Вольтамперметр для чего нужен
Вольтметр. Прибор для измерения напряжения в электрической цепи
Все мы знаем, что напряжение в бытовой розетке 220 В (стоит помнить, что не во всех странах). Но ведь оно иногда может быть больше или меньше и возникает логичный вопрос — а как померять напряжение? Для этого нам и нужен вольтметр.
И так, вольтметр — это прибор, который измеряет разность потенциалов (в Вольтах) или напряжение. Принцип работы классического вольтметра довольно прост — ток, который индуцируется в катушке при подключении к источнику напряжения, создает вращающий момент, который перемешает стрелку электроизмерительного прибора. Отклонение стрелки всегда прямо пропорционально разности потенциалов между измеряемыми точками. Стоит помнить, что вольтметр ВСЕГДА подключается параллельно к цепи, в которой ведется измерение напряжения.
Обозначение вольтметра в электрической цепи
В электрических схемах вольтметр всегда представлен в виде круга с двумя клеммами с латинской буквой V внутри:
Почему вольтметр всегда подключен параллельно?
Сопротивление у идеального вольтметра равно бесконечности. Но это у идеального, у реального оно значительно меньше, но все еще очень высоко. Поэтому при подключении измерительного прибора в цепь последовательно его показания не будут иметь ничего общего с правдой, а его внутреннее сопротивление окажет существенное влияние на электрическую цепь (практически разрыв цепи из-за большого внутреннего сопротивления).
Вольтметр всегда подключается параллельно цепи, так что падение напряжения на измерительном приборе никак не влияет на работу электрической цепи. Также если измерительный прибор является многопредельным (например 3, 15, 75 и 150 В), при переключении предела последовательно катушке измерения вводится добавочное сопротивление (как правило оно уже установлено в корпусе прибора, но стоит уточнить это в техпаспорте), которое предохраняет измерительную катушку электрического прибора от токов выше номинального и обеспечивают точность измерения.
Почему вольтметр имеет большое сопротивление?
Вольтметр имеет очень высокое внутреннее сопротивление, потому что он измеряет разность потенциалов между двумя точками цепи. Вольтметр не влияет на ток измеряемой цепи.
Если измерительный прибор имеет низкое сопротивление, через него будет проходить ток (согласно первому закону Кирхгофа ток будет распределяться между двумя ветвями цепи — часть тока будет протекать через нагрузку, а часть через вольтметр, именно поэтому его сопротивление должно быть как можно больше — чтоб минимизировать ток), и на выходе мы получим неверный результат. Большое сопротивление вольтметра не позволяет току проходить через него (разрыв цепи), и, таким образом, получают показания напряжения.
Какие бывают типы вольтметров
Вольтметры, как и любые другие электроизмерительные приборы, классифицируются в зависимости от назначения и конструкции. Более подробно на рисунке ниже:
Вольтметр с подвижной катушкой и с постоянными магнитами (PMMC)
Такой прибор работает по магнитоэлектрическому принципу. В двух словах это означает следующее — в постоянное магнитное поле помещается катушка измерительного прибора, которая подключается к электрической цепи, в которой проводится измерение. При протекании тока через катушку электромагнитная сила создаст вращающий момент, который повернет стрелку измерительного прибора на определенный угол.
Вольтметр с подвижной катушкой и с постоянными магнитами (PMMC) используется только в сетях постоянного тока. Такой тип устройства имеет очень низкое энергопотребление и очень высокую точность. Единственным его недостатком является стоимость.
Электромагнитный вольтметр (MI вольтметр)
Электромагнитный вольтметр может использоваться для измерения как постоянного, так и переменного напряжения. В таком типе приборов отклонение стрелки зависит от напряжения катушки. Электромагнитные вольтметры разделяют на два типа:
Электродинамический вольтметр
Электродинамический вольтметр используется для измерения напряжения цепи переменного и постоянного тока. В приборах этого типа калибровка одинакова как для измерения переменного, так и постоянного тока.
