ТЕОРИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

1. Общие положения

С перестройкой общественных отношений и форм собственности значительно изменились условия функционирования и управления связью, которые требуют сейчас адекватного изменения в структуре отрасли, ее органов управления, форм собственности предприятий и рычагов регулирования, а также изменения отношений субъектов ведения хозяйства между собой и с государственными органами при обеспечении единой технической политики. Развитие связи Украины происходит согласно «Комплексной программе создания Единой национальной системы связи Украины (КП ЕНСС)» и «Основным положениям создания и развития Единой национальной системы связи Украины (ОП ЕНСС)».

Осуществление хозяйственной (предпринимательской) деятельности с предоставлением услуг телефонной связи (кроме ведомственных объектов) выполняется согласно Лицензионных условий, утвержденных Приказом Государственного комитета Украины по вопросам регуляторной политики и предпринимательства, Государственного комитета связи и информатизации Украины от 13.02.2001, № 33/16.

В соответствии с Лицензионным соглашением операторы должны обеспечивать технические параметры взаимодействия (межсетевые интерфейсы на базе разрешенного оборудования, качество обслуживания и т.п.) в соответствии с существующими стандартами и нормативно-техническими документами и установленным порядком проведения взаиморасчетов и отвечающими за качество предоставления услуг согласно предоставленной лицензии.

Операторы связи несут материальную ответственность перед потребителем услуг за невыполнение или несоответствующее выполнение услуг, в частности, платят пеню в случае, если качественные показатели не отвечают действующим стандартам, или размер возмещения заданных потребителю фактических убытков, морального вреда, потерянной выгоды решается судом.

Описание эксплуатационного аспекта взаимосвязи между уровнем качества предоставленных телекоммуникационных услуг и функционированием телекоммуникационных сетей, которые их обеспечивают, содержится в Рекомендациях МККТТ М10, М20, М2І, М70 и других. Эти Рекомендации должны быть учтены операторами связи при рассмотрении эксплуатационных аспектов конкретных сетей связи, служб или при организации технической эксплуатации. Процессы технической эксплуатации, включая метрологическое обеспечение, рассматриваются как часть общего процесса управления системой - ОА&М (Operations, Administrations and Maintenance) в соответствии с концепцией Сети Управления Электросвязью TMN (Telecommunication Management Network); Рекомендация МЗО10.

Как известно, в отрасли связи улучшения качества передачи информации, а также повышения эффективности использования оборудования, средств и сооружений осуществляется операторами связи за счет внедрения новой техники, усовершенствования системы технической эксплуатации и управления. Эффективное функционирование систем технической эксплуатации и управления возможно лишь при условиях использования объективной информации относительно состояния объекта управления и качества производимой продукции. Источником такой информации является измерение. Информация поступает от средств измерений и используется для формирования регулирующего воздействия, целью которого является поддержка такого состояния оборудования и средств связи, которое обеспечивает техническую эффективность производства и получения продукции с нормируемым качеством. Контроль нормируемого качества продукции и технической эффективности производства нуждается в высокой достоверности результатов измерений, осуществляющихся во время эксплуатации оборудования и средств связи.

Непрерывное усовершенствование технологических процессов и техники связи, в свою очередь, нуждаются в развитии измерительной техники, внедрение более совершенных средств измерительной техники (СИТ) с одновременным повышением требований к точности измерений. В соответствии с ДСТУ 2681, точность измерения - это характеристика качества измерения, которая отображает близость результата измерения к истинному значению измеряемой величины.

Для управления сложными, распределенными в пространстве объектами связи и формирования эффективного регулирующего воздействия, кроме высокой точности измерений, результаты измерений должны быть сравнимыми. Известно, например, что иногда операторы, которые используют СИТ, не учитывают такой важный фактор, как условия выполнения измерений. Паспортные значения погрешностей относятся к так называемым нормальным условиям. Однако измерение выполняют в различных условиях (температура, влажность, давление окружающей среды и т.д.). Результаты измерений, полученные одним прибором в различных условиях, иногда могут существенно отличаться, становятся несравнимыми, если не учитывать дополнительных погрешностей, возникающих в случае определенных отклонений реальных условий измерений от нормальных. Условием сравнимости множества отдельных измерений является их единство. В соответствии с ДСТУ 2681, единство измерений - это состояние измерений, при котором их результаты выражаются в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Обеспечение единства измерений позволяет сопоставлять результаты измерений, осуществленных различными однотипными приборами при различных местах и в различное время.

Мероприятия по обеспечению единства и необходимой точности измерений включают ряд общих правил и норм, которые нужно знать каждому, кто сталкивается с измерениями во время испытаний и эксплуатации техники связи и, особенно во время эксплуатации именно СИТ.

2. Система эталонов единиц физических величин

Единицы физических величин (дальше -- единицы), которые используются в Украине, порядок их названия и обозначения, а также правила применения устанавливают ДСТУ 3561.0.

