Вольтметр — принцип работы, конфигурация, измерения, схемы, формулы

Вольтметр, что это такое? В первую очередь это прибор, который служит в качестве измерительного устройства величины напряжения до 1000В в сетях постоянного и переменного тока, промышленной частоты и используется в информационно-измерительных системах. Идеальный вольтметр обладает чрезвычайно высоким, бесконечным сопротивлением, за счет большого сопротивления прибора достигается наиболее высокая точность и широкие сферы использования.

Прибор предназначен для обеспечения математической и логической обработки измерений.

Виды вольтметров

Существует два вида вольтметров:

1. Портативные или переносные вольтметры, предназначенные для проверки (тестирования) напряжения в сети. Как правило, такой прибор включается в конструкцию тестера, различаются цифровые или стрелочные приборы, кроме измерения напряжения они выполняют функцию по измерению токов нагрузки, сопротивления цепи, температуры и т. д. Если цифровые приборы отличаются точностью показаний то типы вольтметров, относящиеся к аналоговым (стрелочным) приборам, способны реагировать на малейшие отклонения параметров, не определяемых цифровым прибором.
2. Стационарные приборы устанавливаются на приборных панелях в электрораспределительных щитах для контроля работы оборудования, эти приборы принадлежат к электромагнитному типу.

Меры безопасности

В отличие от других приборов, например, омметра или мегометра, работая с вольтметром, приходится иметь дело с напряжением. При небольших значениях оно не представляет опасности для человека. Измеряя напряжения, способные создать опасный ток, протекающий через тело человека, необходимо соблюдать повышенную осторожность.

Измерение напряжений должно сопровождаться полным соблюдением ТБ и ПУЭ. Это предотвратит получение электротравмы. Запрещено работать без средств защиты, например, резиновых перчаток и ковриков. По завершению работ не должно оставаться оголенных токоведущих частей, с которыми может произойти случайный контакт у обслуживающего персонала.

Повсеместное использование измерения напряжения в электротехнике привело к созданию вольтметров различных конструкций. Они отличаются как по принципу работы, так и по точности. Наибольшую популярность получают универсальные устройства, способные автоматически выбрать не только предел, но и тип контролируемой величины.

Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Технические характеристики вольтметра

Нормальная работа вольтметра возможна при температуре воздуха не превышающая 25 – 30 о С с относительной влажностью воздуха до 80% при атмосферном давлении 630 – 800мм рт. ст. Частота питающей сети 50 Гц и с напряжением 220В (частотой до 400 Гц). На измерение большое влияние оказывает форма кривой переменного напряжения питающей сети – синусоида с коэффициентом гармоник не более 5%.

Возможности прибора оцениваются при помощи следующих показателей:

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

Основные технические параметры

Основные технические характеристики вольтметра, заносимые в руководство пользования и паспорт прибора, согласно международных стандартов:

• внутреннее сопротивление вольтметра;
• диапазон измерений, в котором обеспечивается указанная точность при правильном подсоединении прибора;
• при работе с переменным напряжением указывается рабочая частота.

Одним из наиболее важных параметров является класс точности. Он всегда отображается на шкале прибора. С его помощью можно определить с какой погрешностью получается результат после включения прибора в сеть.

Принцип действия прибора

В основу работы вольтметра заложен метод аналогово-цифрового преобразования с двухтактным интегрированием. Рассмотрим работу прибора на примере В7-35. Преобразователи установленные в конструкции, измеряя величины напряжения постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление, преобразуют в нормализованное напряжение и при использовании АЦП преобразуют в цифровой код.

Функциональная схема цифрового вольтметра работает на использовании 4 преобразователей это:

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

Рис. №2.Схема цифрового вольтметра

Подключение прибора

Контроль напряжения происходит всегда параллельно. Измерение может быть осуществлено как у источника питания, так и у нагрузки. Схема подключения вольтметра изображена на рисунке ниже.

Схема подключения прибора

Тонкости, которые необходимо учесть перед тем как подключить вольтметр:

• Правильно выбранный диапазон измерений убережет прибор и проверяемую схему от повреждений. С особой осторожностью следует работать, когда показание вольтметра близко к пределу. Скачок ЭДС способен спалить обмотки измерительного прибора;
• Стрелочный вольтметр может обеспечить нормативную точность только при правильном положении. Если на приборе указанно горизонтальное размещение, то располагать его вертикально запрещено, как и наоборот. Также следует уделять внимание отсутствию вибраций и сильных магнитных полей;
• Измерения вольтметром можно выполнять как под напряжением, так и отключая схему от источника питания с последующим включением;
• При работе с опасной величиной напряжения рекомендуется использовать защитные перчатки и диэлектрические коврики;
• При использовании аналогового прибора до начала измерений необходимо проконтролировать, что стрелка показывает ровно на ноль. В случае необходимости следует произвести настройку специальным регулировочным винтом;
• В случае необходимости проводится калибровка;
• Для обеспечения высокой точности измерений следует проверить как давно происходила поверка вольтметра.