Вольтметр с выпрямительной системой
Такой тип прибора используется в цепях переменного тока для измерения напряжения. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный ток, после чего сигнал постоянного тока измеряется прибором с подвижной катушкой и с постоянными магнитами.
Аналоговый вольтметр
Аналоговый вольтметр используется для измерения переменного и постоянного напряжения. Он отображает показания через указатель, который зафиксирован на калиброванной шкале. Отклонение указателя зависит от крутящего момента, действующего на него. Величина развиваемого крутящего момента прямо пропорциональна измеряемому напряжению.
Цифровой вольтметр
Вольтметр, который отображает показания в числовой форме, известен как цифровой вольтметр. Цифровой вольтметр дает достаточно точный результат.
Прибор, который измеряет постоянное напряжение, известен как вольтметр постоянного напряжения, а вольтметр переменного напряжения используется в цепи переменного тока для измерения переменного напряжения.
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).
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).
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
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.
после преобразований получаем, что сопротивление добавочного сопротивления должно иметь значение:
Мы также можем уменьшить диапазон измерения вольтметра. Для этого мы используем делители напряжения как на рис. 4.
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.
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.
Рисунок 5. Устройство вольтметров (электростатического — слева, электромагнитного — справа)
На рисунке 5 обозначено:
Вольтамперметр
Измерение любой величины выполняется её сравнением в ходе практического эксперимента с эталонной единицей. При использовании измерительных приборов непосредственного отсчета, таких как вольтамперметр, необходимость использовать эталон отпала. Шкала прибора при изготовлении уже отградуирована в нужных единицах. Пользователь получает результат, наблюдая за стрелкой, движущейся по шкале, или цифрами на электронном дисплее.
Определение и виды
При работе с электронными устройствами при определении силы тока и напряжения до сих пор применяют приборы магнитоэлектрической системы. Чем отличается амперметр от вольтметра, нужно чётко представлять.
Для измерения напряжения в электрической цепи или ЭДС применяется измеритель под названием вольтметр. Измерение силы тока осуществляют тестером, который называется амперметр. Для точности измерений учитывают собственные сопротивления этих двух устройств.
Важно! Сопротивление амперметра должно быть максимально ниже, а вольтметра как можно выше. Первый подключают последовательно с измеряемым участком, второй – параллельно источнику питания или нагрузке.
Для удобства пользователей оба приспособления объединили в один комбинированный вид. Он имеет две шкалы и переключатель режимов измерения.
Вольтамперметры подразделяются:
По назначению
В зависимости от вида измеряемого тока, устройства подразделяются на измерители:
Для более точных показаний лучше всего пользоваться измерителями с узким профилем работы. У них класс точности измерений выше, чем у универсальных.
Обратите внимание! Узнать, по каким критериям работает данный тестер, можно по условным знакам, нанесённым на его шкалу. Там могут быть указаны пределы его измерений, внутреннее сопротивление, класс точности и многое другое.
По принципу действия
Если рассматривать принцип действия этих устройств, то подразделяют их уже не только, исходя от вида применяемой системы.
На сегодняшний день популярны два типа измерительных инструментов:
Конструкция таких приборов может быть аналоговой или цифровой. Это относится к схеме исполнения прибора, а не к индикатору.
Оба типа прекрасно справляются со своими задачами, выбор той или иной конструкции – дело вкуса.
Обязательно. Любой тестер должен проходить испытания в специализированной лаборатории для проверки точности измерений. Использовать не поверенный или тот, у которого срок поверки истёк, нежелательно.
По конструкции
От того, где используется прибор, каковы его габариты и способ подключения, зависит его конструкция. Можно выделить три основных параметра исполнения:
Переносными измерителями пользуются при работах вне помещений. Их применяют тогда, когда нужно подключить и измерить параметры в «полевых» условиях. Компактные устройства удобны при транспортировке и не занимают много места.
