Принцип действия электронного вольтметра

Необходимость в использовании вольтметра, прибора для измерения напряжения, возникает не только у профессиональных электриков. Практически все домашние мастера, автовладельцы и тем более радиолюбители активно применяют этот девайс. С его помощью можно определить наличие напряжения в бытовой электросети, проверить заряд АКБ автомобиля и т. д. Сегодня в продаже встречаются не только электромеханические приборы, но и электронные вольтметры.

Классификация приборов

Вольтметр представляет собой устройство, которое используется в электрике наряду с амперметром или омметром. Прибор можно подсоединять напрямую к источнику электроэнергии или параллельно нагрузке. Уже по одному названию прибора даже начинающий домашний мастер сможет точно сказать, для чего нужен вольтметр. Для классификации этих устройств используется многоступенчатая система.

В соответствии с назначением

Если на корпусе измерителя имеется маркировка В2, то он предназначен для использования в электроцепях постоянного тока. Также есть устройства для измерения переменного напряжения, обозначаемые В3.

Типов вольтметров в соответствии с назначением:

  1. Фазовые. Предназначены для определения показателей квадратурных составляющих основной гармоники электрического тока и маркируются — В5.
  2. Универсальные — маркировка В7. Позволяют снимать показания в любых электрических цепях. Многие модели комплектуются набором шунтов для обеспечения безопасного подсоединения.
  3. Импульсные — В4. Эти измерители нашли широкое применение благодаря своим функциональным возможностям. С их помощью можно обнаружить импульсные помехи в электросети.
  4. Измерители селективного поиска частот. Эти приборы имеют самые большие габариты и позволяют обрабатывать сложные сигналы, выделяя из них гармонические элементы. Часто они могут выглядеть как радиоприемники.

Все эти виды вольтметров широко используются в быту или промышленности.

По внешним признакам

Измерители напряжения можно разделить на три большие группы. Среди них наибольшими габаритами обладают стационарные.

Они предназначены для постоянного мониторинга показателей электрических сетей. Это бывает необходимо для поддержания бесперебойной работы различного оборудования. Эти устройства отличаются высокой чувствительностью и точностью измерений.

Приборы, которые монтируются в электрошкафах, называются щитовыми. В сравнении со стационарными, они имеют меньшие размеры. Переносные (автономные) измерители благодаря небольшому весу и габаритам максимально удобны в транспортировке, поэтому они получили широкое распространение в быту. Также эти измерители оснащены щупами для быстрого снятия показаний.

Диапазон и способ измерения

Необязательно быть профессиональным электриком, чтобы знать, в чем измеряется напряжение. Основной единицей является Вольт (В). Однако в электроцепях напряжение может быть различным.

Все измерители напряжения можно разделить на несколько групп в соответствии с диапазоном снимаемых значений:

  1. микровольтметры — позволяют измерять миллионные доли вольта;
  2. милливольтметры — способны фиксировать тысячные доли единицы измерения напряжения;
  3. киловольтметры — предназначены для определения большого напряжения, измеряемого в кВ.

Измерители могут быть электромеханическими (стрелочными), а также электронными (цифровыми). Устройства первого типа оснащены цифровой шкалой и стрелкой, закрепленной на раме с обмоткой. Они обладают определенной чувствительностью. Это коэффициент зависимости между фактическим электронапряжением в цепи и углом поворота стрелки.

Устройство вольтметра электронного типа предполагает наличие дисплея для отображения снятых показаний.

Кроме этого, в конструкции предусмотрена специальная микросхема, задача которой заключается в преобразовании аналогового сигнала в цифровой. Эти измерители обладают высокой чувствительностью и надежностью, поэтому их стоимость выше электромеханических аналогов.

Принцип работы

Первыми были созданы измерители электромеханического типа. В их работе используется магнитоэлектрический принцип. Постоянный магнит закреплен неподвижно, а между его полюсами установлен стальной сердечник. Монтаж этого элемента конструкции выполняется так, чтобы в кольцеобразном воздушном зазоре могло формироваться постоянное электромагнитное поле.