Часто приборы имеют несколько пределов измерения. У аналоговых вольтметров для каждой величины используются разные схемы подключения. В цифровых достаточно установить указатель напротив требуемого значения. Наиболее современные устройства способны автоматически определить предел измерения и в процессе контроля напряжения менять его.

Вольтметр переменного тока

Широкополосные электронные вольтметры, используемые в сетях переменного тока, имеют свои конструктивные особенности и свойственную только им градуировку. Степень воздействия на измеряемую цепь при исследовании зависит от входных параметров комплексное, это: входное активное сопротивление (Rв), при этом сопротивление должно быть наиболее высоким, емкость на входе (Cв), она должна быть как можно меньше и индуктивность (Lпр), она вместе с емкостью создает последовательный колебательный контур, отличающийся своей резонансной частотой.

Рис. №3. Схема подключения высокочастотного вольтметра.

Измерение сопротивления вольтметром

Низкоомный вольтметр с сопротивлением не более 15 Ом пригоден для измерения сопротивлений и выполняется при помощи формулы:

Rx = Rи * (U1/U2 – 1)

Для формулы используются сопротивление вольтметра Rв, а также 1 и 2 показания вольтметра, точность измерения не всегда соответствует действительности, так как замер осуществляется без учета внутреннего сопротивления прибора. Более точный результат достигается при использовании формулы:

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

При замере каждое последующее сопротивление должно быть большим по сопротивлению вольтметра и выполнятся с фиксацией каждого замера.

Для того чтобы определить какое напряжение показывает вольтметр руководствуются шкалой вольтметра, при помощи цены деления прибора. Она определяется по верхнему пределу замеряемого значения, которое делится на количество делений шкалы.

Недавно один знакомый в каком-то бытовом разговоре услышал слово «вольтметр» и спросил, что это такое. Итак, освежим школьные знания.

ЭДС и напряжение, или что измеряет вольтметр

У нас в доме, на работе и на улице в наше время все зависит от электроэнергии. Мы постоянно пользуемся электрическим током — переменным и постоянным. Ток — это направленное движение носителей заряда под действием электрического поля. Так вот, напряжение, или разность потенциалов — это физическая величина, равная работе электрического поля, которую оно совершает, перенося единичный заряд из одного места в другое.

Читать также: Опрыскиватель из пылесоса своими руками

Когда мы говорим о гальваническом элементе, где происходят внутренние химические процессы, или турбине, которую вращают воды реки, то употреблять выражение «разность потенциалов» некорректно, ведь работу по перемещению заряда производят сторонние силы, имеющие химическую или механическую природу. Для таких случаев используется понятие электродвижущей силы (ЭДС). Именно этот показатель пишут на батарейках, которые продаются на кассе в магазине, и при подключении вольтметра к клеммам без подключения цепи с нагрузкой мы увидим именно его.

Измеряются и ЭДС, и напряжение в вольтах. Формально размерность этой единицы объясняется так: разность потенциалов между точками, А и В равна 1 В, если для перемещения заряда в 1 кулон из точки, А в точку В мы потратим 1 джоуль работы. От этой единицы — вольта — и происходит бытовое название напряжения, когда его измеряют: вольтаж.

Принцип работы вольтметра

Его работа основана на принципе закона Ома.

Закон Ома гласит: «Напряжение на сопротивлении прямо пропорционально току, проходящему через него».

Любой базовый счетчик имеет разность потенциалов на своих клеммах, когда через него протекает полномасштабный ток.

Символом для обозначения вольтметра является круг с вложенной буквой V.

Вольтметр всегда подключается параллельно к нагрузке в цепи, для которой должно измеряться напряжение.

Вольтметр постоянного тока имеет знаки полярности. Поэтому необходимо подключить клемму плюса (+) вольтметра к верхней точке потенциала, а клемму минуса (-) к нижней точке потенциала, чтобы получить отклонение вольтметра.

В вольтметре переменного тока нет знаков полярности, и его можно подключить в любом случае.

Однако в этом случае также вольтметр все еще подключен параллельно к нагрузке, для которого измеряется напряжение.

Вольтметр с диапазоном высокого напряжения создается путем последовательного соединения сопротивления с измерительным механизмом, который имеет полную шкалу напряжения, как показано на рисунке ниже.