Щитовой вариант исполнения применим на пультах управления технологическими процессами. Его устанавливают на фронтальной плоскости оборудования, где нужно постоянно контролировать параметры выходного тока и напряжения. Применяют не только на статичных конструкциях, но и передвижных устройствах. Это могут быть щиты дизельных или бензиновых генераторов однофазного переменного тока, сварочные инверторы и им подобные аппараты.
Стационарная установка вольтамперметра обоснована там, где нужны систематические точные измерения. Она входит в состав громоздких приспособлений, установленных в цехах или лабораториях.
Габаритные и установочные размеры
При приобретении или монтаже устройства нужно знать габариты его корпуса. Длина, ширина и высота должны соответствовать размерам ниши, отведённой для установки индикатора. Эти параметры указаны в паспорте и инструкции по эксплуатации.
Отличие от вольтметра, амперметра
Разница между двумя этими тестерами не всегда конструктивная. Принцип их работы основан на измерении величин тока и напряжения определённого участка электрической цепи.
Амперметры и вольтметры имеют разную схему подключения при подготовке их к работе. Первый присоединяется последовательно, в искусственный разрыв. Это значит, что ток будет проходить непосредственно от одного щупа прибора к другому через его внутреннюю начинку. Отличие в подключении второго прибора в том, что его присоединяют при работе параллельно испытуемой цепи или вместо нагрузки.
Внимание! Номинальный ток и напряжение этих приборов должны быть больше измеряемых величин. Если на панели имеются переключатели диапазонов измерений, то необходимо выбрать нужный диапазон. Иначе приспособления выйдут из строя.
Электронный вольтамперметр
Это комбинированный измеритель с электронной схемой, для удобства пользования при мониторинге и контроле электрических процессов. Широко распространён вольтамперметр цифровой, на дисплей которого выводятся показания в виде готовых цифр. Они могут применяться в автомобилях, блоках питания, зарядных устройствах.
Как подключить вольтамперметр к зарядному устройству
Присоединение такого электронного устройства к источнику питания зависит от того, входит ли в его состав блок питания. Если имеется, то прибор можно включить прямо в сеть, если нет, то через внешний источник питания.
Обычно с прибором в комплекте поставки идут:
Когда схемы не имеется, то можно придерживаться модели включения, как на картинке ниже.
Собранное своими руками зарядное устройство нуждается в обязательном подключении вольтамперметра цифрового. Это необходимо для того, чтобы контролировать процесс зарядки аккумулятора. Можно производить регулировку зарядного тока и контроль напряжения по окончании зарядки.
Существует несколько схем, они приведены на картинке ниже.
Применение вольтамперметра в современном исполнении позволяет получать точные показания. Его подключение и эксплуатация не требуют специальных знаний и углублённых навыков. Провода промаркированы цветом и обозначены на схемах, перепутать их сложно.
Видео
Аппаратуру — под постоянный контроль: обзор встраиваемого цифрового вольтметра-амперметра
Обзор посвящен цифровому встраиваемому вольтметру-амперметру, с помощью которого легко можно организовать постоянный контроль параметров питания какого-либо устройства.
Этот вольтметр-амперметр недорог и занимает очень мало места, но есть у него свои особенности применения, которые будут рассмотрены в обзоре.
Содержание
Технические характеристики встраиваемого цифрового вольтметра-амперметра
| Диапазон измеряемого напряжения | 0. 100 В |
| Диапазон измеряемого тока | 0. 10 А |
| Погрешность измерения тока и напряжения | 0.08% + 2 единицы мл. разряда |
| Диапазон напряжения питания | 4. 28 В |
| Потребляемый ток | не свыше 20 мА |
| Температура окружающей среды | -10… +65°С |
| Размеры | 48 x 29 x 20 мм |
Конструкция и схемы подключения цифрового вольтметра-амперметра
Вольтметр-амперметр поставляется в виде основного блока и пары кабелей для подключения:
Основной блок, несмотря на небольшие габариты, отвечает одновременно и за измерение, и за индикацию.
Верхний на фото кабель — двухпроводной, с толстыми жилами; он предназначен для подключения к цепи измерения тока. Важно: прибор измеряет ток в «земляном» проводе контролируемого источника питания, а не в положительном!
Второй кабель — трёхпроводной, с тонкими жилами; он предназначен для измерения напряжения. Земляной (чёрный) провод через основной блок соединён с чёрным проводом измерения тока; так что в большинстве случаев его можно вообще не подключать.
Желтый провод предназначен для подключения измеряемого напряжения (строго положительной полярности относительно собственной земли прибора); а красный — для подачи питания.
Если измеряемое напряжение будет укладываться в допустимый диапазон питающих напряжений (4. 28 В), то желтый и красный провода можно соединить вместе. В этом случае прибор будет питаться прямо от измеряемого напряжения; но следует иметь в виду, что на измеряемое напряжение наложится небольшое дополнительное потребление от прибора.
Вставленные кабели увеличивают габариты прибора по глубине:
Этот факт надо иметь в виду, если пользователь собирается установить прибор в ограниченном пространстве.
Есть и ещё одни конструктивные «грабли».
На верхней и нижней грани прибора есть защёлки, которые должны его удерживать в приборной панели. Так вот, они упираются в светодиодные индикаторы прибора и не работают.
Эта проблема — решаемая. Надо сначала извлечь плату прибора (делается несложно), установить корпус прибора в щиток, а затем снова вставить плату в корпус.
Вот теперь, кстати, извлечём плату и осмотрим её; сначала — со стороны элементов:
Хотя элементов здесь — немного; здесь очень даже есть, о чем поговорить. 🙂
Начнём с того, что микроконтроллер, отвечающий за собственно измерение и индикацию, оказался секретным (без маркировки). Но работает исправно.
В левом нижнем углу — линейный стабилизатор напряжения M5333B с выходом на 3.3 В, от него и питается прибор.
У правого края платы расположен толстый шунт, изогнутый в виде скобы. Он отвечает за измерение тока.
Между разъёмами уютно расположилась микросхема LM358 (сдвоенный операционник). Она отвечает за усиление падения напряжения на шунте и, возможно, за что-то ещё.
Но самое важное на плате — это два подстроечных резистора, обозначенные как V_ADJ и I_ADJ. Из их наименований очевидно, за что они отвечают.
А следующий, ещё более важный вывод, состоит в том, что в следующей главе обзора будет проверяться не точность работы прибора как такового, а точность его фабричной настройки!
В случае, если настройка оказалась неточной (или если вдруг изготовитель вообще забыл её выполнить, это Китай всё-таки), то пользователь сам сможет выполнить настройку (при наличии достаточно точных приборов для сравнения).
Теперь, для проформы, посмотрим на плату со стороны светодиодных индикаторов:
Здесь нет ничего, кроме индикаторов и технологических контактов.
На индикаторах приклеена защитная плёнка (можно видеть, что её края слегка выступают за индикаторы). Я её сдирать не стал, т.к. она нисколько не мешает видеть показания индикаторов.
Итак, производим первое включение прибора, которое можно назвать опробованием, — просто проверка, работает ли он вообще:
Для опробования был использован литий-ионный аккумулятор в формате батарейки «Крона» с измерением по прибору только напряжения.
Первое включение прошло успешно.
Теперь, после всего сказанного, можно посмотреть на типовые схемы подключения вольтметра-амперметра.
Первая схема — универсальная, которая подходит на все случаи жизни; а вторая — на тот случай, когда вольтметр будет питаться измеряемым напряжением (что возможно, если оно будет находиться в пределах 4. 28 В):
А теперь — третья схема, которая напрямую к тестируемому прибору не относится. Она пригодится, если пользователю потребуется прибор с пределами измерения тока свыше 10 А. В этом случае потребуется приобретение прибора с внешним шунтом; а выглядеть подключение будет выглядеть так:
С теорией всех вопросов разобрались, теперь приступаем к контролю функционирования прибора.
