Меню

Что измеряет вольтметр напряжение или разность потенциалов

Как устроен вольтметр, принцип действия и назначение прибора

Время на чтение:

Как устроен вольтметр

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».

Итальянский учёный Алессандро Вольт

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.

Прибор Вольтметр

Кроме того, по принципу измерения вольтметры бывают:

Импульсный вольтметр

  • 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:

Характеристики вольтметра

  • 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.
Читайте также:  Подача напряжения через конденсатор

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:

  1. Переносные.
  2. Стационарные.
  3. Панельные (щитовые).

Переносные. вольтметры

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.

Цифровой вольтметр переменного тока

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:

Порядок измерения вольтметром

  1. Включить устройство.
  2. Подключить штекера измерительных проводов в соответствующие гнёзда на панели прибора.
  3. Установить нужный диапазон измерения.
  4. Прижать измерительные щупы к исследуемому объекту.
  5. 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.

Источник



Что измеряет вольтметр? Прибор для измерения напряжения

Человек, далекий от электрических цепей, напряжений, токов и сопротивлений, едва ли сходу сможет ответить на этот вопрос: что измеряет вольтметр? Поскольку ответ очевиден, если просто прочитать вторую половину заглавия статьи, раскроем чуть подробнее данную тему. В частности, рассмотрим измерение напряжения в быту, характеристики приборов, принцип работы.

Определение

Вольтметр — это измерительное устройство, позволяющее получать значение напряжения или электродвижущей силы в цепи постоянного или переменного тока. Диапазон прибора может простираться до 1000 В и более. Все зависит от его предназначения. Чтобы лучше понимать, что это такое, рассмотрим определение электродвижущей силы. Поскольку очень часто она путается с напряжением в сети, их следует отделить друг от друга.

Читайте также:  Датчик напряжения сети 220 gsm

ЭДС и напряжение: разница

Итак, ЭДС — это физическая величина, характеризующая работу, производимую какими-либо силами неэлектрического характера по перемещению единичного положительного заряда вдоль рассматриваемого контура. В самом обычном случае она показывает способность источника энергии создавать ту или иную разность потенциалов в двух разнесенных точках цепи. Измеряется, как и напряжение, в вольтах. Отличается от него тем, что характеризует источник питания на холостом ходу, то есть без подключения к сети.

Когда в контуре имеется ток, то есть он замкнут, появляется еще одно, более привычное слуху понятие — напряжение. Причем оно может браться как для самого источника питания на его клеммах, так и в любом участке цепи. Измерение напряжения представляет собой выявление разности потенциалов между двумя разнесенными точками. Для источника питания оно обычно несколько меньше электродвижущей силы, когда тот включен в цепь потребления. По сути, и ЭДС, и напряжение — это одно и то же, с различием лишь в том, какой физический процесс порождает появление разности потенциалов между двумя точками, в которых проводится измерение.

Виды вольтметров

Здесь следует выделить два основных вида: переносные и стационарные. Портативный прибор для измерения напряжения можно не только перетаскивать вручную. Обычно он включает функционал для проверки токов и сопротивления в цепи, а также температуры проводников и т.д. Стационарные приборы зачастую конструктивно объединены с самой сетью, в которой осуществляется измерение, например, в электрораспределительных щитах, панелях и т.п.

Что касается классификации по принципу действия, то можно выделить несколько видов электромеханических вольтметров и два типа электронных. Последние — это аналоговые и цифровые. Электромеханические вольтметры используют магнитную преобразовательную систему для получения значений напряжения. Электронные приборы оцифровывают получаемый сигнал при помощи АЦП. Показания вольтметра в зависимости от принципа представления данных показываются либо стрелочным указателем, либо на специальном цифровом табло.

Еще одна классификация — по назначению. Она позволяет разделить приборы на измерители постоянного и переменного тока, а также фазочувствительные, импульсные и универсальные. Для последних доступна практически вся гамма сигналов, напряжение которых необходимо узнать.

Основные технические характеристики

Зависят от предназначения прибора. К примеру, вольтметр постоянного тока обычно имеет несколько диапазонов измерения, поэтому их число будет одной из важнейших технических характеристик. Кроме того, практически все приборы имеют определенное входное сопротивление, зависящее, кстати, от того, в каких пределах находится напряжение исследуемого участка цепи.