Полная шкала напряжения

Как работает вольтметр

Если нам надо измерить напряжение, значит, необходимо сделать так, чтобы ток через измерительный прибор не проходил. Поэтому к работающей цепи мы подключаем прибор параллельно. Цепь продолжает работать, а прибор должен иметь очень высокое последовательно подключенное сопротивление, чтобы его показания были как можно более точными. В простейшем варианте прибор состоит из магнитной системы, в которой находится подвижная рамка-катушка. На этой рамке закреплены спиральные пружинки, которые создают противодействующий момент и стрелка.

Такие простейшие магнитоэлектрические приборы обычно все видели в детстве. Кстати, прибор для измерения тока— амперметр — устроен так же, только нагрузка в нем маленькая и ставится параллельно, а сам прибор ставится в цепь последовательно.

Существуют также электромагнитные приборы (там взаимодействуют неподвижная катушка и подвижный сердечник) и электродинамические (там работают две катушки).

Помимо этих трех видов, используются также вольтметры с иными принципиальными схемами, но они имеют более узкие области применения. К таким приборам относятся термоэлектрические (в них используется свойство тока нагревать проводник) и выпрямительные (в которых скомбинирован диодный выпрямитель и магнито-электрический механизм).

Все эти приборы имеют одно общее — шкалу, по которой мы и видим результат измерений. Чем больше измеряемый параметр, тем больше отклоняется стрелка. Приборы такого рода называются аналоговыми. Недостаток их очевиден: при длительном использовании механизм имеет свойство изнашиваться, показания часто зависят от условий окружающий среды, да и удобнее информацию воспринимать с экрана, где показываются нужные нам цифры. И тут нам на помощь приходят цифровые вольтметры.

Принцип отображения результата измерений

Особенностью цифровых измерительных приборов является то, что аналоговый сигнал (если отобразить его на графике, то получится прямая линия при постоянном напряжении, и синусоида — при переменном) преобразуется в цифровой, после чего попадает на счетчик и экран, где мы и видим результат измерений. Реализуется эта схема при помощи микросхем, ассортимент которых в настоящее время позволяет производить самые разнообразные приборы — например, для измерения амплитуды переменного напряжения, импульсные, фазочувствительные

Классификация

При всем своем разнообразии эти измерительные приборы можно классифицировать по нескольким параметрам. Это поможет вам выбрать нужный именно вам, если вы соберетесь его приобрести.

Итак, вольтметры можно классифицировать по:

1. принципу действия;
2. сфере применения;
3. конструкции;
4. классу точности.

По принципу работы вольтметры бывают электромеханические и электронные. Первые включают в себя простые приборы, описанные в предыдущей главе — магнитоэлектрические, электродинамические, электромагнитные, термоэлектрические, выпрямительные и электростатические. Ко вторым — приборы с цифровым и аналоговым преобразованием сигнала и выводом его на панель.

По сфере своего применения приборы изготовляются для измерения постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные, фазочувствительные и селективные.

По конструкции они бывают переносные, представляющие собой устройства с «крокодильчиками» (их можно положить в сумку, а то и в карман) и стационарные, которыми пользуются в помещении. В число последних включаются также щитовые: они предназначены для постоянной установки в приборную панель.

Класс точности на измерительных приборах проставляется цифрой, и не все обращают на это внимание, а зря. Иногда точность прибора имеет принципиальное значение.

Цифра, не обведенная кружком, показывает относительную погрешность измерений, и дается она в процентах. В России есть следующие классы точности приборов по относительной погрешности: 6, 4, 2,5, 1,5, 1,0, 0,5, 0,2, 0,1, 0,05, 0,02, 0,01, 0,005, 0,002, 0,001. Указанная цифра показывает, на сколько процентов могут отличаться показания прибора от истинного значения измеряемой величины. Важно, что это актуально в диапазоне работы прибора, и этот диапазон должен указываться на приборе. Он не всегда совпадает с нулевой отметкой шкалы: при значениях, близких к нулю, вероятность погрешности стремится к бесконечности.

Если у прибора неравномерная шкала, то класс точности указывают цифрой, под которой стоит знак угла. Это значит, что погрешность дается в долях от длины шкалы.

Читать также: Пиноль сверлильного станка чертеж

Обозначение в виде дроби отображает погрешность в конце шкалы и в начале.

Отличием цифровых приборов является то, что измеряемый диапазон в них регулируется; это позволяет более точно производить измерения.

