Правила подключения вольтметра для измерения электрического напряжения

Практически любому человеку известно, что существует прибор, который называют вольтметром, и что он служит для измерения напряжения. Хотя пользоваться этим измерительным устройством несложно, надо соблюдать определенные правила, да и знания о его устройстве помогут повысить достоверность результатов замеров.

Что измеряет вольтметр

Вольтметр измеряет величину напряжения между двумя точками электрической цепи, а напряжение представляет собой разность потенциалов. Упрощенно говоря, это разница между количеством (и знаком) электрических зарядов в измеряемых точках. Единицей напряжения в СИ является 1 В (1 вольт).

Типы вольтметров, их основные компоненты и принцип работы

Измерять напряжение можно разными способами – как прямыми, так и косвенными.

Электроскоп

На заре электротехники для измерения напряжения служил электроскоп. Точнее, основное его предназначение – измерение зарядов, но несколько измененная конструкция пригодна для измерения напряжения. Модифицированный электроскоп представляет собой конденсатор с одной подвижной и одной неподвижной обкладкой. В зависимости от разности потенциалов, подвижная деталь отклоняется на определенный угол.

Первой практической конструкцией вольтметра можно считать «указатель электрической силы», созданный академиком Георгом Вильгельмом Рихманом еще в 18 веке.

Подобная конструкция имеет определенные преимущества, но в настоящее время она практически не применяется. Основные причины – сложное устройство, неудобство использования и низкая чувствительность.

Стрелочный вольтметр

По мере развития электротехники и открытия Георгом Омом своего знаменитого закона, появилась возможность создать вольтметр, дошедший до наших дней с минимальными конструктивными изменениями. Стрелочный вольтметр представляет собой амперметр (чаще всего миллиамперметр) с добавочным резистором. Он подключается между двумя точками цепи, через прибор начинает течь ток, пропорциональный напряжению. затем он переводится в напряжение по формуле U=I/R (точнее, шкала сразу градуируется в вольтах).

Для измерения разных видов напряжения амперметр может быть постоянного или переменного тока различных систем (магнитоэлектрической, электромагнитной и т.д.). Чтобы создать универсальный прибор, используется амперметр постоянного тока, а входные цепи дополняют выпрямляющей схемой. Для переключения пределов измерения можно подключать резисторы с разными номиналами. Для выпрямления переменного напряжения и для измерений могут применяться и мостовые схемы.

Цифровые вольтметры

На настоящем этапе развития техники широкое распространение получили цифровые вольтметры, в том числе, в составе мультиметров бытового назначения. Измерение напряжения в этих приборах базируется на устройстве сравнения уровней на двух входах (компараторах). На один вход компаратора подается измеряемый уровень, а на другой – линейно возрастающее с заданной скоростью напряжение. Как только уровни на обоих входах сравняются, компаратор выдает сигнал, на этом цикл измерения заканчивается. Очевидно, что чем выше измеряемое напряжение, тем больше потребуется времени, чтобы напряжение на втором входе достигло его уровня. Измерив этот период и зная скорость нарастания, можно вычислить измеренное напряжение.

Для изменения верхнего предела замеров входные цепи цифровых вольтметров также выполняют в виде резистивных делителей.

Технические характеристики

При выборе вольтметра в первую очередь надо смотреть на род измеряемого напряжения. По этому параметру вольтметры делятся на измерители:

• переменного напряжения (VAC);
• постоянного напряжения (VDC);
• универсальные (могут измерять оба рода напряжения, с переключением режима).

Род напряжения у стрелочных приборов наносится на шкалу в виде знака «-» (постоянный) или «~» (переменный).

Далее надо определить предел измерения напряжения. Прибор должен позволять померить уровень, с запасом превышающий напряжение в измеряемой цепи в штатном режиме.

Считается, что стрелочный прибор дает наиболее точные показания, когда стрелка находится во второй трети шкалы. Это также надо учитывать при выборе вольтметра.

Там, где важна точность измерения, также надо обратить внимание на класс точности. Эта величина обозначает суму всех погрешностей прибора в процентах относительно максимального измеряемого значения. Он обозначается цифрой и обычно указывается на шкале. Минимальное деление шкалы обычно соотносится с классом точности.

Если на приборе класс точности не указан, за его значение принимается половина наименьшего деления шкалы.

Прибор на фото имеет класс точности 1,5 при наибольшем значении по шкале 100 вольт. Это значит, что его максимальная погрешность составит 100*1,5/100%=1,5 вольта в любой точке шкалы. Минимальное деление шкалы составляет 2 вольта, что больше величины неточности измерения. А наиболее точные значения прибор выдаст, если стрелка будет находиться в пределах примерно от 30 до 60 вольт.