Тестирование цифрового вольтмера-амперметра
Сначала был замерен собственный ток потребления прибора, он составил 9.4 мА при питании 12 В.
Входное сопротивление вольтметра прибора было измерено банальным мультиметром, оно составило 76 кОм.
Для тестирования в режиме питания от измеряемого напряжения был собран «на коленках» нехитрый стенд, состоящий из двух мультиметров, лабораторного источника питания Longwei (30 В, 10 А), и мощной нагрузки, сопротивление которой вместе с соединительными проводниками составило ровно 3 Ом.
Далее — фото результатов измерений при напряжении на источнике питания 4 В, 10 В, 20 В и 30 В:
В целом, по измерению напряжения прибор уложился в заявленную погрешность, кроме измерения с самым низким напряжением (4 В).
По току погрешность оказалась выше заявленной и достигла 2-3%.
Но всё это — в допущении, что используемые для сравнения мультиметры дают точные измерения, хотя и они тоже имеют какую-то погрешность. Так что я удовлетворился полученными данными и не стал ничего подкручивать.
Но давайте ещё раз вернёмся к последней картинке, где напряжение — чуть выше 30 В.
В этом случае мультиметр показал ток 10.15 А, а прибор — 9.99 А.
Эти показания (9.99 А) — просто его потолок; а затем амперметр «застревает» на этом значении и никак не сообщает, что произошло превышение пределов измерения. Так что просто надо иметь в виду, что если прибор показывает такое значение, то на самом деле ток не 9.99 А, а выше.
Есть, конечно, некоторая вероятность того, что сила тока и вправду составляет 9.99 А, но эта вероятность — невелика.
Измерения напряжения это тоже касается, там оно «застревает» на значении 99.9 В.
Теперь проверим работу только вольтметра для ситуаций, когда измеряемое напряжение не входит в рамки 4-28 В, и питать прибор измеряемым напряжением нельзя.
Вот две картинки для очень низкого и очень высокого напряжения. В качестве источника низкого напряжения использована мизинчиковая батарейка марки «Extra Super» :), а в качестве источника высокого напряжения — блок питания для светодиодного светильника. И вот результаты:
Здесь результаты — ожидаемые: на высоких напряжениях точность — хорошая, а на низких — падает.
Кстати, на многих фотографиях видно, что яркость свечения разных сегментов индикатора будто бы разная. Это связано со строб-эффектом.
Сегменты индикатора светятся не одновременно, а подсвечиваются последовательно; и на фото в течение времени выдержки может попадать разное количество «подсветок» сегментов.
Всё, пора переходить к итогам.
Итоги и выводы
Протестированный прибор показал полную функциональную пригодность, но при этом надо иметь в виду некоторые ограничения.
Этот прибор измеряет только постоянные ток и напряжение, и только положительной полярности. Для измерения отрицательных значений тока и напряжения в аппаратуре, имеющей напряжения разных полярностей, можно землю прибора подключить к минусу источника питания, а плюс прибора — к земле источника.
Если же необходимо измерить ток в аппаратуре, имеющей несколько рабочих напряжений, то применение усложняется: каждый источник положительной полярности должен иметь раздельную землю, так как именно в ней и измеряется ток. Иначе (при общей земле) будет измерена сумма токов всех источников.
Переменный ток нельзя измерить совсем никак.
Перед применением прибора было бы очень неплохо сверить его показания хотя бы с обычным мультиметром. Возможно, потребуется его небольшая подстройка (но не факт).
Там же можно найти множество других модификаций прибора — с разными пределами измерений по напряжению и току (для высоких токов потребуется докупить шунт), с 4-разрядными индикаторами, с индикаторами других цветов.