Классификация и принцип действия

Классификация

• По принципу действия вольтметры разделяются на: электромеханические — магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические;
• электронные — аналоговые и цифровые

По назначению:

постоянного тока;

переменного тока;

импульсные;

фазочувствительные;

селективные;

универсальные

По конструкции и способу применения:

щитовые;

переносные;

стационарные

Аналоговые электромеханические вольтметры

• Магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические и электростатические вольтметры представляют собой измерительные механизмы соответствующих типов с показывающими устройствами . Для увеличения предела измерений используются добавочные сопротивления. Технические характеристики аналогового вольтметра во многом определяются чувствительностью магнитоэлектрического измерительного прибора. Чем меньше его ток полного отклонения, тем более высокоомные добавочные резисторы можно применить. А значит, входное сопротивление вольтметра будет более высоким. Тем не менее, даже при использовании микроамперметра с током полного отклонения 50 мкА (типичные значения 50..200 мкА), входное сопротивление вольтметра составляет всего 20 кОм/В (20 кОм на пределе измерения 1 В, 200 кОм на пределе 10 В). Это приводит к большим погрешностям измерения в высокоомных цепях (результаты получаются заниженными), например при измерении напряжений на выводах транзисторов и микросхем, и маломощных источников высокого напряжения.

• ПРИМЕРЫ:
  М4265, М42305, Э4204, Э4205, Д151, Д5055, С502, С700М

• Выпрямительный вольтметр представляет собой сочетание измерительного прибора, чувствительного к постоянному току (обычно магнитоэлектрического), и выпрямительного устройства. ПРИМЕРЫ:
  Ц215, Ц1611, Ц4204, Ц4281

Термоэлектрический вольтметр — прибор, использующий ЭДС одной или более термопар, нагреваемых током входного сигнала.

ПРИМЕРЫ:
Т16, Т218

Аналоговые электронные вольтметры общего назначения

Аналоговые электронные вольтметры содержат, помимо магнитоэлектрического измерительного прибора и добавочных сопротивлений, измерительный усилитель (постоянного или переменного тока), который позволяет иметь более низкие пределы измерения (до десятков — единиц милливольт и ниже), существенно повысить входное сопротивление прибора, получить линейную шкалу на малых пределах измерения переменного напряжения.

Съемка поля отличается и исключает неправильные представления о полевых линиях, таких как концентрические круговые круги. Рис. 5: Демонстрация медленного вращающегося поля трехфазного тока. Поскольку этот метод практически не подходит в начальных школах, мы хотим разработать выделенный ресурс для этой демонстрации и предложить его одному из производителей учебной помощи. Мы считаем, что учителя физики начальной школы, которые будут не только довольны мелом и доской, будут рады.

Если напряжение в цепи неизвестно, установите диапазон до наивысшего значения напряжения и установите диск на ṽ. Большинство мультиметров включаются в режиме автокоррекции. Это автоматически выбирает диапазон измерения в зависимости от присутствующего напряжения. Когда закончите, удалите провода в обратном порядке: сначала красный, затем черный. Подключите измерительные провода к цепи: сначала черный провод, красный — второй.

Цифровые электронные вольтметры общего назначения

Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразова­нии измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код с помощью аналого-цифрового преобразователя , который отображается на табло в цифровой форме.

Примечание: переменное напряжение не имеет полярности. Предостережение: не позволяйте пальцам касаться свинцовых наконечников. Не позволяйте кончикам контактировать друг с другом. Прочтите измерение на дисплее. Когда закончите, сначала удалите красный провод, черный — второй.

Другие полезные функции при измерении переменного напряжения

Его можно просмотреть после завершения измерения. Нажмите на соответствующую кнопку, чтобы установить мультиметр для конкретного эталонного значения. Измерения отображаются выше и ниже опорного значения. Избегайте этой общей и серьезной ошибки: вставьте тестовые провода в неправильные входные гнезда. Это может привести к опасной дуговой вспышке.

Диодно-компенсационные вольтметры переменного тока

Принцип действия диодно-компенсационных вольтметров состоит в сравнении с помощью вакуумного диода пикового значения измеряемого напряжения с эталонным напряжением постоянного тока с внутреннего регулируемого источника вольтметра. Преимущество такого метода состоит в очень широком рабочем диапазоне частот (от единиц герц до сотен мегагерц), с весьма хорошей точностью измерения, недостатком является высокая критичность к отклонению формы сигнала от синусоиды.

• ПРИМЕРЫ:
  В3-49, В3-63 (используется пробник 20 мм)

В настоящее время разработаны новые типы вольтметров, такие как В7-83 (пробник 20 мм) и ВК3-78 (пробник 12 мм), с характеристиками аналогичными диодно-компенсационным. Последние в скором времени могут быть допущены к применению в качестве рабочих эталонов. Из иностранных аналогов можно выделить вольтметры серии URV фирмы Rohde&Schwarz с пробниками диаметром 9 мм.

Импульсные вольтметры

1. Импульсные вольтметры предназначены для измерения амплитуд периодических импульсных сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов.

