Вольтметр. Призначення, пристрій, як користуватися і підключати вольтметр, принцип роботи

Вольтметр – це електровимірювальні прилади, який призначений для вимірювання електричної напруги на полюсах джерела струму або на якому-небудь ділянці електричного кола. Ця величина задається в одиницях, званих вольтами, звідси і назва приладу – “Вольтметр”. На практиці значення електричної напруги вимірюються в різних діапазонах, від мікровольт (мкВ) до мегавольт (МВ).

Ці прилади доступні у продажу, як в аналоговому, так і в цифровому виконанні.

Багато вольтметри за зовнішнім виглядом дуже схожі на амперметри. Для відмінності вольтметра від інших приладів на його шкалою ставлять букву V. На схемах вольтметр зображують кружком з буквою V всередині (див. Малюнок 1).

Електрична схема з вольтметром
Малюнок 1. Електрична схема з вольтметром

Як підключати вольтметр і проводити вимірювання?

Вольтметри завжди повинні бути підключені паралельно з електричним пристроєм або елементом, на якому вимірюється електрична напруга (малюнок 2).

Спосіб вимірювання електричної напруги на кінцях елемента R
Мал. 2. Спосіб вимірювання електричної напруги на кінцях елемента R

Ключова думка полягає в тому, що затискачі вольтметра приєднують до тих точках електричного кола, між якими треба виміряти електричну напругу .

Однак слід пам’ятати, що при такому з’єднанні частина струму I V буде протікати через вольтметр, а не через перевіряється елемент R. Таким чином, ми маємо справу з ситуацією, коли дія вимірювання фізичної величини змінює значення цієї величини. Це не єдиний подібний приклад у фізиці.

Як видно з попередніх міркувань, для вимірювання істинного значення електричної напруги на кінцях елемент ланцюга, нам знадобиться вольтметр з нескінченним опором. Тоді через вимірювальний прилад не протікати електричний струм, тому вимірювання будуть неспотвореними. На практиці нескінченне електричний опір в вольтметрі реалізувати неможливо. Тим не менш, у даний час продаються вольтметри з надзвичайно високим внутрішнім опором, що перевищує 100 ТОМ.

Варто відзначити, що лічений значення напруги завжди менше істинного значення. Це приклад систематичної помилки вимірювання.

Істинне значення напруги на кінцях елемента R на рис. 2, згідно закону Ома для ділянки електричного кола , Становить: U = I * R

Але, так як вольтметр має внутрішній опір, то він показує значення: U V = I V * R V = I R * R .

Після простих перетворень отримуємо, що реальне значення електричної напруги на кінцях перевіряється елемента ланцюга R має значення: U = U V * (1 + R / R V )

Ця формула підтверджує наше попереднє твердження про те, що ідеальний вольтметр повинен мати нескінченну внутрішній опір. Оскільки коефіцієнт опору в цій формулі прямує до нескінченності, виміряне значення U V прагне до істинного значення U. Оскільки в реальності не існує приладу, який задовольняє цьому ідеальному умові, при проведенні вимірювань необхідно вибирати вольтметр таким чином, щоб величина вноситься ним помилки перебувала в межах передбачуваної похибки вимірювань.

висновок: Чим вище внутрішній опір вольтметра, тим менше похибка вимірювання; тому вольтметри завжди мають дуже високий електричний опір.

Як і у амперметра, у одного затиску вольтметра ставлять знак “ + “. Цей зажим необхідно обов’язково поєднувати з проводом, що йде від позитивного полюса джерела струму. Інакше стрілка приладу буде відхилятися в зворотну сторону. А негативний затискач, відповідно, з’єднують з проводом, що йде від негативного полюса джерела струму.

Розширення діапазону вимірювань .

У аналогових вольтметрів діапазон виміру в принципі обмежений кінцем шкали; якщо на вимірювальний прилад подається більш висока напруга, то, з одного боку, стрілка приладу не може відхилитися далі, а з іншого боку, навіть сам прилад може бути пошкоджений (вийти з ладу). Щоб розширити діапазон вимірювань в більшу сторону, необхідно використовувати відповідну електричну схему, що забезпечує подачу на вольтметр тільки частини вимірюваного напруги.

Цього можна досягти, об’єднавши вольтметр з послідовно підключеним резистором (ці резистори ще називають – “додатковими резисторами”). Наприклад, якщо вольтметр з діапазоном вимірювання 50 мВ має внутрішній опір 100 Ом, то послідовний резистор зі значенням 900 Ом викликає падіння напруги на вольтметрі тільки на 1/10. Таким чином, діапазон вимірювань збільшується в 10 разів, тому вольтметри тепер можуть вимірювати напругу до 500 мВ.

