Применение лабораторного источника питания при калибровке и поверке измерительных приборов

Оглавление

1. Роль лабораторного источника питания в метрологическом обеспечении
2. Нормативные требования к источникам питания при проведении калибровки и поверки
3. Основные режимы работы лабораторных источников питания
4. Ключевые метрологические характеристики источников питания
5. Особенности применения моделей DP832A, DP811A и DP822
6. Схемы подключения и обеспечение точности измерений
7. Типовые процедуры калибровки и поверки с использованием лабораторных источников
8. Анализ влияния нестабильности и шумов источника на результаты
9. Практические рекомендации по выбору и эксплуатации

Роль лабораторного источника питания в метрологическом обеспечении

Лабораторный источник питания является одним из ключевых вспомогательных средств измерений при выполнении работ по калибровке и поверке широкого спектра контрольно-измерительных приборов. Его основная задача заключается в формировании стабильного, воспроизводимого и точно известного значения напряжения или тока, которые используются в качестве опорных воздействий для проверяемого средства измерений.

В практике метрологических лабораторий лабораторный источник питания применяется в следующих основных случаях:

• при поверке и калибровке вольтметров, амперметров, мультиметров и ваттметров постоянного тока;
• при проверке характеристик измерительных преобразователей напряжения и тока;
• при калибровке цифровых регистраторов, осциллографов и систем сбора данных в части амплитудных каналов;
• при испытаниях блоков питания и преобразователей собственной разработки на соответствие заявленным параметрам;
• при воспроизведении нормированных нагрузочных режимов для поверки источников питания более низкого класса точности.

Особенность применения лабораторного источника питания состоит в том, что он одновременно выполняет функции как средства воспроизведения электрической величины, так и средства обеспечения электропитания проверяемого прибора. Это накладывает повышенные требования к стабильности выходных параметров, уровню пульсаций, переходным характеристикам и защите от аварийных режимов.

При проведении поверки по ГОСТ 8.009-84 и связанным с ним нормативным документам источник питания должен обеспечивать погрешность установки выходной величины, которая как минимум в три раза меньше допускаемой погрешности поверяемого средства измерений. Для калибровки, выполняемой по методикам, разработанным в соответствии с ГОСТ Р 8.820-2013, требования могут быть ещё более жёсткими в зависимости от целевой неопределённости измерений.

Лабораторные источники питания современных серий, к которым относятся модели DP832A, DP811A и DP822, позволяют реализовать как ручной, так и программируемый режимы работы. Это существенно повышает производительность поверочных работ и снижает влияние человеческого фактора при установке значений.

Нормативные требования к источникам питания при проведении калибровки и поверки

Применение лабораторных источников питания в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений регламентируется рядом нормативных документов. Основными из них являются:

• ГОСТ 8.009-84 «Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений»;
• ГОСТ Р 8.568-2017 «Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения»;
• ГОСТ Р 8.820-2013 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрологическое обеспечение. Основные положения»;
• ГОСТ IEC 61010-1-2014 «Безопасность электрических контрольно-измерительных приборов и лабораторного оборудования. Часть 1. Общие требования»;
• методики поверки конкретных типов средств измерений, утверждённые в установленном порядке.

Согласно требованиям ГОСТ 8.009-84, средства измерений, используемые в качестве эталонов или вспомогательных средств, должны иметь нормированные метрологические характеристики, включающие пределы допускаемой основной погрешности, нестабильность за установленный интервал времени, влияние температуры окружающей среды и напряжения питающей сети.

Для лабораторных источников питания, применяемых при поверке, дополнительно нормируются:

• нестабильность выходного напряжения и тока при изменении напряжения сети;
• нестабильность при изменении нагрузки в заданных пределах;
• уровень пульсаций и шумов в заданной полосе частот;
• время установления выходной величины после включения или изменения уставки;
• температурный коэффициент выходного напряжения и тока.

При аттестации испытательного оборудования по ГОСТ Р 8.568-2017 лабораторный источник питания рассматривается как часть измерительной установки. В этом случае оформляется протокол аттестации, в котором указываются действительные значения метрологических характеристик источника и область его применения.

