программе экологического
менеджмента (конкретные значения). Например, в соответствии с ISO 14001,
два
предприятия,
занимающиеся
аналогичной
деятельностью,
но
демонстрирующие различные результаты экологической деятельности могут
оба соответствовать стандарту.
Само по себе формальное внедрение стандарта ISO 14001 еще не
гарантирует автоматического решения всех природоохранных задач на
предприятии.
Эффективность
применения
системы
экологического
менеджмента, которую уже принято рассматривать в качестве своеобразного
инструмента регулирования отрицательного воздействия предприятия на
окружающую среду, зависит, прежде всего, от активности руководства
предприятия и вовлечения всего персонала в данную деятельность.
Сертификация систем управления организаций Республики Беларусь
проводится на соответствие требованиям СТБ ИСО 9001-2001, СТБ ИСУ/ТУ
16949-2003, СТБ ИСО 14001-2005 , СТБ 18001-2005, СТБ ИСО 22000-2006 и
СТБ 1470-2004
4.4 Система менеджмента здоровья и безопасности (OHSAS 18001:1999)
Стандарт OHSAS 18001:1999 «Система менеджмента здоровья и
безопасности» ориентирован на создание системы управления охраной труда
организации, как составной части общей системы менеджмента компании.
Международный стандарт OHSAS 18001:1999 был разработан при
участии национальных органов по стандартизации ряда стран –
Великобритании, Японии, ЮАР, Ирландии, а также фирм и исследовательских
организаций.
Требования стандарта применимы к организациям всех типов,
независимо от конкретного сектора экономики (отрасли промышленности). На
разработку и внедрение системы управления охраной труда оказывают
определенное влияние область деятельности организации, ее конкретные
задачи, выпускаемая продукция и оказываемые услуги, а также используемые
технологические процессы, оборудование, средства индивидуальной и
коллективной защиты работников и практический опыт деятельности в области
охраны труда.
Система менеджмента предприятия, построенная и сертифицированная в
соответствии с требованиями OHSAS 18001, позволяет предприятию
(организации) создать систему менеджмента здоровья и безопасности,
позволяющую:
- осуществлять контроль за опасными производственными факторами
- управлять рисками, возникающими в процессе производственной
деятельности
- предотвращать возникновение инцидентов, аварий, нештатных
ситуаций
- снижать потери от несоответствующей деятельности
- интегрироваться с действующими на предприятии системами
менеджмента
- внести положительные изменения в имидж предприятия.
Стандарт OHSAS 18001 был специально разработан совместимым со
стандартами систем менеджмента ISO 9001:2000 (относящийся к качеству) и
ISO 14001:2004 (относящийся к окружающей среде) с целью облегчения
интеграции систем менеджмента качества, производственной безопасности и
экологического менеджмента в организациях, если они захотят это сделать.
Среди корпораций, внедривших стандарты системы менеджмента
здоровья и безопасности на производстве можно выделить мировых лидеров
различных индустрий: General Motors - лидер мирового автомобилестроения,
G&A Engineering - лидер в сфере производства микроэлектронных устройств
для космоса, HP - лидер производства компьютеров и оргтехники, ABB - лидер
в сфере энергетики.
4.5 Система менеджмента социальной среды (SA 8000)
Началу 60-х годов прошлого столетия было присуще массовое
потребление, в конце 70-х покупатели стали требовать, чтобы приобретаемые
ими товары соответствовали установленному качеству, в 80-е годы они хотели,
чтобы товары были экологически чистыми, а в конце 90-х стала обязательной
социальная ответственность производителей. Потребителей заботят не только
цена, качество и удобство, но также права рабочих и та обстановка, в которой
создаются эти товары.
Однако это волнует не только потребителей, но и инвесторов, и
правительства. У них возникает множество вопросов, а именно: была ли эта
рубашка произведена на предприятии, где существует «потогонная система»;
сделан ли этот мяч бросившим школу ребенком; были ли рабочие, собравшие
эти бананы, подвергнуты вредному воздействию пестицидов; соблюдает ли
компания, произведшая этот ботинок, определенный кодекс поведения? От
того, как работодатели относятся к рабочей среде, зависят и условия труда, и
производственная обстановка, и конечные результаты.
Исследования показывают, что большой процент потребителей и
инвесторов по всему миру при оценке деятельности компаний обращают самое
пристальное внимание на социальные аспекты и рабочую среду. Для того
чтобы соответствовать все возрастающим требованиям к социальной и рабочей
сфере, предприятиям необходим системный подход, при котором политика
предприятия и нормы трудовой и общественной этики не будут противоречить
друг другу.
Многие международные организации, профсоюзы, общества по защите
прав человека прилагают огромные усилия, чтобы искоренить ущемления прав
работников, связанные с состоянием их рабочих мест и условий труда. Одна из
таких организаций «Международная социальная ответственность» (Social
Accountability International SAI). Это международная неправительственная
организация по правам человека, деятельность которой направлена на
улучшение рабочей среды и общества посредством разработки и внедрения
стандартов социальной ответственности. Системный подход организации в
рассматриваемой области базируется на доверии, верификации (контроле) и
открытости.
В 1996 г. SAI созвала международный консультативный совет, состоящий
из многих заинтересованных сторон, для разработки SA 8000 стандарта на
систему социального и этического менеджмента (ССиЭМ), применяемого на
добровольной основе. Его требования базируются на конвенциях
Международной службы труда (International Labour Office ILO) и других
организаций по защите прав человека, а независимая система верификации
основана на процедурах, применяемых при сертификации по стандартам ISO
серий 9000 и 14000. Стандарт SA 8000 может быть применен к любой
организации, независимо от ее размера и формы собственности.
Сертификация ССиЭМ на соответствие требованиям стандарта SA 8000 будет
служить гарантом того, что продукция (услуги) произведена (оказаны) в
соответствии с общепринятым и социально приемлемым набором ценностей.
Предприятия, разработавшие ССиЭМ, соответствующие требованиям
стандарта SA 8000, име-ют конкурентное преимущество, которое заключается в
высокой мотивации сотрудников. Стандарт позволяет предприятиям делать то,
что они делают лучше всего, а именно, применять систему менеджмента для
достижения намеченных целей, обеспечивая при этом постоянную
рентабельность. ССиЭМ, соответствующая требованиям стандарта SA 8000,
является дополнением системы менеджмента качества, отвечающей
требованиям ISO серии 9000, системы экологического менеджмента (ISO
14000). Их создание это основа формирования интегрированной системы
управления, позволяющей сокращать риски и повышать прибыльность
предприятия.
Применение стандарта SA 8000 дает предприятиям преимущества в виде
повышения отдачи от каждого рабочего места, что в итоге приведет к
увеличению эффективности производства и расширению возможностей
торговли по всему миру. Выгода для работников также очевидна это
повышение производительности труда, снижение числа аварий на
производстве, сохранение здоровья персонала и т. д. Стандарт SA 8000 понастоящему универсальный стандарт, являющийся сегодня наиболее
доступным инструментом, способствующим улучшению качества жизни
работников и процветанию предприятия.
4.6 Законодательная и нормативная база подтверждения
соответствия
Согласно Закону Республики Беларусь «О защите прав потребителей» от
9.01.2002 г. №90-3 с изменениями и дополнениями от 4.01.2003 г. № 183-3
граждане имеют право на государственную защиту своих интересов, надлежащее качество товаров, безопасность товаров, полную и достоверную информацию о товарах, возмещение в полном объеме ущерба, причиненного товаром
ненадлежащего качества, обращение в суд и другие уполномоченные государственные органы за защитой нарушенных прав или охраняемых законом
интересов. С целью реализации требований, регламентированных данным Законом, в нашей стране создана и функционирует Национальная система подтверждения соответствия Республики Беларусь (НСПС РБ) – установленная
совокупность объектов оценки соответствия, нормативных правовых актов и
технических нормативных правовых актов в области технического нормирования и стандартизации, определяющих правила и процедуры подтверждения
соответствия и функционирования системы в целом.
Оценка соответствия (испытания, измерения, подтверждение
соответствия, аккредитация и контроль) – деятельность по определению
соответствия объектов оценки соответствия требованиям технических нормативных правовых актов в области технического нормирования и стандартизации.
Целями Национальной системы подтверждения соответствия Республики
Беларусь являются
- удостоверение соответствия объектов оценки соответствия требованиям
ТНПА;
- содействие потребителям в компетентном выборе продукции (услуг);
- защита отечественного рынка от недоброкачественной и небезопасной
продукции;
- снижение технических барьеров в торговле;
- содействие повышению качества и конкурентоспособности отечественной продукции.
Оценка соответствия соблюдает принципы гармонизации с международными и межгосударственными (региональными) подходами, идентичности правил и процедур изготовления продукции отечественного и иностранного производства, конфиденциальности.
НСПС предусматривает следующие виды деятельности:
- сертификация продукции – форма подтверждения соответствия, осуществляемая аккредитованным органом по сертификации;
- декларирование соответствия продукции - форма подтверждения соответствия, осуществляемого изготовителем (продавцом);
- сертификация услуг;
- сертификация систем управления качеством: систем менеджмента
качества (СМК), систем качества на основе принципов анализа рисков и критических контрольных точек (НАССР), принципов надлежащей производственной практики (GMP), систем управления окружающей средой (систем
экологического менеджмента) и других систем управления;
- сертификация профессиональной компетентности персонала (сертификация персонала);
- инспекционный контроль за сертифицированной продукцией, услугами, системами управления и персоналом;
- подготовка и сертификация экспертов-аудиторов по качеству;
- организационно-методическая помощь в области подтверждения соответствия;
- ведение реестра НСПС РБ;
- ведение Государственного кадастра служебного и гражданского оружия и боеприпасов.
Содержание документов
Основные пользователи
документов
Руководство
предприятия,
покупатели
Службы и
подразделения
предприятия
РК
(уровень А)
Процедуры (стандарты
предприятия) по этапам
петли качества
(уровень Б)
Персонал
Рабочие инструкции,
справочники, учетная
документация по качеству
(уровень В)
Описание
системы
качества
Описание работ,
необходимых
для реализации
элементов
системы
качества
Подробные
рабочие
инструкции
Рисунок 5.2 – Пирамида документов системы качества
Структура НСПС РБ включает
- национальный орган по оценке соответствия Республики Беларусь;
- Совет НСПС;
- Апелляционный Совет НСПС;
- аккредитованные органы по сертификации продукции;
- аккредитованные органы по сертификации услуг;
- аккредитованные органы по сертификации систем управления качеством;
- аккредитованные органы по сертификации систем управления окружающей средой;
- аккредитованные органы по сертификации персонала;
- организационно-методические центры по подтверждению соответствия;
- уполномоченные центры подготовки экспертов-аудиторов по качеству;
- штат экспертов-аудиторов по качеству.
