Какое напряжение показывает стрелочный вольтметр. Устройство, назначение и принцип работы вольтметров. Виды цифровых вольтметров

Вольтметр — это прибор, который используется для измерения напряжения до 1000 В в сетях постоянного и переменного тока промышленной частоты и применяется в информационно-измерительных системах. Качественный вольтметр имеет чрезвычайно высокое, бесконечное сопротивление. Благодаря большому сопротивлению прибора достигается оптимальная точность измерения.

Прибор предназначен для логической и математической обработки измерений.

Виды вольтметров

Всего существует два вида вольтметров:

Если цифровые приборы характеризуются точностью показаний, то аналоговые (стрелочные) вольтметры могут реагировать на минимальные отклонения параметров, которые не определяются цифровым тестером.

1. Портативные (или переносные) вольтметры предназначены для проверки (тестирования) напряжения в сети. В большинстве случаев, этот прибор включается в конструкцию тестера. Бывают стрелочные или цифровые приборы, кроме измерения напряжения они измеряют токи нагрузки, температуры, сопротивление цепи и т. д.
2. Стационарные вольтметры устанавливаются на приборной панели в электрораспределительных щитах. Они предназначены для контроля работы оборудования. Стационарные вольтметры относятся к электромагнитному типу.

Классификация

Приборы отличаются принципом действия, бывают электронные и электромеханические.

По назначению приборы бывают импульсные, измеряющие сеть переменного и постоянного тока.

Как подключить вольтметр

Вольтметр включается в цепь параллельно источнику напряжения и нагрузке. Это делается, чтобы высокое сопротивление, которое используется в приборе, не оказывало влияния на показания. Ток, протекающий через прибор, должен быть минимальным.

Рис. №1. Схема подключения вольтметра в сеть.

Технические характеристики вольтметра

Вольтметр может нормально функционировать при температуре воздуха, не превышающей 25-30 ºС и относительной влажности до 80 % при атмосферном давлении 630-800 мм ртутного столба. Напряжение 220 В (частота до 400 Гц), частота сети 50 Гц. На измерение значительное влияние оказывает форма кривой напряжения питающей сети — синусоида, имеющая коэффициент гармоник max 5 %.

Возможности прибора оцениваются c помощью следующих показателей:

1. Сопротивление.
2. Предельные границы напряжения переменной цепи.
3. Диапазон измеряемых величин напряжения.
4. Класс точности измерений.

Принцип действия прибора

Основа работы вольтметра — метод аналогово-цифрового преобразования. Так, преобразователи, установленные в конструкции прибора В7-35, измеряют величину напряжения переменного и постоянного тока (а также сопротивление, силу тока), преобразуя измеряемую величину в нормализованное напряжение, а затем с использованием АЦП в цифровой код.

Функциональная схема цифрового тестера работает с использованием 4 преобразователей:

1. Масштабирующий преобразователь.
2. Преобразователь силы переменного и постоянного тока в напряжение.
3. Низкочастотный прибор, который преобразует напряжение переменного тока в постоянный.
4. Преобразователь сопротивления в напряжение.

Рис. №2. Схема цифрового вольтметра

Вольтметр переменного тока

Электронные широкополосные вольтметры, которые используются в сетях переменного тока, имеют конструктивные особенности и свойственную лишь им градуировку. Воздействие на измеряемую цепь зависит от входных параметров: входного активного сопротивления (Rв) (при этом оно должно быть наиболее высоким), емкости на входе (Cв) (она должна быть минимальной) и индуктивности (Lпр) (вместе с емкостью создается последовательный колебательный контур, который отличается своей резонансной частотой).

Рис. №3. Схема подключения вольтметра

Измерение сопротивления

Низкоомный вольтметр с сопротивлением max 15 Ом годится для измерения сопротивлений, которое выполняется с помощью формулы:

Rx = Rи * (U1/U2 - 1).

