Оглавление
- 1. Роль лабораторных источников питания постоянного тока в метрологических лабораториях
- 2. Основные технические требования к источникам питания
- 3. Нормативные документы, регламентирующие применение источников питания в метрологии
- 4. Параметры стабильности, точности и шумовых характеристик
- 5. Применение источников питания при поверке и калибровке средств измерений
- 6. Критерии выбора лабораторного источника питания для метрологической лаборатории
- 7. Особенности эксплуатации и предотвращение типичных ошибок
- 8. Заключение
1. Роль лабораторных источников питания постоянного тока в метрологических лабораториях
Лабораторные источники питания постоянного тока являются одним из ключевых элементов оснащения любой метрологической лаборатории, выполняющей поверку, калибровку и испытания средств измерений электрических величин. В отличие от источников питания общего назначения, применяемых в производственных или ремонтных подразделениях, лабораторные модели должны обеспечивать высокую стабильность выходных параметров, низкий уровень пульсаций и шума, а также возможность точной установки и контроля напряжения и тока.
В метрологической практике источник питания используется не просто как устройство для подачи энергии, а как средство задания эталонного или вспомогательного электрического воздействия. От качества этого воздействия напрямую зависит составляющая неопределённости результата измерений. Даже незначительные отклонения напряжения или тока на выходе источника могут привести к увеличению погрешности при поверке цифровых вольтметров, амперметров, мультиметров, измерительных преобразователей и датчиков.
Особую роль лабораторные источники питания играют при выполнении работ, связанных с определением метрологических характеристик средств измерений в статических режимах. К таким работам относятся:
- определение основной погрешности средств измерений напряжения и тока;
- проверка линейности преобразования;
- оценка влияния изменения напряжения питания на метрологические характеристики;
- исследование температурных коэффициентов и временной нестабильности;
- проведение испытаний на электромагнитную совместимость в части устойчивости к изменениям напряжения питания.
В условиях метрологической лаборатории источник питания часто работает совместно с эталонными средствами измерений — цифровыми вольтметрами, мерами напряжения, калибраторами. В таких случаях требования к стабильности и чистоте выходного сигнала источника становятся особенно жёсткими. Нестабильность выходного напряжения даже на уровне сотых долей процента может стать доминирующим вкладом в бюджет неопределённости.
Кроме того, современные метрологические лаборатории всё чаще выполняют работы по калибровке измерительных каналов автоматизированных систем контроля и управления, датчиков тока и напряжения, применяемых в энергетике, на транспорте и в промышленности. Для корректного воспроизведения рабочих точек таких систем необходимы источники питания с высокой разрешающей способностью установки параметров и возможностью программного управления.
Таким образом, лабораторный источник питания постоянного тока в метрологической лаборатории выполняет функцию не вспомогательного, а метрологически значимого оборудования. Его характеристики должны быть известны, контролируемы и соответствовать требованиям, предъявляемым к средствам, участвующим в передаче размера единиц электрических величин.
Купите надёжный программируемый источник питания RIGOL DP711 и повысьте качество тестирования электроники.
2. Основные технические требования к источникам питания
Требования к лабораторным источникам питания постоянного тока, применяемым в метрологических лабораториях, формируются исходя из задач обеспечения прослеживаемости измерений и минимизации вкладов в неопределённость. Основные группы требований можно разделить на следующие.
Точность установки и индикации выходных параметров. Источник должен обеспечивать возможность установки напряжения и тока с погрешностью, соизмеримой или меньшей, чем погрешность поверяемых (калибруемых) средств измерений. Для большинства задач метрологических лабораторий требуется погрешность установки напряжения не хуже ±0,05 % от установленного значения, а для высокоточных работ — на уровне ±0,01 % и лучше.
Стабильность выходных параметров во времени. Важнейшим требованием является малый дрейф напряжения и тока после прогрева. Типичные значения временной нестабильности для лабораторных источников, применяемых в метрологии, составляют не более 0,01–0,02 % за 8 часов работы после прогрева в течение 30–60 минут.
