Для чего служит вольтметр

Все, что связано с электричеством, требует периодического контроля технических характеристик, обслуживания и ремонта. В этой работе не обойтись без различных приборов, с помощью которых можно измерить те или иные характеристики. Одним из таких приборов является вольтметр.

Назначение прибора

Вольтметр предназначается для измерения напряжения или электродвижущей силы (ЭДС) на участках электрических цепей.

Подключение прибора к нагрузке производится параллельно.

Основные технические характеристики вольтметров

Для оценки технических характеристик измерительных приборов принято пользоваться такими показателями:

1. Внутреннее сопротивление. В идеале этот показатель должен быть максимально высоким. В этом случае минимизируется влияние прибора на цепь, в которую он подключается. Другими словами, чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем точнее измерение;
2. Диапазон измеряемых напряжений. Большинство вольтметров являются универсальными и измеряют напряжение в диапазоне от десятков милливольт до 1000 вольт. Этих пределов вполне достаточно для большинства измерений. Однако специалисты широко используют специальные приборы, которые позволяют измерять очень маленькие значения напряжений с высокой точностью – милли и даже микровольтметры (с точностью до тысячных и миллионных частей вольта) и киловольтметры, измеряющие высокие напряжения порядка тысяч вольт. Работа с этими приборами требует наличия некоторых специальных знаний, навыков и допуска к эксплуатации электроустановок с напряжением свыше 1000 В, чтобы не вывести из строя приборы (милли- и микровольтметры) или не допустить электротравмирования и гибели обслуживающего персонала (при работе с киловольтметрами);
3. Точность измерения (погрешность). Этот параметр характеризует возможные отличия показаний прибора от реального напряжения в цепи;
4. Диапазон частот измеряемого переменного напряжения.

Классификация вольтметров

Исходя из конструкции, сферы использования, точности измерения и другим показателям вольтметры классифицируют следующим образом.

1) По принципу действия вольтметры бывают электромеханические (чаще всего встречаются магнитоэлектрические и электромагнитные) и электронные (цифровые и аналоговые).

2) По назначению – импульсные, постоянного и переменного тока и другие.3) По способу применения: щитовые (встроенные) и переносные.

Электромеханические вольтметры

Лучшими показателями точности и чувствительности в сравнении с другими типами вольтметров обладают магнитоэлектрические вольтметры. Обычные люди с такими приборами не сталкиваются, поскольку они применяются, в основном, для лабораторных измерений. Электромагнитные вольтметры распространены значительно шире. Они просты и надежны в эксплуатации, недороги в изготовлении, но имеют два основных недостатка – высокое собственное энергопотребление (5-7 Вт) и высокую индуктивность обмоток, вследствие чего частота переменного напряжения оказывает значительное влияние на показания прибора. Вольтметры этого типа устанавливаются в распределительных щитках электростанций и производственных объектов.

Электронные вольтметры

Бывают двух типов – аналоговые и цифровые. Отличить одни от других очень просто – в аналоговых приборах имеется шкала и стрелка, отклонение которой от нуля и указывает на величину напряжения, а цифровые вольтметры выдают значение напряжения на электронное табло. Принцип работы аналоговых вольтметров заключается в следующем: входное переменное напряжение преобразуется в постоянное, усиливается и подается на детектор, выходной сигнал которого и вызывает отклонение стрелки. Чем больше входное напряжение – тем сильнее отклоняется стрелка.

Схема универсальных вольтметров позволяет измерять и постоянное и переменное напряжение в зависимости от положения переключателей режимов работы. Особенностью измерения постоянного напряжения аналоговыми вольтметрами является необходимость соблюдения полярности подключения прибора. При измерении отрицательного напряжениястрелка будет отклоняться влево от нуля, а при положительном напряжении – вправо. Если шкала вашего прибора не предусматривает возможности отклонения стрелки в двух направлениях, то для измерения отрицательного напряжения нужно, например, красным щупом коснуться точки, которой перед этим касались белым щупом и наоборот (цвета щупов и проводов могут быть произвольными).

Цифровые вольтметры

Вольтметры этого типа более точно измеряют напряжение в сравнении с аналоговыми. Принцип действия основан на преобразовании аналогового входного напряжения в цифровой код, поступающий на цифровое отсчетное устройство, которое преобразует полученный двоичный код в десятичную цифру, отображаемую на табло. Точность измерения напряжения зависит от дискретности входящего в состав прибора аналого-цифрового преобразователя.

