Вольтметр. Назначение, устройство, как пользоваться и подключать вольтметр, принцип работы

Вольтметр – это электроизмерительный прибор, который предназначен для измерения электрического напряжения на полюсах источника тока или на каком-нибудь участке электрической цепи. Эта величина задается в единицах, называемых вольтами, отсюда и название прибора – “Вольтметр”. На практике значения электрического напряжения измеряются в различных диапазонах, от микровольт (мкВ) до мегавольт (МВ).

Эти приборы доступны в продаже, как в аналоговом, так и в цифровом исполнении.

Многие вольтметры по внешнему виду очень похожи на амперметры. Для отличия вольтметра от других электроизмерительных приборов на его шкале ставят букву V. На схемах вольтметр изображают кружком с буквой V внутри (см. рисунок 1).

Электрическая схема с вольтметром
Рисунок 1. Электрическая схема с вольтметром

Как подключать вольтметр и производить измерения?

Вольтметры всегда должны быть подключены параллельно с электрическим устройством или элементом, на котором измеряется электрическое напряжение (рисунок 2).

Способ измерения электрического напряжения на концах элемента R
Рис. 2. Способ измерения электрического напряжения на концах элемента R

Ключевая мысль состоит в том, что зажимы вольтметра присоединяют к тем точкам электрической цепи, между которыми надо измерить электрическое напряжение.

Однако следует помнить, что при таком соединении часть тока IV будет протекать через вольтметр, а не через проверяемый элемент R. Таким образом, мы имеем дело с ситуацией, когда действие измерения физической величины изменяет значение этой величины. Это не единственный подобный пример в физике.

Как видно из предыдущих рассуждений, для измерения истинного значения электрического напряжения на концах элемент цепи, нам понадобится вольтметр с бесконечным сопротивлением. Тогда через измерительный прибор не будет протекать электрический ток, поэтому измерения будут неискаженными. На практике бесконечное электрическое сопротивление в вольтметре реализовать невозможно. Тем не менее, в настоящее время продаются вольтметры с чрезвычайно высоким внутренним сопротивлением, превышающим 100 ТОМ.

Стоит отметить, что считанное значение напряжения всегда меньше истинного значения. Это пример систематической ошибки измерения.

Истинное значение напряжения на концах элемента R на рис. 2, согласно закона Ома для участка электрической цепи, составляет: U = I*R

Но, так как вольтметр имеет внутреннее сопротивление, то он показывает значение: UV = IV * RV = IR * R .

После простых преобразований получаем, что реальное значение электрического напряжения на концах проверяемого элемента цепи R имеет значение: U = UV * (1 + R/RV )

Эта формула подтверждает наше предыдущее утверждение о том, что идеальный вольтметр должен иметь бесконечное внутреннее сопротивление. Поскольку коэффициент сопротивления в этой формуле стремится к бесконечности, измеренное значение UV стремится к истинному значению U. Поскольку в реальности не существует прибора, удовлетворяющего этому идеальному условию, при проведении измерений необходимо выбирать вольтметр таким образом, чтобы величина вносимой им ошибки находилась в пределах предполагаемой погрешности измерений.

Вывод: Чем выше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения; поэтому вольтметры всегда имеют очень высокое электрическое сопротивление.

Как и у амперметра, у одного зажима вольтметра ставят знак “+“. Этот зажим необходимо обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. Иначе стрелка прибора будет отклоняться в обратную сторону. А отрицательный зажим, соответственно, соединяют с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.

Расширение диапазона измерений.

У аналоговых вольтметров диапазон измерения в принципе ограничен концом шкалы; если на измерительный прибор подается более высокое напряжение, то, с одной стороны, стрелка прибора не может отклониться дальше, а с другой стороны, даже сам прибор может быть поврежден (выйти из строя). Чтобы расширить диапазон измерений в большую сторону, необходимо использовать подходящую электрическую схему, обеспечивающую подачу на вольтметр только части измеряемого напряжения.

Этого можно достичь, объединив вольтметр с последовательно подключенным резистором (эти резисторы ещё называют – “добавочными резисторами”). Например, если вольтметр с диапазоном измерения 50 мВ имеет внутреннее сопротивление 100 Ом, то последовательный резистор со значением 900 Ом вызывает падение напряжения на вольтметре только на 1/10. Таким образом, диапазон измерений увеличивается в 10 раз, поэтому вольтметры теперь могут измерять напряжение до 500 мВ.