Деятельность по подтверждению соответствия регулируется и обеспечивается Законами Республики Беларусь «Об оценке соответствия требованиям технических нормативных правовых актов в области технического
нормирования и стандартизации», «Об обеспечении единства измерений», «О
защите прав потребителей», указами Президента и нормативными актами
Правительства Республики Беларусь, подзаконными актами, направленными на
решение отдельных социально-экономических задач, предусматривающими
использование обязательного подтверждения соответствия
Нормативно-техническую базу подтверждения соответствия Республики
Беларусь составляют следующие технические кодексы установившейся
практики (ТКП):
- ТКП 5.1.01-2004 «Национальная система подтверждения соответствия
Республики Беларусь. Основные положения»;
- ТКП 5.1.02-2004 «Национальная система подтверждения соответствия
Республики Беларусь. Порядок проведения сертификации продукции.
Основные положения»;
- ТКП 5.1.03-2004 «Национальная система подтверждения соответствия
Республики Беларусь. Порядок декларирования соответствия продукции.
Основные положения»;
- ТКП 5.1.04-2004 «Национальная система подтверждения соответствия
Республики Беларусь. Порядок сертификации услуг. Основные положения»;
- ТКП 5.1.05-2004 «Национальная система подтверждения соответствия
Республики Беларусь. Порядок сертификации систем менеджмента качества.
Основные положения»;
- ТКП 5.1.06-2004 «Национальная система подтверждения соответствия
Республики Беларусь. Порядок сертификации компетентности персонала.
Основные положения»;
- ТКП 5.1.08-2004 «Национальная система подтверждения соответствия
Республики Беларусь. Правила маркировки знаком соответствия. Основные
положения»;
- ТКП 5.1.09-2004 «Национальная система подтверждения соответствия
Республики Беларусь. Порядок сертификации экспертов-аудиторов по
качеству»;
- ТКП 5.1.10-2004 «Национальная система подтверждения соответствия
Республики Беларусь. Порядок ведения реестра»;
- ТКП 5.1.11-2004 «Национальная система подтверждения соответствия
Республики Беларусь. Порядок применения форм и схем подтверждения
соответствия требованиям технических нормативных правовых актов в области
технического нормирования и стандартизации».
Основным законом в области сертификации является Закон Республики
Беларусь «Об оценке соответствия требованиям технических правовых актов в
области технического нормирования и стандартизации от 5 января 2004 г. № 269-3.
Основное содержание этого Закона включает в себя следующие положения.
1 Подтверждение соответствия может носить обязательный или добровольный характер.
2 Обязательное подтверждение соответствия осуществляется в формах
обязательной сертификации (продукции, услуг, систем управления качеством,
персонала) или декларирования соответствия.
Обязательная сертификация – это деятельность соответствующих органов и субъектов хозяйствования по подтверждению соответствия продукции
показателям, обеспечивающим безопасность для жизни, здоровья и имущества
граждан, а также охрану окружающей среды, и другим показателям, установленным законодательством Республики Беларусь.
К требованиям безопасности относятся обязательные требования,
установленные в законодательных актах или стандартах, которые направлены
на обеспечение жизни, здоровья потребителей и охрану окружающей среды,
предотвращающие нанесение вреда имуществу потребителей.
Декларация о соответствии – документ, в котором изготовитель (продавец) удостоверяет соответствие производимой и(или) реализуемой продукции
требованиям технических нормативных правовых актов в области технического
нормирования и стандартизации.
Декларирование соответствия осуществляется только в отношении
продукции.
3 Добровольное подтверждение соответствия осуществляется только посредством добровольной сертификации. Добровольная сертификация – это
деятельность соответствующих органов и субъектов хозяйствования по подтверждению соответствия продукции показателям, по которым законодательством Республики Беларусь проведение обязательной сертификации не
предусмотрено.
4 Обязательному подтверждению соответствия подлежат объекты оценки
соответствия, включенные в перечень продукции, услуг, персонала и иных
объектов оценки соответствия, включенные в Перечень продукции, услуг,
персонала и иных объектов оценки соответствия, подлежащих обязательному
подтверждению соответствия в Республике Беларусь.
Государственное управление и регулирование в области оценки соответствия осуществляется Президентом Республики Беларусь, Советом Министров, Государственным комитетом по стандартизации и иными государственными органами в соответствии с законодательством Республики Беларусь.
Законодательную базу сертификации составляют Законы Республики Беларусь и подзаконные акты, к которым относятся Указы президента Республики Беларусь и постановления Правительства, Постановления Госстандарта и
нормативные акты министерств и ведомств.
Нормативная база сертификации включает в себя организационно-методические документы по правилам и порядку сертификации; ТНПА, на соответствие требованиям которых проводится сертификация, а также нормативные
документы на методы и методики оценки соответствия при сертификации.
Формы оценки соответствия приведены на рисунке 5.3.
Оценка соответствия осуществляется в форме аккредитации и подтверждения соответствия.
Под аккредитацией понимают вид оценки соответствия, результатом
осуществления которого является официальное признание компетентности
юридического лица в выполнении работ по подтверждению соответствия
и(или) проведению испытания продукции.
Аккредитацию проводят калибровочные и испытательные лаборатории,
аккредитованные в Системе аккредитации Республики Беларусь, и органы по
сертификации.
Подтверждение соответствия - это вид оценки соответствия, результатом осуществления которого является документальное удостоверение соответствия объекта оценки соответствия требованиям технических нормативных
правовых актов в области технического нормирования и стандартизации.
Оценка соответствия проводится в виде обязательной и добровольной
сертификации и декларирования соответствия.
ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ
АККРЕДИТАЦИЯ
Калибровочные
и испытательные
лаборатории
Органы по
сертификации
ОЦЕНКА
СООТВЕТСТВИЯ
Декларирование
соответствия
изготовителем
(продавцом)
Обязательная и
добровольная
сертификация
Рисунок 5.3 – Формы оценки соответствия
4.7 Сертификация продукции
Общие требования к порядку проведения сертификации отечественной и
импортируемой продукции при обязательной и добровольной сертификации
установлены в ТКП 5.1.02.
Обязательная сертификациz проводится на соответствие продукции,
услуг, персонала и иных объектов оценки соответствия требованиям безопасности для жизни, здоровья и наследственности человека, имущества и охраны
окружающей среды, установленным в законодательных актах Республики Беларусь и ТНПА. Сюда относятся, в частности, бытовые электрические приборы,
бытовая электронная аппаратура с питанием от сети переменного тока, часы,
игровое оборудование для проведения азартных игр, светотехнические изделия,
медицинские аппараты с питанием от сети переменного тока, стоматологическое оборудование, средства связи индивидуального и общего пользования,
программные средства, используемые для создания, обработки и защиты электронных документов при проведении безналичных расчетов в автоматизированной системе межбанковских расчетов, программные средства, используемые
для создания, обработки и защиты электронных документов в системе «Клиент
– Банк».
Добровольная сертификация проводится по инициативе заявителя на сертификацию. При этом заявитель самостоятельно выбирает ТНПА, на соответствие которым осуществляется добровольная сертификация, и определяет номенклатуру показателей, проверяемых при ее проведении, куда обязательно
включаются показатели безопасности, если они установлены в ТНПА для
данной продукции.
Схемы сертификации, применяемые в НСПС, основаны на схемах,
принятых в Международной организации по стандартизации (ИСО).
Схема подтверждения соответствия – установленная последовательность действий, результаты которых рассматриваются в качестве доказательств
соответствия объекта оценки соответствия требованиям ТНПА в области технического нормирования и стандартизации. Схема сертификации (декларирования соответствия) – схема подтверждения соответствия, используемая при
сертификации (декларировании соответствия).
При обязательной сертификации определенных видов продукции применяемые схемы сертификации установлены в техническом регламенте, а в
случае, если они в нем не установлены либо технический регламент отсутствует, – в ТНПА, утвержденных Госстандартом.
В зависимости от вида продукции приняты следующие схемы
сертификации:
- схема 1 – для продукции, поставляемой по контракту периодически
малыми партиями в течение одного года с проведением инспекционного
контроля по решению органа по сертификации;
- схема 3а – для продукции серийного и массового производства;
- схема 6а – для продукции серийного и массового производства при наличии сертифицированной в Национальной системе подтверждения соответствия Республики Беларусь системы менеджмента качества;
- схема 7 – для партии продукции;
- схема 8 – для изделий, представляющих большую опасность для жизни
человека, или для изделий, выход из строя которых может привести к катастрофе, а также единичных образцов уникальных изделий;
- схема 9 – для единичных изделий и опытных образцов, а также малых
партий изделий, подлежащих обязательной сертификации, в том числе приобретаемых для собственных нужд предприятия, если безопасность заявленной
продукции подтверждается документами, предусмотренными в НСПС РБ.
Сертификация в зависимости от схемы включает в себя следующие
процедуры:
- подачу заявки на сертификацию и представление документов, прилагаемых к ней;
- принятие решения по заявке;
- анализ ТНПА, конструкторской и технологической документации на
продукцию;
- идентификацию продукции и отбор образцов продукции;
- испытания образцов продукции;
- анализ состояния производства;
- анализ результатов испытаний, анализ состояния производства и принятие решения о возможности выдачи сертификата соответствия;
- регистрацию и выдачу сертификата соответствия, а также заключение
соглашения по сертификации между органом по сертификации и заявителем;
- инспекционный контроль за сертифицированной продукцией (в соответствии со схемой сертификации);
- разработку заявителем корректирующих мероприятий при нарушении
соответствия продукции и (или) условий производства и хранения установленным требованиям и неправильном применении знака соответствия.
Конкретную схему сертификации выбирает орган по сертификации с учетом особенностей производства, испытаний, поставки и использования продукции, а также требуемого уровня доказательности. Схемы добровольной сертификации определяются органом по сертификации продукции по согласованию с
заявителем.
Для проведения сертификации продукции заявитель направляет заявку в
один из органов по сертификации конкретной продукции, а при его отсутствии
на момент подачи заявки – в Национальный орган по оценке соответствия Республики Беларусь. К заявке для продукции серийного производства прилагаются следующие документы:
- ТНПА на продукцию (в случае необходимости);
- сертификат на СМК (при наличии);
- протоколы испытаний (при наличии);
- дополнительную информацию о качестве и производстве продукции;
- документы, предусмотренные законодательными актами Республики Беларусь (лицензии, разрешения и т.д.).
Номенклатура подаваемых документов определяется схемой проведения
сертификации.
Далее в течение не более 5 рабочих дней орган по сертификации проводит анализ поданных документов и принимает решение, которое направляет
заявителю. В решении содержится схема сертификации продукции, указания по
отбору образцов продукции, перечень ТНПА, на соответствие которым проводится сертификация, наименование аккредитованной испытательной лаборатории (центра), исполнитель анализа состояния производства и условий оплаты
работ по сертификации.
При отрицательных результатах анализа заявителю сообщается, что необходимо приложить к заявке или исправить в ней, а также причину отказа.
На основании протоколов испытаний, результатов идентификации продукции, результатов анализа состояния производства, сертификата на соответствие менеджмента качества и информации от государственных органов, осуществляющих контроль качества и безопасности сертифицируемой продукции,
по результатам проведенных процедур в соответствии с принятой схемой сертификации орган по сертификации принимает решение о выдаче (невыдаче)
сертификата соответствия.