Маркировка вольтметров

Для того чтобы определить тип вольтметра совсем необязательно изучать его техническую документацию, поскольку информация о типе прибора и принципе его работы содержится в первой заглавной букве его названия. Если название прибора начинается с буквы «Д» — это электродинамический вольтметр, «М» — магнитоэлектрический, «С» — электростатический, «Т» — термоэлектрический, «Ф» и «Щ» — электронный, «Э» — электромагнитный. Букву «Ц» в названии имеют вольтметры выпрямительного типа.

Радиоизмерительные вольтметры обозначаются немного иначе. Название начинается с буквы «В», за которой следует цифра, обозначающая тип прибора, затем через тире две цифры модели прибора: В2, В3 и В4 — вольтметры постоянного, переменного и импульсного тока соответственно, В5 -фазочувствительные вольтметры, В6 — селективные вольтметры, В7 — универсальные вольтметры.

Порядок работы с универсальным вольтметром

Главное, что нужно усвоить – это требования техники безопасности. Подробно останавливаться на них не будем, поскольку они являются общими для всех электроприборов. При измерении напряжения нужно правильно установить на приборе тип измеряемого напряжения. Если вы по ошибке установите постоянное напряжение, то подключение прибора к цепи с переменным напряжением может вывести его из строя. Как не ошибиться? Постоянное напряжение всегда указывается со знаком (+27 В или -5 В). Переменное напряжение иногда пишется с волной (

220 В). Еще один немаловажный нюанс – перед проведением измерений нужно установить диапазон измерения. Т.е., если вы хотите проверить наличие напряжение +27 В, то нужно установить: постоянное напряжение, пределы измерения больше измеряемого напряжения.

Если величина напряжения в цепи неизвестна, то нужно установить максимально возможный предел измерения, затем постепенно его уменьшать до появления читаемых показаний. Если сделать наоборот и установленный диапазон будет меньше измеряемого напряжения, то прибор выйдет из строя вследствие перенапряжения. Соблюдайте правила техники безопасности!

Такой прибор, как вольтметр, знаком каждому еще со времен изучения физики, а точнее — электродинамики. Если знать, что измеряет вольтметр, можно применять его с пользой. Главное — помнить, что подключать в сеть его нужно параллельно, иначе показания будут неточными. При работе важно соблюдать меры предосторожности, так как электрический ток любого напряжения представляет опасность для жизни.

Подробнее о приборе

Вольтметр предназначен для измерения напряжения тока в электрической цепи. Название его происходит от традиционного для измерительных приборов слова «метр» и от единицы измерения напряжения — «Вольт». Достаточно включить такой прибор в сеть, и он начнет показывать значение напряжения.

Конечно, без погрешностей не обходится, но они незначительны. Для того чтобы показания прибора были идеальными, он должен иметь бесконечное внутреннее сопротивление, в противном случае неизбежно его влияние на ту цепь, к которой он подключен. Разумеется, такое сопротивление быть не может: идеальных вольтметров не бывает, но при их производстве делается все возможное, чтобы повысить внутреннее сопротивление.

Что такое напряжение

Чтобы точно понять, как работает и что показывает вольтметр, необходимо знать, что собой представляет объект его измерения. Важно понимать, что такое напряжение и от чего зависит его величина.

Как известно, из школьного курса физики, величина вычисляется по формуле U=IR, где:

• U — это собственно и есть напряжение;
• I — сила тока;
• R — сопротивление на участке цепи.

Чтобы определить напряжение в сети, нужно умножить силу тока на сопротивление. Причем предварительно, следует узнать, чему равны две последние величины. Например, если сила тока равна 5 Ампер, а сопротивление на участке — 2 Ом, то напряжение составит 10 Вольт.

Впрочем, приведенная выше формула, хоть и максимально проста, но все же не дает представления о том, что же такое напряжение и зачем его вообще нужно измерять. Ведь это лишь цифры, не более. Сам ток, к сожалению, не виден, как, впрочем, не видны и заряженные микроскопические частицы.

Для простоты понимания можно сравнить электрический ток в проводнике с предметами, которые часто нами наблюдаются в обыденной жизни. В частности, здесь поможет сравнение с движением воды в реках и водопадах: то есть ее течением с высокого уровня на низкий. Здесь напряжение соответствует высоте: разности уровней. Иными словами напряжение в электросети — это то же самое, что напор воды в реке. Если напряжения в сети нет, то нет и тока. Также не будет и течения в том водоеме, где уровень воды всюду одинаков, например, в пруду или в озере.

На шкале прибора обычно ставят букву «V». Это делается для того, чтобы его проще можно было отличить от других электроизмерительных приборов, например, от амперметра, который показывает силу тока. Дело в том, что эти приборы внешне очень похожи друг на друга.

