Вольтметр: принцип работы, типы и применение.

Введение

Прибор для измерения напряжения

Вольтметр – это прибор, используемый для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в электрической цепи. Он подключается параллельно. Обычно он имеет высокое сопротивление, чтобы потребление тока из цепи было пренебрежимо малым. Аналоговые вольтметры перемещают стрелку по шкале пропорционально измеренному напряжению и могут быть созданы на основе гальванометра и последовательного резистора. Приборы, использующие усилители, способны измерять очень малые напряжения – микровольты и меньше. Цифровые вольтметры отображают значение напряжения в числовом формате с помощью аналого-цифрового преобразователя. Вольтметры выпускаются в широком ассортименте конструкций, некоторые питаются от отдельных источников (например, от батареи), а другие – от измеряемого источника напряжения. Приборы, постоянно установленные на панели, используются для контроля генераторов или другого стационарного оборудования. Портативные приборы, как правило, оснащенные также измерением тока и сопротивления в виде мультиметра, являются стандартными измерительными приборами, применяемыми в электротехнических и электронных работах. Любое измерение, которое можно преобразовать в напряжение, может быть отображено на соответствующим образом откалиброванном приборе; например, давление, температура, расход или уровень в химическом технологическом процессе. Аналоговые вольтметры общего назначения могут иметь точность в несколько процентов от полной шкалы и используются для измерения напряжений от долей вольта до нескольких тысяч вольт. Цифровые приборы могут быть изготовлены с высокой точностью, обычно лучше 1%. Специально откалиброванные измерительные приборы обладают еще большей точностью, а лабораторные приборы способны измерять с точностью до нескольких частей на миллион. Одна из проблем при создании точного вольтметра – это его калибровка для проверки точности. В лабораториях ячейка Уэстона используется в качестве стандартного напряжения для прецизионных измерений. Прецизионные источники напряжения доступны на основе электронных схем.

Схематический символ

На электрических схемах вольтметр обозначается буквой V в круге, с двумя отходящими линиями, указывающими точки измерения.

Аналоговое вольтметровое устройство

Движущийся катушечный гальванометр может использоваться в качестве вольтметра путем включения последовательно с инструментом резистора. Гальванометр содержит катушку из тонкой проволоки, подвешенную в сильном магнитном поле. При протекании электрического тока взаимодействие магнитного поля катушки и постоянного магнита создает крутящий момент, стремящийся повернуть катушку. Крутящий момент пропорционален току, протекающему через катушку. Катушка вращается, сжимая пружину, которая противодействует вращению. Таким образом, отклонение катушки пропорционально току, который, в свою очередь, пропорционален приложенному напряжению, отображаемому указателем на шкале. Одной из целей конструкции прибора является минимальное воздействие на измеряемую цепь, поэтому прибор должен потреблять минимальный ток для работы. Это достигается использованием чувствительного гальванометра, включенного последовательно с высоким сопротивлением, после чего весь прибор подключается параллельно к исследуемой цепи. Чувствительность такого прибора может быть выражена в "омах на вольт" – как отношение сопротивления прибора к полному диапазону измерений. Например, прибор с чувствительностью 1000 омов на вольт будет потреблять 1 миллиампер при максимальном напряжении; если полный диапазон составляет 200 вольт, то сопротивление на клеммах прибора будет равно 200000 омов, а при максимальном напряжении прибор будет потреблять 1 миллиампер из испытываемой цепи. Для приборов с несколькими диапазонами входное сопротивление изменяется при переключении на разные диапазоны. Движущиеся катушечные приборы с постоянным магнитным полем реагируют только на постоянный ток. Для измерения переменного напряжения требуется выпрямитель в цепи, чтобы катушка отклонялась только в одном направлении. Некоторые движущиеся катушечные приборы имеют нулевое положение в середине шкалы, а не на одном из концов; они полезны, если напряжение меняет полярность. Вольтметры, работающие по электростатическому принципу, используют взаимное отталкивание двух заряженных пластин для отклонения указателя, прикрепленного к пружине. Приборы этого типа потребляют пренебрежимо малый ток, но чувствительны к напряжениям выше примерно 100 вольт и работают как с переменным, так и с постоянным током.

A moving coil galvanometer can be used as a voltmeter by inserting a resistor in series with the instrument. The galvanometer has a coil of fine wire suspended in a strong magnetic field. When an electric current is applied, the interaction of the magnetic field of the coil and of the stationary magnet creates a torque, tending to make the coil rotate. The torque is proportional to the current through the coil. The coil rotates, compressing a spring that opposes the rotation. The deflection of the coil is thus proportional to the current, which in turn is proportional to the applied voltage, which is indicated by a pointer on a scale. One of the design objectives of the instrument is to disturb the circuit as little as possible and so the instrument should draw a minimum of current to operate. This is achieved by using a sensitive galvanometer in series with a high resistance, and then the entire instrument is connected in parallel with the circuit examined. The sensitivity of such a meter can be expressed as "ohms per volt", the number of ohms resistance in the meter circuit divided by the full scale measured value. For example, a meter with a sensitivity of 1000 ohms per volt would draw 1 milliampere at full scale voltage; if the full scale was 200 volts, the resistance at the instrument's terminals would be 200000 ohms and at full scale, the meter would draw 1 milliampere from the circuit under test. For multi range instruments, the input resistance varies as the instrument is switched to different ranges. Moving coil instruments with a permanent magnet field respond only to direct current. Measurement of AC voltage requires a rectifier in the circuit so that the coil deflects in only one direction. Some moving coil instruments are also made with the zero position in the middle of the scale instead of at one end; these are useful if the voltage reverses its polarity. Voltmeters operating on the electrostatic principle use the mutual repulsion between two charged plates to deflect a pointer attached to a spring. Meters of this type draw negligible current but are sensitive to voltages over about 100 volts and work with either alternating or direct current.

Усиленный вольтметр

Чувствительность и входное сопротивление вольтметра можно увеличить, если ток, необходимый для отклонения стрелки прибора, обеспечивается усилителем и источником питания, а не измеряемой цепью. Электронный усилитель между входом и прибором дает два преимущества: можно использовать надежный прибор с движущейся катушкой, поскольку его чувствительность не обязана быть высокой, и входное сопротивление можно сделать высоким, уменьшая ток, потребляемый из измеряемой цепи. Усиленные вольтметры часто имеют входное сопротивление 1, 10 или 20 мегоом, которое не зависит от выбранного диапазона. Ранее популярная конструкция этого прибора использовала вакуумную лампу в схеме усилителя и поэтому называлась вольтметром на вакуумных лампах (VTVM). Они почти всегда питались от сети переменного тока, поэтому не отличались особой портативностью. Сегодня в этих схемах используется твердотельный усилитель на полевых транзисторах, соответственно FET VM, и они применяются в портативных цифровых мультиметрах, а также в настольных и лабораторных приборах. Они в значительной степени заменили не усиленные мультиметры, за исключением самых дешевых моделей. Большинство VTVM и FET VM измеряют постоянное и переменное напряжение, а также сопротивление; современные FET VM добавляют измерения тока и часто другие функции. Специализированной формой VTVM или FET VM является вольтметр переменного тока. Эти приборы оптимизированы для измерения переменного напряжения. Они обладают значительно большей полосой пропускания и лучшей чувствительностью, чем типичное многофункциональное устройство.

Цифровой вольтметр

Цифровой вольтметр (DVM) измеряет неизвестное входное напряжение, преобразуя его в цифровое значение и отображая напряжение в числовом формате. DVM обычно разрабатываются на основе специального типа аналого-цифрового преобразователя, называемого интегрирующим преобразователем. На точность измерений DVM влияет множество факторов, включая температуру, входной импеданс и колебания напряжения питания DVM. Более доступные DVM часто имеют входное сопротивление порядка 10 МΩ. Высокоточные DVM могут иметь входное сопротивление 1 ГΩ или выше для более низких диапазонов напряжения (например, менее 20 В). Для обеспечения точности DVM в пределах допустимых производителем значений, его необходимо периодически калибровать по эталону напряжения, такому как элемент Уэстона. Первый цифровой вольтметр был изобретен и выпущен Эндрю Кеем из компании Non Linear Systems (а позднее основателем Kaypro) в 1954 году. Простые вольтметры переменного тока используют выпрямитель, подключенный к цепи измерения постоянного тока, реагирующей на среднее значение формы сигнала. Прибор может быть откалиброван для отображения среднеквадратичного (RMS) значения формы сигнала, исходя из фиксированной зависимости между средним значением выпрямленной формы сигнала и RMS-значением. Если форма сигнала значительно отличается от синусоиды, принятой при калибровке, прибор будет выдавать неточные показания, хотя для простых форм сигнала показания можно скорректировать, умножив их на постоянный коэффициент. Ранние схемы "истинного RMS" использовали тепловой преобразователь, реагирующий только на RMS-значение формы сигнала. Современные приборы вычисляют RMS-значение, электронно вычисляя квадрат входного значения, находя среднее значение, а затем извлекая квадратный корень из полученного значения. Это позволяет проводить точные измерения RMS для различных форм сигнала.