Стабильность при изменении напряжения сети и нагрузки. Коэффициент стабилизации по напряжению сети и по нагрузке должен быть достаточно высоким. Для качественных лабораторных источников значение коэффициента стабилизации по сети обычно составляет не менее 104, а изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки от нуля до номинального — не более 0,01–0,02 %.
Уровень пульсаций и шума. Пульсации и шум на выходе источника питания вносят прямой вклад в погрешность измерений, особенно при работе с высокочувствительными средствами измерений. Для метрологических применений уровень пульсаций в полосе частот до 20 МГц, как правило, не должен превышать 1–2 мВ эффективного значения, а для особо точных работ — 0,5 мВ и менее.
Разрешающая способность установки. Современные лабораторные источники должны обеспечивать установку напряжения с дискретностью не хуже 1 мВ (а для диапазонов до 10–20 В — 0,1 мВ) и тока — не хуже 0,1–1 мА в зависимости от номинального тока.
Защитные функции. Обязательными являются защита от перегрузки по току, защита от перенапряжения, тепловая защита. В метрологической практике важно, чтобы срабатывание защит происходило без повреждения подключённого оборудования и без внесения дополнительных погрешностей в момент перегрузки.
Гальваническая развязка и изоляция. Выходные цепи источника должны иметь достаточную электрическую прочность изоляции относительно корпуса и сети питания. Это требование особенно актуально при работе с оборудованием, имеющим собственное заземление или при проведении измерений в схемах с плавающим потенциалом.
Перечисленные требования носят общий характер. Конкретные численные значения зависят от вида выполняемых метрологических работ и точности поверяемых средств измерений. Однако для любой метрологической лаборатории, претендующей на аккредитацию, характеристики используемых источников питания должны быть подтверждены документально и контролироваться в процессе эксплуатации.
3. Нормативные документы, регламентирующие применение источников питания в метрологии
Применение лабораторных источников питания постоянного тока в метрологических лабораториях регулируется рядом нормативных документов, устанавливающих как общие требования к компетентности лабораторий, так и специальные требования к средствам измерений и испытательному оборудованию.
Ключевым документом, определяющим общие требования к метрологическим лабораториям, является ГОСТ ISO/IEC 17025-2019 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий». В соответствии с этим стандартом лаборатория должна обеспечивать, чтобы всё оборудование, оказывающее влияние на результаты измерений, было поверено или калибровано, а его метрологические характеристики соответствовали требуемой точности.
Для нормирования метрологических характеристик средств измерений применяется ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». Хотя этот документ непосредственно не описывает источники питания, он задаёт подходы к выбору и контролю характеристик оборудования, участвующего в измерительном процессе.
Общие технические требования к средствам измерений электрических величин установлены в ГОСТ 22261-94 «Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия». Этот стандарт определяет требования к точности, стабильности, влиянию внешних факторов и ряду других параметров, которые в полной мере относятся и к лабораторным источникам питания, используемым в качестве средств задания электрических величин.
При аттестации испытательного оборудования, к которому могут относиться и источники питания, применяемые при испытаниях средств измерений, руководствуются ГОСТ Р 8.568-2017 «ГСИ. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения». Документ устанавливает порядок определения метрологических характеристик испытательного оборудования и подтверждения его пригодности для применения.
Дополнительно при организации работ по поверке и калибровке учитываются требования методик поверки и калибровки конкретных типов средств измерений, а также рекомендации по оценке неопределённости измерений, изложенные в документах по метрологии. В совокупности эти нормативные документы формируют систему требований, которым должен соответствовать лабораторный источник питания, используемый в метрологической лаборатории.
Важно отметить, что сам по себе источник питания может не являться средством измерений в строгом смысле, если он не используется для передачи размера единицы. Однако если его характеристики влияют на результат поверки или калибровки, лаборатория обязана обеспечить контроль этих характеристик в соответствии с требованиями системы менеджмента качества и нормативных документов по обеспечению единства измерений.
4. Параметры стабильности, точности и шумовых характеристик
Центральное место среди характеристик лабораторных источников питания постоянного тока занимают параметры, определяющие стабильность, точность и спектральную чистоту выходного сигнала. Именно эти параметры в наибольшей степени влияют на качество метрологических работ.