В соответствии со стандартами обязательному применению подлежат единицы Международной системы единиц SI (международное сокращенное наименование - SI - System International). Наряду с единицами SI допускается применять без ограничения термин внесистемные единицы, а также относительные и логарифмические величины и единицы. Система SI разработана общими силами специалистов ряда стран, принята и рекомендована Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ). Основными преимуществами SI является универсальность (она охватывает все области измерений), когерентность - все производные единицы когерентные; производные, связанные с другими единицами системы уравнений, в которых числовой коэффициент равняется единице.

Физическая величина - свойство, общее в качественном отношении многим материальным объектам и индивидуальное в количественном отношении в каждом из них. Род физической величины - качественная определенность физической величины. Размер физической величины -- количественное содержание физической величины в данном объекте. Размерность физической величины - выражение, которое отображает ее связь с другими физическими величинами системы. Квантованная физическая величина - разделенная на уровни за размером части, кванты.

Числовое значение физической величины - число, которое равняется отношению размера измеряемой физической величины к размеру единицы этой физической величины или кратной (частичной) единицы. Результат законченного измерения - значение физической величины - отображение физической величины числовым значением с обозначением ее единицы.

Единство измерений достигается точным воспроизведением, хранением установленных единиц физических величин (ФВ) и передачей их размеров всем рабочим средствам измерений (РСИ) с помощью эталонов и эталонных средств измерений (ЭСИ). Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений являются эталоны.

Эталон единицы -- средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона.

Эталоны по подчиненности делятся (рис. 1) на первичные (исходные) и вторичные (подчиненные):

Рисунок 1 - Концептуальная модель обеспечения единства измерений

Первичные эталоны воспроизводят и хранят единицы и передают их размеры с наивысшей точностью, достижимой в данной области измерений. Разновидностью первичного эталона являются специальные первичные эталоны, воспроизводящие единицы в условиях, при которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима. Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны и их утверждают в качестве государственных эталонов.

Вторичные эталоны бывают трех видов:

- эталоны-копии, предназначенные для передачи размера;

- эталоны сравнения, предназначенные для взаимного сличения эталонов, которые не удается сличить непосредственно;

- рабочие эталоны, служащие для поверки ЭСИ и наиболее точных РСИ.

Государственные эталоны создает, утверждает, хранит и применяет Госстандарт, а вторичные -- министерства и ведомства. При этом точность воспроизведения единицы и передачи ее размера определяется погрешностью, составляющие которой и способы их выражения регламентируются Государственным стандартом. Под погрешностью воспроизведения единицы понимается погрешность результата измерений, выполняемых при воспроизведении единицы.

Погрешности эталонов характеризуются не исключенной систематической погрешностью (НСП), оставшейся после введения поправки, случайной погрешностью и нестабильностью. Случайную погрешность приводят как с учетом погрешности передачи ее размера, так и с указанием последней отдельно. В оценку погрешности передачи размера единицы включаются не исключенные систематические и случайные погрешности метода и средств передачи, которые находятся на основании экспериментальных данных исследований эталона, анализа погрешностей метода воспроизведения единицы и действия влияющих величин, а также результатов международных сличений эталонов.

Оценка погрешностей вторичных эталонов характеризует отклонение размеров хранимых ими единиц от размера единицы, воспроизводимой с помощью первичного эталона.

Существующие метрологические характеристики (MX) и выражения для вычисления погрешностей эталонов позволяют не только вести необходимые расчеты, но и представлять себе способы выражения погрешностей эталонов, которые указываются на всех поверочных схемах, наконец, оценивать существующие запасы по точности между РСИ и существующими эталонами. Это дает возможность обоснованно подходить к нормированию (в частности, электрических параметров каналов и трактов), на научной основе устанавливать нормы точности измерений.

Совокупность всех эталонов, функционирующих в различных отраслях измерений, составляет эталонную базу, состав которой отражает структуру единиц ФВ, причем эталон каждой из основных единиц воспроизводит ее в соответствии с определением ФВ и состоит из воспроизводящей части и измерительной, предназначенной для передачи размера единицы эталонам и СИ с меньшей точностью.

3. Система передачи размеров единиц ФВ

В метрологии предусмотрена многоступенчатая система передачи размера единицы каждой величины к рабочим средствам измерений. Эта система изображается в виде поверочной схемы, представляющей собой документ, которым определяются средства, методы и точность передачи размера единицы данной величины от ЭСИ рабочим средствам измерений.

В зависимости от области применения все поверочные схемы подразделяются на три вида: государственные, ведомственные и локальные.

Государственная поверочная схема распространяется на все применяемые в стране СИ той или иной ФВ и отражает структуру МО определенного вида измерений, соответствующую многоступенчатому порядку передачи размера единицы ФВ от государственного эталона к средствам поверки.