В формуле используется сопротивление Rв (вольтметра), и 1 и 2 показания прибора, точность измерения при этом не обязательно соответствует действительности, потому что замер не учитывает внутреннего сопротивления. Более точного результата можно достичь при использовании формулы:

Rx = (Rв + r) * (U1/U2 — 1), где r — внутреннее сопротивление.

При замере каждое следующее сопротивление должно быть большим и выполняться с записью каждого замера.

Чтобы узнать, какое напряжение показывает прибор, необходимо руководствоваться шкалой вольтметра и ценой деления. Она определяется по максимальному пределу замеряемого значения, разделенного на количество делений шкалы.

Вольтметр - средство измерений для определения электрического напряжения. При измерении напряжения вольтметр подключают параллельно измеряемому устройству, работающему от электричества (от электрической сети или аккумулятора). Данный прибор определяет разность потенциалов между клеммами. В области малых и средних значений напряжений применяют соответствующие измерительные механизмы (например, магнитометрический, электромагнитный, электростатический) с расширением диапазона измерения или без него. Измерительные механизмы , применяемые только для измерения постоянного напряжения и для измерения переменного напряжения. Для измерения очень маленьких значений напряжения и для высокочастотных измерений напряжений применяют компенсаторы , электронные вольтметры или осциллографы .

Подключение вольтметра означает образование параллельной измеряемому устройству дополнительной цепи тока, состоящей из внутреннего сопротивления вольтметра. Вследствие этого возникает изменение измеряемого значения, представляющее собой систематическую погрешность, которую стремятся сделать как можно меньшей. Чтобы в процессе измерений вносить как можно меньше возмущения в измерительную цепь и тем самым получить малую погрешность измерения, делают так, чтобы в каждом случае (полное) сопротивление вольтметра было существенно больше (полного) сопротивления измерительного устройства. Идеальный вольтметр, не оказывающий возмущающего воздействия на измерительную цепь, должен обладать бесконечно большим сопротивлением. В ином случае собственное потребление мощности (от измеряемого устройства) вольтметром должно быть нулевым. Вольтметры подразделяются на:

1) интегрирующие - представляют собой цифровой вольтметр, аналого-цифровой преобразователь которого работает по методу интегрирования;

2) многодиапазонные - вольтметры с несколькими диапазонами измерения, которые путем ступенчатого переключения обеспечивают расширение диапазона измерения напряжения. Вольтметры многодиапазонные могут использоваться самостоятельно или как составная часть комбинированного прибора;

3) отградуированные в единицах емкости, - приборы с непосредственным отсчетом, предназначенные также для измерения емкости;

4) селективные - разновидность вольтметра электронного, но в отличие от электронного вольтметра универсального и электронного вольтметра переменного напряжения вольтметр селективный позволяет проводить измерения очень маленького напряжения (микровольты) только в очень узком регулируемом диапазоне частот. Это достигается применением селективных усилителей и смесительных систем (аналогично высокоизбирательному радиоприемнику);

5) электронные (ранее, в 1960- 1970-х гг. были ламповыми) - представляют собой электронный прибор для измерения напряжения. Вольтметр электронный представляет собой аналоговый или цифровой измерительный прибор , в состав которого, кроме индикатора, входят входной делитель напряжения, а в некоторых вариантах - измерительный выпрямитель и измерительный усилитель .
В 1960-1970-х гг. схема измерительного усилителя выполнялась на лампах (ламповый вольтметр). С 1980-х гг. в таких приборах применяются только транзисторы и интегральные микросхемы.

В зависимости от функционирования схем в потоке сигналов, свойств и областей применения различают:

1) вольтметр электронный переменного напряжения. Данный прибор измеряет значения только переменного напряжения, при этом для измерения как можно меньших значений напряжения посредством усилителя осуществляется усиление измеряемого значения, затем выпрямление и индикация;

2) вольтметр электронный постоянного напряжения (т. е. постоянного тока), служит для измерения постоянного напряжения и обладает высоким входным сопротивлением. В таком приборе для усиления измеряемого сигнала (перед индикацией) используются преимущественно дифференциальный или операционный усилитель, а также усилительный вибропреобразователь;

3) вольтметр электронный универсальный - прибор, в котором при измерении постоянных напряжений измеряемое значение усиливается усилителем постоянного напряжения и после этого выводится на индикаторное устройство. При измерении переменных величин перед усилением происходит их выпрямление. В некоторых случаях измерительный выпрямитель размещают в специальной измерительной головке, при этом посредством высоковольтной измерительной головки осуществляются также измерения высоких напряжений. Диапазон частот, входное сопротивление и диапазон измерения напряжения вольтметра универсального электронного очень велики, вследствие чего указанный прибор имеет широкое (т. е. универсальное) применение;

4) вольтметр электромагнитной системы используется для измерения напряжения на основе измерительного механизма электромагнитной системы.

При помощи данных приборов измеряют как постоянное напряжение, так и переменное без каких-либо дополнительных элементов.

При измерениях вольтметром электромагнитной системы на переменном токе измеряется эффективное значение напряжения, при этом показания считаются в достаточной степени независимыми от формы перемененного напряжения.

В данном приборе наличие добавочных сопротивлений, которые определяют диапазон измерений, делает ток катушки измерительного механизма пропорциональным напряжению.

Для измерения высокого напряжения вольтметр электромагнитной системы подключается к измеряемой цепи через измерительный трансформатор напряжений. Для защиты указанных вольтметров от влияния внешних магнитных полей применяется специальное экранирование.

По сравнению с другими магнитоэлектрическими приборами вольтметры электромагнитной системы имеют значительно большее энергопотребление и поэтому используются преимущественно в силовой электротехнике.

Все, что связано с электричеством, требует периодического контроля технических характеристик, обслуживания и ремонта. В этой работе не обойтись без различных приборов, с помощью которых можно измерить те или иные характеристики. Одним из таких приборов является вольтметр.

Назначение прибора

Вольтметр предназначается для измерения напряжения или электродвижущей силы (ЭДС) на участках электрических цепей.

Подключение прибора к нагрузке производится параллельно.

Основные технические характеристики вольтметров

Для оценки технических характеристик измерительных приборов принято пользоваться такими показателями:

1. Внутреннее сопротивление. В идеале этот показатель должен быть максимально высоким. В этом случае минимизируется влияние прибора на цепь, в которую он подключается. Другими словами, чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем точнее измерение;
2. Диапазон измеряемых напряжений. Большинство вольтметров являются универсальными и измеряют напряжение в диапазоне от десятков милливольт до 1000 вольт. Этих пределов вполне достаточно для большинства измерений. Однако специалисты широко используют специальные приборы, которые позволяют измерять очень маленькие значения напряжений с высокой точностью – милли и даже микровольтметры (с точностью до тысячных и миллионных частей вольта) и киловольтметры, измеряющие высокие напряжения порядка тысяч вольт. Работа с этими приборами требует наличия некоторых специальных знаний, навыков и допуска к эксплуатации электроустановок с напряжением свыше 1000 В, чтобы не вывести из строя приборы (милли- и микровольтметры) или не допустить электротравмирования и гибели обслуживающего персонала (при работе с киловольтметрами);
3. Точность измерения (погрешность). Этот параметр характеризует возможные отличия показаний прибора от реального напряжения в цепи;
4. Диапазон частот измеряемого переменного напряжения.

Классификация вольтметров

Исходя из конструкции, сферы использования, точности измерения и другим показателям вольтметры классифицируют следующим образом.

1) По принципу действия вольтметры бывают электромеханические (чаще всего встречаются магнитоэлектрические и электромагнитные) и электронные (цифровые и аналоговые).

2) По назначению – импульсные, постоянного и переменного тока и другие.3) По способу применения: щитовые (встроенные) и переносные.