Коэффициент стабилизации по напряжению сети характеризует способность источника поддерживать постоянство выходного напряжения при изменении напряжения питающей сети. Он определяется по формуле:
\[ K_{\text{ст.с}} = \frac{\Delta U_{\text{сети}} / U_{\text{сети}}}{\Delta U_{\text{вых}} / U_{\text{вых}}} \]где \(\Delta U_{\text{сети}}\) — изменение напряжения сети, \(U_{\text{сети}}\) — номинальное напряжение сети, \(\Delta U_{\text{вых}}\) — вызванное им изменение выходного напряжения, \(U_{\text{вых}}\) — установленное выходное напряжение. Для лабораторных источников, применяемых в метрологии, значение \(K_{\text{ст.с}}\) обычно составляет не менее \(10^{4}\).
Коэффициент стабилизации по нагрузке отражает изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки:
\[ K_{\text{ст.н}} = \frac{\Delta I_{\text{н}} / I_{\text{н}}}{\Delta U_{\text{вых}} / U_{\text{вых}}} \]Высокое значение этого коэффициента необходимо для обеспечения стабильности при работе с нагрузками, сопротивление которых может изменяться в процессе измерений.
Временная нестабильность выходного напряжения после прогрева является одной из наиболее критичных характеристик. Она определяет, насколько можно доверять установленному значению в течение рабочей смены. Для высокоточных работ требуется, чтобы относительное изменение напряжения за 8 часов не превышало \(1 \cdot 10^{-4}\) … \(2 \cdot 10^{-4}\).
Температурный коэффициент выходного напряжения характеризует влияние температуры окружающей среды. Его типичные значения для лабораторных источников лежат в диапазоне \(0,01\) … \(0,05\ \%/^{\circ}\text{C}\). В помещениях метрологических лабораторий, где температура поддерживается в узких пределах, этот параметр обычно не является доминирующим, однако при работе вне стационарных условий он должен учитываться.
Уровень пульсаций и шума оценивается как в эффективном, так и в амплитудном значении. Для метрологических применений наиболее информативным является измерение в широкой полосе частот (обычно до 20 МГц). Высокочастотные составляющие шума особенно критичны при поверке средств измерений с широкой полосой пропускания.
Ниже приведены типичные значения основных параметров лабораторных источников питания, рекомендуемые для применения в метрологических лабораториях при работах средней и повышенной точности:
| Параметр | Рекомендуемое значение |
|---|---|
| Погрешность установки напряжения | не хуже ±0,05 % |
| Погрешность установки тока | не хуже ±0,1 % |
| Временная нестабильность (8 ч) | ≤ 0,02 % |
| Коэффициент стабилизации по сети | ≥ 10 000 |
| Изменение напряжения при изменении нагрузки 0–100 % | ≤ 0,02 % |
| Пульсации и шум (эфф. значение, 20 Гц – 20 МГц) | ≤ 2 мВ |
| Температурный коэффициент | ≤ 0,02 %/°C |
| Дискретность установки напряжения | ≤ 1 мВ |
Приведённые значения носят ориентировочный характер и должны уточняться в зависимости от конкретной области аккредитации лаборатории и точности выполняемых работ. Для лабораторий, выполняющих поверку эталонных средств измерений, требования к параметрам источников питания могут быть существенно жёстче.
Контроль перечисленных характеристик должен проводиться как при входном контроле оборудования, так и периодически в процессе эксплуатации. Результаты контроля фиксируются в соответствии с процедурами системы менеджмента качества лаборатории. Только при условии постоянного подтверждения соответствия параметров источника питания установленным требованиям можно считать, что его влияние на результаты метрологических работ находится под контролем.
5. Применение источников питания при поверке и калибровке средств измерений
В метрологических лабораториях лабораторные источники питания постоянного тока применяются как средство задания стабильного электрического воздействия при выполнении широкого спектра поверочных и калибровочных работ. Наиболее часто они используются при поверке и калибровке цифровых и аналоговых вольтметров, амперметров, мультиметров, измерительных преобразователей напряжения и тока, а также при проверке входных цепей измерительных систем.