Верхние пределы расширения диапазона измерения практически отсутствуют. Если последовательный резистор в вышеприведенном примере имеет значение 99 900 Ом, то общее сопротивление равно 100 000 Ом, и на вольтметре падает только 1/1000 от приложенного напряжения. Соответственно, можно измерить в 1000 раз большее напряжение, т.е. максимум 50 В.

Более наглядно посмотреть, как подключаются добавочные резисторы в электрическую цепь вы можете видеть на рисунке 3 ниже.

Расширение диапазона измерений вольтметра
Рис. 3. Расширение диапазона измерений вольтметра

Если мы хотим использовать вольтметр с диапазоном до UV для измерения напряжения до U1 , мы можем написать: U1 = I*RP + UV ,

В тоже время: UV = I*RV , тогда

после преобразований получаем, что сопротивление добавочного сопротивления должно иметь значение:

RP = (U1 / UV – 1) * RV

Мы также можем уменьшить диапазон измерения вольтметра. Для этого мы используем делители напряжения как на рис. 4.

Делитель напряжения для уменьшения диапазона измерения вольтметра
Рис. 4. Делитель напряжения для уменьшения диапазона измерения вольтметра с UV до U1

При использовании цифровых измерительных приборов, измерение выполняется электронным способом и отображается на дисплее в цифровом виде. Однако проблема погрешности измерений и принцип расширения диапазона измерений идентичны для аналоговых и цифровых измерительных приборов.

Как работает вольтметр?

Существует два типа вольтметров: аналоговые, показывающие значение путем наклона стрелки механического прибора, и все чаще используемые в настоящее время цифровые, оснащенные сложными электронными схемами.

Аналоговые вольтметры обычно представляют собой амперметры с последовательно соединенным резистором RV с очень большим значением электрического сопротивления. То есть, по сути, они измеряют ток IV, протекающий через него, а шкала показывает значение, которое является результатом расчета: UV = IV * RV .

Цифровые приборы, как правило, имеют обратную конструкцию (то есть они являются именно вольтметрами, а не амперметрами). Это связано с тем, что изготовить цифровой измеритель напряжения относительно просто. Если мы подключим его параллельно резистору с малым сопротивлением, то получим амперметр. Значение индикатора может быть рассчитано по уравнению: UV = IV * RV .

Существует, однако, тип аналогового вольтметра, принцип действия которого не основан на принципе работы амперметра. Это электростатический вольтметр. На практике это конденсатор с одной неподвижной обкладкой и другой подвижной. Электрическое взаимодействие обкладок вызывает перемещение указателя, прикрепленного к движущейся части. С помощью такого вольтметра можно можно измерять даже очень высокие электрические напряжения, а значение его внутреннего сопротивление почти бесконечно.

Устройство

Рассмотрим устройство электростатического и электромагнитного вольтметра и способ их подключения к схеме.

На рисунке 5 показана конструкция электростатического вольтметра (слева) и электромагнитного вольтметра (справа) и как они соединены в электрическую цепь. Подвижные части вольтметров отмечены красным цветом.

Различные элементы вольтметров показаны цифрами.

Устройство вольтметров
Рисунок 5. Устройство вольтметров (электростатического – слева, электромагнитного – справа)

На рисунке 5 обозначено:

  1. Неподвижная часть крышки воздушного конденсатора.
  2. Подвижная часть обкладки воздушного конденсатора (чем сильнее притянута к неподвижной части, тем выше напряжение между обкладками).
  3. Указатель, который позволяет считывать результат по шкале.
  4. Указатель, который позволяет считывать результат по шкале.
  5. Катушка, через которую протекает ток, создающий магнитное поле.
  6. Ферромагнит, втянутый в катушку тем сильнее, чем сильнее протекающий через него ток (т.е. чем больше создаваемое им магнитное поле).
  7. Пружина, уравновешивающая втягивающее усилие.
  8. Направление магнитного поля, создаваемого катушкой.
  9. Добавочный резистор – для изменения диапазона измерения вольтметра.
  10. Проверка элемента электрической цепи.
  11. Проверка элемента электрической цепи.
  12. Электрическое напряжение на концах элемента R1.
  13. Электрическое напряжение на концах элемента R2.

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 .