Важным требованием является наличие у источника питания функции дистанционного управления и возможности регистрации установленных значений. Это позволяет реализовать автоматизированные поверочные комплексы и снизить влияние субъективных факторов. Модели DP832A, DP811A и DP822 полностью соответствуют данным требованиям за счёт наличия интерфейсов USB, LAN и поддержки стандартных команд SCPI.

Соблюдение указанных нормативных требований обеспечивает прослеживаемость результатов калибровки и поверки к государственным первичным эталонам единиц напряжения и силы тока.

Купить трёхканальный программируемый источник питания RIGOL DP832A — отличное решение для производственного контроля и тестирования.

Основные режимы работы лабораторных источников питания

Современные лабораторные источники питания реализуют несколько основных режимов работы, каждый из которых находит применение при калибровке и поверке различных типов измерительных приборов.

Режим стабилизации напряжения (CV — Constant Voltage) является основным при поверке вольтметров, цифровых мультиметров и измерительных преобразователей напряжения. В этом режиме источник поддерживает заданное значение выходного напряжения независимо от изменения тока нагрузки в пределах допустимой мощности. Уравнение, описывающее работу в режиме CV, имеет вид:

\[ U_{\text{вых}} = U_{\text{уст}} \pm \Delta U \]

где \( U_{\text{уст}} \) — установленное значение напряжения, \( \Delta U \) — суммарная погрешность установки и нестабильности.

Режим стабилизации тока (CC — Constant Current) применяется при поверке амперметров, шунтов и токовых клещей. В этом режиме источник поддерживает заданный ток нагрузки, а выходное напряжение определяется сопротивлением нагрузки:

\[ I_{\text{вых}} = I_{\text{уст}} \pm \Delta I \]

\[ U_{\text{вых}} = I_{\text{вых}} \cdot R_{\text{нагр}} \]

Режим ограничения мощности (CP — Constant Power) используется реже, однако необходим при калибровке ваттметров и при испытаниях нагрузок с нелинейной вольт-амперной характеристикой. В этом режиме выполняется условие:

\[ P_{\text{вых}} = U_{\text{вых}} \cdot I_{\text{вых}} = \text{const} \]

Для моделей DP832A, DP811A и DP822 характерна возможность независимой работы каналов в различных режимах. Это позволяет одновременно воспроизводить напряжение и ток в разных цепях поверочной схемы, что особенно удобно при комплексной поверке многофункциональных приборов.

Дополнительно источники питания указанных моделей поддерживают режим электронной нагрузки (в определённых конфигурациях) и функцию плавного нарастания/спада выходной величины. Последняя функция критически важна при поверке приборов с ёмкостной или индуктивной составляющей входного сопротивления, так как исключает броски тока и напряжения.

Переключение между режимами CV и CC происходит автоматически при достижении предела по току или напряжению. Время перехода и характер переходного процесса также нормируются и должны учитываться при разработке методик поверки.

Ключевые метрологические характеристики источников питания

При выборе лабораторного источника питания для задач калибровки и поверки определяющими являются следующие метрологические характеристики.

Основная погрешность установки выходного напряжения и тока. Для источников класса точности, применяемых в поверочных лабораториях, она обычно составляет:

\[ \delta_U = \pm (0,05 \% \cdot U_{\text{уст}} + 20 \text{ мВ}) \]

\[ \delta_I = \pm (0,2 \% \cdot I_{\text{уст}} + 10 \text{ мА}) \]

Данные значения характерны для моделей DP832A и DP822. Модель DP811A обеспечивает более высокую точность в одноканальном исполнении за счёт оптимизации силовой части.

Нестабильность выходных параметров при изменении напряжения питающей сети в пределах \(\pm 10 \%\) от номинального значения не должна превышать половины основной погрешности. Аналогичное требование предъявляется к нестабильности при изменении температуры окружающей среды в рабочем диапазоне.

Уровень пульсаций и шумов. Для большинства поверочных работ приемлемым считается значение не более 1–2 мВ среднеквадратического значения в полосе частот от 20 Гц до 20 МГц. При поверке высокоточных цифровых вольтметров требования ужесточаются до 0,5 мВ и ниже.

