Содержание
Существует большое количество разных измерительных приборов. Одним из часто используемых устройств как в быту, так и в профессиональной сфере деятельности, является вольтметр. Предназначен он для измерения значения напряжения в любой точке электрической сети. Промышленность изготавливает несколько типов таких измерителей, отличающихся друг от друга принципом работы. При этом каждый из них имеет как достоинства, так и недостатки.
История изобретения
Итальянский учёный Алессандро Вольт, проведя ряд экспериментов с электричеством, приходит к выводу, что получить электрический ток можно используя соединение металлов с жидкостью. Поместив медные пластины, покрытые цинком, в кислоту, он в 1800 году создаёт первый электрохимический источник энергии, названный позже «вольтов столб».
Он также устанавливает, что при соединении двух разных металлов возникает сила, которая затрачивается на работу по перемещению электрического заряда из одной точки в другую. При этом перемещённый заряд изменяет свой потенциал (величину энергии), которым он обладает. Разность между начальным потенциалом и конечным получает название «напряжение».
Для измерения количества электричества Вольт использует металлический стержень, вставленный в каучуковую пробку и помещённый в бутылку. На нижний конец, находящийся в бутылке, он надевает соломинки, а на другой — шар. Учёный наблюдает, что при контакте шара с наэлектризованным веществом соломинки отталкиваются. Это позволяет ему судить о степени заряженности материала.
Существование напряжения Вольт доказал проведя следующий опыт. На электроскоп (прибор регистрирующий заряд) был надет медный и цинковый диск. Между ними проложен тонкий слой диэлектрика. На короткое время физик замыкал металлы между собой проволокой. Лепестки на электроскопе немного раздвигались. Далее диски раздвигались на большее расстояние, при этом лепестки регистратора расходились ещё больше.
Фактически это был первый эксперимент, позволяющий измерить, хотя и в грубой форме, напряжение. В 1830 году английский учёный Майкл Фарадей открывает явление электромагнитной индукции, на котором впоследствии создаётся ряд электроизмерительных приборов.
В 1881 году французский физик Арсен Д’Арсонваль создаёт устройство, состоящее из катушки и стрелки, помещённых в постоянное магнитное поле. На катушку подавался электрический ток, в результате чего стрелка отклонялась от начального положения. В этом же году был проведён Международный электротехнический конгресс, на котором были приняты обозначения электрических величин. Прибор, предназначенный для измерения разности потенциалов, был назван вольтметром, а напряжение стало измеряться в вольтах.
Суть прибора
Вольтметр — это устройство, относящееся к классу электроизмерительных приборов, предназначенное для измерения электродвижущей силы (ЭДС) на участке электрической линии. Другими словами, вольтметр показывает разность потенциалов (напряжение) между двумя точками электрической цепи. Подключается он всегда параллельно к источнику тока или нагрузке.
При измерении устройство не должно никоим образом воздействовать на параметры электрической цепи, поэтому идеальным считается прибор, имеющий бесконечно большое внутреннее сопротивление. От этого параметра в первую очередь и зависит точность замеров. В зависимости от формы измеряемого сигнала, вольтметры разделяются на устройства, измеряющие постоянный или переменный ток.
Кроме того, по принципу измерения вольтметры бывают:
- Диодно-компенсационные. Принцип их действия основан на сравнении измеряемого сигнала с эталонным, выдаваемым регулируемым источником. Основным элементом конструкции является вакуумный диод. Они используются только для измерения гармоничного (переменного) сигнала, но в широком диапазоне частот. Точность замеров довольно высокая.
Импульсные. Измеряют значение амплитуды сигнала периодических и одиночных импульсов с большой скважностью. Структурная схема устройства состоит из преобразователя уровня импульса, усилителя и отсчётного устройства.- Фазочувствительные. Характерным признаком такого устройства является наличие двух индикаторов, служащих для регистрации действительной и мнимой составляющих комплексного сигнала. Их используют для исследований амплитудно-фазовых характеристик.