Еще важными характеристиками являются, конечно же, погрешности, а также разрешение шкалы либо минимальный шаг показаний, если речь о цифровом вольтметре. Если пользователю достался универсальный прибор для измерения напряжения, к вышеперечисленным могут добавляться пределы величин, с которыми он способен работать, например, токов, сопротивлений, температур, а также диапазоны, погрешности и частоты для переменных сигналов.

Принцип работы

Общая схема функционирования прибора сильно зависит от реализации. Если это электромеханический вольтметр, имеется магнитная система, чувствительная к протекающему току. В зависимости от его величины, увеличивается и отклонение стрелки указателя, механически связанной с контуром, рамкой или чем-то еще, что используется для преобразования тока в цепи. Точность таких приборов не очень велика, поскольку не позволяет получать высокие значения входных сопротивлений, а значит, вносит серьезные искажения в измерения, поскольку в цепь добавляется паразитная проводимость.

Распространенные в последнее время в быту цифровые вольтметры имеют большое количество электроники под крышкой. Это связано с преобразованием аналогового сигнала, получаемого на входе прибора, в цифровую форму с использованием АЦП. Кому действительно интересно, можно ознакомиться с большим количеством литературы по теме. Такой вольтметр, цена которого колеблется в пределах нескольких сотен рублей, конечно, не претендует на богатый выбор возможностей и огромную точность, однако вполне способен измерить напряжение на клеммах автомобильного аккумулятора или в сети 220 В.

Подключение в цепь

Вольтметр в цепи всегда подключается параллельно нагрузке либо источнику питания, если нужно измерить его ЭДС или напряжение на клеммах. Именно поэтому существуют такие жесткие требования к входному сопротивлению прибора, поскольку подобное его подсоединение подразумевает появление дополнительной проводимости в цепи.

Ни в коем случае не следует подключать вольтметр, цена которого хоть сколько-нибудь велика, в контур последовательно. Иначе пользователь рискует банально сжечь прибор, так и не успев выяснить то, ради чего все затевалось. Если даже если тот выдержит такое варварское обращение, его показаниям не следует доверять, поскольку ток в цепи претерпевает серьезные изменения при таком подключении вольтметра, опять же отодвигая в неизвестное возможность узнать действительное напряжение участка, в котором производятся измерения.

Меры безопасности при эксплуатации

Поскольку сопротивление самого вольтметра в большинстве случаев достаточно велико, а схема подключения, соответственно, используется параллельная, риск получить какой-либо серьезный удар током в низковольтной цепи минимален. Однако если речь о промышленных приборах, особенно в стационарном исполнении, это подразумевает огромные значения измеряемых величин как напряжений, так и, скорее всего, токов. Поэтому здесь техника безопасности должна быть на высочайшем уровне, и без достаточных знаний, резиновых перчаток, ковриков и других соответствующих мер, естественно, какая-либо активность противопоказана. То, что измеряет вольтметр, скорее всего, очень опасно для жизни, поэтому рекомендуем не испытывать судьбу. В любом случае прикасаться к оголенным проводам, даже если цепь по определению низковольтная, не следует.

Читайте также:  Что такое желаемое напряжение чем оно определяется

Заключение

Отвечая на вопрос о том, что измеряет вольтметр, мы рассмотрели в общих чертах его устройство, основные технические характеристики, классификацию. Конечно, этот небольшой обзор не претендует на всеобъемлющую полноту, особенно в условиях недостаточного количества базовых знаний по электротехнике у читателя.

Подытоживая, следует отметить, что измеряет вольтметр, конечно же, напряжение на участке цепи, к которому он подключен параллельно. В противном случае его показания будут недостоверны, не говоря уже об опасности возможной потери дорогостоящего оборудования. Читателю следует быть внимательным при эксплуатации прибора в домашних условиях, поскольку контакт с высоковольтными участками цепей опасен для жизни.

Источник

Вольтметр. Прибор для измерения напряжения в электрической цепи

Все мы знаем, что напряжение в бытовой розетке 220 В (стоит помнить, что не во всех странах). Но ведь оно иногда может быть больше или меньше и возникает логичный вопрос — а как померять напряжение? Для этого нам и нужен вольтметр.

И так, вольтметр — это прибор, который измеряет разность потенциалов (в Вольтах) или напряжение. Принцип работы классического вольтметра довольно прост — ток, который индуцируется в катушке при подключении к источнику напряжения, создает вращающий момент, который перемешает стрелку электроизмерительного прибора. Отклонение стрелки всегда прямо пропорционально разности потенциалов между измеряемыми точками. Стоит помнить, что вольтметр ВСЕГДА подключается параллельно к цепи, в которой ведется измерение напряжения.

