Что такое вольтметр и как он работает
Вольтметр — это специализированный измерительный прибор, предназначенный для определения величины электрического напряжения или разности потенциалов. Ключевой принцип его подключения — параллельное соединение с участком цепи или устройством, напряжение на котором необходимо измерить (будь то сетевой прибор или работающий от аккумулятора). Таким образом, прибор непосредственно измеряет разность потенциалов между своими клеммами.
Типы измерительных механизмов и их применение
Для работы в различных диапазонах напряжений и частот используются разные физические принципы. В области малых и средних напряжений распространены приборы с магнитоэлектрическими, электромагнитными или электростатическими механизмами. Существуют модели, предназначенные исключительно для постоянного или переменного тока. Для решения более сложных задач — например, измерения сверхмалых напряжений или работы на высоких частотах — применяются более совершенные устройства: компенсаторы, электронные вольтметры и осциллографы.
Погрешность измерения и требования к прибору
Подключение вольтметра неизбежно вносит в цепь дополнительную ветвь с его внутренним сопротивлением, что может исказить реальное значение напряжения. Эта систематическая погрешность является ключевым параметром, который стремятся минимизировать. Основное правило для получения точных измерений: полное сопротивление вольтметра должно быть значительно выше сопротивления измеряемого участка цепи. Идеальный прибор, не влияющий на цепь, обладал бы бесконечно большим входным сопротивлением и нулевым собственным потреблением мощности.
Классификация вольтметров
Современные вольтметры представляют собой разнообразную группу приборов, которую можно классифицировать по нескольким признакам:
1. Интегрирующие вольтметры. Это цифровые приборы, в основе работы которых лежит метод интегрирования сигнала в аналого-цифровом преобразователе.
2. Многодиапазонные вольтметры. Оснащены системой ступенчатого переключения, что позволяет расширять диапазон измеряемых напряжений. Могут быть как самостоятельными приборами, так и частью комбинированных измерительных устройств (например, мультиметров).
3. Вольтметры, отградуированные в единицах емкости. Уникальные приборы с непосредственным отсчетом, которые также способны измерять электрическую емкость.
4. Селективные вольтметры. Специализированная разновидность электронных вольтметров. Их главная особенность — способность измерять микровольты в очень узком, регулируемом диапазоне частот, подобно высокоизбирательному радиоприемнику. Это достигается за счет использования селективных усилителей и смесительных систем.
5. Электронные вольтметры. Современные приборы, в состав которых, помимо индикатора, входят входной делитель напряжения, а часто также измерительный выпрямитель и усилитель. Исторически (в 1960-70-е годы) схемы таких приборов строились на электронных лампах. С 1980-х годов элементная база полностью перешла на транзисторы и интегральные микросхемы.
Разновидности электронных вольтметров
В зависимости от назначения и схемотехники, электронные вольтметры делятся на несколько основных типов:
• Вольтметры переменного напряжения. Предназначены исключительно для измерения переменного тока. Для работы с малыми сигналами используют предварительное усиление, после которого сигнал выпрямляется и отображается.
• Вольтметры постоянного напряжения. Служат для измерений в цепях постоянного тока и характеризуются очень высоким входным сопротивлением. Для усиления сигнала часто применяются дифференциальные или операционные усилители.
• Универсальные электронные вольтметры. Наиболее гибкие приборы. При измерении постоянного напряжения сигнал усиливается усилителем постоянного тока, а при работе с переменным — предварительно выпрямляется. Благодаря широкому частотному диапазону, высокому входному сопротивлению и обширному диапазону измеряемых напряжений, эти приборы нашли универсальное применение.
Вольтметры электромагнитной системы
Это классический тип измерительного прибора, основанный на взаимодействии магнитного поля катушки с током и подвижного ферромагнитного сердечника. Их ключевое преимущество — способность измерять как постоянное, так и переменное напряжение без дополнительных преобразователей. На переменном токе они показывают эффективное (среднеквадратичное) значение, причем их показания мало зависят от формы кривой напряжения.
Диапазон измерений задается с помощью добавочных сопротивлений, которые делают ток через катушку пропорциональным приложенному напряжению. Для измерения высоких напряжений в сетях переменного тока такие вольтметры подключают через измерительные трансформаторы. Для защиты от внешних магнитных полей корпус прибора часто экранируют.
Главный недостаток вольтметров электромагнитной системы по сравнению, например, с магнитоэлектрическими — более высокое собственное энергопотребление. Поэтому они наиболее востребованы в силовой электротехнике, где эта погрешность не является критичной.