Фазочувствительные вольтметры

Фазочувствительные вольтметры (векторметры) служат для измерения квадратурных составляющих комплексных напряжений первой гармоники. Их снабжают двумя индикаторами для отсчета действительной и мнимой составляющих комплексного напряжения. Таким образом, фазочувствительный вольтметр дает возможность определить комплексное напряжение, а также его составляющие, принимая за нуль начальную фазу некоторого опорного напряжения. Фазочувствительные вольтметры очень удобны для исследования амплитудно-фазовых характеристик четырехполюсников, например усилителей.

Селективные вольтметры

Селективный вольтметр способен выделять отдельные гармонические составляющие сигнала сложной формы и определять среднеквадратичное значение их напряжения. По устройству и принципу действия этот вольтметр аналогичен супергетеродинному радиоприёмнику без системы АРУ , в качестве низкочастотных цепей которого используется электронный вольтметр постоянного тока. В комплекте с измерительными антеннами селективный вольтметр можно применять как измерительный приёмник .

• ПРИМЕРЫ:
  В6-4, В6-6, В6-9, В6-10, SMV 8.5, SMV 11, UNIPAN 233 (237), Селективный нановоль

Выбор вольтметра

Если вы решили купить себе вольтметр, вам необходимо определиться со следующим:

1. В каких диапазонах будут производиться измерения. Согласитесь, есть большая разница между работой на понижающей подстанции, где интервал — от 10 кВ до 380 В, и ремонтом бытовой техники, где этот диапазон — от 3 В до 220 В.
2. В каких условиях будет эксплуатироваться прибор. Будет ли это дом, лаборатория, улица или вам нужно перемещаться по клиентам.
3. Нет ли необходимости в измерении других параметров. Обычно она есть всегда, только весь вопрос в том, покупать ли отдельные приборы или один мультиметр.

Если вы работаете с высокими напряжениями, вам лучше остановить свой выбор на производителях электромеханических киловольтметрах. У них достаточный класс точности для больших величин, и при этом есть одно несомненное достоинство — надежность. У электронных устройств, работающих на микроэлектронике, с этим пока проблема: на перегрузки они реагируют плохо, ломаются. На рынке представлены как переносные, так и предназначенные для встройки в панель варианты таких приборов.

Стационарные устройства предпочтительнее для работы в лаборатории или мастерской. Они представлены довольно большим ассортиментом — как электромеханические, так и цифровые.

Некоторым людям, проживающим в частном секторе, нужен вольтметр для установки его в щиток (обычно он на столбе у дома). Для этого предназначены щитовые вольтметры, которые можно установить в din-рейку — как ставятся счетчики и УЗО, например. Стоят они от 900 до 4000 рублей, и чаще всего выпускаются в цифровом варианте, но если напряжение у вас в районе имеет привычку «скакать», то можно приобрести и электромеханический — они, кстати, дешевле.

Наконец, если вы производите измерения на выезде — вольтметра вам мало. С 90-х годов прошлого века среди тех, чья работа связана с перемещением получили популярность тестеры, или мультиметры. Они существовали и ранее, но их точность оставляла желать лучшего. Сейчас же выбор и качество этих приборов существенно возросли, при это цена на них сравнительно невысока. Какие же преимущества есть у тестеров?

1. Измерение нескольких параметров. Как минимум тестеры измеряют напряжение, силу тока и сопротивление, а в более универсальных моделях предусмотрены такие функции, как проверка транзисторов, измерение температуры и прозвонка цепи на предмет разрыва кабеля.
2. Компактность. Выглядит как смартфон.
3. Возможность выбора диапазона измерений.
4. Удобные щупы. Некоторые модели оснащены еще и «крокодильчиками».

Выпускаются как цифровые тестеры, так и аналоговые. Последние более надежны, но менее точны: время от времени приходится ставить стрелку на место.

Как пользоваться

Как подключается вольтметр? Параллельно! Это правило следовало выучить еще в школе.

Убедитесь, что диапазон измерений соответствует предполагаемому напряжению в цепи. Если этот диапазон большой (киловольты), пострадает точность, если маленький — пострадает прибор.

Если вольтметр электромеханический, правильно его установите. Производитель указывает, как это сделать. От этого зависит точность показаний.

Если вольтметр предназначен для измерения постоянного напряжения, не вздумайте делать им замер переменного. Если же он универсальный, то переключите его в нужный режим.

Вольтметр со стрелкой нуждается в корректировке стрелки в положение «0». Делается это с помощью отвертки, если нет специальной ручки.

Не хватайтесь за оголенные части щупов голыми руками, особенно если напряжение в сети более 60 В. Как минимум это малоприятно, как максимум — сами понимаете. С высокими напряжениями работают в перчатках.

