Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах

Измерения, проводимые в отрасли, осуществляются в соответствии с методиками, входящими в состав отраслевых нормативных документов, определяющих нормы на каналы и тракты передачи, аппаратуру и оборудование. Применяются методики измерений в виде отдельных документов и отраслевых и государственных стандартов.

Методики выполнения измерений (МВИ), отнесенные к сфере государственного метрологического контроля и надзора, должны соответствовать ГОСТ Р 8.563-96 и ОСТ 45.150-99 и подлежат обязательной аттестации. Согласно РД 45.002-96 и ОСТ 45.150-99 сфера государственного метрологического контроля и надзора в отрасли распространяется на измерения:

· параметров каналов и трактов передачи, предоставляемых потребителям в аренду или пользование, на соответствие Государственным стандартам, а также отраслевым стандартам и нормам, утвержденным приказами Минсвязи России;

· для расчетов за услуги связи с пользователями;

· необходимые для обеспечения безопасных условий труда;

· необходимые для обязательной сертификации продукции и услуг.

Документы на МВИ, разработанные до введения в действие ОСТ 45.150-99, остаются в силе вплоть до их пересмотра. Пересмотр и аттестация МВИ, входящих в состав действующих нормативных документов, должен осуществляться по программе, утвержденной руководством Минсвязи России.

МВИ, разрабатываемые в виде ГОСТ, подлежат аттестации в органах Госстандарта России.

МВИ в виде отдельных отраслевых документов и входящие в их состав (ОСТ, РД, разделы ТУ, конструкторские и технологические документы) аттестуются базовыми организациями МС отрасли, аккредитованными на право выполнения аттестации МВИ в соответствии с ПР 50.2.013-97.

Основные требования к разрабатываемым МВИ, требования к их построению, изложению, оформлению и содержанию должны соответствовать ОСТ 45.150-99 с учетом Рекомендации ВНИИМС МИ 2377-93 ГСИ. "Разработка и аттестация методик выполнения измерений".

При разработке МВИ должна быть установлена совокупность правил, приемов и способов выполнения измерений, включающих способы обработки и представления результатов измерений, позволяющая получать результаты измерений с требуемым показателем точности.

В процессе разработки МВИ должны быть оценены отдельные составляющие и суммарная погрешность измерения. В описании МВИ должны быть приведены численные значения приписанной или гарантированной погрешности измерения с указанием вероятности. Показатели точности должны быть выбраны из числа тех, которые приведены в МИ 1317-86 ГСИ "Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров" и других методических материалах.

В документах (разделах, частях документов), регламентирующих МВИ, в общем случае указывают:

· назначение МВИ;

· условия измерений;

· требования к погрешности измерений или (и) приписанные характеристики погрешности измерений;

· требования к средствам измерений и вспомогательным устройствам или типы средств измерений, их характеристики и обозначения документов, в которых приведены требования к средствам измерений (ГОСТ, ОСТ, ТУ);

· операции при подготовке к выполнению измерений;

· операции при выполнении измерений;

· операции обработки и вычислений результатов измерений;

· требования к оформлению результатов измерений;

· требования к квалификации операторов;

· требования к обеспечению безопасности выполняемых работ.

Допускается объединять указанные разделы, а также указывать дополнительные, исходя из специфики измерений.

Порядок разработки и состав структурных элементов и разделов для нормативных документов на МВИ, разрабатываемых в виде государственных или отраслевых стандартов и руководящих документов отрасли, должен соответствовать ГОСТ 1.2-92 и ГОСТ 1.5-92 (для ГОСТ), ОСТ 45.10-98 (для ОСТ), ОСТ 45.88-96 (для РД).

Разработка стандартов, содержащих МВИ, должна проводиться в соответствии с положениями государственной системы стандартизации российской Федерации и требованиями ГОСТ Р 8.563.

Не требуется разработка МВИ для простейших измерительных процедур, когда погрешность измерения сводится только к погрешности применяемого средства измерения.

Аттестация МВИ в отрасли должна проводиться, главным образом, базовыми организациями метрологической службы, в обязанности которых входит эта функция согласно Положению о метрологической службе отрасли.

Аттестацию вновь разрабатываемых и пересматриваемых МВИ осуществляют путем метрологической экспертизы представленных документов по МИ 2377-93.

Основной целью аттестации МВИ является подтверждение компетентной метрологической службой возможности измерений по данной МВИ с погрешностью, не превышающей указанную в документе, регламентирующем МВИ.