Электромеханические вольтметры

Лучшими показателями точности и чувствительности в сравнении с другими типами вольтметров обладают магнитоэлектрические вольтметры. Обычные люди с такими приборами не сталкиваются, поскольку они применяются, в основном, для лабораторных измерений. Электромагнитные вольтметры распространены значительно шире. Они просты и надежны в эксплуатации, недороги в изготовлении, но имеют два основных недостатка – высокое собственное энергопотребление (5-7 Вт) и высокую индуктивность обмоток, вследствие чего частота переменного напряжения оказывает значительное влияние на показания прибора. Вольтметры этого типа устанавливаются в распределительных щитках электростанций и производственных объектов.

Электронные вольтметры

Бывают двух типов – аналоговые и цифровые. Отличить одни от других очень просто – в аналоговых приборах имеется шкала и стрелка, отклонение которой от нуля и указывает на величину напряжения, а цифровые вольтметры выдают значение напряжения на электронное табло. Принцип работы аналоговых вольтметров заключается в следующем: входное переменное напряжение преобразуется в постоянное, усиливается и подается на детектор, выходной сигнал которого и вызывает отклонение стрелки. Чем больше входное напряжение – тем сильнее отклоняется стрелка.

Схема универсальных вольтметров позволяет измерять и постоянное и переменное напряжение в зависимости от положения переключателей режимов работы. Особенностью измерения постоянного напряжения аналоговыми вольтметрами является необходимость соблюдения полярности подключения прибора. При измерении отрицательного напряжениястрелка будет отклоняться влево от нуля, а при положительном напряжении – вправо. Если шкала вашего прибора не предусматривает возможности отклонения стрелки в двух направлениях, то для измерения отрицательного напряжения нужно, например, красным щупом коснуться точки, которой перед этим касались белым щупом и наоборот (цвета щупов и проводов могут быть произвольными).

Цифровые вольтметры

Вольтметры этого типа более точно измеряют напряжение в сравнении с аналоговыми. Принцип действия основан на преобразовании аналогового входного напряжения в цифровой код, поступающий на цифровое отсчетное устройство, которое преобразует полученный двоичный код в десятичную цифру, отображаемую на табло. Точность измерения напряжения зависит от дискретности входящего в состав прибора аналого-цифрового преобразователя.

Маркировка вольтметров

Для того чтобы определить тип вольтметра совсем необязательно изучать его техническую документацию, поскольку информация о типе прибора и принципе его работы содержится в первой заглавной букве его названия. Если название прибора начинается с буквы «Д» — это электродинамический вольтметр, «М» — магнитоэлектрический, «С» — электростатический, «Т» — термоэлектрический, «Ф» и «Щ» — электронный, «Э» — электромагнитный. Букву «Ц» в названии имеют вольтметры выпрямительного типа.

Радиоизмерительные вольтметры обозначаются немного иначе. Название начинается с буквы «В», за которой следует цифра, обозначающая тип прибора, затем через тире две цифры модели прибора: В2, В3 и В4 — вольтметры постоянного, переменного и импульсного тока соответственно, В5 -фазочувствительные вольтметры, В6 — селективные вольтметры, В7 — универсальные вольтметры.

Порядок работы с универсальным вольтметром

Главное, что нужно усвоить – это требования техники безопасности. Подробно останавливаться на них не будем, поскольку они являются общими для всех электроприборов. При измерении напряжения нужно правильно установить на приборе тип измеряемого напряжения. Если вы по ошибке установите постоянное напряжение, то подключение прибора к цепи с переменным напряжением может вывести его из строя. Как не ошибиться? Постоянное напряжение всегда указывается со знаком (+27 В или -5 В). Переменное напряжение иногда пишется с волной (~220 В). Еще один немаловажный нюанс – перед проведением измерений нужно установить диапазон измерения. Т.е., если вы хотите проверить наличие напряжение +27 В, то нужно установить: постоянное напряжение, пределы измерения больше измеряемого напряжения.