Время установления выходной величины. После изменения уставки или включения нагрузки выходное напряжение должно устанавливаться с погрешностью не более 0,1 % от конечного значения за время, не превышающее 50–100 мс. Для источников с программируемым интерфейсом дополнительно нормируется время отклика на команду.

Температурный коэффициент выходного напряжения. Типичное значение для современных лабораторных источников составляет \( 50 \cdot 10^{-6} \) 1/°C. При длительных поверочных работах, выполняемых в течение рабочей смены, необходимо учитывать дрейф, связанный с самопрогревом источника.

Для моделей DP832A, DP811A и DP822 характерны следующие отличительные особенности:

• DP832A — трёхканальный источник с независимой регулировкой, максимальное напряжение 30 В и 5 В на вспомогательном канале, суммарная мощность 195 Вт;
• DP811A — одноканальный источник высокой мощности (до 200 Вт) с возможностью работы в широком диапазоне напряжений и токов;
• DP822 — двухканальный источник с возможностью последовательного и параллельного соединения каналов для расширения диапазонов.

Наличие функции измерения выходного тока и напряжения с высокой разрешающей способностью позволяет использовать сам источник в качестве дополнительного контрольного прибора при проведении поверки, что снижает потребность в дополнительных эталонных средствах измерений.

При разработке методик калибровки и поверки необходимо учитывать, что реальная погрешность воспроизведения напряжения или тока в конкретной схеме может превышать паспортную погрешность источника за счёт влияния соединительных проводов, контактных сопротивлений и электромагнитных помех. Поэтому в методиках обычно предусматривается либо использование четырёхпроводной схемы подключения, либо введение поправок, определённых экспериментально.

Особенности применения моделей DP832A, DP811A и DP822

Модели DP832A, DP811A и DP822 представляют собой программируемые лабораторные источники питания, которые широко применяются в поверочных и калибровочных лабораториях благодаря сочетанию высокой точности, стабильности и гибкости конфигурации каналов.

Модель DP832A является трёхканальным источником. Два основных канала обеспечивают регулируемое напряжение до 30 В при токе до 3 А, третий канал — фиксированное или регулируемое напряжение 5 В при токе до 3 А. Суммарная выходная мощность составляет 195 Вт. Независимая работа каналов позволяет одновременно воспроизводить несколько опорных напряжений в одной поверочной схеме, что особенно удобно при калибровке многоканальных измерительных систем и блоков питания.

Модель DP811A выполнена в одноканальном исполнении с максимальной мощностью 200 Вт. Диапазон напряжения составляет 0–40 В при токе до 5 А или 0–20 В при токе до 10 А в зависимости от выбранной конфигурации. Высокая мощность и широкий диапазон делают эту модель предпочтительной при поверке мощных амперметров, шунтов и нагрузочных модулей.

Модель DP822 представляет собой двухканальный источник с возможностью последовательного и параллельного соединения каналов. В последовательном режиме максимальное напряжение достигает 60 В, в параллельном — ток до 6 А. Такая гибкость позволяет адаптировать источник под конкретные диапазоны поверяемых средств измерений без применения дополнительных преобразователей.

Общими преимуществами указанных моделей при проведении калибровки и поверки являются:

• высокая разрешающая способность установки напряжения (1 мВ) и тока (1 мА);
• низкий уровень пульсаций и шумов;
• наличие функции измерения выходных параметров с отображением на дисплее;
• поддержка интерфейсов USB и LAN с командами SCPI для автоматизации;
• встроенные защиты от перегрузки по току, перенапряжения и перегрева.

При использовании этих моделей в поверочных работах рекомендуется предварительно выполнять процедуру самокалибровки источника согласно руководству по эксплуатации. Это позволяет компенсировать дрейф параметров после транспортировки или длительного хранения.

Схемы подключения и обеспечение точности измерений

Правильный выбор схемы подключения лабораторного источника питания к поверяемому средству измерений напрямую влияет на достигаемую точность. Наиболее распространёнными являются двухпроводная и четырёхпроводная схемы.