Обозначение вольтметра в электрической цепи

В электрических схемах вольтметр всегда представлен в виде круга с двумя клеммами с латинской буквой V внутри:

Почему вольтметр всегда подключен параллельно?

Сопротивление у идеального вольтметра равно бесконечности. Но это у идеального, у реального оно значительно меньше, но все еще очень высоко. Поэтому при подключении измерительного прибора в цепь последовательно его показания не будут иметь ничего общего с правдой, а его внутреннее сопротивление окажет существенное влияние на электрическую цепь (практически разрыв цепи из-за большого внутреннего сопротивления).

Вольтметр всегда подключается параллельно цепи, так что падение напряжения на измерительном приборе никак не влияет на работу электрической цепи. Также если измерительный прибор является многопредельным (например 3, 15, 75 и 150 В), при переключении предела последовательно катушке измерения вводится добавочное сопротивление (как правило оно уже установлено в корпусе прибора, но стоит уточнить это в техпаспорте), которое предохраняет измерительную катушку электрического прибора от токов выше номинального и обеспечивают точность измерения.

Почему вольтметр имеет большое сопротивление?

Вольтметр имеет очень высокое внутреннее сопротивление, потому что он измеряет разность потенциалов между двумя точками цепи. Вольтметр не влияет на ток измеряемой цепи.

Если измерительный прибор имеет низкое сопротивление, через него будет проходить ток (согласно первому закону Кирхгофа ток будет распределяться между двумя ветвями цепи — часть тока будет протекать через нагрузку, а часть через вольтметр, именно поэтому его сопротивление должно быть как можно больше — чтоб минимизировать ток), и на выходе мы получим неверный результат. Большое сопротивление вольтметра не позволяет току проходить через него (разрыв цепи), и, таким образом, получают показания напряжения.

Какие бывают типы вольтметров

Вольтметры, как и любые другие электроизмерительные приборы, классифицируются в зависимости от назначения и конструкции. Более подробно на рисунке ниже:

Вольтметр с подвижной катушкой и с постоянными магнитами (PMMC)

Такой прибор работает по магнитоэлектрическому принципу. В двух словах это означает следующее — в постоянное магнитное поле помещается катушка измерительного прибора, которая подключается к электрической цепи, в которой проводится измерение. При протекании тока через катушку электромагнитная сила создаст вращающий момент, который повернет
стрелку измерительного прибора на определенный угол.

Вольтметр с подвижной катушкой и с постоянными магнитами (PMMC) используется только в сетях постоянного тока. Такой тип устройства имеет очень низкое энергопотребление и очень высокую точность. Единственным его недостатком является стоимость.

Электромагнитный вольтметр (MI вольтметр)

Электромагнитный вольтметр может использоваться для измерения как постоянного, так и переменного напряжения. В таком типе приборов отклонение стрелки зависит от напряжения катушки. Электромагнитные вольтметры разделяют на два типа:

  • электромагнитный измерительный прибор с плоской катушкой.
  • электромагнитный измерительный прибор с круглой катушкой.

Электродинамический вольтметр

Электродинамический вольтметр используется для измерения напряжения цепи переменного и постоянного тока. В приборах этого типа калибровка одинакова как для измерения переменного, так и постоянного тока.

Вольтметр с выпрямительной системой

Такой тип прибора используется в цепях переменного тока для измерения напряжения. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный ток, после чего сигнал постоянного тока измеряется прибором с подвижной катушкой и с постоянными магнитами.

Аналоговый вольтметр

Аналоговый вольтметр используется для измерения переменного и постоянного напряжения. Он отображает показания через указатель, который зафиксирован на калиброванной шкале. Отклонение указателя зависит от крутящего момента, действующего на него. Величина развиваемого крутящего момента прямо пропорциональна измеряемому напряжению.

Цифровой вольтметр

Вольтметр, который отображает показания в числовой форме, известен как цифровой вольтметр. Цифровой вольтметр дает достаточно точный результат.

Прибор, который измеряет постоянное напряжение, известен как вольтметр постоянного напряжения, а вольтметр переменного напряжения используется в цепи переменного тока для измерения переменного напряжения.

Источник