Если величина напряжения в цепи неизвестна, то нужно установить максимально возможный предел измерения, затем постепенно его уменьшать до появления читаемых показаний. Если сделать наоборот и установленный диапазон будет меньше измеряемого напряжения, то прибор выйдет из строя вследствие перенапряжения. Соблюдайте правила техники безопасности!

Самый востребованный прибор для измерения электрических параметров – это вольтметр. Снятие показаний проводится методом непосредственного отсчета, то есть модуль прибора подключается к тому участку цепи, с которого снимаются показания. Единица измерения – вольты.

Что измеряет вольтметр? Ответ не так однозначен, как кажется. Как минимум две величины, измеряемые этим прибором, на одних и тех же контактах будут отличаться. Это напряжение под нагрузкой и электродвижущая сила (ЭДС).

Последний параметр является разностью потенциалов между выходными контактами источника питания, и его величина существенно выше, чем действительное значение напряжения.

Для пользователей, не имеющих электротехнического образования, необходимо знать, как вольтметр включают в цепь. В отличие от амперметра – прибор подключается к измеряемому участку цепи параллельно.

При этом измерение производится именно на том участке цепи, который находится между измерительными контактами. Если одна электрическая схема состоит из множества последовательных нагрузочных элементов с разными параметрами – напряжение на каждом участке цепи будет различным.

Если прибор подключить непосредственно к контактам элемента питания (например батарейки), вы увидите величину ЭДС, а вовсе не действительное значение напряжения.

Классификация вольтметров

По принципу действия измерительного модуля:

Оснащенные электромеханическим исполнительным механизмом.
Процесс измерения построен на непосредственной линейной зависимости механического движения от измеряемой величины. Стрелка размещается на рамке-обмотке, которая на свободной оси размещена внутри постоянного магнитного поля.

Когда к рамке прикладывается напряжение – вокруг нее возникает электромагнитное поле. Головка проворачивается в магнитном поле постоянного магнита.

Оснащенные электронным измерительным инструментом.
Специальный блок преобразует приложенное напряжение в импульсный или аналоговый код, который передается на блок отображения. Он в свою очередь может быть цифровым или аналоговым.

По назначению:

• Измерение напряжения (ЭДС) постоянного тока;
• Измерение напряжения (ЭДС) переменного тока;
• Приборы, способные измерять импульсное напряжение;
• Фазочувствительные. Измеряют квадратурную составляющую напряжения первой гармоники. Основное применение – звуковая аппаратура;
• Селективные. Измеряют напряжение в виде синусоиды, в узком диапазоне частот. Настройка измерительной головки на частоту способствует более точному измерению величины;
• Универсальные. Из названия следует, что ими можно измерять напряжение (ЭДС) в любых условиях. Как правило, оснащены наборами гасящих резисторов (шунтов).

Ситуации, когда под рукой должен находиться вольтметр, встречаются достаточно часто. Для этого нет необходимости использовать заводской сложный прибор. Изготовить простенький вольтметр своими руками – не проблема, потому что состоит он из двух элементов: стрелочный измерительный блок и резистор. Правда, необходимо отметить, что пригодность вольтметра определяется его входным сопротивлением, которое состоит из сопротивлений его элементов.

Но необходимо учитывать тот факт, что резисторы есть разные с разными номиналами, а это говорит о том, что от установленного резистора будет зависеть входное сопротивление. То есть, подобрав правильно резистор, можно сделать вольтметр под замеры определенных уровней напряжений сетей. Сам же измерительный прибор чаще оценивается по показателю – относительное входное сопротивления, приходящееся на один вольт напряжения, его единица измерения – кОм/В.

То есть, получается так, что входное сопротивления на разных измеряемых участках разное, а относительная величина – показатель постоянный. К тому же, чем меньше отклоняется стрелка измерительного блока, тем больше относительная величина, а, значит, точнее будут измерения.