В двухпроводной схеме соединительные провода одновременно выполняют функции подачи напряжения и измерения. Падение напряжения на сопротивлении проводов \( R_{\text{пр}} \) вносит дополнительную погрешность:

\[ \Delta U_{\text{пр}} = I_{\text{нагр}} \cdot R_{\text{пр}} \]

Эта погрешность становится существенной при токах свыше 1 А и длине проводов более 1 м. Поэтому двухпроводная схема рекомендуется только для поверки вольтметров в диапазонах низких токов потребления.

Четырёхпроводная схема (Kelvin-соединение) разделяет цепи тока и напряжения. Токовые провода подают ток нагрузки, а потенциальные провода подключаются непосредственно к входным клеммам поверяемого прибора. В этом случае падение напряжения на токовых проводах не влияет на результат измерения. Уравнение для измеряемого напряжения принимает вид:

\[ U_{\text{изм}} = U_{\text{ист}} - I_{\text{нагр}} \cdot R_{\text{конт}} \]

где \( R_{\text{конт}} \) — сопротивление контактов в потенциальной цепи, которое при качественном подключении пренебрежимо мало.

Для моделей DP832A, DP811A и DP822 рекомендуется использовать комплектные измерительные провода с сечением не менее 1 мм² для токов до 3 А и не менее 2,5 мм² для токов свыше 5 А. Длина потенциальных проводов не должна превышать 1,5 м во избежание наводок.

При поверке амперметров источник включается последовательно с поверяемым прибором. Для снижения влияния индуктивности соединительных цепей применяются провода минимальной длины, скрученные попарно. В случае поверки шунтов используется четырёхзажимное подключение с отдельными потенциальными выводами.

Дополнительным фактором, влияющим на точность, является качество заземления. Корпус источника питания и поверяемого прибора должны иметь единую точку заземления. Разность потенциалов между корпусами приводит к появлению уравнительных токов и искажению результатов.

• При работе с чувствительными цифровыми вольтметрами рекомендуется экранирование соединительных проводов.
• В схемах с высоким уровнем электромагнитных помех применяют фильтры низких частот на выходе источника.
• Для исключения влияния термо-ЭДС все соединения выполняют из однородных металлов.

Типовые процедуры калибровки и поверки с использованием лабораторных источников

Типовая процедура поверки вольтметра постоянного тока с применением лабораторного источника питания включает следующие основные этапы.

Подготовка к поверке. Источник питания и поверяемый прибор выдерживают во включённом состоянии не менее 30 минут для достижения теплового равновесия. Проверяют отсутствие внешних электромагнитных помех и соответствие условий окружающей среды требованиям методики поверки.

Установка контрольных точек. В соответствии с методикой поверки выбирают не менее пяти точек в каждом диапазоне измерений, включая начальное, среднее и конечное значения. Для каждого значения выполняют установку напряжения на источнике и регистрацию показаний поверяемого прибора.

Расчёт основной погрешности. Абсолютная погрешность определяется по формуле:

\[ \Delta = U_{\text{показ}} - U_{\text{ист}} \]

Относительная погрешность:

\[ \delta = \frac{U_{\text{показ}} - U_{\text{ист}}}{U_{\text{ист}}} \cdot 100 \% \]

Полученные значения сравнивают с пределами допускаемой погрешности, указанными в описании типа средства измерений.

При поверке амперметров процедура аналогична, однако источник работает в режиме стабилизации тока. Контрольные точки выбирают с учётом номинального тока шунта или предела измерений амперметра.

Для многофункциональных приборов (мультиметров) поверку выполняют последовательно по всем функциям и диапазонам. Использование многоканальных источников типа DP832A позволяет ускорить процесс за счёт одновременной подачи опорных сигналов на разные входы.

При калибровке, выполняемой вне сферы государственного регулирования, допускается сокращение числа контрольных точек и применение менее жёстких критериев. Однако даже в этом случае рекомендуется документировать все установленные значения и полученные результаты измерений.

Анализ влияния нестабильности и шумов источника на результаты

Нестабильность выходных параметров лабораторного источника питания и наличие пульсаций оказывают непосредственное влияние на неопределённость результатов калибровки и поверки.

Кратковременная нестабильность (за время измерения одной точки) проявляется в виде флуктуаций выходного напряжения или тока. При усреднении показаний поверяемого прибора за интервал 5–10 с влияние этой составляющей снижается. Однако при поверке быстродействующих цифровых приборов с малым временем интегрирования флуктуации могут быть зафиксированы как дополнительная погрешность.

Долговременный дрейф связан с изменением температуры внутри источника и старением элементов. Типичное значение дрейфа для моделей DP832A, DP811A и DP822 после прогрева составляет менее 0,01 % за 8 часов работы. При проведении длительных поверок рекомендуется периодически контролировать выходное значение с помощью эталонного вольтметра.

Пульсации и шумы на выходе источника в полосе частот до 20 МГц создают дополнительную переменную составляющую. Для цифровых вольтметров с высоким разрешением эта составляющая может приводить к нестабильности младших разрядов. Уровень пульсаций описывается среднеквадратическим значением:

\[ U_{\text{пульс}} = \sqrt{\frac{1}{T} \int_0^T u^2(t) \, dt} \]

где \( u(t) \) — мгновенное значение переменной составляющей.

Влияние пульсаций на результат измерения зависит от полосы пропускания поверяемого прибора. Для приборов с полосой до 1 кГц высокочастотные составляющие практически не влияют. Для широкополосных осциллографов и регистраторов влияние может быть существенным.

Для минимизации влияния нестабильности и шумов рекомендуется:

• использовать источники с нормированным уровнем пульсаций не более 1 мВ с.к.з.;
• применять дополнительные LC-фильтры на выходе при работе с высокочувствительными приборами;
• выполнять измерения в экранированных помещениях или внутри экранирующих камер;
• контролировать температуру окружающей среды с точностью не хуже ±1 °C.

При расчёте суммарной неопределённости калибровки вклад источника питания учитывается как одна из составляющих бюджетной неопределённости. Обычно он не превышает 20–30 % от общей неопределённости результата.

Практические рекомендации по выбору и эксплуатации

При выборе лабораторного источника питания для задач калибровки и поверки следует руководствоваться следующими критериями.

Диапазоны напряжения и тока источника должны перекрывать все необходимые контрольные точки поверяемых средств измерений с запасом не менее 10 %. Для большинства лабораторий оптимальными являются модели с максимальным напряжением 30–40 В и током до 5–10 А.

Класс точности источника должен обеспечивать соотношение погрешностей не хуже 1:3 по отношению к поверяемым приборам. Для поверки приборов класса 0,1 % и точнее требуются источники с основной погрешностью не более 0,03–0,05 %.

Наличие программируемого интерфейса существенно повышает производительность при массовой поверке однотипных приборов. Модели DP832A, DP811A и DP822 поддерживают стандартные команды управления и легко интегрируются в автоматизированные поверочные комплексы.

Эксплуатация источника должна проводиться в соответствии с требованиями руководства по эксплуатации. Перед началом работы выполняется внешний осмотр, проверка исправности органов управления и индикации. Периодически, в сроки, установленные графиком, проводится поверка или калибровка самого источника питания.

При длительном хранении рекомендуется поддерживать источник во включённом состоянии не реже одного раза в три месяца для предотвращения деградации электролитических конденсаторов.

В условиях поверочной лаборатории целесообразно иметь не менее двух источников различной конфигурации: многоканальный для повседневных работ и мощный одноканальный для специальных задач. Это обеспечивает резервирование и гибкость при выполнении нестандартных методик.

Правильный выбор и грамотная эксплуатация лабораторного источника питания позволяют обеспечить требуемую точность и достоверность результатов калибровки и поверки измерительных приборов на протяжении всего межповерочного интервала.

Для оснащения метрологической лаборатории или поверочного участка оптимальным решением является приобретение программируемых лабораторных источников питания, обеспечивающих высокую стабильность и точность воспроизведения электрических величин. При необходимости купить источник питания подходящей конфигурации следует учитывать не только технические характеристики, но и цену, наличие сервисной поддержки и возможность последующей поверки. Современные модели позволяют закрыть большинство задач по калибровке и поверке средств измерений постоянного тока, обеспечивая при этом оптимальное соотношение функциональности и цены.

Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич