Как устроен вольтметр, принцип действия и назначение прибора

Существует большое количество разных измерительных приборов. Одним из часто используемых устройств как в быту, так и в профессиональной сфере деятельности, является вольтметр. Предназначен он для измерения значения напряжения в любой точке электрической сети. Промышленность изготавливает несколько типов таких измерителей, отличающихся друг от друга принципом работы. При этом каждый из них имеет как достоинства, так и недостатки.

История изобретения

Итальянский учёный Алессандро Вольт, проведя ряд экспериментов с электричеством, приходит к выводу, что получить электрический ток можно используя соединение металлов с жидкостью. Поместив медные пластины, покрытые цинком, в кислоту, он в 1800 году создаёт первый электрохимический источник энергии, названный позже «вольтов столб».

Он также устанавливает, что при соединении двух разных металлов возникает сила, которая затрачивается на работу по перемещению электрического заряда из одной точки в другую. При этом перемещённый заряд изменяет свой потенциал (величину энергии), которым он обладает. Разность между начальным потенциалом и конечным получает название «напряжение».

Для измерения количества электричества Вольт использует металлический стержень, вставленный в каучуковую пробку и помещённый в бутылку. На нижний конец, находящийся в бутылке, он надевает соломинки, а на другой — шар. Учёный наблюдает, что при контакте шара с наэлектризованным веществом соломинки отталкиваются. Это позволяет ему судить о степени заряженности материала.

Существование напряжения Вольт доказал проведя следующий опыт. На электроскоп (прибор регистрирующий заряд) был надет медный и цинковый диск. Между ними проложен тонкий слой диэлектрика. На короткое время физик замыкал металлы между собой проволокой. Лепестки на электроскопе немного раздвигались. Далее диски раздвигались на большее расстояние, при этом лепестки регистратора расходились ещё больше.

Фактически это был первый эксперимент, позволяющий измерить, хотя и в грубой форме, напряжение. В 1830 году английский учёный Майкл Фарадей открывает явление электромагнитной индукции, на котором впоследствии создаётся ряд электроизмерительных приборов.

В 1881 году французский физик Арсен Д’Арсонваль создаёт устройство, состоящее из катушки и стрелки, помещённых в постоянное магнитное поле. На катушку подавался электрический ток, в результате чего стрелка отклонялась от начального положения. В этом же году был проведён Международный электротехнический конгресс, на котором были приняты обозначения электрических величин. Прибор, предназначенный для измерения разности потенциалов, был назван вольтметром, а напряжение стало измеряться в вольтах.

Суть прибора

Вольтметр — это устройство, относящееся к классу электроизмерительных приборов, предназначенное для измерения электродвижущей силы (ЭДС) на участке электрической линии. Другими словами, вольтметр показывает разность потенциалов (напряжение) между двумя точками электрической цепи. Подключается он всегда параллельно к источнику тока или нагрузке.

При измерении устройство не должно никоим образом воздействовать на параметры электрической цепи, поэтому идеальным считается прибор, имеющий бесконечно большое внутреннее сопротивление. От этого параметра в первую очередь и зависит точность замеров. В зависимости от формы измеряемого сигнала, вольтметры разделяются на устройства, измеряющие постоянный или переменный ток.

Кроме того, по принципу измерения вольтметры бывают:

• Диодно-компенсационные. Принцип их действия основан на сравнении измеряемого сигнала с эталонным, выдаваемым регулируемым источником. Основным элементом конструкции является вакуумный диод. Они используются только для измерения гармоничного (переменного) сигнала, но в широком диапазоне частот. Точность замеров довольно высокая.
• Импульсные. Измеряют значение амплитуды сигнала периодических и одиночных импульсов с большой скважностью. Структурная схема устройства состоит из преобразователя уровня импульса, усилителя и отсчётного устройства.
• Фазочувствительные. Характерным признаком такого устройства является наличие двух индикаторов, служащих для регистрации действительной и мнимой составляющих комплексного сигнала. Их используют для исследований амплитудно-фазовых характеристик.
• Селективные. По своей схемотехнике похожи на супергетеродинные радиоприёмники. Способны выделять гармоники сигнала и измерять их среднеквадратичную величину амплитуды.
• Универсальные. Многофункциональные приборы, умеющие измерять любой тип сигнала.

Все приведенные приборы применяются в лабораториях и на производствах для наладки работы той или иной техники. В быту же и радиолюбительстве чаще используются вольтметры, умеющие измерять среднеквадратичное напряжение переменного и постоянного тока. Поэтому все типы устройств, принято разделять на два вида: аналоговые и цифровые.

Обозначение и характеристики

Согласно единой системе конструкторской документации, на принципиальных и электрических схемах вольтметр принято обозначать в виде окружности, в середину которой вписывается латинская буква V. На рисунках и чертежах прибор подписывается русской буквой «В» или английской аббревиатурой PV.

Кроме того, первая цифра, стоящая в названии прибора после буквы «В», выпускаемого в странах бывшего СССР, обозначает тип устройства. Например, «B2» — постоянного тока, «B3» — переменного, «B4» — импульсного, «B7» — универсального.

Для оценки возможностей прибора принято использовать следующие технические характеристики:

• Внутренний импеданс источника. Характеризуется сопротивлением, измеренным на выходе прибора. Чем больше это значение, тем прибор считается более качественным.
• Диапазон измерений. Это область, ограниченная наименьшим и наибольшим значением, которое может измерить прибор. Большинство тестеров являются универсальными, измеряющими напряжение в диапазоне от десятков милливольт до киловольта. Однако в исследовательских центрах используются приборы, позволяющие определять мили или даже микровольты.
• Точность показаний. Этим параметром обозначается погрешность между реальными значениями напряжения и измеренными. В зависимости от значений измеряемой амплитуды сигнала, эта погрешность изменяется, поэтому характеризуется она классом точности. Например, для прибора, работающего в диапазоне измерения от 0 до 60 вольт, класс точности, равный единице, будет обозначать, что погрешность прибора не может превышать 0,6 В, но на малых значениях такой допуск недопустим. Поэтому диапазон измерений и разбивается на небольшие участки.
• Диапазон частот. Определяется чувствительностью электронных компонентов регистрировать сигнал той или иной частоты.
• Рабочая температура окружающей среды. Обозначает условия, при которых погрешность измерения будет соответствовать заявленному классу точности.

Виды вольтметров

Кроме технических параметров, определяющих назначение прибора, в описаниях вольтметра часто указываются его физические размеры. Связано это с тем, что все устройства по виду конструкции разделяют на три типа:

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

Первые обычно относятся к полупрофессиональным и любительским измерительным устройствам. Выглядят они в виде прямоугольных коробочек, сделанных из жёсткого пластика или карболита. Все они работают от мобильных источников питания, аккумуляторов или батареек. Для удобства определения амплитудного значения сигнала в наборе с вольтметрами идёт съёмная пара щупов.

Вторые запитываются от сети переменного напряжения, через встроенный в них блок питания. Чаще всего это узкоспециализированные тестеры, обладающие высокой точностью измерений. Используют их в профессиональной сфере деятельности для контроля напряжения в важных точках электрической цепи.

Третий же тип предназначен для использования в специально оборудованных шкафах для постоянного контроля величины напряжения. Обычно применяются в комплексе с защитными приборами. Такого вида вольтметром измеряют переменное однофазное или трёхфазное напряжение.

Аналоговое устройство

Отличительной чертой аналогового устройства является присутствие стрелочного индикатора. В основе принципа работы вольтметра такого типа лежит использование измерительной головки. Конструктивно она выполняется в виде алюминиевого контура, помещённого в магнитное поле. Стрелка прибора и оси приклеивается к рамке, на которую намотана проволока.

Через пружины или растяжки, удерживающие стрелку в начальном положении, на конструкцию подаётся ток. В зависимости от величины его силы, магнитное поле воздействует на рамку с разной интенсивностью. В итоге возникает крутящий момент, выводящий стрелку из нулевого состояния.

Для устойчивого положения стрелки используются демпферы. Под указателем располагается шкала, отградуированная по эталонным приборам. Поэтому каждое положение стрелки соответствует своему значению напряжения. Как только измерения заканчиваются, ток перестаёт поступать на измерительную головку и указатель под действием растяжек возвращается на своё первоначальное положение.

Структурную схему аналогового прибора можно подставить в виде последовательной цепочки, состоящей из входного устройства, усилителя тока, детектора, измерительной головки.

Технические возможности вольтметра во многом определяются чувствительностью головки. К достоинствам аналогового прибора относят инерционность и невосприимчивость к помехам. Он идеально подходит для отображения динамики сигнала. Такой измеритель мгновенно показывает изменение вольтажа. Например, при вычислении напряжения с пульсациями, тестер, интегрируя их, показывает среднее значение. Расширить диапазон измерения можно применив добавочные сопротивления или шунты. Но при своих достоинствах стрелочные вольтметры характеризуются большой погрешностью и сложность в интерпретации результатов измерения.

Цифровой прибор

Принцип действия цифрового вольтметра переменного тока, как и постоянного, основан на использовании аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Измеряемый сигнал поступает на вход микросхемы, преобразовывающей его в набор импульсов, передающихся дальше в блок обработки для формирования кода. Трансформированный сигнал направляется на цифровое отсчётное устройство, а с него уже и на дисплей.

Точность замеров электронного вольтметра зависит от качества преобразования сигнала в цифровой код. Попадая на компаратор, сигнал разбивается на группы единиц и направляется в ячейки памяти, сохраняющих информацию. Если код подать напрямую, то на экране показания будут неустойчивыми. Дисплеем управляет свой контроллер, обеспечивающий вывод данных из памяти и засвечивающий сегменты дисплея.

К достоинствам цифрового вольтметра относят высокое внутреннее сопротивление, что делает его измерения очень точными. А также он оснащён электронным усилителем, позволяющим проводить замеры даже слабых сигналов. Результат измерений отображается на табло сразу в виде числа, поэтому нет необходимости высчитывать значение по шкалам.

Электронный измеритель нечувствителен к магнитным полям и одинаково измеряет при любой полярности приложенного напряжения.

Порядок измерения

Чтобы провести измерения, вольтметр подключается с помощью измерительных щупов параллельно двум точкам, между которыми нужно измерить разность потенциалов. Принцип определения амплитуды будет одинаков для любого типа устройства. Порядок измерения напряжения можно представить в виде следующих действий:

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

Таким образом, при помощи вольтметра можно достаточно быстро измерить величину амплитуды между двумя точками электрической линии с любым типом сигнала. Прибор имеет высокое собственное сопротивление, поэтому пользоваться им довольно безопасно.