Особенности применения вольтметров в различных случаях

Чтобы получить точное значение напряжения, нужно правильно включить измерительный прибор. Соединение должно быть только параллельным. При этом важно соблюдать полярность. Её можно определить по схеме, где указано, как правильно подключить измерительные приборы. Теоретически идеальный вольтметр будет максимально точным при очень большом внутреннем сопротивлении. В таком случае через него будет проходить минимальный ток.

В реальной ситуации это условие не соблюдается, поэтому измерение производится с учётом предполагаемой величины напряжения. В данном случае требуется установить переключатель вольтметра в соответствии с нужным диапазоном.

Выбор вольтметра для измерения постоянного напряжения зависит от величины последнего:

• Если напряжение не превышает 1 милливольта, то используют аппараты со встроенным усилителем.
• До 1000 вольт можно применять обычные измерительные приборы разных видов.
• Если нужно проверить этот параметр на высоковольтном участке, то необходимо использовать специальные электростатические приборы, предназначенные для работы в электросетях с напряжением свыше 1000 В.

Своими руками

Несмотря на то что выбор вольтметров сейчас огромен, всегда находятся люди, которым всегда хочется все сделать самим. С чем это связано — есть разные мнения. Я не буду комментировать ничьи желания, это не тема статьи. Зато расскажу, как сделать вольтметр своими руками (или переделать старый). Ведь ничего невозможного тут нет.

Электромеханический вольтметр

Вам понадобятся следующие компоненты:

1. магнитная головка со стрелкой от старого поломанного прибора;
2. шкала;
3. кусок бумаги и клей;
4. резисторы 1,5 кОм, 19,5 кОм, 199,5 кОм и 1999,5 кОм;
5. 4 диода. При выборе их обязательно смотрите на их характеристики — они должны выдерживать те параметры цепи, которые вы планируете замерять ;
6. Медный провод;
7. Паяльник, припой, канифоль;
8. Тестер для калибровки;
9. Батарейки, электроприборы и все, где можно измерить напряжение в самом разном диапазоне;
10. Переключатель.

На первой схеме представлен простой вольтметр постоянного тока с четырьмя диапазонами измерений — выбор диапазона зависит от того, на какую нагрузку мы поставим переключатель. На добавочных схемах мы видим диодные мостики: их монтаж расширяет применение прибора, теперь им можно измерять напряжение в сети переменного тока.

Читать также: Оборудование для холодной штамповки листового металла

Перед сборкой убедитесь, что магнитная головка со стрелкой исправны, у нее не оторваны спиральные пружинки и рамка нормально ходит. После этого можно приступить к монтажу мостика, а потом — подсоединить магазин резисторов с переключателем. Вам также потребуется изготовить новую шкалу. Для этого заклейте старую бумагой, обрежьте по контуру и нарисуйте на ней 4 полукруглых линии. После сборки можете приступать к калибровке. Для этого нужно замерить напряжение тестером, а затем, переключив новое изделие на требуемый диапазон, новым нашим прибором. На шкале сделать отметку. И так до тех пор, пока шкала не будет проградуирована.

Предупреждение: перед испытаниями высоких напряжений наденьте перчатки.

При желании можно изготовить и цифровой вольтметр. Схем в сети для этого предостаточно, равно как и комплектующих. Одну из схем, на 8-разрядном микроконтроллере, я представлю здесь. Предназначена для измерения напряжений до 30 В

В общем, если ваши руки — не для скуки, дерзайте!

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.

Наименования и обозначения

Видовые наименования

• Нановольтметр
  — вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений (менее 1мкВ)
• Микровольтметр
  — вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений (менее 1мВ)
• Милливольтметр
  — вольтметр для измерения малых напряжений (единицы — сотни милливольт)
• Киловольтметр
  — вольтметр для измерения больших напряжений (более 1 кВ)
• Векторметр
  — фазочувствительный вольтметр

Обозначения

• Электроизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их принципа действия Д
  xx — электродинамические вольтметры
• М
  xx — магнитоэлектрические вольтметры
• С
  xx — электростатические вольтметры
• Т
  xx — термоэлектрические вольтметры
• Ф
  xx,
  Щ
  xx — электронные вольтметры
• Ц
  xx — вольтметры выпрямительного типа
• Э
  xx — электромагнитные вольтметры

Радиоизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их функционального назначения по ГОСТ 15094

В2-
xx — вольтметры постоянного тока

В3-
xx — вольтметры переменного тока

В4-
xx — вольтметры импульсного тока

В5-
xx — вольтметры фазочувствительные

В6-
xx — вольтметры селективные

В7-
xx — вольтметры универсальные

Для того чтобы понять смысл этого вопроса, давайте внимательно рассмот­рим график синусоидального напряжения на рис. 4.2. В каждый момент вре­мени величина напряжения в нем разная — соответственно, будет разной и величина тока через резистор нагрузки, на который мы подадим такое напряжение. В моменты времени, обозначенные 772 и Т (то есть кратные поло­вине периода нашего колебания) напряжение на нагрузке вообще будет рав­но нулю (ток через резистор не течет), а в промежутках между ними — меня­ется вплоть до некоей максимальной величины, равной амплитудному значению А. Точно так же будет меняться ток через нагрузку, а следователь­но, и выделяемая мощность (которая от направления тока не зависит — фи­зики скажут, что мощность есть величина скалярная, а не векторная). Но процесс выделения тепла крайне инерционен — даже такой маленький пред­мет, как волосок лампочки накаливания, за 1/100 секунды, которые проходят между пиками напряжения в промышленной сети частотой 50 Гц, не успевает заметно остыть. Поэтому нас чаще всего интересует именно средняя мощ­ность за большой промежуток времени. Чему она будет равна?

Чтобы точно ответить на этот вопрос, нужно брать интегралы: средняя мощ­ность за период есть интеграл по времени от квадрата функции напряжения. Здесь мы приведем только результат: величина средней мощности в цепи пе­ременного тока определяется т. н. действующим значением напряжения (Щ, которое для синусоидального колебания связано с амплитудным его значением (f/a) следующей формулой:. Точно такая же формула справедлива для тока. Когда говорят «пе­ременное напряжение 220 В», то всегда имеется в виду именно действующее значение. При этом амплитудное значение равно примерно 311В, что легко подсчитать, если умножить 220 на корень из двух. Это значение нужно всегда иметь в виду при выборе компонентов для работы в сетях переменного тока — если взять диод, рассчитанный на 250 В, то он легко может выйти из строя при работе в обычной сети, в которой мгновенное значение превышает 300 В, хотя действующее значение и равно 220 В. А вот для компонентов, использующих эффект нагревания (лампочек, резисторов и т. п.) при расчете допустимой мощности нужно иметь в виду именно действующее значение.

Называть действующее значение «средним» неверно, правильно называть его среднеквадратическим (по способу вычисления — через квадрат функции от времени). Но существует и понятия среднего значения, причем не одно, а даже два. Просто «среднее» (строго по смыслу названия) — сумма всех мгновенных значений за период. Так как нижняя часть синусоиды (под осью абсцисс) стро­го симметрична относительно верхней, то можно даже не брать интегралов, чтобы сообразить, что среднее значение синусоидального напряжения, пока­занного на рис. 4.2, в точности равно нулю — положительная часть компенси­рует отрицательную. Но такая величина малоинформативна, поэтому чаще ис­пользуют средневыпрямленное (среднеамплитудное) значение, при котором знаки не учитываются (то есть в интеграл подставляется абсолютная величина напряжения). Эта величина (U связана с амплитудным значением (U по формулето есть равно примерно 1,57-f/c-

Рис. 4.5. Графики некоторых колебаний несинусоидальной формы

Для постоянного напряжения и тока действующее, среднее и среднеампли-тудное значения совпадают и равны просто величине напряжения (тока). Од­нако на практике часто встречаются переменные колебания, форма которых отличается и от постоянной величины, и от строго синусоидальной. Осцил­лограммы некоторых из них показаны на рис. 4.5. Для таких сигналов приве­денные выше соотношения для действующего и среднего значений недейст­вительны! Самый простой случай изображен на рис. 4.5, в- колебание представляет собой синусоиду, но сдвинутую вверх на величину амплитуды. Такой сигнал можно представить, как сумму постоянного напряжения вели­чиной А (постоянная составляющая) и переменного синусоидального (пере­менная составляющая). Соответственно, среднее значение его будет равно А, а действующее A-^aHi. Для прямоугольного колебания (рис. 4.5, б) с равны­ми по длительности положительными и отрицательными полуволнами (сим-

метричного меандра) соотношения очень просты: действующее значение = среднеамплитудному = амплитудному, как и для постоянного тока, а вот среднее значение равно, как и для синуса, нулю. В часто встречающемся на практике случае, когда минимум прямоугольного напряжения совпадает с нулем, то есть напряжение колеблется от нуля до напряжения питания (на рис. 4.5 не показано), такой меандр можно рассматривать аналогично случаю рис. 4.5, в, как сумму постоянного напряжения и прямоугольного. Для самого верхнего случая (рис. 4.5, а), который представляет собой синусоидальное напряжение, пропущенное через двухполупериодный выпрямитель (см. главу Р), действующее и среднеамплитудное значения будут равны соответствующим значениям для синусоиды, а вот среднее будет равно не нулю, а совпадать со среднеамплитудным. Для самого нижнего случая (рис. 4.5, г) указать все эти величины вообще непросто, так как они зависят от формы сигнала.

Но, даже выучив все это, вы все равно не сможете измерять величины напря­жений и токов несинусоидальной формы с помощью мультиметра! Не забы­вайте об этом, как и о том, что для каждого мультиметра есть предельные значения частоты колебаний — если вы включите мультиметр в цепь с ины­ми параметрами, он может показать все, что угодно — «погоду на Марсе», по распространенному выражению. Измерительные приборы для переменного напряжения проградуированы в значениях действующего напряжения, но измеряют они, как правило, среднеамплитудное (по крайней мере, большин­ство — на подробностях мы не будем сейчас задерживаться), и сообразить, как именно пересчитать показания, далеко не всегда просто. А для сложных сигналов, как на рис. 4.5, г, это выливается в сущую головоломку на уровне задач для студентов мехмата. Выручить может осциллограф и знание соот­ношений, приведенных ранее для сигналов самой распространенной формы, ну а для более сложных вычислять действующие и средние значения нам и не потребуется.

Заметки на полях

Единственный прибор, который правильно покажет значение действующего напряжения любой формы — это аналоговый вольтметр электромагнитной системы (их легко узнать по неравномерной шкале, деления на которой к кон­цу отстоят все дальше и дальше друг от друга). Для того чтобы несинусои­дальное напряжение измерить цифровым прибором, между измеряемой вели­чиной и вольтметром можно вставить интегрирующий фильтр (фильтр нижних частот), описанный в главе 5.

Для прямоугольных напряжений, представляющих собой меандр, подобный рис. 4.5, б, существует еще одна важная характеристика. Никто ведь не за­прещает представить себе прямоугольное напряжение, в котором впадины короче или длиннее всплесков. В электронике меандр без дополнительных пояснений означает симметричную форму прямоугольного напряжения, при которой впадины строго равны всплескам по длительности, но, вообще гово­ря, это необязательно. На рис. 4.6 приведены два примера таких напряжений в сравнении с симметричным меандром. Характеристика соотношений меж­ду длительностями частей периода называется скважностью и определяется, как отношение длительности всего периода к длительности положительной части (именно так, а не наоборот, то есть величина скважности всегда боль­ше I). Для меандра скважность равна 2, для узких коротких импульсбв она будет больше 2, для широких — меньше.

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.

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

Описание некоторых видов измерительных устройств

Микровольтметр В3-57 способен работать с переменным напряжением от 5 Герц до 5 МГц. Отображение результата происходит путем вычисления среднеквадратичного значения. Устройство способно работать с напряжениями любой формы. Сопротивление вольтметра составляет не менее 5 МОм. Наиболее широко прибор используется в радиотехнике для наладки оборудования.

Внешний вид микровольтметра В3-57

Измерители переменного напряжения АКИП-2401 имеют два канала. Также имеется возможность фиксации результата на экране при помощи кнопки «Hold». Устройство имеет в наличии интерфейс RS-232, позволяющий считывать данные дистанционно.

Цифровой вольтметр АКИП-2401

Прибор В7-40/1 преимущественно используется для высокоточных научных исследований и поверки других вольтметров. Его сопротивление достигает 2 ГОи при пределе измерения в 2 В. Это позволяет максимально уменьшить влияние на цепь, что немаловажно при работе с низковольтными радиотехническими схемами. В7-40/1 успешно используется в средствах автоматики и SCADA системах.

Высокоточный, дискретный вольтметр В7-40/1

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.

Правила подключения вольтметра

Перед тем как приступать к определению напряжения в электросети, следует сделать правильный выбор типа вольтметра с учетом особенностей использования различных моделей. Необходимо также учитывать ряд параметров:

• Внутреннее сопротивление измерительного прибора. Чем оно выше, тем точнее результат измерений. Определить эту характеристику поможет схема применяемого вольтметра. На практике важно, чтобы его рабочий диапазон был больше, чем значение измеряемого параметра. На приборе должно быть соответствующее обозначение.
• Диапазон напряжений, который подлежит измерению. Обычно подключение вольтметра происходит после выбора необходимого варианта. Измерение очень малых или больших напряжений осуществляется с помощью специальных устройств — усилителей или трансформаторов.
• Если нужно узнать величину переменного напряжения, необходимо учитывать не только разность потенциалов, но и рабочую частоту. Каждый вольтметр включается при условии соблюдения определённых допустимых пределов, при которых он должен применяться.
• Важной характеристикой является погрешность измерения. Идеальной точности измерений, подсоединив прибор, добиться практически невозможно. Поэтому мастер должен точно знать максимально допустимую погрешность. Обычно она указывается на приборе.

Важно! Для определения напряжения включайте вольтметр в цепь параллельно, иначе вы сможете определить только ЭДС источника, если он есть.