Верхні межі розширення діапазону вимірювання практично відсутні. Якщо послідовний резистор в наведеному вище прикладі має значення 99 900 Ом, то загальний опір одно 100 000 Ом, і на вольтметрі падає тільки 1/1000 від прикладеної напруги. Відповідно, можна виміряти в 1000 разів більшу напругу, тобто максимум 50 В.

Більш наочно подивитися, як підключаються додаткові резистори в електричний ланцюг ви можете бачити на малюнку 3 нижче.

Розширення діапазону вимірювань вольтметра
Мал. 3. Розширення діапазону вимірювань вольтметра

Якщо ми хочемо використовувати вольтметр з діапазоном до U V для вимірювання напруги до U 1 , Ми можемо написати: U 1 = I * R P + U V ,

У той же час: U V = I * R V , тоді

після перетворень отримуємо, що опір додаткового опору повинно мати значення:

R P = (U 1 / U V – 1) * R V

Ми також можемо зменшити діапазон виміру вольтметра. Для цього ми використовуємо подільники напруги як на рис. 4.

Дільник напруги для зменшення діапазону вимірювання вольтметра
Мал. 4. Дільник напруги для зменшення діапазону вимірювання вольтметра з U V до U 1

При використанні цифрових вимірювальних приладів, вимір виконується електронним способом і відображається на дисплеї в цифровому вигляді. Однак проблема похибки вимірювань і принцип розширення діапазону вимірювань ідентичні для аналогових і цифрових вимірювальних приладів.

Як працює вольтметр?

Існує два типи вольтметрів: аналогові, що показують значення шляхом нахилу стрілки механічного приладу, і все частіше використовуються в даний час цифрові, оснащені складними електронними схемами.

Аналогові вольтметри зазвичай представляють собою амперметри з послідовно з’єднаним резистором R V з дуже великим значенням електричного опору. Тобто, по суті, вони вимірюють струм I V , Що протікає через нього, а шкала показує значення, яке є результатом розрахунку: U V = I V * R V .

Цифрові прилади, як правило, мають зворотну конструкцію (тобто вони є саме вольтметрами, а не амперметрами). Це пов’язано з тим, що виготовити цифровий вимірювач напруги відносно просто. Якщо ми підключимо його паралельно резистору з малим опором, то отримаємо амперметр. Значення індикатора може бути розраховане за рівнянням: U V = I V * R V .

Існує, однак, тип аналогового вольтметра, принцип дії якого не заснований на принципі роботи амперметра. Це електростатичний вольтметр. На практиці це конденсатор з однією нерухомою обкладанням і складських площах. Електричне взаємодія обкладок викликає переміщення покажчика, прикріпленого до рухомої частини. За допомогою такого вольтметра можна можна вимірювати навіть дуже високі електричні напруги, а значення його внутрішнього опір майже нескінченно.

Пристрій

Розглянемо пристрій електростатичного та електромагнітного вольтметра і спосіб їх підключення до схеми.

На малюнку 5 показана конструкція електростатичного вольтметра (зліва) і електромагнітного вольтметра (праворуч) і як вони з’єднані в електричний ланцюг. Рухомі частини вольтметрів відмічені червоним кольором.

Різні елементи вольтметрів показані цифрами.

пристрій вольтметрів
Малюнок 5. Пристрій вольтметрів (електростатичного – зліва, електромагнітного – праворуч)

На малюнку 5 позначено:

  1. Нерухома частина кришки повітряного конденсатора.
  2. Рухома частина обкладання повітряного конденсатора (чим сильніше притягнута до нерухомої частини, тим вище напруга між обкладками).
  3. Покажчик, який дозволяє зчитувати результат за шкалою.
  4. Покажчик, який дозволяє зчитувати результат за шкалою.
  5. Котушка, через яку протікає струм, що створює магнітне поле.
  6. Ферромагніт, втягнутий в котушку тим сильніше, чим сильніше протікає через нього струм (тобто чим більше створюване їм магнітне поле).
  7. Пружина, урівноважує втягує зусилля.
  8. Напрямок магнітного поля, що створюється котушкою.
  9. Додатковий резистор – для зміни діапазону вимірювання вольтметра.
  10. Перевірка елемента електричного кола.
  11. Перевірка елемента електричного кола.
  12. Електрична напруга на кінцях елемента R 1 .
  13. Електрична напруга на кінцях елемента R 2 .