Прибор для измерения нескольких пределов

Кто не раз сталкивался с транзисторными конструкциями и схемами знает, что очень часто вольтметром приходится замерять цепи с напряжением от десятков долей одного вольта до сотен вольт. Простой приборчик, изготовленный своими руками, с одним резистором это не осилит, поэтому в схему придется подключить несколько элементов с разным сопротивлением. Чтобы вы поняли, о чем идет речь, предлагаем ознакомиться со схемой, расположенной снизу:

На ней показано, что в схеме установлено четыре резистора, каждый из которых отвечает за свой диапазон измерений:

1. От 0 вольт до единицы.
2. От 0 вольт до 10В.
3. От 0 В до 100 вольт.
4. От 0 до 1000 В.

Номинал каждого резистора поддается подсчету, который проводится на основе закона Ома. Здесь используется следующая формула:

R=(Uп/Iи)-Rп, где

• Rп – это сопротивление измерительного блока, возьмем, к примеру. 500 Ом;
• Uп – это максимальное напряжение измеряемого предела;
• Iи – это сила тока, при которой стрелка отклоняется до конца шкалы, в нашем случае – 0,0005 ампер.

Для несложного вольтметра из китайского амперметра можно выбрать следующие резисторы:

• для первого предела – 1,5 кОм;
• для второго – 19,5 кОм;
• для третьего – 199,5;
• для четвертого – 1999,5.

А вот относительная величина сопротивления этого прибора будет равна 2 кОм/В. Конечно, расчетные номиналы не совпадают со стандартными, поэтому резисторы придется подбирать близкими по значению. Далее проводится финишная подгонка, при которой производится градуировка самого прибора.

Как переделать вольтметр постоянного напряжения в переменное

Показанная на рисунке №1 схема – это вольтметр постоянного тока. Чтобы его сделать переменным или, как говорят специалисты, пульсирующим, необходимо в конструкцию установить выпрямитель, с помощью которого постоянное напряжение преобразуется в переменное. На рисунке №2 вольтметр переменного тока показан схематически.

Данная схема работает так:

• когда на левом зажиме находится положительная полуволна, то открывается диод D1, D2 в этом случае закрыт;
• напряжение проходит через амперметр к правому зажиму;
• когда положительная полуволна находится на правом конце, то D1 закрывается, и напряжение через амперметр не проходит.

В схему обязательно добавляется резистор Rд, сопротивление которого рассчитывается точно так же, как и остальные элементы. Правда, его расчетное значение делится на коэффициент, равный 2,5-3. Это в том случае, если в вольтметр устанавливается однополупериодный выпрямитель. Если используется двухполупериодный выпрямитель, то значение сопротивления делится на коэффициент: 1,25-1,5. Кстати, схема последнего изображена на рисунке №3.

Как правильно подключить вольтметр

Тот, кто не знает, но хочет проверить напряжение на каком-то участке электрической сети, должен задаться вопросом – как подключить вольтметр? Это на самом деле серьезный вопрос, в ответе которого лежит простое требование – подключение вольтметра необходимо проводить только параллельно нагрузке. Если будет произведено последовательное подключение, то сам прибор просто выйдет из строя, и вас может ударить током.

Все дело в том, что при таком соединении уменьшается сила тока, действующая на сам измерительный прибор. При этом сопротивлении его не меняется, то есть, остается большим. Кстати, никогда не путайте вольтметр с амперметром. Последний подключается к цепи последовательно, чтобы снизить показатель сопротивления до минимума.

И последний вопрос темы – как пользоваться вольтметром, изготовленным самостоятельно. Итак, в вашем приборе два щупа. Один подключается к нулевому контуру, второй к фазе. Так же можно проверить напряжение через розетку, предварительно определив, к какому гнезду запитан ноль, а к какому фаза. Или соединяете параллельно прибор к измеряемому участку. Стрелка измерительного блока покажет величину напряжения в сети. Вот так пользуются этим самодельным измерительным прибором.