Положительные результаты аттестации МВИ, содержащихся в отраслевых нормативных документах (ОСТ, РД), оформляют свидетельствами об аттестации по форме, приведенной в ГОСТ Р 8.563. Если МВИ входит в состав ТУ, конструкторского или технологического документа, на нем делается отметка "МВИ аттестована" с указанием организации, проводившей аттестацию.

Проекты государственных стандартов, содержащих МВИ, должны подвергаться метрологической экспертизе в государственных метрологических центрах (ГМНЦ).

Аттестованные МВИ подлежат метрологическому надзору со стороны органов Госстандарта и метрологической службы отрасли.

При метрологическом надзоре за аттестованными методиками проверяют:

· наличие документа, регламентирующего МВИ, с отметкой или свидетельством об аттестации;

· соответствие применяемых средств измерений и других технических средств, условий измерений, порядка подготовки и выполнения измерений, обработки и оформления результатов измерений, указанных в документе, регламентирующем МВИ;

· соблюдение требований к процедуре контроля погрешности результатов измерений по МВИ, если такая процедура регламентирована;

· соответствие квалификации операторов, выполняющих измерения, регламентированной в документе МВИ;

· соблюдение требований по обеспечению безопасности труда и экологической безопасности при выполнении измерений;

· наличие перечней документов на МВИ, а также планов (графиков) отмены и пересмотра документов на МВИ, не удовлетворяющих требованиям ГОСТ Р 8.563.

16 Порядок сертификации СИЭ в отрасли «связь»

Средства измерения электросвязи (СИЭ) подлежат обязательной сертификации в системе сертификации "Электросвязь".

К СИЭ относятся средства измерений специального назначения, разработанные и (или) применяемые для измерений преимущественно в технике связи. Средства измерений (СИ) общего применения, не относящиеся к СИЭ, не подлежат сертификации в системе "Электросвязь".

Решение о том, относится ли СИ к СИЭ, принимается метрологами операторов связи, а в сложных случаях — головной организацией метро логической службы (или базовыми организациями).

Общие правила и порядок сертификации СИЭ (подача заявки, заключение контрактов или договоров, выдача и оформление сертификата и т.п.) должны соответствовать "Основным положениям обязательной сертификации технических средств электросвязи ВСС России". Процедура сертификации СИЭ представлена на рисунке 7.2.

Заявку на проведение сертификации СИЭ должен подавать изготовитель, продавец или владелец (оператор) данного вида СИЭ. Сертификационные испытания по заявке оператора проводятся, когда поставщик отказался от проведения сертификации или не присутствует на Российском рынке. Сертификат соответствия при этом распространяется только на конкретные экземпляры СИЭ, указанные в заявке.

Сертификацию СИЭ проводят аккредитованные испытательные центры (ИЦ) технических средств и систем электросвязи, в область аккредитации которых входят средства измерения (измерительная техника) электросвязи. В случае сложной измерительной техники предпочтение должно отдаваться испытательным центрам головной и базовых организаций метрологической службы отрасли.

После вынесения решения УС Минсвязи России о сертификации заказчику выдается Сертификат соответствия по установленной форме. На основании полученного сертификата изготовитель (поставщик) обязан маркировать изделия, в том числе СИЭ, знаком сертификата, в нем указанным, в соответствии с ОСТ 45.02-97.

Действие сертификата на СИЭ, приобретенные в период срока действия сертификата, распространяется на весь срок службы данного СИЭ.

Порядок проведения сертификации СИЭ в системе "Электросвязь" должен соответствовать отраслевому РД 45.054-2000 "Организация и порядок проведения сертификации средств измерения электросвязи".

17 Технические основы метрологического обеспечения

Задачи метрологического обеспечения измерений, поверки, калибровки и сертификации СИ в данной области так же, как и в ряде других областей, могут решаться следующими путями:

Разработка эталонов физических единиц, базирующихся на фундаментальных физических законах, что необходимо для воспроизведения единицы оптической мощности.

Рисунок 17.2 - Процедура сертификации СИЭ

Создание (или отбор) прецизионных устройств, действующих на основе стандартных методов, но с метрологическими характеристиками, превышающими характеристики применяемых на практике средств измерений. Эти устройства могут служить вторичными эталонами для калибровки и поверки средств измерений, которые осуществляются при этом с помощью компаратора. При таком подходе сложно качественно превысить характеристики калибруемых приборов, а также избавиться от составляющих погрешности, связанных со свойствами компараторов (преимущественно – образцов оптического волокна).