Читайте также:  Как проверить динистор db3 мультиметром

В зазор на полуосях установлена рамка, изготовленная из алюминия. Она способна свободно перемещаться. На рамке также есть катушка из тонкой проволоки. Указательная стрелка прибора крепится с помощью пружин к рамке. Как только через прибор начинает проходить электроток, в обмотке возникает электромагнитное поле. Рамка вступает с ним во взаимодействие и отклоняется вместе со стрелкой на расстояние, соответствующее величине напряжения.

Конструкция измерителя также содержит индукционный демпфер — пластинку из алюминия, закрепленную на раме со стрелкой. В соответствии с правилом Ленца, вихревые токи, возникающие в демпфере, вступают во взаимодействие с породившим их магнитным полем и замедляют колебания указателя прибора. Чтобы добиться необходимой точности измерения, прибор во время работы не должен подвергаться воздействию силы тяжести.

Для решения поставленной задачи подвижная часть измерителя оснащается системой грузиков, передвигающихся на стержнях. Кроме этого, для обеспечения точного измерения необходимо снизить силу трения стальных наконечников. Это достигается благодаря использованию специальных износостойких сталей. Изготовленные из них детали подвергаются полировке.

Перед началом измерения пользователю необходимо установить указательную стрелку в нулевое положение.

Для этого в конструкции прибора предусмотрен специальный корректировочный винт, соединенный с пружиной. Это классическая конструкция, но сегодня встречаются приборы, содержащие магниты разной формы. При этом в некоторых конструкциях магнит является подвижным.

Основные характеристики

Чем выше показатель внутреннего сопротивления прибора, тем меньшее влияние он оказывает на работу измеряемой электроцепи. Измерители с высоким выходным сопротивлением являются более точными. При выборе вольтметра необходимо обратить внимание на его характеристики. Среди них наиболее важными являются следующие:

  1. диапазон измерения;
  2. внутреннее сопротивление;
  3. диапазон частот переменного тока;
  4. погрешность измерений.

Диапазон измерений прибора подбирается в зависимости от того, с какими величинами планируется работать. Большинство моделей способны измерять напряжение с показателем от нескольких десятков милливольт до сотен киловольт. Также важной характеристикой является и погрешность.

Этот показатель определяется изготовителем с помощью специальных тестов. Познакомиться с характеристиками прибора можно в инструкции по его эксплуатации.

Правила использования

Прибор должен подсоединяться к цепи параллельно. Следует убедиться, что он имеет диапазон измерений, соответствующий предполагаемому. Среди других правил грамотной эксплуатации можно выделить:

  1. необходимо соблюдать полярность;
  2. для измерения напряжения на источнике питания прибор подключается непосредственно к его клеммам;
  3. не допускается проверять высоковольтные участки цепи вольтметрами, не рассчитанными на большое напряжение;
  4. при использовании универсального измерителя предварительно следует выбрать нужный режим работы.

При выборе прибора пользователям стоит ориентироваться на собственный бюджет и поставленные задачи. Чтобы приобретенный прибор служил многие годы, следует соблюдать все правила эксплуатации.

Высокие метрологические характеристики электро-механических измерительных приборов (высокая чувствительность, точность, малое потребление энергии) делают целесообразным их использование в цепях переменного тока с предварительным преобразованием переменного тока в постоянный с помощью преобразователей (выпрямительных, термоэлектрических, электронных).

Различают ЭАП со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.

В зависимости от характера измерений и вида измеряемых величин выделяют следующие группы ЭАП:

– В – приборы для измерения напряжения

В2 – вольтметры постоянного тока

В3 – вольтметры переменного тока

В4 – вольтметры импульсного тока

В6 – вольтметры селективные

В7 – вольтметры универсальные

– Г – измерительные усилители и генераторы

Г3 – генераторы гармонических колебаний низкочастотные

Читайте также:  Таблица подбора подшипников по размерам

Г4 – генераторы гармонических колебаний высокочастотные

Г5 – генераторы импульсных сигналов

Г6 – генераторы функциональные

– Е – приборы для измерения распределенных параметров электрических цепей.