Диапазон вольтметра может быть различным. Те приборы, которые предназначены для включения в слабую электрическую сеть, максимум могут показать 5 Вольт. Бывают приборы и с большим диапазоном, например, в 10 или в 25 Вольт. Более мощные устройства способны показывать и тысячу Вольт. Разумеется, все зависит от предназначения вольтметра.

Разновидности вольтметров

Есть несколько видов вольтметров. В первую очередь устройства вольтметров подразделяются на две основные разновидности:

1. Стационарные. Как правило, встроены в саму сеть и отсоединение их не представляется возможным.
2. Мобильные. Их можно переносить с места на место и использовать в разных электросетях.

Выделяется также несколько видов вольтметров по принципу действия. Среди них есть множество электромеханических и пара электронных. Последние, в свою очередь, могут быть цифровыми и аналоговыми. Значение напряжения может указываться движущейся стрелкой или меняющимися электронными цифрами на дисплее.

Также вольтметры классифицируются по назначению. Среди них выделяются приборы, предназначенные для измерения постоянного тока или переменного.

Кроме того, устройства могут быть импульсными, фазочувствительными, универсальными.

Технические характеристики

Характеристики вольтметра зависят от его предназначения. Например, прибор, который измеряет напряжение постоянного тока, может обладать двумя, тремя или большим количеством диапазонов. Их число как раз и является одной из важнейших технических характеристик.

При выборе вольтметра нужно:

1. Обращать внимание на такую характеристику, как входное сопротивление. Она зависит от того, в каком диапазоне находится напряжение исследуемого участка электросети
2. Учитывать цену деления шкалы прибора и его погрешность в измерении.
3. Если был приобретен универсальный вольтметр, то обязательно учесть диапазоны величин, с которыми вольтметр может работать: сопротивления, силы тока, температуры.

Принцип работы

Как уже говорилось выше, по принципу действия вольтметры подразделяются на две разновидности — электромеханические и электронные. Строение первых представляет собой магнитную систему, которая способна реагировать на электрическое поле. Главный недостаток таких приборов состоит в том, что они, будучи подключенными к сети, способны сами на нее влиять, и поэтому их показания зачастую являются неточными.

Электронные же приборы, которые сегодня, в эпоху цифровых технологий становятся все популярнее, могут преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой. Такие приборы недороги и очень удобны в использовании.

При подключении устройства в сеть важно соблюдать основное правило: его зажимы должны подсоединяться к тем точкам цепи, между которыми определяется напряжение. Такое подключение называется параллельным. Это требование нужно соблюдать обязательно, иначе устройство может просто-напросто перегореть.

Меры безопасности

Поскольку сам прибор имеет большое сопротивление, а в сеть он подключается параллельно, вероятность того, что при работе с ним человек получит сильный удар током, минимальна. Однако если вольтметры используются в промышленности, часто приходится иметь дело с большими значениями напряжения и других величин, характеризующих электрический ток.

Нужно быть очень осторожным, измеряя напряжение в сети посредством этого электроизмерительного прибора. Ни в коем случае нельзя прикасаться к прибору голыми руками. Избежать несчастного случая помогут перчатки из непроводящего ток материала, например, из резины.

Нельзя прикасаться к оголенным проводам, даже если уже известно, что напряжение в них не очень велико, например, Вольт или еще меньше.

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

ЭДС и напряжение, или что измеряет вольтметр

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

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:

1. принципу действия;
2. сфере применения;
3. конструкции;
4. классу точности.

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?

1. Измерение нескольких параметров. Как минимум тестеры измеряют напряжение, силу тока и сопротивление, а в более универсальных моделях предусмотрены такие функции, как проверка транзисторов, измерение температуры и прозвонка цепи на предмет разрыва кабеля.
2. Компактность. Выглядит как смартфон.
3. Возможность выбора диапазона измерений.
4. Удобные щупы. Некоторые модели оснащены еще и «крокодильчиками».

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:

1. магнитная головка со стрелкой от старого поломанного прибора;
2. шкала;
3. кусок бумаги и клей;
4. резисторы 1,5 кОм, 19,5 кОм, 199,5 кОм и 1999,5 кОм;
5. 4 диода. При выборе их обязательно смотрите на их характеристики — они должны выдерживать те параметры цепи, которые вы планируете замерять ;
6. Медный провод;
7. Паяльник, припой, канифоль;
8. Тестер для калибровки;
9. Батарейки, электроприборы и все, где можно измерить напряжение в самом разном диапазоне;
10. Переключатель.

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 диодные мостики: 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!