- Селективные. По своей схемотехнике похожи на супергетеродинные радиоприёмники. Способны выделять гармоники сигнала и измерять их среднеквадратичную величину амплитуды.
- Универсальные. Многофункциональные приборы, умеющие измерять любой тип сигнала.
Все приведенные приборы применяются в лабораториях и на производствах для наладки работы той или иной техники. В быту же и радиолюбительстве чаще используются вольтметры, умеющие измерять среднеквадратичное напряжение переменного и постоянного тока. Поэтому все типы устройств, принято разделять на два вида: аналоговые и цифровые.
Обозначение и характеристики
Согласно единой системе конструкторской документации, на принципиальных и электрических схемах вольтметр принято обозначать в виде окружности, в середину которой вписывается латинская буква V. На рисунках и чертежах прибор подписывается русской буквой «В» или английской аббревиатурой PV.
Кроме того, первая цифра, стоящая в названии прибора после буквы «В», выпускаемого в странах бывшего СССР, обозначает тип устройства. Например, «B2» — постоянного тока, «B3» — переменного, «B4» — импульсного, «B7» — универсального.
Для оценки возможностей прибора принято использовать следующие технические характеристики:
Внутренний импеданс источника. Характеризуется сопротивлением, измеренным на выходе прибора. Чем больше это значение, тем прибор считается более качественным.- Диапазон измерений. Это область, ограниченная наименьшим и наибольшим значением, которое может измерить прибор. Большинство тестеров являются универсальными, измеряющими напряжение в диапазоне от десятков милливольт до киловольта. Однако в исследовательских центрах используются приборы, позволяющие определять мили или даже микровольты.
- Точность показаний. Этим параметром обозначается погрешность между реальными значениями напряжения и измеренными. В зависимости от значений измеряемой амплитуды сигнала, эта погрешность изменяется, поэтому характеризуется она классом точности. Например, для прибора, работающего в диапазоне измерения от 0 до 60 вольт, класс точности, равный единице, будет обозначать, что погрешность прибора не может превышать 0,6 В, но на малых значениях такой допуск недопустим. Поэтому диапазон измерений и разбивается на небольшие участки.
- Диапазон частот. Определяется чувствительностью электронных компонентов регистрировать сигнал той или иной частоты.
- Рабочая температура окружающей среды. Обозначает условия, при которых погрешность измерения будет соответствовать заявленному классу точности.
Виды вольтметров
Кроме технических параметров, определяющих назначение прибора, в описаниях вольтметра часто указываются его физические размеры. Связано это с тем, что все устройства по виду конструкции разделяют на три типа:
- Переносные.
- Стационарные.
- Панельные (щитовые).
Первые обычно относятся к полупрофессиональным и любительским измерительным устройствам. Выглядят они в виде прямоугольных коробочек, сделанных из жёсткого пластика или карболита. Все они работают от мобильных источников питания, аккумуляторов или батареек. Для удобства определения амплитудного значения сигнала в наборе с вольтметрами идёт съёмная пара щупов.
Вторые запитываются от сети переменного напряжения, через встроенный в них блок питания. Чаще всего это узкоспециализированные тестеры, обладающие высокой точностью измерений. Используют их в профессиональной сфере деятельности для контроля напряжения в важных точках электрической цепи.
Третий же тип предназначен для использования в специально оборудованных шкафах для постоянного контроля величины напряжения. Обычно применяются в комплексе с защитными приборами. Такого вида вольтметром измеряют переменное однофазное или трёхфазное напряжение.
Аналоговое устройство
Отличительной чертой аналогового устройства является присутствие стрелочного индикатора. В основе принципа работы вольтметра такого типа лежит использование измерительной головки. Конструктивно она выполняется в виде алюминиевого контура, помещённого в магнитное поле. Стрелка прибора и оси приклеивается к рамке, на которую намотана проволока.
Через пружины или растяжки, удерживающие стрелку в начальном положении, на конструкцию подаётся ток. В зависимости от величины его силы, магнитное поле воздействует на рамку с разной интенсивностью. В итоге возникает крутящий момент, выводящий стрелку из нулевого состояния.