-С – приборы для наблюдения за формой сигнала

-Ч – приборы для измерения частоты

-Ф – приборы для измерения фазы

По сравнению с ЭМП электронные обладают более высоким быстродействием, широким частотным диапазоном от 20Гц до 1000МГц и широким диапазоном измеряемых величин, высокой чувствительностью и хорошей перегрузочной способностью.

Основные характеристики ЭАП:

Такие приборы состоят из: электронной части, предназначенной для преобразования, выпрямления, усиления измеряемой ФВ, измерительного механизма магнито-электрической системы, а в осциллографах – электронно-лучевой трубкой.

ЭАП используются в качестве вольтметров, частотометров, осциллографов, измерителей сопротивлений, емкостей, индуктивностей, параметров транзисторов, интегральных схем и т.д.

Электронные вольтметры составляют самую широкую группу этих приборов и классифицируются по следующим признакам: приборы непосредственной оценки, приборы сравнения. По назначению – приборы постоянного, переменного, импульсного напряжения, универсальные, селективные. По характеру напряжения – амплитудные, действующие, среднего назначения. По частотному диапазону – низкочастотные и высокочастотные.

Электронные вольтметры постоянного тока:

Ux α

Входное устройство предназначено для обеспечения входного сопротивления с помощью многопредельного высокоомного резистора делителя резистора напряжения. Сигнал с ВУ поступает на вход усилителя постоянного тока, который кроме усиления сигнала по напряжению и мощность согласует высокое выходное сопротивление входного устройства с малым сопротивлением магнито-электрического измерительного механизма

Функция преобразования электронного аналогового вольтметра

Входное сопротивление вольтметров составляет десятки мегаОм, что практически исключает из влияние на объект измерения. При измерении малых напряжений сказывается дрейф 0 усилителя постоянного тока, поэтому в электронных микровольтметрах вместо УПТ используют модулятор с усилителем переменного тока. Модулятор преобразует постоянный ток в переменный.

Электронный вольтметр переменного тока.

В детекторе должно измеряться максимальное значение после прохождения сигнала, т.е. после 1 периода. Детектор это устр-во, которое преобразует переменное напряжение в постоянное за период; амплитудный или пиковый детектор проверяет максимальное значение, детектор среднего значения среднее значение за период. Входное устр-во представляет собой делитель. Т.о. вольтметр может измерять напряжение высокого уровня. Постоянный сигнал после детектора усиливается усилителем постоянного тока и поступает на измерит. механизм магнитоэлектр системы. Характеристики: частотные характеристики такого вольтметра определяются входныи устр-вами и детектором. В качестве детекторов обычно выступают конденсаторы.

Электронный милливольтметр (аналоговый)

α

перем Перем перем = =

Когда сигнал мал, мы его усиливаем, ставим усилитель переменного тока

За счет использования усилителей напряжения повышается чувствительность прибора, в основных схемах действуют также. Частотный диапазон таких приборов определяется частотными характеристиками усилителя переменного напряжения и ограничивается 1МГц из-за трудностей изготовления широкополостных усилителей.

Диапазон от мВ до сотен В

Элементным базы приборов определяются существующим уровнем техники и производства, функциональное назначение блоков при этом не изменяется.

Амплитудный электронный вольтметр

Позволяет измерить амплитуду импульсов с минимальной длительностью до десятых долей мксек и скважностью 2…500

Скважность – характеристика на импульсном сигнале, длительность паузы, расстояние между одноименными фронтами.

Верхняя граница частотного диапазона определяется диодами, значениями емкостей и индуктивностью проводящих проводов. Нижняя граница определяется временем разряда конденсатора. Ем больше это значение, тем ниже частота

Класс точности 4.0-10.0

Входное сопротивление от 10кОм до 5Мом

Электронные вольтметры могут строиться по универсальной схеме измерений, то есть могут измерять сигналы и постоянного и переменного токов. В этом случае переменный сигнал проходит через детектор.