Ведомственная поверочная схема распространяется только на СИ, подлежащие внутриведомственной поверке (например, СИ для телеграфии и телефонии в отрасли связи).

Локальные поверочные схемы распространяются на РСИ, подлежащие поверке в данном органе МС или метрологическом подразделении на предприятии, имеющем право поверки СИ, в обязательном порядке согласуются с территориальным органом стандартизации и оформляются в виде стандарта предприятия.

Поверочные схемы выполняются в соответствии с ДСТУ и изображаются в виде древовидной диаграммы с текстовой частью и пояснениями, каждая ступень которой соответствует передаче размера единицы физической величины между ЭСИ.

В вершине графа поверочной схемы находится СИ наивысшей точности - Государственный первичный эталон единицы физической величины, поэтому она фактически регламентирует порядок и точность передачи единиц, методы и средства поверки (рис. 2).

Рисунок 2 - Пример поверочной схемы для СИ в электросвязи

Согласно данной схеме при передаче единиц происходит поверка текущего СИ средством измерений более высокого класса точности, т.е. осуществляется определение погрешностей средства измерений и установление его пригодности к использованию. Так, для поверки мер используются следующие методы:

- сличение при помощи компаратора путем сравнения выходной величины меры и эталона или образцовой меры для определения систематических погрешностей;

- прямое измерение величины, воспроизводимой поверяемой мерой, измерительным прибором более высокого класса точности;

- косвенное измерение;

- калибровка набора мер посредством совокупных измерений.

Для поверки измерительных приборов используются следующие методы:

- непосредственное сличение показаний поверяемого и образцового измерительных приборов производится при измерении ими одной и той же величины, при этом погрешность поверяемого прибора принимается равной разности их показаний, а значения величины устанавливаются по числовым отметкам образцового или поверяемого прибора. Первый вариант удобен для поверки многих приборов одновременно, в то время как второй позволяет определять погрешность поверяемого прибора с большей точностью по шкале образцового прибора с большим числом делений;

- использование меры более точной, чем поверяемый прибор. Согласно данному методу выходная величина меры, значение которой устанавливается по ее входному коду, подается на поверяемый прибор, погрешность которого принимается равной разности показания прибора и значения выходной величины меры.

Как видно из приведенного рисунка, чертеж поверочной схемы состоит из расположенных друг под другом полей исходных эталонных средств измерений -- эталонов, ЭСИ (в общем случае i-го разряда для каждого поля и ЭСИ, заимствованных из других государственных поверочных схем) и РСИ. Если ведомственную или локальную поверочную схему возглавляет вторичный эталон или ЭСИ, верхнее поле начинается с наименования «Исходное ЭСИ». В верхнем поле указывается наименование эталонов (в порядке их подчиненности) или исходных ЭСИ. Если схему применяют для СИ производных величин, единицы которых воспроизводятся методом косвенных измерений, то указывают наименования ЭСИ, применяемых для ее воспроизведения, заимствованные из других государственных поверочных схем. Под наименованиями эталонов и ЭСИ указывают номинальные значения или диапазон значений ФВ и значения их погрешностей. Под полем эталонов располагается поле ЭСИ 1-го разряда, затем 2-го и т. д. Разряды ЭСИ в ведомственных и локальных поверочных схемах должны соответствовать разрядам, присвоенным в государственных поверочных схемах. Рабочие средства измерений располагают в нижнем поле слева направо в порядке возрастания погрешности группы РСИ, поверяемых на ЭСИ одного наименования.

Рисунок 3 - Модель процесса поверки СИ

Для каждой группы указывают вид, диапазон измерений и значения погрешностей средств измерений.

В качестве методов поверки с целью унификации на схемах приводится один из методов сличения или метод прямых или косвенных измерений, после чего указывается допустимое значение погрешности метода поверки.

При использовании кодоуправляемых мер и ЭВМ методы поверки СИ могут быть автоматизированы, что, естественно, во много раз повышает производительность процедуры поверки. На рис. 3 представлена модель процесса поверки, включающая поверителя (человека, проводящего поверку), средство поверки (поверочную установку -- программно-аппаратный комплекс, предназначенный для проведения поверки) и собственно поверяемое СИ. Согласно данной модели, поверочная установка по заданной поверителем программе и числовым значениям величины N воспроизводит величину заданного размера, которая поступает на входы поверяемого СИ, а полученная на его выходе информация вновь подается на поверочную установку для вычисления погрешностей СИ и соответствующего документирования результатов поверки. При этом СИ входом и выходом связан с поверочной установкой, а оператор взаимодействует с ней через каналы управления на уровне пользовательского интерфейса. В процессе поверки взаимодействие поверителя с СИ заключается в управлении конфигурацией и контроле состояния, а с поверочной установкой -- в задании ее параметров, а также в получении результатов поверки.