Если в качестве вольтметра используется мультиметр, в нем в большинстве случаев есть переключатель рода напряжения, а также пределов измерения (ручное или автоматическое). Класс точности не превышает одну единицу младшего разряда. Обратить внимание надо лишь на максимально возможное измеряемое напряжение (не обязательно оно совпадает с верхним пределом измерения).

Если измеряется напряжение не промышленной частоты (50 или 100 Гц), надо обратить внимание и на верхнюю рабочую частоту прибора.

Измерение напряжения с помощью вольтметра

Чтобы измеренные показания были достоверными, надо соблюдать правила подключения вольтметра к измеряемой цепи.

Подключение к источнику напряжения

Вольтметр подключается к измеряемому участку цепи (нагрузке, источнику питания и т.п.) параллельно. Такое включение называется прямым.

Если имеющийся прибор имеет недостаточный предел измерения, или надо измерить напряжение в сети выше 1000 В, где требования к изоляции будут явно высокими, вольтметр можно подсоединить через промежуточный трансформатор. Такое подключение называется косвенным.

При подключении вольтметра надо соблюдать требования охраны труда. Стационарный (щитовой) вольтметр включается в сеть при снятом напряжении на измеряемом объекте. Переносной измеритель (в составе мультиметра и т.п.) надо подключать, держась строго за изолированную часть щупов.

Процесс измерения напряжения

После подключения прибора к измеряемой цепи надо выждать небольшое время (порядка одной или нескольких секунд). В случае использования стрелочного прибора ожидание необходимо для стабилизации положения стрелки (она может колебаться). Если стрелка уперлась в правый ограничитель («зашкаливает»), надо отключить щупы от источника напряжения, и переключить прибор на более высокий предел. Если при измерении постоянного тока стрелка отклонилась от нуля влево, значит, надо поменять полярность подключения. Если отклонение стрелки невелико и считать показания проблематично, надо переключить прибор на более чувствительный предел. Если переключении пределов в данном вольтметре не предусмотрено, придется взять другой прибор.

Переключать пределы под напряжением без отключения щупов нельзя!

Если прибор цифровой, надо подождать завершения цикла измерения. Если на дисплее возникает знак превышения верхнего предела, значит, надо переключить предел или заменить прибор.

Видео: Схема подключения китайского вольтметра на 50 или 100 ампер.

Показания вольтметра

У цифровых вольтметров показания обычно выводятся на дисплей в обработанном и удобном для восприятия виде. У стрелочного прибора надо смотреть на маркировку, расположенную в центре шкалы.

Прибор может быть отградуирован как в вольтах, так и в кратных или дробных единицах (киловольтах, милливольтах и т.д.). Кроме того, для индикации больших уровней на шкалу может быть нанесен множитель (чтобы не писать рядом с делениями длинных цифр и не загромождать поле). В этом случае считанные показания надо умножить на соответствующий коэффициент.

Пример такого прибора показан на фото. Например, стрелка показывает на значение 2,2. Значит, измеренное значение составляет 2,2х100=220 вольт.

Погрешности и точность вольтметра

Выше сказано, что по своему принципу действия стрелочные вольтметры являются фактически амперметрами, а это означает, что для измерения им принципиально необходимо, чтобы через них протекал ток (пусть даже незначительный).

Если подключить вольтметр параллельно элементу, на котором выполняется измерение, то общее сопротивление участка цепи при этом уменьшится (при параллельном соединении общее сопротивление всегда меньше меньшего из соединенных элементов). Это приведет к тому, что падение напряжения на этом участке уменьшится, и точность измерения снизится.

Это явление часто встречается в физике и технике – когда подключение измерительных приборов изменяет параметры цепи.

Очевидно, что погрешность измерения будет тем меньше, чем выше сопротивление прибора. Добиться бесконечного (или близкого к этому) сопротивления для стрелочных приборов принципиально невозможно – тогда ток перестанет протекать через катушку прибора. По этой (и другим причинам, связанным с особенностями считывания показаний) у стрелочных приборов электромагнитной, магнитоэлектрической и других конструкций, связанных с наличием подвижной катушки, высокой точности замеров добиться нельзя.

У цифровых приборов ситуация иная. Измерение напряжения производится подачей сигнала на вход компаратора, создание тока для измерения принципиально не нужно. В идеале ток компаратора может иметь нулевое значение (что равнозначно бесконечному сопротивлению). По факту сопротивление цифровых вольтметров очень велико и оказывает минимальное влияние на измеряемую цепь.

Идеальным же прибором в плане отсутствия влияния на параметры цепи для замеров разности потенциалов является электростатический вольтметр. Его сопротивление в теории бесконечно, но, как уже сказано, он неудобен в эксплуатации и обладает низкой чувствительностью. Кроме того, замерять переменное напряжение с его помощью проблематично.

Правильно подключить вольтметр любой конструкции несложно. Но для обретения уверенности в достоверности показаний все действия должны быть осознанными, а сведения, приведенные в обзоре, способствуют этой осознанности.