Для устойчивого положения стрелки используются демпферы. Под указателем располагается шкала, отградуированная по эталонным приборам. Поэтому каждое положение стрелки соответствует своему значению напряжения. Как только измерения заканчиваются, ток перестаёт поступать на измерительную головку и указатель под действием растяжек возвращается на своё первоначальное положение.
Структурную схему аналогового прибора можно подставить в виде последовательной цепочки, состоящей из входного устройства, усилителя тока, детектора, измерительной головки.
Технические возможности вольтметра во многом определяются чувствительностью головки. К достоинствам аналогового прибора относят инерционность и невосприимчивость к помехам. Он идеально подходит для отображения динамики сигнала. Такой измеритель мгновенно показывает изменение вольтажа. Например, при вычислении напряжения с пульсациями, тестер, интегрируя их, показывает среднее значение. Расширить диапазон измерения можно применив добавочные сопротивления или шунты. Но при своих достоинствах стрелочные вольтметры характеризуются большой погрешностью и сложность в интерпретации результатов измерения.
Цифровой прибор
Принцип действия цифрового вольтметра переменного тока, как и постоянного, основан на использовании аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Измеряемый сигнал поступает на вход микросхемы, преобразовывающей его в набор импульсов, передающихся дальше в блок обработки для формирования кода. Трансформированный сигнал направляется на цифровое отсчётное устройство, а с него уже и на дисплей.
Точность замеров электронного вольтметра зависит от качества преобразования сигнала в цифровой код. Попадая на компаратор, сигнал разбивается на группы единиц и направляется в ячейки памяти, сохраняющих информацию. Если код подать напрямую, то на экране показания будут неустойчивыми. Дисплеем управляет свой контроллер, обеспечивающий вывод данных из памяти и засвечивающий сегменты дисплея.
К достоинствам цифрового вольтметра относят высокое внутреннее сопротивление, что делает его измерения очень точными. А также он оснащён электронным усилителем, позволяющим проводить замеры даже слабых сигналов. Результат измерений отображается на табло сразу в виде числа, поэтому нет необходимости высчитывать значение по шкалам.
Электронный измеритель нечувствителен к магнитным полям и одинаково измеряет при любой полярности приложенного напряжения.
Порядок измерения
Чтобы провести измерения, вольтметр подключается с помощью измерительных щупов параллельно двум точкам, между которыми нужно измерить разность потенциалов. Принцип определения амплитуды будет одинаков для любого типа устройства. Порядок измерения напряжения можно представить в виде следующих действий:
Включить устройство.- Подключить штекера измерительных проводов в соответствующие гнёзда на панели прибора.
- Установить нужный диапазон измерения.
- Прижать измерительные щупы к исследуемому объекту.
- Прочитать показания с экрана прибора.
Таким образом, при помощи вольтметра можно достаточно быстро измерить величину амплитуды между двумя точками электрической линии с любым типом сигнала. Прибор имеет высокое собственное сопротивление, поэтому пользоваться им довольно безопасно.
Задача 4.
Напряжение постоянного тока измеряется двумя вольтметрами – класса точности кл.т1 (используется предел измерений )и класса точности кл.т2 (используется предел измерений )
Показания вольтметров составляют соответственно и .
Определить какой вольтметр предпочтительнее применять для обеспечения большей точности измерений. Указать пределы, в которых находится измеряемое напряжение. Влиянием входного сопротивления вольтметра пренебречь.
1) Определим максимально допустимые относительные отклонения:
Для первого вольтметра:
Для второго вольтметра:
Определим максимально допускаемые абсолютные отклонения:
03 Ноя 2016г | Раздел: Электрика
Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Основной единицей измерения электрического напряжения является вольт. В зависимости от величины напряжение может измеряться в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 1000 В), милливольтах (1 мВ = 0,001 В), микровольтах (1 мкВ = 0,001мВ = 0,000001 В). На практике, чаще всего, приходится сталкиваться с вольтами и милливольтами.
Существует два основных вида напряжений – постоянное и переменное. Источником постоянного напряжения служат батареи, аккумуляторы. Источником переменного напряжения может служить, например, напряжение в электрической сети квартиры или дома.
Для измерения напряжения используют вольтметр. Вольтметры бывают стрелочные (аналоговые) и цифровые.
На сегодняшний день стрелочные вольтметры уступают пальму первенства цифровым, так как вторые более удобны в эксплуатации. Если при измерении стрелочным вольтметром показания напряжения приходится вычислять по шкале, то у цифрового результат измерения сразу высвечивается на индикаторе. Да и по габаритам стрелочный прибор проигрывает цифровому.
Но это не значит, что стрелочные приборы совсем не применяются. Есть некоторые процессы, которые цифровым прибором увидеть нельзя, поэтому стрелочные больше применяются на промышленных предприятиях, лабораториях, ремонтных мастерских и т.п.
На электрических принципиальных схемах вольтметр обозначается кружком с заглавной латинской буквой «V» внутри. Рядом с условным обозначением вольтметра указывается его буквенное обозначение «PU» и порядковый номер в схеме. Например. Если вольтметров в схеме будет два, то около первого пишут «PU 1», а около второго «PU 2».
При измерении постоянного напряжения на схеме указывается полярность подключения вольтметра, если же измеряется переменное напряжение, то полярность подключения не указывается.
Напряжение измеряют между двумя точками схемы: в электронных схемах между плюсовым и минусовым полюсами, в электрических схемах между фазой и нулем. Вольтметр подключают параллельно источнику напряжения или параллельно участку цепи — резистору, лампе или другой нагрузке, на которой необходимо измерить напряжение:
Рассмотрим подключение вольтметра: на верхней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и одновременно на источнике питания GB1. На нижней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и резисторе R1.
Перед тем, как измерить напряжение, определяют его вид и приблизительную величину. Дело в том, что у вольтметров измерительная часть рассчитана только для одного вида напряжения, и от этого результаты измерений получаются разными. Вольтметр для измерения постоянного напряжения не видит переменное, а вольтметр для переменного напряжения наоборот, постоянное напряжение измерить сможет, но его показания будут не точными.
Знать приблизительную величину измеряемого напряжения также необходимо, так как вольтметры работают в строго определенном диапазоне напряжений, и если ошибиться с выбором диапазона или величиной, прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения вольтметра составляет 0…100 Вольт, значит, напряжение можно измерять только в этих пределах, так как при измерении напряжения выше 100 Вольт прибор выйдет из строя.
Помимо приборов, измеряющих только один параметр (напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота), существуют многофункциональные, в которых заложено измерение всех этих параметров в одном приборе. Такой прибор называется тестер (в основном это стрелочные измерительные приборы) или цифровой мультиметр.
На тестере останавливаться не будем, это тема другой статьи, а сразу перейдем к цифровому мультиметру. В основной своей массе мультиметры могут измерять два вида напряжения в пределах 0…1000 Вольт. Для удобства измерения оба напряжения разделены на два сектора, а в секторах на поддиапазоны: у постоянного напряжения поддиапазонов пять, у переменного — два.
У каждого поддиапазона есть свой максимальный предел измерения, который обозначен цифровым значением: 200m, 2V, 20V, 200V, 600V. Например. На пределе «200V» измеряется напряжение, находящееся в диапазоне 0…200 Вольт.
Теперь сам процесс измерения.
1. Измерение постоянного напряжения.
Вначале определяемся с видом измеряемого напряжения (постоянное или переменное) и переводим переключатель в нужный сектор. Для примера возьмем пальчиковую батарейку, постоянное напряжение которой составляет 1,5 Вольта. Выбираем сектор постоянного напряжения, а в нем предел измерения «2V», диапазон измерения которого составляет 0…2 Вольта.
Измерительные щупы должны быть вставлены в гнезда, как показано на нижнем рисунке:
красный щуп принято называть плюсовым, и вставляется он в гнездо, напротив которого изображены значки измеряемых параметров: «VΩmA»;
черный щуп называют минусовым или общим и вставляется он в гнездо, напротив которого стоит значок «СОМ». Относительно этого щупа производятся все измерения.
Плюсовым щупом касаемся положительного полюса батарейки, а минусовым — отрицательного. Результат измерения 1,59 Вольта сразу виден на индикаторе мультиметра. Как видите, все очень просто.
Теперь еще нюанс. Если на батарейке щупы поменять местами, то перед единицей появится знак минуса, сигнализирующий, что перепутана полярность подключения мультиметра. Знак минуса бывает очень удобен в процессе наладке электронных схем, когда на плате нужно определить плюсовую или минусовую шины.
Ну а теперь рассмотрим вариант, когда величина напряжения неизвестна. В качестве источника напряжения оставим пальчиковую батарейку.
Допустим, мы не знаем напряжение батарейки, и чтобы не сжечь прибор измерение начинаем с самого максимального предела «600V», что соответствует диапазону измерения 0…600 Вольт. Щупами мультиметра касаемся полюсов батарейки и на индикаторе видим результат измерения, равный «001». Эти цифры говорят о том, что напряжения нет или его величина слишком мала, или выбран слишком большой диапазон измерения.
Опускаемся ниже. Переключатель переводим в положение «200V», что соответствует диапазону 0…200 Вольт, и щупами касаемся полюсов батарейки. На индикаторе появились показания равные «01,5». В принципе этих показаний уже достаточно, чтобы сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,5 Вольта.
Однако нолик, стоящий впереди, предлагает снизиться еще на предел ниже и точнее измерить напряжение. Снижаемся на предел «20V», что соответствует диапазону 0…20 Вольт, и снова производим измерение. На индикаторе высветились показания «1,58». Теперь можно с точностью сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,58 Вольта.
Вот таким образом, не зная величину напряжения, находят ее, постепенно снижаясь от высокого предела измерения к низкому.
Также бывают ситуации, когда при измерении в левом углу индикатора высвечивается единица «1». Единица сигнализирует о том, что измеряемое напряжение или ток выше выбранного предела измерения. Например. Если на пределе «2V» измерить напряжение равное 3 Вольта, то на индикаторе появится единица, так как диапазон измерения этого предела всего 0…2 Вольта.
Остался еще один предел «200m» с диапазоном измерения 0…200 mV. Этот предел предназначен для измерения совсем маленьких напряжений (милливольт), с которыми иногда приходится сталкиваться при наладке какой-нибудь радиолюбительской конструкции.
2. Измерение переменного напряжения.
Процесс измерения переменного напряжения ни чем не отличается от измерения постоянного. Отличие состоит лишь в том, что для переменного напряжения соблюдать полярность щупов не требуется.
Сектор переменного напряжения разбит на два поддиапазона 200V и 600V.
На пределе «200V» можно измерять, например, выходное напряжение вторичных обмоток понижающих трансформаторов, либо любое другое находящееся в диапазоне 0…200 Вольт. На пределе «600V» можно измерять напряжения 220 В, 380 В, 440 В или любое другое находящееся в диапазоне 0…600 Вольт.
В качестве примера измерим напряжение домашней сети 220 Вольт.
Переводим переключатель в положение «600V» и щупы мультиметра вставляем в розетку. На индикаторе сразу появился результат измерения 229 Вольт. Как видите, все очень просто.
И еще один момент.
Перед измерением высоких напряжений ВСЕГДА лишний раз убеждайтесь в исправности изоляции щупов и проводов вольтметра или мультиметра, а также дополнительно проверяйте выбранный предел измерения. И только после всех этих операций производите измерения. Этим Вы убережете себя и прибор от неожиданных сюрпризов.
А если что осталось не понятно, то посмотрите видеоролик, где показано измерение напряжения и силы тока с помощью мультиметра.
Как Вы убедились, измерить напряжение мультиметром не так уж и сложно. Главное понимать что, где и как. И в заключении хочу предложить Вам прочитать статью прибор для измерения силы тока, как измерить силу тока мультиметром.
Удачи!