При определении основной погрешности вольтметра постоянного тока источник питания формирует последовательность опорных значений напряжения. На каждое значение подаётся напряжение с выхода источника, а показания поверяемого прибора сравниваются с показаниями эталонного вольтметра или с установленным значением самого источника (если его погрешность пренебрежимо мала). Для снижения влияния нестабильности источника измерения выполняют после завершения переходных процессов, а в ряде методик — с усреднением нескольких отсчётов.
При поверке амперметров постоянного тока источник работает в режиме стабилизации тока. Ток пропускается через последовательно соединённые эталонный амперметр (или меру тока) и поверяемый прибор. Здесь особенно важны низкий уровень пульсаций и высокая стабильность тока во времени, поскольку даже небольшие колебания приводят к увеличению разброса показаний.
Типовые задачи, в которых лабораторный источник питания играет ключевую роль:
- проверка основной погрешности средств измерений напряжения и тока в нескольких точках диапазона;
- определение вариации показаний при прямом и обратном ходе;
- исследование влияния изменения напряжения питания на метрологические характеристики приборов;
- проверка работы схем защиты поверяемых средств измерений;
- задание рабочих точек при калибровке измерительных преобразователей и датчиков;
- обеспечение стабильного питания эталонных мер и вспомогательного оборудования.
При работе с высокоомными входами вольтметров и измерительных усилителей существенное значение приобретает низкий уровень высокочастотного шума источника. Шумовые составляющие могут выпрямляться на нелинейных элементах входных цепей и создавать дополнительную постоянную составляющую, искажающую результат. Поэтому для таких работ предпочтительны источники с нормированным уровнем шума в широкой полосе частот.
В автоматизированных поверочных комплексах источник питания управляется по интерфейсу. Это позволяет реализовать пошаговую подачу значений, синхронизацию с эталонными средствами измерений и автоматический сбор данных. В таких системах требования к стабильности и времени установления выходного параметра становятся ещё более жёсткими, поскольку цикл измерений может быть коротким, а количество точек — большим.
Отдельный класс задач — поверка и калибровка средств измерений, работающих в условиях изменения напряжения питания. Источник в этом случае используется как регулируемый источник питания самого поверяемого прибора. Диапазон регулирования и точность установки должны соответствовать требованиям методики поверки.
6. Критерии выбора лабораторного источника питания для метрологической лаборатории
Выбор лабораторного источника питания постоянного тока для метрологической лаборатории должен основываться на анализе конкретных задач, точности поверяемых средств измерений и условий эксплуатации. Основные критерии выбора можно сгруппировать следующим образом.
Метрологические характеристики. Погрешность установки напряжения и тока, временная и температурная нестабильность, уровень пульсаций и шума должны быть согласованы с требованиями методик поверки и калибровки. Источник не должен вносить доминирующий вклад в бюджет неопределённости.
Диапазоны выходных параметров. Необходимо наличие всех требуемых диапазонов напряжения и тока. Для универсальных лабораторий предпочтительны источники с несколькими независимыми каналами или с широким перекрытием диапазонов.
Режимы работы. Обязательны режимы стабилизации напряжения и стабилизации тока с автоматическим переходом. Для ряда задач полезен режим ограничения мощности.
Интерфейсы управления. Наличие цифровых интерфейсов (USB, LAN, GPIB) существенно повышает производительность при автоматизации поверочных процедур.
Защитные функции и надёжность. Надёжная защита от перегрузки, перенапряжения и перегрева снижает риск повреждения как самого источника, так и подключённого оборудования.
Документация и прослеживаемость. Источник должен сопровождаться руководством по эксплуатации с указанием метрологических характеристик и, при необходимости, свидетельством о поверке или калибровке.
Ориентировочные критерии выбора для лабораторий различного уровня точности приведены в таблице.
| Критерий | Лаборатории средней точности | Лаборатории повышенной точности |
|---|---|---|
| Погрешность установки напряжения | ≤ 0,05 % | ≤ 0,01 % |
| Временная нестабильность за 8 ч | ≤ 0,02 % | ≤ 0,01 % |
| Пульсации и шум (эфф.) | ≤ 2 мВ | ≤ 0,5 мВ |
| Дискретность установки напряжения | 1 мВ | 0,1 мВ |
| Наличие интерфейса управления | желательно | обязательно |
| Количество независимых каналов | 1–2 | 2 и более |
При выборе следует также учитывать габариты, возможность установки в стойку, удобство органов управления и наличие функции сохранения настроек. Для лабораторий, работающих с несколькими рабочими местами, целесообразно иметь резервный источник с аналогичными характеристиками.
7. Особенности эксплуатации и предотвращение типичных ошибок
Даже высококачественный лабораторный источник питания может стать источником дополнительной погрешности, если при его эксплуатации допускаются ошибки. Наиболее распространённые из них и способы их предотвращения рассмотрены ниже.
Недостаточное время прогрева. Многие источники достигают нормированной стабильности только после 30–60 минут прогрева. Начало измерений сразу после включения приводит к заметному дрейфу выходного напряжения. Необходимо соблюдать время прогрева, указанное в руководстве по эксплуатации.
Игнорирование влияния соединительных проводов. Сопротивление проводов и переходных контактов вносит падение напряжения, особенно при больших токах. Для точных измерений следует использовать четырёхпроводную схему подключения (раздельные провода тока и напряжения) либо учитывать сопротивление цепи.
Образование контуров заземления. При соединении источника с эталонными приборами и поверяемым средством измерений могут возникать паразитные контуры, наводящие дополнительные напряжения. Рекомендуется применять схемы с одноточечным заземлением и, при необходимости, гальванически развязанные приборы.
Работа вблизи границ диапазонов. На краях диапазонов регулирования характеристики источника (стабильность, уровень шума) могут ухудшаться. Следует по возможности выбирать диапазон так, чтобы рабочая точка находилась в его средней части.
Отсутствие периодического контроля характеристик. Параметры источника со временем могут изменяться. Необходимо периодически проверять основные метрологические характеристики в соответствии с графиком, установленным в системе менеджмента качества лаборатории.
Типичные ошибки эксплуатации и меры по их исключению удобно представить в виде перечня:
- включение измерений без прогрева — соблюдать время прогрева не менее указанного в документации;
- использование длинных тонких проводов при больших токах — применять провода достаточного сечения и четырёхпроводную схему;
- параллельное соединение выходов нескольких источников без специальных мер — избегать либо использовать источники с функцией параллельной работы;
- превышение допустимой ёмкостной нагрузки — учитывать ограничения по ёмкости нагрузки, указанные изготовителем;
- работа при повышенной температуре окружающей среды — обеспечивать условия, соответствующие требованиям руководства по эксплуатации.
Соблюдение указанных правил позволяет в полной мере реализовать метрологические возможности источника питания и исключить его влияние как значимого источника неопределённости результатов измерений.
8. Заключение
Лабораторные источники питания постоянного тока являются неотъемлемой частью оснащения современных метрологических лабораторий. Их характеристики напрямую влияют на точность и достоверность результатов поверки и калибровки средств измерений электрических величин. Высокая стабильность, низкий уровень пульсаций и шума, точность установки параметров и надёжные защитные функции — обязательные требования к оборудованию, используемому в метрологической практике.
Соблюдение требований нормативных документов, правильный выбор источника по метрологическим и эксплуатационным критериям, а также грамотная эксплуатация позволяют свести к минимуму вклад источника питания в бюджет неопределённости измерений. Периодический контроль характеристик и соблюдение правил подключения обеспечивают стабильную работу оборудования на протяжении всего срока службы.
При оснащении или модернизации метрологической лаборатории важно подбирать источники питания, характеристики которых соответствуют задачам конкретной области аккредитации. Современный рынок предлагает широкий выбор моделей различной точности и функциональности. При необходимости купить лабораторный источник питания постоянного тока с требуемыми параметрами стабильности и точности можно с учётом актуальной цены, наличия необходимых интерфейсов и комплекта документации. Правильно выбранный источник становится надёжным инструментом, обеспечивающим качество метрологических работ на протяжении многих лет.
Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич