Как измерить переменное напряжение вольтметром постоянного тока. Измерение электрического напряжения. Линейные и фазные напряжения

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

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.

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.

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 и т. п.

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:

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.

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.

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?

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.

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:

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 : их монтаж расширяет применение прибора, теперь им можно измерять напряжение в сети переменного тока.

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 служит для измерения напряжения на участке цепи. Как правильно работать с этим прибором, что нужно учитывать при выборе вольтметра, какие еще бывают приборы для измерения напряжения в сети, давайте разберемся.

Напряжение

Напряжением называют физическую величину, выражающую работу, которая была затрачена для пробного электрического заряда из одной точки электрической цепи в другую. Или, другими словами, это энергия, расходуемая при перемещении положительного заряда из точки с малым потенциалом в точку с большим потенциалом.

Оно бывает двух видов: постоянное и переменное. Постоянное напряжение характерно для цепей электростатики или постоянного тока , а переменное – для схем с переменным и суисоидальным током. Данная физическая величина измеряется в вольтах, а его обозначение: U.

Эту величину можно находить по следующим формулам:

• U= I*R
• U= P/I
• U=√P*R

Где U - напряжение, I – с ила тока, R – сопротивление, P – мощность.

Но значение U можно узнать, не используя этих формул, если провести специальные измерения. Для этого надо просто уметь пользоваться вольтметром.

Он является простейшим прибором для измерения напряжения. На уроках физики в школах детям часто рассказывают об особенностях данного устройства , учат проверять напряжение в электрической цепи. С помощью него можно узнать не только напряжение, но и сопротивление, если знать специальные формулы. Вольтметром удобно пользоваться, и он несложен в устройстве, поэтому вольтметр остается самым лучшим способом измерения U в домашних условиях.

Классификация вольтметров

Они бывают электромеханическими (такие приборы являются наиболее чувствительными и точными), электронными, принцип действия которых заключается в преобразовании переменного напряжения в постоянное, и цифровыми.

Исходя из назначения, вольтметры могут быть импульсными, постоянного или же переменного тока . А по принципу применения - щитовыми и переносными. Перед использованием прибора нужно проверять, к какому из типов они относятся, чтобы провести правильные измерения.

Немного истории

Первый в истории вольтметр был изобретен русским физиком Г.В. Рихманом в 1754 году и назывался «указателем электрической силы ». Современные электростатические вольтметры основаны на принципах этого устройства.

Строение вольтметра

Прежде чем приступать к измерению напряжения, следует изучить, как работает вольтметр.

Его основные элементы - это корпус, клемма, стрелка и шкала. На клеммах обычно стоит знак «плюс» или «минус» или же они помечены цветом (плюс - красный цвет, минус - синий или черный цвет). Часто на этом приборе можно заметить букву «V» . Когда прибор служит для цепей с переменным током, то на циферблате изображается волнистая линия, а когда для цепей с постоянным током - линия прямая. Иногда используются обозначения АС (для измерения переменного тока) и DC (для измерения постоянного тока). В приборах для переменного тока полярности нет.

Классический вольтметр, который на данный момент немного устарел, состоит из катушки тоненькой подковообразной проволоки с железной стрелкой, которая располагается между концами магнита. Стрелка перемещается на оси. Ток идет по катушке , и намагниченная стрелка перемещается из-за силы тока. Чем сила тока больше, тем больше отклоняется стрелка. Можно заметить, что устройство этого прибора не очень сложное. Весь его принцип основан на простых законах физики.

Как пользоваться вольтметром

Вольтметр всегда подключается параллельно участку цепи, т. к. такое подключение уменьшает ток. Прибор может провести измерения напряжения только на определенном участке электрической цепи. При работе с ним нужно всегда соблюдать полярность. Провода прикручивают к винтам с гайками. У приборов, рассчитанных на постоянное напряжение , контакты обозначены знаками «плюс» и «минус». Это что касается стрелочного вольтметра. В электронных моделях все гораздо проще: там нет проводов. Более подробно можно познакомиться с принципом работы вольтметра, посмотрев видео.

Как работать вольтметром

Перед тем как проводить измерения нужно проверить, подходит ли данный прибор для них. В первую очередь необходимо определить максимально допустимую величину измерений для данного вольтметра. Для этого достаточно просто найти наибольшее числовое значение на шкале вольтметра. Далее следует уточнить , в каких единицах измеряет вольтметр. Это могут быть вольты, микровольты или милливольты. Пренебрежение этим пунктом может привести к тому, что прибор начнет дымиться после подключения к сети, значение напряжения которой во много раз выше допустимого.

Если напряжение в электрической цепи уже известно и превышает шестьдесят вольт, то нужно использовать специальные диэлектрические перчатки и щупы с хорошей изоляцией. Безопасное напряжение для человека - около 42 вольт при нормальных условиях и около 11 в неблагоприятных условиях (повышенная влажность , повышенная температура, железные предметы поблизости и т. д.).

Вольтметр и автомобиль

В машине этот прибор используется по двум основным причинам: для того, чтобы следить за зарядкой аккумулятора и контролировать просадки напряжения в бортсети. Для полного контроля просадки питания, можно установить два вольтметра: один - для подключения к аккумулятору, а второй – для подключения к клеммам усилителей.

С помощью него можно измерять ток в сети автомобиля. Кузов машины имеет отрицательный заряд (знак «-»), значит, к нему подсоединяется клемма с минусовым полюсом. Плюсовую клемму подключают к «положительному» генератору. Таким образом измеряют напряжение в автомобиле. Обычно оно имеет значение около четырнадцати вольт. Для подключения лучше использовать толстые провода: они уменьшают погрешность в измерениях. Основные нормы напряжения:

• Для заглушенного двигателя 12,2 – 12,6 вольт
• Для заведенного двигателя 13,6 – 14,4 вольт

Мультиметр

Напряжение может измерять и мультиметр. Перед тем как использовать это устройство, нужно обязательно ознакомиться с инструкцией.

Мультиметры, как правило, могут измерить три основные величины: силу тока, сопротивление и напряжение. Они могут быть аналоговыми и цифровыми.

Некоторые мультиметры могут измерять и:

Таким образом, возможности мультиметра определяются их моделью и типом. Абсолютно любой мультиметр может измерить напряжение, силу тока (постоянную) и сопротивление.

Классический вольтметр удобен в использовании и несложен в своем устройстве. Он всегда подключается параллельно к участку цепи. Всегда лучше сначала собрать цепь, а потом подсоединять к ней вольтметр. В работе с этим прибором очень важно соблюдать полярность . С помощью него можно измерять напряжение в машине. Никогда не надо забывать, что напряжение (как высокое, так и низкое) опасно не только для здоровья, но и для жизни человека.

Поэтому при работе с электроприборами нужно соблюдать технику безопасности: пользоваться специальными перчатками, работать только в нормальных условиях и т. д. Перед использованием, нужно проверять прибор.

Сила тока измеряется в амперах , поэтому прибор, который измеряет силу тока называют амперметром . Напряжение (или разность потенциалов между двумя точками в электрической цепи) измеряется в вольтах , поэтому прибор, измеряющий напряжение называют вольтметром. Чтобы иметь количественное представление о величинах напряжений и токов, протекающих в разных приборах, приведем несколько примеров.

1. Лампа накаливания мощностью Р = 60 Вт, работающая от сети с напряжением U = 220 В. Силу тока через такую лампу можно рассчитать по формуле А.

2. Электрический чайник мощностью Р = 2200 Вт (U = 220 В). Сила тока равна А.

3. Сила тока, протекающего через резистор с сопротивлением, на который подано напряжение 1,5 В (от обычной батарейки), равна по закону Ома А.

Трех примеров достаточно, чтобы убедиться в очень широком диапазоне значений токов (и напряжений) и в необходимости иметь амперметры (и вольтметры) с разной ценой деления. Для измерения малых токов созданы миллиамперметры, обозначаемые символом (см. рис.16а), и микроамперметры (см. рис.16б), обозначаемые.

Приборы, изображенные на рис.16, имеют разный диапазон измерений. Как видно из рисунка, максимальный ток для миллиамперметра всего 5 мА, а для микроамперметра 50 мкА. Если ток будет больше этих значений, то стрелка "зашкалит", то есть уйдет максимально вправо и остановится, удерживаемая упором. Особо следует отметить то, что в отключенном состоянии стрелка прибора должна указывать на нулевое деление. Если прибор "сбит", то есть в отсутствие тока показывает ненулевое значение, то надо с помощью отвертки или просто ногтем повернуть колесико настройки нуля (см. рис.16в).

Теперь рассмотрим приборы, диапазон измерений которых можно менять.

Рис.17. Двухдиапазонный амперметр (а) и 4-х диапазонный вольтметр (б)

На рис.17а изображен 2-х диапазонный амперметр, для которого с помощью переключателя можно установить максимальный ток в 1 А или 2 А (белая точка на основании ключа указывает на 1 А), что будет соответствовать на шкале амперметра максимальному значению 100 делений. Переводя ключ амперметра из положение "1 А" в положение "2 А", мы изменяем цену деления с w = 0,01 А до w = 0,02 А.

На рис.17б изображен 4-х диапазонный вольтметр с четырмя возможными пределами измерения напряжения в 7,5 В; 15 В; 30 В и 60 В (белая точка на основании ключа показывает 15 В). Учитывая, что шкала вольтметра рассчитана на 150 делений, то переводя ключ вольтметра из одного положения в другое, мы изменяем цену деления w следующим образом:

"7,5V" (w=0,05 В); "15V" (w=0,1 В); "30V" (w=0,2 В); "60V" (w=0,4 В).

Помню такой случай из своего опыта начинающего электрика - как-то захотелось мне собрать простенькую схемку электронного передатчика. Собрал детали, намотал катушки, спаял всё воедино по имеющейся электрической схеме. Включаю, а он не работает. Естественно, мне стало интересно, что к чему, и какие процессы протекают внутри схемы. Вижу на схеме указаны рабочие значения силы тока перечёркнутым крестиком на цепях. Не мог понять, что это за схематическое обозначение . Пришёл ко мне друг и подсказал, что к чему. После измерений нашёл ошибку и передатчик заработал. Теперь хочу с такими же новичками поделится «великим секретом» измерения электрического тока , и растолковать, как правильно измерять силу тока.

Итак, электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц внутри того или иного электропроводника. Это сродни протоку воды внутри водопроводной трубы . Если в случае воды ставятся движущиеся лопасти, которые вращает этот поток, то в случает электрического тока поток заряженных частиц пропускают через дополнительную электрическую цепь, находящаяся в измерители этого пока. На этой цепи появляются определённые электрические параметры, такие как падение напряжения на данном участке (определённое значение разности потенциалов) и сопротивление. Поскольку эти значения напряжения уже принадлежать схеме измерителя, то он легко может их преобразовать в числовую наглядную форму.

На практике измерения электрического тока производят так. В случае измерения постоянной силы тока измерительный прибор (амперметр) включают в разрыв конкретного участка электрической цепи (именно это обозначает крестик на принципиальной схеме с указанием нормального рабочего значения силы тока, про что я говорил выше), в которой производятся измерения. Ток начинает протекать через электрический элемент амперметра и реагировать на изменение электрических параметров внутри себя. В случае измерения переменного тока возникает ещё один способ измерения - по средствам токовых клещей.

Они действуют так - главная часть представлена в виде раздвижного трансформатора, который обхватывает токонесущий провод. Вокруг проводника с переменным током существует переменное электромагнитное поле, что при протекании вокруг магнитопровода индуцирует в нём магнитный поток. На другом конце этого трансформатора имеется измерительная катушка, на которой появляется значение напряжения. Оно преобразовывается и выводится на экран.

Как электрики измеряют на деле силу тока? Они имеют два вида амперметров. Для электроизмерений силы тока относительно небольших значений (в обычных электрических схемах управления электрооборудование) электрик имеет при себе обычный мультиметр, внутри которого присутствует функция измерения силы тока (и переменного и постоянного) через разрыв электрической цепи. На таких приборах максимальное значение силы тока лежит в пределах 20 ампер. Если существует необходимость измерить токи больших значений, да при условии работающей электрической системы, да без возможности разрыва той или иной части электроцепи, то тут на помощь приходят токовые клещи . Ими достаточно обхватить нужный токонесущий провод или шину, как они сразу же покажут рабочее значение силы переменного тока на данном участке силовой цепи.

Следует не забывать, что сам амперметры при его подсоединении к разорванному участку цепи вносит в схему дополнительное электрическое сопротивление . Если она не критично для работы системы, то на это можно не обращать внимания. Но если даже небольшие падения напряжения имеют решающее значение для работы электротехники, то следует использовать амперметры с минимальным внутренним сопротивлением. И не забывайте после измерения силы тока переключать провода мультиметра на клеммы измерения напряжения, так как в противном случае может оказаться, что вы измеряете величину напряжения прибором, у которого внутреннее сопротивление равно нулю. Это, естественно, вызовет короткое замыкание , и неприятности.

Приборы для измерения напряжения и тока можно классифицировать по различным признакам:

• - по типу отсчетного устройства (аналоговые и цифровые);
• - по методу измерения (непосредственной оценки (прямого действия) и сравнения с мерой);
• - по значению измеряемого напряжения (пиковых значений, сред- невыпрямленных значений, среднеквадратических значений);
• - по виду входа (с открытым или закрытым).

В настоящее время в эксплуатации находится большое количество электромеханических и электронных приборов для измерения напряжений и токов. Рассмотрим принципы их построения.

Электромеханические вольтметры и амперметры

Электромеханические вольтметры и амперметры относятся к аналоговым приборам прямого действия, в которых электрическая измеряемая величина непосредственно преобразуется в показание отсчетного устройства.

В простейшем случае электромеханические вольтметры и амперметры представляют собой измерительный механизм с отсчетным устройством (см. гл. 1), снабженный входными зажимами для подключения к объекту измерения.

Обобщенную структурную схему электромеханического вольтметра (амперметра) можно представить в виде последовательно соединенных входной измерительной цепи и измерительного механизма с отсчетным устройством. Заметим, что сочетание измерительного механизма и отсчетного устройства принято называть измерителем.

Входная измерительная цепь (входное устройство) содержит, как правило, один или несколько измерительных преобразователей, с помощью которых измеряемая величина X преобразуется в величину Y, удобную для воздействия на измерительный механизм.

Наиболее часто в электромеханических приборах используют масштабные и нормирующие измерительные преобразователи, а также преобразователи значений величин (см. гл. 1).

Для измерения напряжений и токов могут применяться практически большинство известных типов измерительных механизмов (ИМ).

Для измерения постоянных напряжений в широком диапазоне значений (от долей милливольт до сотен вольт) используют электромеханические вольтметры с магнитоэлектрическим измерительным механизмом (МЭИМ). Эти приборы имеют сравнительно высокий класс точности (до 0,05), однако их входное сопротивление не превышает десятков тысяч ом, что может приводить к значительным систематическим погрешностям. Систематические погрешности вольтметров с МЭИМ имеют также и температурный характер вследствие зависимости сопротивления рамки прибора от температуры окружающей среды.

Реже для измерения постоянных напряжений используют электромеханические вольтметры с электростатическим ИМ (ЭСИМ), электромагнитным ИМ (ЭМИМ) и электродинамическим ИМ (ЭДИМ).

Вольтметры с ЭСИМ обычно используют для измерения больших напряжений (киловольтметры), а вольтметры с ЭДИМ применяют в качестве образцовых приборов при проверке измерительных приборов более низкого класса точности.

Для измерения постоянных токов в широком диапазоне значений (10 _7 ...50 А) наиболее широко, также как при измерении постоянных напряжений, используют электромеханические приборы (амперметры) с МЭИМ. Для этих приборов также характерна температурная систематическая погрешность (особенно при использовании шунтов), так как в этом случае из-за различных значений температурных коэффициентов материала рамки и шунта происходит перераспределение протекающих через них токов. Для измерения постоянных токов используют также амперметры с ЭМИМ и ЭДИМ.

Измерение переменных напряжений проводят вольтметрами с ЭМИМ, ЭДИМ, ФДИМ, ЭСИМ, термоэлектрическими приборами, а также выпрямительными вольтметрами, т.е. вольтметрами, имеющими измерительный механизм магнитоэлектрической системы и выпрямитель (преобразователь), включенный на входе ИМ.

Переменные токи измеряют термоэлектрическими и выпрямительными амперметрами, а также амперметрами, имеющими электромагнитные и электродинамические ИМ. Малые переменные токи измеряют обычно выпрямительными амперметрами. Наиболее широкий диапазон измеряемых переменных токов обеспечивают выпрямительные амперметры, они чаще используются для измерения малых токов. Наиболее широкий частотный диапазон измеряемых токов обеспечивают амперметры термоэлектрической системы.

У большинства электромеханических приборов входное сопротивление невелико (килоомы), поэтому они пригодны для измерения напряжения только в низкоомных цепях. В цепях с высокоомными нагрузками (мегаомы) эти приборы (за исключением электростатических) использовать нельзя, так как при их включении шунтируется нагрузка и тем самым изменяется электрический режим цепи. Кроме того, типовыми недостатками для аналоговых электромеханических приборов являются малый диапазон частот, в котором они дают достоверные показания, большие входные емкости и индуктивности, зависимость входного сопротивления от частоты.

На практике широкое распространение получили универсальные электромеханические приборы для измерения постоянных и переменных напряжений и токов, а также сопротивлений постоянному току - авометры (мультиметры). Они представляют собой сочетание добавочных резисторов или шунтов, преобразователей значений измеряемых переменных токов и напряжений (полупроводниковых выпрямителей) и ИМ магнитоэлектрической системы с отсчетным устройством.

Вариант схемы авометра при измерении напряжения постоянного тока показан на рис. 5.4.

Рис. 5.4.

Переключателем осуществляется изменение диапазона измерений, однако входное сопротивление вольтметра, отсчитанное в [Ом/В], при изменении диапазона обычно остается постоянным за счет подбора резисторов.

Например, если Л, = 15 МОм, Я 2 = 4 МОм, /?, = 800 кОм, /? 4 = 150кОм,Л 5 = 48 кОм, а диапазоны соответственно 1000,250,50, 10, 2,5 В, то при сопротивлении обмотки прибора 2 кОм входное сопротивление прибора в любом положении переключателя диапазонов будет равно 20 кОм/В.

Приборы для измерения силы тока образуют подгруппу А-амперметры. Внутри этой подгруппы выделяют амперметры постоянного тока(А2), переменного тока А3),универсальные(А7) и преобразователи тока (А9).

Амперметры строятся на базе электромеханических приборов (см. раздел 2.1), которые по принципу своей работы позволяют измерять постоянные и переменные токи низкой частоты. На них распространяются требования ГОСТ, который устанавливает следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0.Дополение электромеханических приборов преобразователями переменного тока в постоянный позволяет значительно расширить их возможности и использовать для измерения на радиочастотах.

Более обширна классификация приборов для измерения напряжения – вольтметры, образующие группу В. Среди приборов этой подгруппы выделяют вольтметры постоянного тока (В2), переменного (В3), импульсного тока (В4), фазочувствительные (В5), селективные (В6), универсальные (В7),измеритель отношения, разности и нестабильности напряжений (В8), преобразователь напряжений (В9).

Вольтметры постоянного и переменного тока низкой частоты могут строится на базе электромеханических приборов (см.раздел 2.1) согласно ГОСТ. Однако, как правило, вольтметры – это представители электронных измерительных приборов в аналоговом или цифровом вариантах. На электронные аналоговые вольтметры также распространяются требования ГОСТ, в частности вольтметры видов В3…В7 дополнительно классифицируются по измеряемому параметру напряжения на вольтметры амплитудного (блокового), среднеквадратического и средневыпрямленного напряжения. Они могут иметь классы точности 0,1; 0,2; 0,5;1,0; 1,5;2,5;4,0;5,0; 15; 25.

4.3 Измерение тока

Для измерения тока амперметр включают последовательно в разрыв измеряемой цепи. Амперметр любой системы можно представить в виде следующей эквивалентной схемы (рис. 4.1а), где LА,CА,RА, - индуктивность, емкость, сопротивление внутренней цепи амперметра. Очевидно, что включение амперметра в измеряемую цепь окажет на нее параметрическое и энергетическое влияние. Параметрическое влияние тем значительнее, чем выше частота и большеLАиCА, энергетическое – чем большеRА, так как при этом возрастет потребление мощности от измеряемой цепи.

Рисунок 4.1- Измерение тока высокой частоты:

а) эквивалентная схема амперметра;

б) включение амперметра;

в) структурная схема амперметра с преобразованием.

Для измерения тока высокой частоты следует использовать схему с преобразованием (рис 4.1 в), где сначала ток высокой частоты преобразуется в постоянный, который измеряют магнитоэлектрическим индикатором – микро или миллиамперметром. Преобразование осуществляют либо за счет теплового действия тока, либо путем его выпрямления. Поэтому высокочастотные амперметры представляют собой совокупность индикатора и преобразователя (рис. 4.1в), и называется термоамперметрами или выпрямителями.

Термоамперметр состоит из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического индикатора, шкалу которого градуируют в значениях измеряемого тока. Термоэлектрический преобразователь представляет собой тонкую проволоку из тугоплавкого металла, называемую нагревателем, и одну или несколько термопар, приваренных к его середине. Такой термопреобразователь называется контактным (рис.4.2.а). При прохождении измеряемого тока через нагреватель, место контакта нагревается и термопары нагреваются до температуры tº1, а холодный слойbостается при температуре окружающей средыtº0 . В результате, в термопаре возникает термоЭДС Ет, пропорциональная разности температур в месте контакта с нагревателем и внешних концов термопары. Индикатор присоединен к этим концам термопары и по нему протекает ток, пропорциональный квадрату среднеквадратического значения измеряемого тока:

Iи =Eт/(Rт +Rн), (4.7)

где Rт,Rн – сопротивления термопары и индикатора, т.о. , шкала термоэлектрического прибора близка к квадратичной.

На рис.4.2.б приведена схема бесконтактного термоэлектрического преобразователя. В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е., между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бесконтактном преобразователе, преобразователь отделен от термопары из стекла или керамики, либо воздушной прослойкой.

Рисунок 4.2.- Термоэлектрический преобразователь

Термоэлектрические измерительные приборы получили распространение преимущественно для измерения токов. В качестве вольтметров они практически не применяются, так как их входное сопротивление мало. К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отвести высокую чувствительность к измеряемому току, широкий диапазон частот, а также возможность измерения средних квадратических значений токов произвольной формы. Недостатком термоэлектрических приборов является неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры окружающей среды и большая инерционность термопреобразований. Термоэлектрические приборы очень чувствительны к перегрузкам. В зависимости от назначения они имеют различные пределы измерения *(от 1 мА до 50 А), классы точности (от 0,1 до 2,5) и частный диапазон (от 45 Гц до сотен мегагерц). Термоамперметры обозначаются буквой «Т» и номером модели: Т20, Т29…

Выпрямительные приборы (амперметры) применяются для измерения силы тока и напряжения в частотном диапазоне от звуковых частот до высоких и сверхвысоких частот. Принцип работы таких приборов заключается в выпрямлении выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых диодов (рис.4.3). Постоянная составляющая выпрямленного тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы (микроамперметром, миллиамперметром). В схеме прибора используют однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. В однополупериодных схемах (рис.4.3.а). Ток iчерез магнитоэлектрический прибор, включенный последовательно с диодом Д1, пропускается только в положительный полупериод. В отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода Д1 велико, ток протекает через диод Д2, включенный параллельно прибору. Для уравнивания сопротивления параллельных ветвей последовательно со вторым диодом включен резисторR, сопротивление которого равно измерительной цепи прибора. Подвижная часть магнитоэлектрического прибора обладает механической инерцией и на частотах выше 10…20 Гц не успевает следить за

Рисунок 4.3 Выпрямительные приборы

Мгновенными значениями вращающегося момента, реагируя только на среднее значение момента. Для однополупериодного выпрямителя измеряемого тока синусоидальной формы:

а показания прибора

α = Si* Iср (4.9)

где Si– чувствительность магнитоэлектрического прибора по току; В двух полупериодных схемах выпрямителя (рис. 4.3.б) токi, протекающий через прибор, увеличиваются вдвое по сравнению с током, протекающим в схеме (рис 4.3 а).