Применение результатов межлабораторных сличений, проводимых на основе образцов оптического волокна. В этом случае указанные образцы, характеристики которых определяются статистическими методами как результат оценки на нескольких средствах измерений, могут применяться в качестве компараторов либо эталонных мер. При подобном подходе так же, как и в первом случае, следует учитывать погрешности за счет свойств волокна. На результаты калибровки могут также влиять старение волокна, микроизгибы, изменение усилия натяжения.

Упомянутые трудности не возникнут, если создать исходные средства измерений, моделируя прохождение излучения через волокно. Такие СИ можно использовать непосредственно как эталоны единиц определенных физических величин.

Следует подчеркнуть, что последний подход основывается на том, что в данном случае должна решаться не задача измерения характеристик оптического волокна, а задача поверки и калибровки приборов, определяющих эти характеристики.

В этой связи были разработаны установки высшей точности (УВТ), возглавляющие соответствующие поверочные схемы для следующих единиц, характеризующих измерение параметров световодов: затухание – для измерений двухточечным методом и методом ОТDR; расстояние до места повреждения; полоса пропускания; числовая апертура; профиль показателя преломления /4/.

В УВТ с учетом создания требуемых условий ввода излучения используется метод обрыва /5/. Предварительно с высокой степенью точности определяются градуировочные характеристики (нелинейность) фотоприемных устройств, применяемых в УВТ.

Погрешность установки не превышает 0,2 дБ в диапазоне до 30 дБ. Она работает на длинах волн 0,85 мкм; 1,3 мкм, 1,55 мкм.

УВТ для поверки средств, измеряющих расстояние до места повреждения оптического кабеля – оптических рефлектометров.

Для обеспечения поверки и калибровки оптических рефлектометров по шкалам расстояний и амплитуд в состав УВТ включены устройства, позволяющие решать поставленную задачу разными методами – путем прямых измерений (первый из описанных выше подходов) и путем создания исходной меры, воспроизводящей единицу длины (времени задержки) для световода /5/. Это независимая система для измерения времени задержки оптического сигнала в ОВ, специальный эхо-генератор и прецизионный измеритель длины оптического волокна.

Отметим, что эхо-генератор, построенный на основании третьего подхода, позволяет калибровать оптические рефлектометры как по шкале затуханий, так и по шкале расстояний в широком динамическом диапазоне. Это дает возможность избежать погрешностей, присущих другим известным способам /10/.

В настоящее время эхо-генератор выполнен в виде отдельного прибора, работающего в лабораторных условиях, и может быть использован также как образцовое средство измерений для калибровки оптических рефлектометров. С его помощью проводились исследования метрологических характеристик рефлектометров фирм "АНДО", "Филипс", "Гранерт Прецитроник", "Hewlett Packard", "Wavetek", "Wandel & Goltermann" и др. и были обеспечены государственные испытания рефлектометров. Если необходимо измерение непосредственно длины либо оценка групповой скорости, может применяться входящий в состав УВТ прецизионный измеритель длины ОВ, обладающий погрешностью измерения длины не более 0,3 м в пределах 1 км.

Погрешности (предельные значения) воспроизведения в УВТ равны для временных интервалов не более 1 нс (0,1м) в диапазоне 5·10^-8 1,5·10^-3с (5м ± 150км);

затухания -0,1 ± -0,7 дБ в диапазоне 0,5 ± 30 дБ. Рабочие длины волн составляют 0,85; 1,3; 1,55 мкм.

УВТ для поверки СИ ширины полосы пропускания ОВ.

В данной установке также используется последний из перечисленных подходов – создание исходной меры путем моделирования прохождения излучения через ОВ /7/. Для этой цели применяется тракт в виде специальной перестраиваемой оптической линии задержки, который служит "эталоном" частотной характеристики и обладает известной задаваемой частотной характеристикой, волоконным входом и выходом.

Изменяя длину линии задержки, которая должна определяться при этом со сравнительно небольшой точностью, можно получать различные значения ± (или f), соответствующие задаваемой ширине полосы пропускания.

УВТ работает на длинах волн 0,85 мкм и 1,3 мкм в диапазоне частот до 1,5 ГГц. Погрешность воспроизведения – не более 2%.

Три другие разработанные УВТ основаны на применении первого подхода и стандартных методов измерений параметров оптического волокна.

Установка построена на базе гониофотометрического устройства, позволяющего получить распределение интенсивности с выхода волокна в дальнем поле и значение апертуры на требуемом уровне распределения.

Особенностью прибора является возможность работы на нескольких длинах волн - 0,6; 0,85; 1,3; 1,55 мкм и в "белом" свете.

Погрешность УВТ не превышает 1,5% в диапазоне апертур 0,1–0,4. В качестве ОСИ используются отрезки оптического волокна.

УВТ для поверки средств, измеряющих профиль показателя преломления, основана на методе рефракции в ближнем поле. Рабочие длины волн УВТ 0,85 и 0,63 мкм, погрешность не превышает 5·10^-4 ед. показателя преломления. В настоящее время УВТ находится в Ереванском институте оптико-физических исследований.

Для метрологического обеспечения измерений энергетических и динамических характеристик источников и приемников излучения малых уровней разработаны эталоны и вторичные стандарты максимальной и средней мощности, обеспечивающие калибровку в динамическом диапазоне от 1·10^-9 до 1·10^-2Вт (по средней мощности) в спектральной области 0,6 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм. Принцип действия эталонов и соответствующих стандартов для средней мощности (согласно поверочной схеме ГОСТ8.275-91) основан на применении неселективного теплового приемника с электрическим замещением, работающего в диапазоне 10^-3 ± 10^-4Вт с погрешностью 0,5%, и стабилизированного излучателя. Расширение динамического диапазона достигается использованием вторичных стандартов на основе фотоэлектрических приемников с измеренной нелинейностью в диапазоне 10^-3 ± 10^-8 Вт с погрешностью 2–3%.

Для метрологического обеспечения измерений максимальной мощности и динамических параметров (в соответствии с поверочной схемой ГОСТ8.198-85) используется эталон, работающий в диапазоне 10^-4 ± 10^-2 Вт с погрешностью воспроизведения максимальной мощности и относительной формы импульса не более 3% при длительности импульсов 2·10^-8 ± 10^-7 с и длительности фронта 2·10^-9 с. Расширение динамического, временного и спектрального диапазонов производится с помощью вторичных эталонов на основе быстродействующих полупроводниковых источников и приемников с использованием алгоритмических методов восстановления формы сигналов и обработки результатов измерений.

Рассмотренные эталонные средства измерений и соответствующие поверочные схемы определяют порядок и погрешности передачи размеров единиц при поверке, калибровке и аттестации рабочих средств измерений. Для этого были выпущены соответствующие нормативные документы в том числе методические указания, определяющие способы и средства поверки (МИ 1818-87, МИ 1046-86, МИ 1686-87, МИ 1687-87, МИ 1688-87 ) , а также рабочие места поверителя для средств измерений средней мощности и оптических рефлектометров, параметры которых указаны ниже:

1. Рабочее место поверителя для поверки и калибровки средств измерений средней мощности:

· основная погрешность на длине волны калибровки – не более 5%;

· основная погрешность измерений относительных уровней мощности – не более 2%;

· погрешность измерений нелинейности (на декаду) – 0,1%;

· диапазон измеряемой мощности – 10^-8 ± 10^-3 Вт;

· фиксированные значения длин волн калибровки в диапазонах:
850 ± 10 нм; 1300 ± 10 нм; 1550 ± 10 нм

2. Рабочее место поверителя для поверки и калибровки оптических рефлектометров:

· длины волн для:
многомодового оптического волокна – 0,85 мкм; 1,30 мкм;
одномодового оптического волокна – 1,31 мкм; 1,55 мкм.

· Диапазон нормируемых длин – 0,5–250 км.
временных интервалов – 5·10^-6– 2·10^-5с.

· Основная погрешность измерений длин,м – не более 0,5–1,0
временных интервалов – не более 5·10^-9–10^-8 с.

· Диапазон нормируемых значений затухания – 0,5–30 дБ.

· Основная погрешность измерений затухания – не более 0,05–1,0.

В настоящее время указанным поверочным оборудованием оснащаются государственные и ведомственные метрологические службы.

В имеющемся виде перечисленные устройства позволяют решать только часть возникающих в настоящее время задач. Как было сказано выше, развитие волоконно-оптических систем потребовало применения следующего поколения компонентов, в первую очередь, связанных с использованием одномодового ОВ, а также ужесточениятребований к погрешностям средств измерений и расширения диапазонов измерений.