Сертификат соответствия и приложение (при наличии) оформляются на
специальных бланках, подписываются руководителем по органа по сертификации и экспертом-аудитором по качеству. Подписи закрепляются печатью органа по сертификации. Срок действия сертификата соответствия на продукцию
серийного и массового производства устанавливается до 3 лет, при этом срок
действия сертификата на продукцию может отличаться от срока действия сертификата на СМК. Если сертификата на СМК в установленном порядке не будет продлен, действие сертификата соответствия на продукцию отменяется.
При отрицательных результатах работ по оценке соответствия орган по сертификации выдает заявителю письменное заключение указанием причин отказа в
выдаче сертификата соответствия.
На сертифицированную продукцию серийного и массового производства
могут наноситься знаки соответствия, установленные ТКП 5.1.08 (рисунок 5.4).
При этом знак соответствия проставляется на изделие и (или) этикетку (ярлык),
тару, потребительскую упаковку, сопроводительную техническую документацию.
Применением знака соответствия считается также использование его в
рекламе, печатных изданиях, на официальных бланках, вывесках, при демонстрации экспонатов на выставках.
Орган по сертификации, выдавший сертификат соответствия, осуществляет периодический инспекционный контроль сертифицированной продукции. Внеплановый инспекционный контроль сертифицированной продукции
осуществляется в случае поступления от потребителей, торговых организаций
или государственных органов, осуществляющих контроль безопасности и
качества продукции, претензий к качеству продукции, на которую выдан
сертификат соответствия.
В рамках национальной системы подтверждения соответствия
Республики Беларусь предусмотрена процедура признания сертификата,
выданного в рамках систем подтверждения соответствия (систем
сертификации) других государств, к которым присоединилась Республика
Беларусь и с которыми заключено соглашение о взаимном признании
результатов сертификации. Иностранный сертификат соответствия на
продукцию признается, если он правильно и в достаточной мере отражает
требования
безопасности
и
другие
требования,
предусмотренные
законодательными актами Республики Беларусь в ТНПА на ввозимую по
прямым поставкам продукцию, а также если получены положительные
результаты
идентификации
продукции.
При
этом
осуществляет
переоформление иностранного сертификата на сертификат соответствия НСПС
РБ на продукцию серийного и массового производства. Признание
иностранного сертификата соответствия на отечественную продукцию
серийного и массового производства включает дополнительно проведение
инспекционного контроля производства.
На продукцию, произведенную в третьих странах, сертификаты
соответствия, выданные в системах подтверждения соответствия стран, с
которыми подписано соглашение о взаимном признании сертификата
соответствия, не признаются. В обоснованных случаях Национальный орган по
оценке соответствия Республики Беларусь сможет принять решение о
признании сертификата соответствия на партию продукции, произведенную в
третьих странах.
В отдельных случаях орган по сертификации может принять решение о
проведении испытаний.
Обязательная
сертификация
продукции
(услуг)
Добровольная
сертификация
продукции
(услуг)
ИСО 9001
Сертификация систем
менеджмента качества по
ИСО 9001
Рисунок 5.4 – Знаки соответствия, применяемые в рамках Национальной
системы подтверждения соответствия Республики Беларусь
4.8 Декларирование соответствия продукции
Одной из форм обязательного подтверждения соответствия является
декларирование соответствия продукции.
Декларирование соответствия продукции проводится на соответствие
показателям безопасности для жизни, здоровья и наследственности человека,
имущества и окружающей среды и другим показателям, установленным для
данной продукции в Законодательных актах Республики Беларусь. Основанием
для декларирования являются собственные доказательства или доказательства,
полученные с участием аккредитованного органа по сертификации и (или)
аккредитованной испытательной лаборатории или центра. Оно осуществляется
изготовителями (продавцами) продукции, зарегистрированной в установленном
порядке в Республике Беларусь, а в отношении продукции, включенной в
Перечень продукции, услуг, персонала и иных объектов, подлежащих
обязательному подтверждению соответствия, - заявителями на подтверждение
соответствия.
Декларирование соответствия продукции включает следующие виды
работ:
- формирование заявителем комплекта документов, подтверждающих соответствие продукции техническому регламенту или при его отсутствии другому ТНПА на данный вид продукции, в том числе протоколов испытаний, проведенных в испытательной лаборатории заявителя;
- испытания образцов продукции в аккредитованной испытательной лаборатории (центре) – если это предусмотрено схемой декларирования;
- подачу заявителем заявки в орган по сертификации систем управления
качеством и проведение сертификации системы управления качеством - если
это предусмотрено схемой декларирования;
- принятие заявителем декларации о соответствии;
- подачу в орган по сертификации заявки на регистрацию декларации о
соответствии с прилагаемыми документами;
- проверку органом по сертификации полноты представленных документов, а также правильности заполнения декларации о соответствии;
- регистрацию декларации о соответствии;
- информирование о результатах проведения декларирования соответствия;
- инспекционный контроль органом по сертификации систем менеджмента качества за сертифицированной системой менеджмента качества - если это
предусмотрено схемой декларирования;
- контроль за продукцией, соответствие которой подтверждено декларацией о соответствии.
В зависимости от вида продукции декларирование может производиться
по следующим схемам:
- схема 1д – для продукции несложной конструкции, степень потенцииальной опасности которой невысока и показатели безопасности малочувствительны к изменению производственных и (или) эксплуатационных факторов;
- схема 2д – для продукции несложной конструкции, когда проведение
достоверных испытаний типового образца продукции затруднительно для изготовителя, а характеристики продукции имеют большое значение для обеспечения безопасности;
- схема 3д – для продукции простой конструкции, показатели безопасности которой чувствительны к изменению производственных и(или) эксплуатационных факторов, а изготовителю затруднительно обеспечить проведение
достоверных испытаний типового образца продукции;
- схема 4д – для продукции простой конструкции, показатели безопасности которой чувствительны к изменению производственных и (или) эксплуатационных факторов, но соответствие продукции можно отслеживать в процессе
контроля и испытаний;
- схема 5д – для сложной, потенциально опасной продукции, показатели
безопасности которой чувствительны к изменению производственных и (или)
эксплуатационных факторов.
В соответствии со схемой выбирается номенклатура представляемых
документов и объем испытаний.
Основанием для принятия декларации о соответствии являются документы (по выбору заявителя), обеспечивающие полноту доказательности соответствия продукции установленным требованиям, и документы, подтверждающие правомочность заявителя принимать декларацию о соответствии.
К документам, подтверждающим соответствие продукции ТНПА на данный вид продукции, можно отнести, например, конструкторско-технологическую документацию на продукцию, протоколы приемочных, приемо-сдаточных, периодических и других испытаний продукции, иностранные сертификаты
соответствия и (или) протоколы испытаний на конкретную продукцию, сертификаты соответствия, выданные в рамках систем подтверждения соответствия
(сертификации), к которым присоединилась Республика Беларусь и с которыми
заключено соглашение о взаимном признании результатов сертификации, и
другие документы, дающие возможность сделать заключение о соответствии
продукции требованиям ТНПА.
Декларация о соответствии на серийно выпускаемую продукцию принимается на срок исходя из планируемой продолжительности ее выпуска и срока
годности или хранения, но не более чем на 3 года. На партию продукции
декларация о соответствии принимается заявителем на срок исходя из времени
ее реализации срока годности или хранения, но не более чем на 1 год.
4.9 Сертификация услуг
В НСПС предусмотрена добровольная и обязательная сертификация
услуг.
Обязательная сертификация проводится на соответствие требованиям
действующих в Республике Беларусь ТНПА, а также законодательных и нормативных правовых актов, устанавливающих обязательные требования по обеспечению безопасности жизни, здоровья и наследственности человека, имущества
и охраны окружающей среды и другим показателям. Обязательной сертификации подлежат следующие виды услуг:
- услуги по техническому обслуживанию автотранспортных средств;
- риэлторские услуги;
- услуги парикмахерских, имеющих более трех рабочих мест;
- услуги по техническому обслуживанию и ремонту кассовых суммирующих аппаратов и специальных компьютерных систем;
- услуги химической чистки и крашения;
- услуги туроператоров;
- услуги турагентов.
Сертификация услуг проводится по четырем схемам, включающим в себя
оценку исполнителя услуг (персонала), оценку процесса предоставления услуг,
сертификацию систем управления качеством исполнителя услуг, выборочную
проверку результата услуг и инспекционный контроль сертифицированных
услуг и систем управления качеством.
Оценка процесса предоставления услуг в общем случае включает проверку наличия и состояния ТНПА, технологической документации, необходимых
для предоставления услуг; наличия и контроля используемого технологического оборудования, средств контроля и измерений, материалов; состояния и
соответствия материально-технической базы требованиям ТНПА, электропожаро- и взрывобезопасности, санитарным правилам и нормам; наличия
системы контроля и оценки безопасности и качества услуг; наличия и
состояния системы регистрации и учета информации о безопасности и качестве
услуг; соблюдения требований по обеспечению безопасности для жизни, здоровья и наследственности человека, а также сохранности имущества и охраны
окружающей среды при предоставлении услуг; наличия квалифицированного
персонала и информации о представляемых услугах; организации взаимодействия с потребителем услуг; обеспечения условий обслуживания потребителей
и т.д.
4.10 Сертификация компетентности персонала
При проведении сертификации персонала определяется соответствие его
квалификации требованиям, установленным в ТНПА для определенной области
деятельности. Квалификация и уровень квалификации определяются по результатам квалификационного экзамена, проводимого органом по сертификации.
Сертификация персонала возможна в рамках международных и региональных
систем, к которым присоединилась Республика Беларусь и с которыми
заключено соглашение о взаимном признании результатов сертификации.
4.11 Сертификация систем менеджмента качества
Сертификация СМК организуется и проводится для создания уверенности
у потребителей продукции, руководства предприятий, организаций и других
заинтересованных сторон в том, что организация имеет условия и принимает
меры для выпуска продукции, соответствующей требованиям потребителей и
обязательным требованиям, а также с целью повышения удовлетворенности
потребителей посредством эффективного применения СМК, включая процессы
постоянного ее улучшения.
Общие требования у порядку проведения работ по сертификации СМК
установлены в ТКП 5.1.05-2004.
Сертификация СМК проводится, если она предусмотрена схемой обязательной сертификации или декларирования соответствия продукции (схемы
сертификации 6а, декларирования соответствия 3д, 4д, 5д) или по инициативе
организации. Она включает представление заявки на сертификацию, анализ документов и аудит СМК, инспекционный контроль за сертифицированной СМК.
При проведении сертификационных работ группа по аудиту или экспертаудитор рассматривает и анализирует все представленные документы, а
именно: заявку, исходную информацию, анкету-вопросник, руководство по качеству и обязательные документированные процедуры, необходимые для
управления процессами. Анализ исходной информации проводится с учетом
требований ТНПА на СМК и продукцию, а также сведений о качестве
продукции, полученных из независимых источников.
При положительных результатах оценки документов СМК проводится ее
аудит. По результатам аудита готовится заключение и проводится заклюючительное совещание.
Сбор информации осуществляется методами опроса работников организации, наблюдения за деятельностью и процессами и анализа документов.
Полученная информация верифицируется путем сравнения с информацией из
протоколов испытаний, отчетов и т.д. Свидетельства аудита сопоставляются с
критериями аудита, на основании чего определяются несоответствия и их
значимость. При этом выделяются существенные и несущественные
несоответствия.
Существенное несоответствие – это отсутствие, неприменение или полное нарушение какого-либо требования (критерия) СМК либо другое отклонение от нормативного требования на СМК, устранение которого потребует изменения организационной структуры предприятия, больших материальных затрат,
длительного времени или которое существенно повлияет на качество
продукции.
Несущественное несоответствие – это упущение в выполнении установленных требований (критериев) либо другое отклонение от нормативного требования на СМК, устранение которого не связано с изменением организациионной структуры предприятия, большими материальными затратами и которое
может быть устранено в процессе работы группы по аудиту либо в течение
одного месяца с момента выявления.
СМК признается соответствующей ТНПА, если несоответствия отсутствуют; если имеются несущественные несоответствия; если обнаружены два
или менее существенных и несущественные несоответствия. В этом случае
определяются сроки устранения несоответствий в СМК (не более 6 месяцев).
СМК признается несоответствующей ТНПА, если она содержит три и
более существенных и несущественные несоответствия. В этом случае оценка
СМК организации осуществляется после устранения всех несоответствий (не
ранее чем через 6 месяцев).
По результатам аудита после проведения регламентных процедур Совет
по сертификации принимает решение о выдаче сертификата соответствия
сроком на 3 года. В обоснованных случаях может устанавливаться меньший
срок действия сертификата соответствия, но не менее 2 лет.
Орган по сертификации осуществляет плановый и внеплановый
инспекционный контроль за сертифицированной СМК в течение всего срока
действия сертификата.
5 Основы стандартизации и технического нормирования
5.1 Основные цели и задачи ТНиС
Интеграция Республики Беларусь в мировую экономику, активизация
внешнеэкономической деятельности, продвижение белорусской продукции на
международные рынки, а также задачи социально-экономического развития
страны
обусловили
необходимость
реформирования
технического
законодательства. С активизацией работ по присоединению Республики
Беларусь к Всемирной торговой организации (ВТО), стали проявляться
различия между отечественной и международной практикой технического
нормирования и стандартизации (ТНиС). Основной целью технического
нормирования на международном уровне является ликвидация технических
барьеров в торговле. Соглашениями ВТО предусмотрено установление
обязательных требований в технических регламентах, принимаемых органами
власти, требования же, приведенные в стандартах, носят добровольных характер.
Все эти положения, а также аспекты систем технического регулирования
и стандартизации, действующие в странах Европейского Союза, России и
Украины, были реализованы в Законе Республики Беларусь «О техническом
нормировании и стандартизации».
К наиболее принципиальным положениям, установленным законом, относятся:
- введение государственной функции технического нормирования, в
результате реализации которой создается и принимается технический
нормативный правовой акт (ТНПА) - технический регламент;
- установление принципов ТНиС, соответствующих нормам и правилам
международных организаций по стандартизации (ISO, IEC) и ВТО;
- определение видов ТНПА в области ТНиС: технические регламенты,
технические кодексы, государственные стандарты, стандарты организаций,
технические условия;
- обязательность требований, устанавливаемых в технических
регламентах, которые должны соблюдаться всеми и обеспечивать безопасность
жизни и здоровья людей, сохранность имущества. Государственные стандарты,
перейдя в ранг добровольных, используются для обеспечения соответствия
требованиям технических регламентов;
- разработка стандартов осуществляется преимущественно техническими
комитетами по стандартизации.
Целью ТНиС является обеспечение:
- защиты жизни, здоровья и наследственности человека, имущества и
охраны окружающей среды;
- повышения конкурентоспособности продукции (услуг);
- технической и информационной совместимости, а также взаимозаменяемости продукции;
- единства измерений;
- национальной безопасности;
- устранения технических барьеров в торговле;
- рационального использования ресурсов.
5.2 Основные понятия и определения в области технического
нормирования и стандартизации
Рассмотрим основные термины и определения, установленные Законом
«О техническом нормировании и стандартизации» и СТБ 1500-2004
«Техническое нормирование и стандартизация. Термины и определения».
Объекты технического нормирования (объекты стандартизации) –
продукция, ее жизненный цикл и оказание услуг.
Технические требования – технические нормы, правила, характеристики и
(или) иные требования к объектам ТНиС.
Техническое нормирование – деятельность по установлению обязательных
для соблюдения технических требований, связанных с безопасностью продукции
и ее жизненного цикла.
Безопасность продукции – соответствие продукции техническим
требованиям, предусматривающим отсутствие недопустимого риска причинения
вреда жизни, здоровью и наследственности человека, имуществу и
окружающей среде.
Стандартизация – деятельность по установлению технических требований,
направленная на достижение оптимальной степени упорядочения в области ЖЦП
или оказания услуг в целях их всестороннего и многократного применения в
отношении постоянно повторяющихся задач.
Система технического нормирования и стандартизации (система ТНиС) совокупность ТНПА в области ТНиС, субъектов ТНиС, а также правил и
процедур функционирования системы в целом.
5.3 Принципы ТНиС
Общие принципы ТНиС определены Законом «О техническом
нормировании и стандартизации» и СТБ 1500 и предусматривают:
- обязательность применения технических регламентов;
- доступность – обеспечение свободного доступа для пользователей и
других заинтересованных лиц к информации о технических регламентах,
технических кодексах установившейся практики и государственных стандартах
Республики Беларусь, об их разработке, утверждении, введении в действие,
отмене;
- открытость – организацию и проведение работ по ТНиС на основе
равноправного участия всех заинтересованных субъектов ТНиС в разработке
проектов технических регламентов, технических кодексов установившейся
практики и государственных стандартов Республики Беларусь на гласной и
беспристрастной основе;
- консенсус – общее согласие, характеризующееся отсутствием серьезных
возражений по существенным вопросам у большинства заинтересованных сторон,
достигаемое в результате процедуры, стремящейся учесть мнения всех сторон и
сблизить несовпадающие точки зрения (консенсус не предполагает
обязательного полного единодушия);
- целесообразность разработки – социальную, экономическую и
техническую необходимость разработки технических регламентов, технических
кодексов установившейся практики и государственных стандартов Республики
Беларусь и приемлемость их применения;
- однозначность – краткое, точное, логически последовательное, не
допускающее различных толкований, изложение текста технических
регламентов,
технических
кодексов
установившейся
практики
и
государственных стандартов, необходимое и достаточное для применения;
- комплексность – целенаправленное планомерное установление
взаимоувязанных требований как к самому объекту ТНиС и его составным
частям, так и к другим материальным и нематериальным факторам, влияющим
на объект;
- оптимальность – обеспечение наилучшего сочетания между эффектом
и затратами в определенной области ТНиС или для конкретного объекта ТНиС,
определяемого с позиции обоснованных целей, а также действующих
ограничений и изменений во времени.
- приоритетность в использовании международных и межгосударственных
(региональных) стандартов;
- использование современных достижений науки и техники;
- добровольное применение государственных стандартов.
Последний принцип не означает, что в один день стандарты становятся
добровольными. В переходный период необходимо централизовано обеспечить
безопасность продукции и услуг. Поэтому действующие государственные
стандарты являются обязательными для применения до введения технических
регламентов на те же объекты стандартизации.
5.4 Государственный Комитет по стандартизации Республики Беларусь
(Госстандарт)
В настоящее время Госстандарт является республиканским органом
государственного управления по проведению единой государственной
политики в областях:
- ТНиС;
- метрологии;
- оценки соответствия;
- энергоэффективности;
- по осуществлению надзора в строительстве и контроля соответствия
проектов и смет нормативам и стандартам;
- надзора за рациональным использованием топлива, электрической и
тепловой энергии.
К основным задачам Госстандарта в этих областях деятельности относятся:
- проведение единой государственной политики и управления;
- определение и реализация приоритетных направлений развития;
- защита интересов государства и потребителей, повышение
безопасности, качества, конкурентоспособности продукции (услуг);
- рациональное использование и государственный надзор и контроль за
топливно-энергетическими ресурсами;
- устранение технических барьеров в торговле на основе эффективного
использования всех областей деятельности;
- государственный надзора за соблюдением ТР и государственных
стандартов;
- государственный надзор за средствами измерений;
- осуществление лицензирования соответствующих видов деятельности;
- обеспечение эффективного функционирования и развития системы
ТНиС, Системы аккредитации Республики Беларусь, Системы обеспечения
единства измерений, Национальной системы подтверждения соответствия;
- надзор и контроль в строительстве;
- организация и координация работ по международному сотрудничеству.
Госстандарт является головным республиканским органом государственного
управления по сотрудничеству с международными и региональными
организациями, такими как:
Международная организация по стандартизации (ISO, ИСО);
Международная электротехническая комиссия (IEC, МЭК);
Международная организация законодательной метрологии
(OIML, МОЗМ);
Европейская экономическая комиссия Организации
Объединенных Наций (UNECE, ЕЭК ООН);
Межгосударственный совет СНГ по стандартизации,
метрологии и сертификации (EASC, МГС);
Европейская организация по качеству (EOQ, ЕОК);
Евро-Азиатское сотрудничество государственных
метрологических учреждений (COOMET, КООМЕТ);
Генеральная конференция мер и весов - высший орган
Метрической конвенции (BIMP, ГКМВ);
Международная организация по сотрудничеству в области
аккредитации лабораторий (ILAC).
5.5 Виды технических нормативных правовых актов
Понятие «технический нормативный правовой акт» (ТНПА),
применяемое в нормативной деятельности Республики Беларусь значительно
шире, чем то, которое подпадает под действие Закона «О техническом
нормировании и стандартизации». На рис. 6.1 приведена классификация ТНПА
в широком смысле в соответствии с Законом Республики Беларусь «О
нормативных правовых актах».
Технические нормативные правовые акты
(ТНПА)
В области ТНиС
Технические
регламенты (ТР)
Технические кодексы
установившейся
практики (ТКП)
Государственные
стандарты (СТБ, ГОСТ)
Стандарты
организаций (СТП)
В других областях
Авиационные правила
Зоологические, ветеринарные,
ветеринарно-санитарные
нормы и правила
Санитарные нормы, правила
и гигиенические нормативы
Нормы и правила пожарной
безопасности
Государственные
классификаторы техникоэкономической информации
Формы государственных
статистических наблюдений
и указания по их заполнению
Методики по формированию
и расчету статистических
показателей
Инструкции по организации
и проведению выборочных
государственных
статистических наблюдений
Технические условия (ТУ)
Рис. 6.1
Как видно из приведенной классификации, к ТНПА в области ТНиС
относятся только:
- технические регламенты (ТР);
- технические кодексы установившейся практики (ТКП);
- государственные стандарты (СТБ, ГОСТ);
- стандарты организаций (СТП);
- технические условия (ТУ).
В свою очередь стандарты в зависимости от уровня их принятия можно
разделить следующим образом:
- международные;
- региональные (включая межгосударственные);
- государственные (включая предварительные);
- стандарты предприятий.
На декабрь 2007 г. в Республике Беларусь действовало около 22000
государственных стандартов, 100 технических кодексов установившейся
практики, около 16000 технических условий, 3 технических регламента.
5.6 Основные системы стандартов в радиоэлектронике
и информационных технологиях и их характеристика
В настоящее время развитие стандартизации определяет современный
уровень науки и техники и широкое использование информационных
технологий во всех сферах человеческой деятельности. И в радиоэлектронике, в
том числе, как отрасли народного хозяйства, отличающейся не только большим
многообразием и номенклатурой комплектующих изделий и используемых
материалов, но и высокоэффективными технологиями.
На основе комплексной стандартизации в бывшем СССР разработаны и
продолжают функционировать в настоящее время теперь уже на территории
стран СНГ системы межгосударственных стандартов, каждая из которых
охватывает определенную сферу деятельности. Некоторые комплексные
системы стандартов, имеющие широкое применение в радиоэлектронике
приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Наименование и обозначение
Номер системы на
Номер системы на
системы стандартов
межгосударственном национальном уровне
уровне
Межгосударственная система
ГОСТ 1.
стандартизации (МГСС)
Единая система
конструкторской
ГОСТ 2.
документации (ЕСКД)
Единая система
технологической
ГОСТ 3.
документации (ЕСТД)
Система показателей качества
ГОСТ 4.
продукции
Система менеджмента
качества
СТБ ISO 9001
Национальная система
СТБ 5.
подтверждения соответствия
Единая система
классификации и кодирования
технико-экономической и
ГОСТ 6.
СТБ 6.
социальной информации
(ЕСКК ТЭСИ)
Единая система обеспечения
единства измерений (СОЕИ,
ГОСТ 8.
СТБ ГОСТ 8.
СОЕИ РБ)
Система стандартов пожарной
СТБ 11.
безопасности
Продолжение табл. 4.1
Система стандартов
безопасности труда (ССБТ)
Система управления охраной
труда (СУОТ)
Система разработки и
ГОСТ 12.
СТБ 18001
ГОСТ 15.
-
постановки продукции на
производство (СРППП)
Охрана природы
ГОСТ 17.
Система управления
окружающей средой (СУОС)
СТБ ИСО 14001
Единая система программной
ГОСТ 19.
документации (ЕСПД)
Система стандартов в сфере
СТБ 22.
образования
Безопасность в чрезвычайных
ГОСТ 22.
ситуациях
Система технической
ГОСТ 24.
документации на АСУ
Средства измерения и
ГОСТ 26.
автоматизации (СИА)
Надежность в технике
ГОСТ 27.
Информационная технология
(Информационные технологии
ГОСТ 34.
СТБ 34.
и безопасность)
Система аккредитации РБ
ТКП 50.
Приведем краткую характеристику приведенных в табл.4.1 систем
стандартов.
МГСС – комплекс межгосударственных стандартов, устанавливающих
основные положения, термины, определения МГСС, порядок разработки,
принятия, применения, обновления и отмены межгосударственных стандартов.
ЕСКД - комплекс межгосударственных стандартов, устанавливающих
взаимосвязанные правила и положения по порядку разработки, оформления и
обращения конструкторской документации разрабатываемой и применяемой
организациями и предприятиями.
ЕСТД - комплекс межгосударственных стандартов, устанавливающих
взаимосвязь, правила и положения по порядку разработки, оформления и
обращения технологической документации.
СОЕИ
(СОЕИ
РБ)
техническая
документация
(ТНПА),
устанавливающая единую номенклатуру, способы представления и оценки
метрологических характеристических средств измерений, правила выполнения
измерений и оформления их результатов, требования к проведению
государственных испытаний, поверки и экспертизы средств измерений. В
стандартизации СОЕИ устанавливаются разрешения для применения единицы
физических величин, правила их воспроизведения и передачи рабочим
средствам измерений, порядок поверки и аттестации средств измерений.
ССБТ - комплекс взаимосвязанных межгосударственных стандартов,
направленных на обеспечение безопасности труда, сохранения здоровья и
работоспособности в процессе труда. Эти стандарты распространяются на
производственное оборудование, производственные процессы и средства
защиты рабочих.
ЕСПД - комплекс межгосударственных стандартов, устанавливающий
взаимоувязанные правила разработки, оформления и обращения программ и
программной документации. Этот комплекс стандартов позволяет обеспечить
обмен программами и применение ранее разработанных программ в новых
разработках, автоматизировать процесс изготовления и хранения программной
документации.
СИА - комплекс межгосударственных стандартов, учитывающих
потребность в измерениях и автоматизации. И служащие основой нормативного
обеспечения приборостроения. Этот комплекс стандартов распространяется на
средства измерений и автоматизации, изготавливающиеся в различных
отраслях экономики и выполняющие одну или несколько основных функций по
восприятию, преобразованию, измерению, обработки, передачи, хранению,
отображению и использованию информации.
ЕСККТЭСИ
состоит
из
совокупности
взаимосвязанных
классификаторов, технико-экономических классификаций, систем их введения,
научно-методических и нормативно-технических документов по их разработке
введению и внедрению.
Обозначение стандартов входящих в систему состоит из следующих
элементов:
Индекс категории стандарта ГОСТ 2.503-90
Номер системы
Номер группы
Порядковый номер в группе
Год утверждения
5.7 Основы классификации и кодирования информации
Основной целью создания ЕСКК ТЭСИ является стандартизация
информационного обеспечения процессов управления на основе применения
средств вычислительной техники. Объектами классификации и кодирования
являются экономические и социальные объекты и их свойства. ЕСКК ТЭСИ
состоит из совокупности взаимоувязанных классификаторов, систем их
ведения, документов по их разработке, организаций и служб, осуществляющих
работы по классификации и кодированию. Классификатор ТЭСИ – документ,
устанавливающий перечень наименований объектов классификации и их кодов.
Вот некоторые из них, действующие в настоящее время на территории РБ:
Общегосударственный
классификатор
видов
экономической
деятельности (ОКЭД). В основу ОКЭД положен классификатор видов
экономической деятельности ЕС (КДЕС). ОКЭД предназначен для
классификации юридических лиц, их структурных подразделений и
индивидуальных предпринимателей;
- Единый правовой классификатор РБ (ЕПКРБ);
- Справочник бухгалтера РБ (СБРБ);
- ОКРБ 001-94. Общегосударственный классификатор РБ. Предприятия и
организации;
- ОКРБ 002-94. Общегосударственный классификатор РБ. Формы
собственности;
- ОКРБ 003-94. Общегосударственный классификатор РБ. Система
обозначений объектов административно-территориального деления и
населенных пунктов;
- ОКРБ 004-2001. Общегосударственный классификатор РБ. Органы
государственной власти и управления (ОКОГУ);
- ОКРБ 005-2006. Общегосударственный классификатор РБ. Виды
экономической деятельности;
- ОКРБ 006-96. Общегосударственный классификатор РБ. Профессии
рабочих и должности служащих;
- ОКРБ 007-98. Общегосударственный классификатор РБ. Промышленная
и сельскохозяйственная продукция;
- ОКРБ 008-96. Общегосударственный классификатор РБ. Единицы
измерения и счета;
- ОКРБ 009-95. Общегосударственный классификатор РБ. Стандарты;
ОКРБ
010-95.
Общегосударственный
классификатор
РБ.
Унифицированные документы;
- ОКРБ 011-2001. Общегосударственный классификатора РБ.
Специальности и квалификации;
ОКРБ
012-96.
Общегосударственный
классификатора
РБ.
Топографическая информация, отображаемая на топографических картах и
планах городов.
- ОКРБ 014-97. Общегосударственный классификатор РБ. Занятия.
(ОКЗ);
- ОКРБ 015-99. Общегосударственный классификатор РБ. Услуги
населению;
- Единый тарифно-квалификационный справочник работ и профессий
рабочих (ЕТКС);
- ОКРБ 016-99. Общегосударственный классификатор РБ. Валюты;
- ОКРБ 017-99. Общегосударственный классификатор РБ. Страны мира.
5.8 Универсальная десятичная классификация (УДК)
Универсальная десятичная классификация (УДК) существует более 70
лет, но до сих пор не знает себе равных по широте распространения и
используется во многих странах мира. УДК охватывает весь универсум знаний
и успешно применяется для систематизации и последующего поиска самых
разнообразных источников информации. Одной из главных отличительных
особенностей УДК является иерархическое построение разделов по принципу
деления от общего к частному, при котором каждая последующая
присоединяемая цифра индекса уточняет значения предыдущих, обозначая
более частное понятие.
В разделе представлены таблицы официального российского эталона
Универсальной десятичной классификации (УДК) по состоянию на 2001 год.
УДК широко используется во всем мире для систематизации произведений
печати, различных видов документов и организации картотек. Центральной
частью УДК являются основные таблицы, охватывающие весь универсум
знаний и построенные по иерархическому принципу деления от общего к
частному с использованием цифрового десятичного кода.
По содержанию таблицы, представленные в данном разделе,
соответствуют международному полному изданию УДК и продолжают третье
советское издание, выпущенное в 80-х годах, с учётом изменений и
дополнений, принятых Международной федерацией по информации и
документации (МФД) и Консорциумом УДК за период до 2000 г.
включительно.
5.9 Международная классификация изобретений
Классификация изобретений - распределение изобретений по группам в
соответствии с принятой системой. Классификация изобретений часто не
совсем точно называется патентной классификацией, хотя классифицируются
технические решения (изобретения), а патенты (свидетельства) выдаются не
только на изобретения, но и на полезные модели, промышленные образцы,
новые сорта растений и т.д. Перечень групп (рубрик) с указанием
соответствующих индексов называется указателем классов (рубрик)
изобретений. Разработка классификации изобретений началась ещё в 18 в.
одновременно с введением правовой охраны изобретений. Наиболее известны
американская, немецкая, английская, японская, австралийская, кубинская
системы классификации изобретений.
В 1968 была закончена разработка Международной патентной
классификации (МПК), состоящей из 115 классов и 50 тыс. рубрик. В
соответствии со Страсбургской конвенцией 1971 эта классификация
используется в большинстве промышленно развитых стран для индексирования
описаний изобретений. МПК построена по функционально-отраслевому
принципу и используется в качестве основного или дополнительного средства
для единообразного в международном масштабе классифицирования и поиска
информации об изобретениях и полезных моделях.
Каждые пять лет происходит выпуск новой редакции МПК с учетом
накопленных изменений и дополнений к классификации. Восьмая редакция
МПК вступила в силу 1 января 2006 года. Ссылки на опубликованные в
Интернет тексты восьмой редакции МПК:
на русском языке — Web-сайт Российского агентства по патентам и
товарным знакам http://www.fips.ru/ipc8/ipc8_xml.htm;
на английском языке — Web-сайт Всемирной организации
интеллектуальной собственности
http://www.wipo.int/classifications/ipc/ipc8/?lang=en.
С 1970 эта классификация начала применяться в СССР в качестве
государственной классификации изобретений (официальное название Международная классификация изобретений (МКИ). Кроме классификации
изобретений, известны классификации промышленных образцов и товарных
знаков.
5.10 Методические основы стандартизации
5.10.1 Основные методы стандартизации
Основными методами стандартизации являются: метод ограничения,
типизации, агрегатирования, унификации и метод предпочтительных чисел. В
радиоэлектронике как отрасли народного хозяйства, отличающейся большим
многообразием и номенклатурой комплектующих изделий и используемых
материалов, находят широкое применение все эти методы.
Ограничение (симплификация) - метод стандартизации, заключающийся в
отборе из существующей совокупности и рациональном ограничении
номенклатуры объектов, разрешенных для применения в данной отрасли на
данном предприятии или в каком-либо объекте (изделии). Применение метода
ограничения сохраняет определенный ряд уже существующих объектов и резко
сокращает общее количество их типов. Например, ГС могут быть ограничены
отраслевыми, а отраслевые - стандартами предприятий.
Типизация - метод стандартизации, заключающийся в рациональном
сокращении видов объектов путем установления некоторых типовых,
выполняющих большинство функций объектов данной совокупности и
применяемых за основу (базу) для создания других объектов, аналогичных или
близких по функциональному назначению. Этот метод часто называют методом
«базовой конструкции»
Эффективность метода заключается в следующем:
- при проектировании нового изделия используется проверенный путь,
метод, конструкция или базовая модель, исключающая поиски и возможные
ошибки;
- обеспечивается большая преемственность в производстве при смене
моделей устройств, создаваемых на одной базе; значительно ускоряется
подготовка производства и снижаются расходы на ее выполнение;
- значительно облегчаются условия эксплуатации и ремонта техники,
имеющей много общих конструктивных элементов или принципов действия;
- вокруг типовых (базовых) изделий легко могут создаваться различные
модификации (типоразмерные ряды).
Методы агрегатирования и унификации являются основными методами
стандартизации, которые используют при конструировании новых изделий и
рекомендуемые для дальнейшего широкого использования. Эти методы имеют
много общего и в то же время принципиально отличаются друг от друга.
Агрегатирование - метод стандартизации, заключающийся в создании
объектов частного функционального назначения на основе функциональной
взаимозаменяемости их составных частей. Этот метод является одним из
сложных методом стандартизации. Его характерными чертами являются: отбор
и создание многих объектов частого функционального назначения на основе
различных сочетаний, определенной совокупности объектов с частными
функциями, имеющими размерную функциональную взаимозаменяемость и
нормированные параметры.
Применение метода агрегатирование завершается разработкой стандартов
соответствующего уровня, регламентирующих в ряде случаев полные
характеристики объекта стандартизации.
Признаки агрегатирования:
- функциональная законченность составных частей (узлов, механизмов,
отделочных деталей и т.д.);
- конструктивная обратимость, т.е. возможность повторного использования
составных частей (агрегатов);
- изменение функциональных свойств изделия при перестановке
составных частей внутри него.
Унификация - метод стандартизации, заключающийся в рациональном
сокращении существующей номенклатуры объектов путем отбора или создание
новых объектов широкого применения, выполняющих большинство функций
объектов данной совокупности, но не исключающих использование других
объектов аналогичного назначения.
Метод унификации обладает следующими признаками:
- единообразие в конструктивном оформлении изделий;
- функциональная законченность изделий;
- подчинение основных параметров изделий общим требованиям или
подчинение основных параметров ряда определенному закону;
- возможность использования унифицированных изделий в составе
различных устройств или систем различного функционального назначения, т.е.
определенная универсальность.
Унификация приводит к сокращению количества видов изделий в
пределах устройства, класса устройств или целых групп. Этот метод направлен
на рациональное сокращение существующей номенклатуры объектов.
Таким образом, если агрегатирование - это создание объектов частного
функционального назначения, то метод унификации направлен на создание
объектов широкого назначения на базе оригинальных составляющих или
объектов с частными функциями.
5.10.2 Виды стандартизации
В зависимости от последующего влияния на развитие производства
можно выделить три вида стандартизации принципиально отличающихся
подходами к установлению в стандартах соответствующих норм:
- стандартизация по достигнутому уровню
- опережающая стандартизация
- комплексная стандартизация
Стандартизация по достигнутому уровню - стандартизация,
устанавливающая показатели, отражающие свойства существующей и
освоенной в производстве продукции и таким образом фиксирующая
достигнутый уровень производства. Такой подход характерен при
стандартизации показателей качества продукции массового производства
межотраслевого применения (радиокомпоненты, реле, крепёжные изделия,
некоторые виды сырья и материалов).
Опережающая
стандартизация
заключается
в
установлении
повышенных, по отношению к уже достигнутому на практике уровню, норм,
требований к объектам стандартизации, которые согласно прогнозам будут
оптимальными в последующее время. При этом, в зависимости от реальных
условий, в стандартах могут устанавливаться ступени качества, имеющие
дифференциальные показатели, нормы, характеристики и сроки их введения.
Таким образом, опережающая стандартизация ставит определенные задачи
перед разработчиком и изготовителем продукции, побуждая их к
совершенствованию объектов стандартизации, повышению безопасности и
улучшению их качества.
Комплексная стандартизация - стандартизация, при которой для
оптимального
решения
конкретной
проблемы
осуществляется
целенаправленное и планомерное установление и применение системы
взаимосвязанных требований как к самому объекту стандартизации в целом,
так и к его основным элементам. При этом комплексная стандартизация
призвана обеспечивать разработку и внедрение комплексов взаимосвязанных и
согласованных стандартов, охватывающих совокупность требований к
объектам стандартизации: изделиям в целом, их составным частям, сырью,
материалам, покупным изделиям, технологии изготовления, к упаковке,
транспортировке и хранению, эксплуатации и ремонту.
5.11 Международная стандартизация
5.11.1 Международные организации, занимающиеся стандартизацией
Начало международной стандартизации относится к 1875 г., когда согласно
подписанной в Париже Конвенции были организованы Международная комиссия
мер и весов, Международное бюро мер и весов и Международная конференция
мер и весов.
На международном уровне процесс добровольной стандартизации
координируют три организации:
- Международная организация по стандартизации ISO (ИСО);
- Международная электротехническая комиссия IEC (МЭК);
- Международный союз электросвязи ITU (МСЭ).
Эти три организации образуют обширную инфраструктуру, которая
охватывает стандартизацию на национальном, региональном и международном
уровнях. Такая глобальная система связана соглашениями о сотрудничестве
между ISO, IEC и ITU.
ISO и IEC формируют специализированную систему международной
стандартизации.
ISO (www.iso.org) представляет собой самое крупное объединение
стандартизирующих организаций, в ее работе принимает участие 158
национальных органов по стандартизации промышленно развитых и
развивающихся стран всех регионов мира. Штаб-квартира расположена в
Швейцарии. ISO является крупнейшей неправительственной организацией по
разработке стандартов.
Международная организация по стандартизации создана в 1945 г.
двадцатью пятью национальными организациями по стандартизации. СССР
был одним из основателей организации, постоянным членом руководящих
органов. Представитель Госстандарта СССР дважды избирался председателем
организации. 23 сентября 2005 года Россия вошла в Совет ISO. При создании
организации и выборе ее названия учитывалась необходимость того, чтобы
аббревиатура наименования звучала одинаково на всех языках. Для этого было
решено использовать греческое слово «isos» - равный, вот почему на всех
языках мира Международная организация по стандартизации (International
Organization for Standardization) имеет краткое название ISO.
ISO является самым крупным в мире разработчиком стандартов во всех
областях, кроме электротехники и электроники. С 1947 г. по настоящее время
ISO разработано более 16000 международных стандартов. По своему
содержанию стандарты ISO отличаются тем, что лишь около 20% из них
включают требования к конкретной продукции. Основная масса стандартов
касается требований безопасности, взаимозаменяемости, технической
совместимости, методов испытаний и других общих и методических вопросов.
Использование большинства стандартов ISO предполагает, что конкретные
технические требования к товару устанавливаются путем договорных отношений.
Официальные языки, на которых публикуются стандарты ISO, - английский,
французский и русский.
Основной задачей организации является повсеместное содействие
развитию стандартизации и смежных видов деятельности с целью международного
обмена товарами и услугами, укрепления сотрудничества в сфере
интеллектуальной, научной, технической и экономической деятельности.
ISO конкретизирует свои задачи как содействие:
- глобальной торговле;
- повышению качества,
- безопасности;
- охране окружающей среды;
- защите потребителя;
- рациональному использованию природных ресурсов;
- глобальному распространению передовой практики;
- экономическому и социальному прогрессу.
Крупнейшим партнером ISO в разработке стандартов является
Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical
Commission, IEC, www.iec.ch). IEC - это неправительственная научнотехническая организация, ответственная за стандартизацию в области
электротехники, электроники и телекоммуникаций, в том числе используемых
для работы в сфере информационных технологий. В настоящее время в состав
IEC входит 67 стран (на их территории проживает около 85% населения Земли
и сосредоточены мощности, обеспечивающие 95% мирового производства
электроэнергии). Штаб-квартира IEC расположена в Швейцарии. Республика
Беларусь является членом IEC с 1993 г.
Создание этой организации было продиктовано научно-техническим
прогрессом общества. Весь XIX век представляет собой период промышленной
революции, развития научной мысли и изобретений. IEC основана в 1906 г.
решением Международного электротехнического конгресса (Сент-Луис, США,
1904 г.).
Основная цель IEC определена ее уставом и заключается в содействии
международному сотрудничеству путем разработки международных стандартов в
областях:
- электрорадиотехники и электроники;
- радиосвязи;
- приборостроении;
- производства и распределения энергии;
- терминологии и символов;
- электромагнитной совместимости;
- измерений;
- безопасности и защиты окружающей среды.
IEC сотрудничает с ISO, совместно разрабатывая Руководства ISO/IEC и
Директивы ISO/IEC по актуальным вопросам и методам стандартизации,
сертификации, аккредитации испытательных лабораторий. Объединенный
программный комитет ISO/IEC занимается планированием и распределением
ответственности двух организаций по вопросам, касающимся смежных
областей деятельности.
В области информационных технологий ISO и IEC создали совместный
ТК JTC ISO/IEC 1 (СТК ИСО/МЭК 1). В составе JTC ISO/IEC 1 в настоящее
время работают 17 ПК. За время своего существования этим ТК опубликовано
более 1400 стандартов, касающихся информационных технологий. В первых
стандартах определялась компьютерная среда, языки программирования, базы
данных, системы и устройства взаимодействия. Впоследствии были
разработаны стандарты JTC 1/SC 23 «Среда цифрового хранения для
информационного обмена», JTC 1/SC 29 «Кодирование аудио-, видео-,
мультимедиа-, гипермедиаинформации», JTC 1/SC 17 «Карточки и персональная
идентификация». За последние несколько лет разработаны стандарты в сфере
банковских и финансовых услуг.
Международный союз электросвязи ITU (International Telecommunication
Union, www.itu.int) - это организация, в рамках которой правительствами
государств и частным сектором экономики координируются глобальные сети и
услуги электросвязи. Основанный в Париже в 1865 г. как Международный
телеграфный союз, ITU получил свое нынешнее название в 1934 г. Сейчас ITU
является ведущим учреждением ООН в области информационнокоммуникационных технологий. Свою роль ITU, как всемирного
координационного центра, видит в том, чтобы «помогать миру общаться».
Штаб-квартира ITU находится в Женеве (Швейцария).
Деятельность ITU охватывает следующие направления:
- в технической области: содействие развитию и продуктивной
эксплуатации средств телекоммуникаций в целях повышения эффективности
услуг электросвязи и их доступности для населения;
- в области политики: содействие распространению телекоммуникаций в
глобальной информационной экономике и обществе;
- в области развития: содействие и оказание технической помощи
развивающимся странам в сфере электросвязи, содействие расширению
доступа к преимуществам новых технологий для населения всей Земли.
В состав ITU входят представители 191 государства. Это преимущественно
крупнейшие американские, западноевропейские и транснациональные корпорации,
работающие в сферах производства компьютерной техники, программного
обеспечения,
телекоммуникационных
средств
и
предоставления
телекоммуникационных услуг.
5.11.2 Европейские организации по стандартизации: СЕN, СЕNELЕC,
ЕТSI
На европейском уровне координация работ по стандартизации
осуществляется по существу тремя организациями, деятельность которых
связана соглашениями о сотрудничестве:
- Европейский комитет по стандартизации CEN (СЕН);
- Европейский комитет по стандартизации в электротехнике СENELEC
(СЕНЕЛЕК);
- Европейский институт телекоммуникационных стандартов ETSI (ЕТСИ).
Европейский комитет по стандартизации (European Committee for
Standardization, CEN, www.cenorm.be) образован в 1961 г. и объединяет
государства Европейского Союза (ЕС) и Европейской ассоциации свободной
торговли. Полноправными членами CEN являются национальные организации
по стандартизации 28 европейских государств.
Основная цель CEN - содействие развитию торговли в европейском
экономическом пространстве путем разработки европейских стандартов (EN),
которые способствуют свободной торговле, безопасности работников и
потребителей, защите окружающей среды, использованию научных достижений и
исследовательских программ.
CEN охватывает практически все области деятельность: химия,
строительство, транспорт, энергетика, информационные технологии, материалы,
машиностроение, общие вопросы стандартизации, измерения, безопасность,
пищевая промышленность, окружающая среда, здравоохранение, бытовая
техника, спорт и развлечения, услуги.
CEN разрабатывает также стандарты совместно с Европейским комитетом по
стандартизации в электротехнике (CENELEC) в рамках ТК CEN/CENELEC.
Между ISO и CEN заключено соглашение о взаимном техническом
сотрудничестве, которое предусматривает обмен информацией, а также
совместную разработку стандартов, которые одновременно становятся
стандартом ISO и CEN (ISO/EN). В настоящее время около 30% европейских
стандартов являются идентичными международным стандартам.
Европейский комитет по стандартизации в электротехнике (European
Committee for Electrotechnical Standardization, CENELEC, www.cenelec.be)
создан в 1971 г. объединением двух европейских организаций - Европейского
комитета по координации электротехнических стандартов стран-членов
Европейской ассоциации свободной торговли (ЕАСТ) и Европейского комитета
по координации электротехнических стандартов стран-членов ЕС.
В состав CENELEC входят 17 европейских стран, которые одновременно
являются и членами IEC. В работе CENELEC они представлены национальными
электротехническими комитетами отдельных стран. С CENELEC сотрудничают
более 35000 технических экспертов от 19 европейских стран.
Основная цель CENELEC - разработка стандартов на электротехническую
продукцию в тесном сотрудничестве с ЕС и ЕАСТ.
Направление деятельности CENELEC состоит в устранении любых
технических различий между национальными стандартами стран-членов,
между процедурами сертификации соответствия изделий требованиям
стандартов и недопущении тем самым возникновения технических барьеров в
торговле товарами электротехнических отраслей.
В структуре CENELEC функционируют Комитет по электронным
компонентам (СЕСС), который занимается оценкой качества электронных
компонентов, что считается весьма специфической областью деятельности.
В области информационных технологий (ИТ) работает Комитет
управления информационными технологиями и две целевые экспертные
группы: сертификация в ИТ и консультирование по вопросам потребности в
стандартизации в области производственных технологий.
CENELEC тесно сотрудничает с СЕN в рамках нескольких совместных
рабочих групп СЕN/ CENELEC:
- по системам обработки конфиденциальных сообщений, локальных
сетей, переноса файлов, структуры административных документов и др;
- по открытым системам.
Кроме СЕN и CENELEC, в европейском регионе стандартизацией в
области
телекоммуникаций
занимается
Европейский
институт
по
телекоммуникационным стандартам.
Европейский институт телекоммуникационных стандартов (European
Telecommunications Standards Institute, ETSI, www.etsi.org) - независимая
некоммерческая организация, задача которой состоит в разработке
современных и перспективных стандартов в области телекоммуникаций,
радиовещания и информационных технологий. Создан в 1988 г. Необходимость
создания института обусловлена созданием комплексной структуры
электросвязи и обеспечением технической совместимости оборудования,
поставляемого на рынок. В состав ETSI входит около 670 членов от 60 стран
мира. Штаб-квартира ETSI расположена в Софии-Антиполис на юге Франции.
Главная цель ETSI состоит в обеспечении глобального и гармоничного развития
средств и систем электросвязи.
Стандарты ETSI носят добровольный характер, их разработано более
4000, многие из которых были приняты Комиссией Европейского союза в
качестве доказательной базы выполнения Директив ЕС.
ETSI разрабатывает документы по стандартизации двух видов:
нормативные и информационные. К нормативным документам относятся:
- техническая спецификация (ETSI Technical Specification, TS, TBR),
которая позднее может быть преобразована в стандарт ES или EN;
- стандарт ETSI (ETSI Standard, ES);
- европейский стандарт серии «электросвязь» (EN, ETS, I-ETS);
- гармонизированный стандарт EN (Harmonized Standard) серии
«электросвязь», создание проекта которого доверено ETSI по мандату.
К информативным документам ETSI относятся:
- технический отчет (ETSI Technical Report, TR, TC-TR, ETR);
- руководство ETSI (ETSI Guide, EG).
- специальный отчет (Special Report, SR, TCR-TR) – не является документом
ETSI, он содержит справочную информацию, которую полезно сделать
общедоступной.
5.12 Участие Республики Беларусь в работе международных организаций
по стандартизации
Работы по присоединению Республики Беларусь к соглашениям ВТО по
ТБТ и СФС начаты правительством в 1995 г. и представляют собой комплекс
мероприятий по адаптации внешнеторгового режима страны к требованиям ВТО.
Присоединение Республики Беларусь к ВТО - важнейший этап интеграции в
мировую экономику, который предоставит стране необходимую защиту и
продвижение национальных интересов в рамках системы международной
торговли. В то же время, присоединение к ВТО ставит перед Республикой
Беларусь задачу обеспечить соответствие экономического законодательства
страны правилам ВТО, а также пойти на сбалансированные уступки торговым
партнерам в целях обеспечения более открытого доступа иностранных товаров,
услуг и инвестиций на внутренний рынок.
Подготовка позиции и ведение переговоров по вопросам присоединения к
ВТО возложена на Межведомственную комиссию. В состав комиссии входят
руководители 19 министерств и ведомств, Аппарата Совета Министров, а также
Национального банка, НАН и БГЭУ.
Страны - члены ВТО признали, что система технического регулирования и
стандартизации Республики Беларусь в целом соответствует требованиям ВТО.
5.12.1 Национальный центр по техническим барьерам в торговле,
санитарным и фитосанитарным мерам
Одним из основных принципов Соглашений по ТБТ и СФС ВТО является
то, что технические меры, применяемые в отдельно взятой стране, должны
носить открытый и гласный характер. Кроме этого, должна быть обеспечена
прозрачность работ в области ТНиС. Обеспечение прозрачности принимаемых
решений достигается путем предоставления информации о принимаемых в
государстве ТР, которые могут являться техническими барьерами в торговле,
или о санитарных мерах, принимаемых для защиты окружающей среды и
здоровья людей в конкретной стране. Правила и процедуры предоставления
информации о принимаемых технических мерах установлены в Директивах ЕС
98/34/EC и 98/48/EC.
Для обеспечения взаимодействия республиканских органов государственного
управления Республики Беларусь с Комитетами ВТО и предоставления
информации, входящей в сферу действий Соглашений по ТБТ и СФС в составе
БелГИСС был создан Национальный информационный центр по техническим
барьерам в торговле, санитарным и фитосанитарным мерам (НИЦ по ТБТ и СФС).
НИЦ по ТБТ и СФС получает информацию из Комитетов ВТО по ТБТ и
СФС и передает ее органам государственного управления РБ, а также информация
из РБ передается в центральный аппарат ВТО и страны ВТО. Реестры уведомлений
о проектах, опубликованные Секретариатами ВТО по ТБТ и СФС ежемесячно
публикуются в издании «Вестник НИЦ по ТБТ и СФС».
5.12.2 Участие в работе технических комитетов ISO и IEC
Достижение основных принципов стандартизации - открытость, гласность,
консенсус - на всех уровнях наиболее полно реализуют ТК по стандартизации.
Республика Беларусь с 1993 г. является членом ISO и IEC. В этих организациях
нашу страну представляет Госстандарт, а его представители принимают
участие в работе 55 ТК ISO (и 99 ПК) и 9 ТК IEC (и 17 ПК). Некоторые из них
приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Номер ТК
ТК СТК 1
ТК 12
ТК 135
ТК 176
ТК 207
Наименование ТК
Организации Республики Беларусь,
участвующие в работе ТК
Технические комитеты ISO
Информационные технологии
Научно-исследовательский институт
технической защиты информации,
БелГИСС
Величины, единицы обозначения, БелГИМ,
переводные коэффициенты
БелГИСС
Методы неразрушающего
БелГИСС
контроля
Управление качеством и
Гомсельмаш, Белорусский
обеспечение качества
металлургический завод, Минский
подшипниковый завод, Минский завод
колесных тягочей, БелГИСС
Управление окружающей средой БелГИСС
Технические комитеты IEC
ТК 45 Электроизмерительные приборы, Атомтех, БелГИСС
связанные с ионизирующими
излучениями
ТК 47 Полупроводниковые приборы
Белмикросистемы,БелГИСС
ТК 77 Электромагнитная совместимость Планар, БГУИР, БЕЛЛИС, БелГИСС
ТК 100 Аудио, видео и мультимедийные
БелГИСС
системы и оборудование
ТК 108 Безопасность электронного
БелГИСС
оборудования в области
аудио/видео, информационных
технологий и коммуникационных
технологий
Для Республики Беларусь работа в ТК ISO и IEC позволяет принимать
активное участие в разработке международных стандартов от стадии рабочего
проекта до принятия стандарта, и позволяет достичь следующих целей:
- сократить сроки принятия государственных стандартов, гармонизированных
с международными, в приоритетных отраслях промышленности;
- более полно учитывать интересы республики на внешних рынках, в том
числе способствовать снижению ТБТ и расширению международной торговли.
Существуют разнообразные формы участия в работе ISO по разработке
международных стандартов:
- в качестве наблюдателя (как затраты, так и эффективность для
заинтересованных лиц минимальны) вы можете:
- получать информацию о новых стандартах по мере их разработки
и принимать их к сведению;
- не участвовать в работе над текстом документа;
- не голосовать по стандарту;
- в качестве активного участника (более эффективно для конкретной
области интересов) дает право:
- предложения новых тем и направлений;
- разработки проектов стандартов;
- голосования по ним;
- руководство РГ позволяет:
- активно участвовать в разработке конкретного узкого направления
стандартизации;
- влиять на стратегию стандартизации в этом направлении.
- руководство секретариатом ТК (требует максимальных затрат, но и
эффективность такого участия максимальна) дает возможность:
- активно участвовать в разработке и подготовке к изданию
стандартов целой отрасли;
- разрабатывать стратегию стандартизации в этой отрасли.
Республика Беларусь принимает участие в работе ТК ISO и ТК IEC в двух
формах: со статусом наблюдателя и активного участника.
Для сокращения сроков и повышения эффективности на всех стадиях
разработки международных стандартов в электронной среде организованы:
распространение документов, дискуссии, голосование, обсуждение предложений и
замечаний по проектам стандартов, проведение ряда заседаний. Для содействия
процессу разработки стандартов создан сервер технических комитетов ISO
(ISOTC Portal). Введение новой электронной базы данных Глобальный реестр
ISO (ISO Global Directory) позволило улучшить управление данными и
повысило общую защищенность системы.
Если пользователь зарегистрирован в Глобальном реестре ISO, он вправе
пользоваться базой данных в пределах своей регистрации. Структура реестра
позволяет выполнять следующие функции:
- национальных представителей в ТК ISO;
- технических экспертов в РГ ISO;
- голосующих от имени страны - члена ISO;
- секретарей и председателей ТК;
- других представителей.
5.13 Стандартизация в области информационно-коммуникационных
технологий (ИКТ)
Развитие
современного
общества
неразрывно
связано
с
информационными технологиями, наиболее динамично развивающимися в
настоящее время и используемыми во всех направлениях человеческой
деятельности.
Сейчас уже можно говорить о четвертом информационном секторе
экономики, следующем за сельским хозяйством, промышленностью и
услугами. Основа индустриального общества капитал и труд уступают место
информации и знаниям.
Для правильного представления места и роли стандартизации в области
ИКТ, необходимо дать им определение как объекту стандартизации.
ИКТ - совокупность методов, производственных процессов и
промышленно-технических средств, объединенных в технологическую цепочку
с целью сбора, обработки, хранения, распространения, отображения и
использования информации в интересах ее пользователей.
Основные направления стандартизации в области ИКТ:
- системы автоматической обработки текстов и речи;
- расчетно-логические и эксплуатационные системы;
- интегрированные или гибридные экспертные системы;
- интеллектуальные системы для использования в управлении,
проектировании, обучении и т.д.;
- CALS-технологии непрерывной информационной поддержки ЖЦП.
Новое поколение ИКТ требует параллельного и опережающего развития
программного обеспечения, аппаратного и коммуникационного обеспечения.
Совместимость интегрированных систем, технологий и услуг стала
причиной формирования и внедрения методологии открытых систем,
достоинствами которой являются:
- сохранение ранее вложенных инвестиций при построении
информационных систем на различных аппаратных и программных и
платформах;
- обеспечение взаимосвязи, расширяемости, мобильности и совместимости
систем;
- переносимости прикладного программного обеспечения и данных;
- дружеский интерфейс по отношению к пользователю.
Методология
открытых
систем
поддерживается
крупными
разработчиками и изготовителями средств вычислительной техники и средств
связи (Digital, Hewlett-Packard, IBM, Sun, Microsystems и др.), а также
пользователями ИКТ.
Открытая система представляет исчерпывающий и согласованный набор
международных стандартов ИКТ, и функциональных стандартов профилей,
которые
устанавливают
требования
к интерфейсам,
службам и
поддерживающим форматам. Развитие и совершенствование базы ТНПА в
области ИКТ направлено на достижение следующих целей:
- обеспечение повышения оперативности, устойчивости и эффективности
распространения ИКТ во все сферы деятельности общества и человека;
- создание и поддержание необходимого для устойчивого развития
общества уровня информационного потенциала;
- интеграцию с мировым информационным пространством;
- поощрение, внедрение передовых отечественных и зарубежных
информационный технологий;
- развитие первичной сети связи передачи данных.
Формирование базы ТНПА в области ИКТ в Республики Беларусь
строится на внедрении методов функциональной стандартизации, а также на
основе положений и принципов системы ТНиС, включая комплексность,
согласованность, открытость, целесообразность, актуальность, оптимальность и
гармонизацию с международными стандартами.
Объектами стандартизации ИКТ являются:
- средства вычислительной техники и сети передачи данных;
- информационное обеспечение и базы данных;
- программное обеспечение;
- информационные системы.
Стандартизацией ИКТ на международном уровне занимаются организации
международные организации ISO, IEC, ITU.
Одной из важнейших задач, решаемых этими организациями, является
устранение ТБТ, за счет решения вопросов совместимости средств
вычислительной техники, которые в настоящее время входят в состав более
50% продукции, выпускаемой электротехнической и электронной
промышленностью.
ISO и IEC, а также их совместным техническим комитетом по
стандартизации: ИСО/МЭК/СТК 1 (ISO/IEC/JTC1, Информационные технологии)
разработано более 1500 МС, охватывающих следующие области:
1. Телекоммуникационный и информационный обмен между системами;
2. Программное обеспечение;
3. Средства для цифрового обмена данными;
4. Идентификационные карточки;
5. Языки программирования, их среда и интерфейс программного обеспечения;
6. Компьютерная графика и обработка изображения;
7. Совместимость информационно-технологического оборудования;
8. Безопасность информационных технологий;
9. Автоматический сбор данных;
10. Управление использованием данных;
11. Описание документа и языковая обработка;
12. Пользовательский интерфейс и т.д.
Сектор
стандартизации
электросвязи
Международного
союза
электросвязи ITU-Т специализируется на разработке рекомендаций, которые
обеспечивают интероперабельность (способность системы к взаимодействию с
другими системами) коммуникационного сервиса в глобальном масштабе, т.е.
сервиса, связанного с передачей данных интегрированных услуг связи для
передачи голоса и данных, услуг передачи сообщений и справочные службы.
МС образуют в основном взаимосвязанный комплекс базовых стандартов,
которые определяют рекомендуемые нормы, правила и требования к
компонентам и средствам ИКТ.
На развитие стандартизации в области ИКТ значительное влияние
оказывают крупные международные консорциумы (150 консорциумов,
работают в области стандартизации ИКТ). Как правило, консорциумы
различаются сферами интересов, организационной инфраструктурой,
способами финансирования. Вот некоторые из них:
ISOC (Internet Society - Общество Интернета, www.isoc.org) - ассоциация
экспертов, отвечающая за разработку стандартов Интернет-технологий;
IAB (Internet Architecture Board - Совет по управлению сети Интернет) группа в составе ISOC, непосредственно отвечающая за развитие
архитектуры Интернет, разработку и сопровождение стандартов
протоколов и сервисов Интернет в виде RFC (Reference For Comments);
два основных подразделения IAB:
IETF (Internet Engineering Task Force - Рабочая группа инженеров
Интернета, www.ietf.org), решающая текущие задачи в области
стандартизации и развития Интернет-технологий.
IRTF (Internet Research Task Force - Исследовательская группа
Интернета, www.irtf.org), решающая проблемные задачи по развитию
Интернет-технологий.
OMG (Object Management Group - Группа управления объектами,
www.omg.org) - международный консорциум, осуществляющий
разработку
стандартов
унифицированного
распределенного
программного обеспечения, созданного на принципах объктноориентированной модели
ECMA (European Computer Manufacturers Association - Европейская
ассоциация изготовителей вычислительной техники, www.ecma.ch.) -
международная ассоциация, целью которой служит промышленная
стандартизация информационных и коммуникационных систем.
W3C (World Wide Web Consortium, www.w3.org) - консорциум, который
специализируется в области разработки и развитии стандартов WWWтехнологий, таких, как, например, HTTP, HTML, URL, XML.
ATM Forum (ATM форум, www.atmforum.org) - консорциум, целями
которого являются разработка и развитие стандартов широкополосных
сетей асинхронного режима передачи данных (Asynchronous Transfere
Mode, ATM).
DAVIC (Digital Audio-Visual Council - Совет по развитию цифровых
аудио и видео мультимедиа систем, www.davic.org) - консорциум,
осуществлявший разработку и развитие архитектурных, функциональных
и информационных моделей и стандартов мультимедиа-сервисов
Глобальной информационной инфраструктуры.
ECBS (Европейский комитет банковских стандартов, www.ecbs.org),
отвечающий за разработку общеевропейского стандарта для банковской
инфраструктуры.
EACEM
(Европейская ассоциация производителей электронных
приборов, www.eacem.be) - ориентирована на поддержку стандартизации
в области индустрии электронных приборов.
TeleManagement форум (www.tmforum.org) - глобальный консорциум
операторов и поставщиков услуг, разрабатывает стандарты в области
управления частными сетями и услугами.
Open Group (www.opengroup.org) - организация, сформированная в 1996
году в результате объединения консорциумов X/Open и Open Software
Foundation, исследует вопросы открытости и бесшовного введения
информационных систем в интерсеть.
WFMC (Workflow Management Coalition - консорциум по управлению
потоками работ, www.wfmc.org) - консорциум, занимающийся
разработкой стандартов в области управления потоками работ.
Gigabit Ethernet Alliance (www.gigabit-ethernet.org) - консорциум, целью
которого является разработка стандартов технологий Ethernet нового
поколения (стандарт IEEE 802.3z на волоконно-оптические системы
связи), обеспечивающих скорость передачи данных в 1 Гбит/с.
Альтернативой
им
является
деятельность
большого
числа
конкурирующих компаний (Motorola, HP, IBM, Sun Microsystems, SCO Group,
Novell др.), производящих совместимую серийную технику, стандарты которых
становятся «де-факто» (в международной практике - одна из форм признания,
означающая официальное, но еще не юридическое признание).
Работы по стандартизации ИКТ также проводятся промышленными
профессиональными организациями, среди которых следует особо выделить
Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). Первый стандарт
по разработке программного обеспечения был создан IEEE еще в 1979 г. К
1990г. ПК 7 СТК 1 ИСО/МЭК разработал 8 стандартов (6 действуют и в
настоящее время), IEEE к тому времени уже разработал 14 стандартов по
программному обеспечению, число которых возросло до 27 к 1994 г., сейчас их
число более 50.
На региональном уровне в странах ЕС координацию работы по
стандартизации и обеспечению качества ИКТ проводят: Европейский комитет
по стандартизации (СЕN), Европейский комитет по стандартизации в
электротехнике (СЕNELEC), Европейский институт по стандартизации в
области электросвязи (ETSI). Кроме указанных организаций в работе по
созданию стандартов ИКТ участвуют и специализированные региональные
организации:
- Европейская ассоциация изготовителей вычислительной техники
(ЕСМА);
- Европейская конференцией почтовой и телеграфной связи (СЕРТ);
- Европейский комитет по сертификации в области информационных
технологий (ЕCITC).
Этими организациями разработано более 600 европейский стандартов в
области ИКТ.
Одной из главных тенденций процесса стандартизации является все более
тесная интеграция деятельности различных организаций, направленная на
создание единой системы стандартизации информационного общества.
Основным направлением работ по стандартизации ИКТ в Республике
Беларусь является использование международных достижений и принятие
международных стандартов в качестве государственных.