Для синусоидального тока

Iср.в = 0,636 *Im(4.10)

Из (4.9) видно, что шкала выпрямительного прибора и при любой форме кривой измеряемого тока отклонение стрелки прибора пропорционально среднему за период значению. Однако, на практике, шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в среднеквадратичных значениях напряжения (тока) синусоидальной формы. Следовательно, в приборах с двухполупериодным выпрямлением все значения оцифрованных делений как бы умножены на коэффициент формы Кф = 1,11. Отсюда следует, что при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы, полученный тосчет по шкале такого выпрямительного прибора сначала нужно разделить на 1,11 (получить выпрямленное значение измереяемой величины), а затем умножить на коэффициент формы, соответствующий форме реального сигнала. В приборах с однополупериодным выпрямлением вместо 1,11 подставляют 2,22.

Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения классов мощности 1,5 и 2,5; с пределами измерения по току от 2 мА до 600 А; по напряжению от 0,3 до 600 В.

Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии и измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется возможностями применяемых диодов. Применение точечных диодов обеспечивает изменение переменных токов и напряжений до частот порядка 10 4 …10 6 Гц. Основными источниками погрешностей этих приборов являются изменения параметров диодов с течением времени, влияние окружающей температуры, а также отклонение формы кривой измеряемого тока или напряжения от той, при которой произведена градуировка прибора.

Гальванометры.

Высокочувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения очень маленьких токов и напряжений называются гальванометрами. Гальванометры часто используются в качестве нуль – индикаторов, фиксирующих отсутствие тока в цепи. У таких гальванометров нулевая отметка находится в середине шкалы.

Так как чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому, чувствительные гальванометры при выпуске из производства градуируются в единицах измеряемой физической величины и им не присваиваются классы точности. В качестве же метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивлению рамки. Чувствительность гальванометров зависит от способов применения (рамки внутри зазора постоянного магнита. Различают гальванометры с подвижной частью (рамкой) на кернах, на растяжках, на подвесе. Современные гальванометры позволяют измерять токи в пределах от 10 -5 …10 -12 А и напряжения до 10 -4 В.

аналоговые электромеханические приборы магнитоэлектрической системы относятся к числу наиболее точных и чувствительных. Так как рамка таких приборов намотана тонким проводом, это не позволяет пропускать через нее токи, превышающие десятки миллиампер. Превышение указанных значений может привести к повреждению провода рамки или спиральной пружинки. Т.О., возникает задача расширения пределов расширения пределов измерения магнитоэлектрических амперметров и вольтметров.

Расширение пределов измерения амперметров достигается включением шунта, параллельного прибору (рис.4.4).Сопротивление шунта Rш должно быть меньше сопротивления рамки прибораRр и подбирается так, чтобы при измерении основная часть измеряемого тока, проходящая через шунт, а ток, протекающий через рамку прибора, не превышал допустимого значения. Если необходимо иметь верхний предел измерения амперметраI, а верхний предел измерения без шунтаIа, то сопротивление шунта

Rш = Rр/ n-1 (4.11)

где n = I/Iа

Рисунок 4.4 Расширение пределов измерения диапазонов амперметра

Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до нескольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Для измерения больших токов (до нескольких тысяч ампер) изменяются наружные шунты.

Для расширения пределов измерения вольтметра последовательно с сопротивлением рамки включается добавочное сопротивление Rд (рис.4.5), которое ограничивает

Рисунок 4.5 Расширение пределов измерения вольтметра

падение напряжения на рамке прибора до допустимых пределов. Если необходимо измерять напряжение Uв, то величина добавочного сопротивления должна быть

Rд =Rр *(n- 1) (4.12)

Добавочные сопротивления внутренними, встроенными в корпус вольтметра (при напряжении до 600 В) или наружными (при напряжении 600…1500 В). Наружные добавочные сопротивления выпускаются на определенные номинальные токи (от 0,5 до 30 мА) и имеют классы точности от 0,02 до 1. Шунты и добавочные сопротивления изготавливаются из материалов с высоким удельным сопротивлением, имеющих температурный коэффициент, близкий к нулю.

Ток, проходящий в проводнике, имеет определённую электродвижущую силу. Когда возникает необходимость определить её значение на отдельно выбранном участке цепи, используют измеритель напряжения. Единицей измерения принято считать вольт, а прибор получил название вольтметр. Этот аппарат широко применяется в промышленности, научных исследованиях и повседневном быте человека.

Классификация и принцип действия

Чтобы лучше понять, каким прибором измеряется напряжение и почему он так называется, стоит обратиться к физике. По определению - это сила, которая действует на электроны и заставляет их перемещаться в одном или в разных направлениях. Единица измерения - вольт.

Вольтметры используются людьми в различных сферах деятельности. Существует множество разновидностей и модификаций этого устройства. В зависимости от конструктивных особенностей и области применения, приборы для измерения электрического напряжения классифицируются по трём основным параметрам:

1. Принцип действия. Электромеханические и электронные.
2. Назначение. Постоянного и переменного тока, импульсные и фазочувствительные, а также селективные и универсальные.
3. Конструкция и применение. Стационарные, переносные и щитовые.

Принцип действия электромеханических вольтметров основывается на изменении магнитного поля. Ток проходит через обмотку, что приводит к возникновению электромагнитного поля. В результате этого стрелка, насаженная на ось с постоянным магнитом, отклоняется и показывает значение электродвижущей силы (ЭДС).

Электронные приборы также могут иметь стрелку. В корпусе находится преобразователь переменного тока в постоянный, а отклонение указателя происходит под действием детектора напряжения.

Цифровые измерители отображают информацию на жидкокристаллическом дисплее. Их работа основана на микросхеме и преобразователе сигнала.

Виды измерителей напряжения

Вольтметр для измерения напряжения в цепи постоянного тока имеет маркировку В2. Применяется в качестве тестера для проводки и электроприборов.

Если приходится иметь дело с переменным током, прибор маркируется В3. Он имеет компактный преобразователь для выпрямления и усилитель сигнала.

Импульсный (В4) разработан для измерения помех в электросети. Позволяет найти в цепи место со слабым контактом.

Фазовый (В5) определяет квадратурные составляющие первой гармоники. В быту не применяется из-за своей невостребованности.

Селективный (В6) отличается большими габаритами и напоминает радиоприёмник. Он может различать частоту сигнала.

Универсальный вольтметр (В7) - прибор для измерения напряжения в электросетях любого типа.

Переносные модели (тестер, мультиметр) - это небольшие автономные устройства, оснащённые электродами.

Стационарные вольтметры - это большие и тяжёлые приборы, часто встроенные в оборудование. Используются на производстве для контролирования работы электросистемы.

Щитовые аппараты более простые. Их интегрируют в бытовые электроприборы , а также используют на транспортных средствах в качестве датчиков.

Подключение и технические характеристики

Для проведения адекватного измерения вольтметр должен быть включён в необходимый участок цепи посредством последовательного соединения. Подключение переносных измерителей производится с помощью электродов или специальных прищепок. При снятии показаний от источника питания электроды подсоединяют прямо к клемам.

Перед подключением стоит определить:

• порядок величины напряжения;
• полярность;
• характер и тип тока;
• режим измерения (на универсальном вольтметре).

Прежде чем купить или начать использовать вольтметр, нелишним будет оценить его эффективность. Нужно определиться со своими потребностями и выбрать необходимый измеритель напряжения.

Оценка технических показателей проходит по таким параметрам:

Разобравшись с вопросом, каким прибором измеряют напряжение, стоит напомнить о мерах безопасности. Электрический ток может серьёзно травмировать и даже убить человека. Если проводится снятие показаний высокого напряжения, нельзя притрагиваться к проводам оголёнными участками тела. На руки необходимо надеть защитные перчатки.