Читайте также:  Алюминий и дюраль в чем разница

Обобщенная структурная схема вольтметра постоянного тока приведена на рис. 1,а. Она включает входное устройство, усилитель постоянного тока А1 и электромеханический измерительный прибор PV1. Входное устройство предназначено для создания высокого входного сопротивления, чтобы уменьшить влияние вольтметра на измеряемую цепь. Оно состоит из делителей напряжения – аттенюаторов, с их помощью изменяют пределы измеряемых величин. В некоторых вольтметрах входное устройство содержит эмиттерный повторитель (или истоковый – при использовании полевых транзисторов).

К УПТ предъявляются высокие требования: малый дрейф нуля, высокая стабильность усиления, малый уровень шумов.

В вольтметрах постоянного тока высокой чувствительности входной сигнал преобразуется в переменный, усиливается и затем вновь преобразуется в напряжение постоянного тока.

Обобщенная структурная схема вольтметра переменного тока показана на рис. 1,б. Принцип действия такого вольтметра состоит в преобразовании переменного напряжения в постоянное, которое измеряется стрелочным электромеханическим прибором. В качестве преобразователей переменного напряжения в постоянное используются пиковые (амплитудные) детекторы, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значения напряжения. Применение того или иного преобразователя переменного тока в постоянный определяет способность вольтметра измерять то или иное значение напряжения.

На обобщенной схеме показаны усилитель переменного напряжения А1 и УПТ А2, включенный после преобразователя V1. Однако в практических приборах применение обоих усилителей встречается очень редко. Используется либо додетекторное усиление, либо последетекторное. В высокочувствительные измерители напряжения вводят усилители переменного напряжения, обычно широкополосные, с полосой пропускания от единиц герц до десятков мегагерц.

Для обеспечения широкой области рабочих частот вплотьдо 1 ГГц усилители переменного напряжения не применяют, а применяют усилители постоянного тока.

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В цифровых вольтметрах переменного напряжения используется аналоговое преобразование измеряемого переменного напряжения в постоянное. В импульсных цифровых вольтметрах находят применение специальные АЦП – амплитудно-временные преобразователи. В вольтметрах с уравновешивающим преобразованием используются соответствующие АЦП.

Цифровые вольтметры прямого преобразования более просты по устройству, но имеют меньшую точность. По используемому способу аналого-цифрового преобразования они бывают: с временным, временным с интегрированием и частотным преобразованием. Интегрирующие цифровые вольтметры, измеряющие среднее значение напряжения за время измерения, обладают повышенной помехозащищенностью. Входное устройство (рис. 2) содержит делители напряжения и предназначено для расширения пределов измерения. Оно обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление вольтметра. Устройство определения полярности измеряемого напряжения основано на определении последовательности срабатывания двух устройств сравнения. На первое подается пилообразное напряжение, принимающее значения от –U до +U, и измеряемое напряжение. Устройство срабатывает (выдает импульс) в момент равенства напряжений. Другое устройство сравнения срабатывает в момент равенства пилообразного напряжения нулю. Сигнал полярности подается в цифровое отсчетное устройство. Устройство автоматического выбора пределов измерения сравнивает измеряемое напряжение с набором напряжений и управляет делителем.

Цифровые вольтметры с уравновешивающим преобразованием строятся в основном по двум типам структурных схем: с использованием программирующего устройства и цифрового счетчика. В них измеряемое напряжение уравновешивается дискретно-изменяющимся компенсирующим образцовым напряжением. На рис. 3,а,б показаны эти структурные схемы.

Рассмотрим работу вольтметра, построенного по схеме с цифровым счетчиком (рис. 3,б). Тактовые импульсы поступают на цифровой счетчик через управляющее устройство, определяющее порядок заполнения ячеек. Счетчик изменяет состояние элементов преобразователя кода и компенсирующее напряжение. Измеряемое напряжение, поступающее на устройство сравнения, сравнивается с компенсирующим напряжением. В зависимости от знака этой разности на выходе устройства сравнения управляющее устройство либо продолжает пропускать тактовые импульсы на счетчик, либо нет. Новый цикл измерений начинается с момента сбрасывания на нуль показаний счетчика. В этот же момент в исходное состояние приводится компенсирующее напряжение и на счетчик начинают поступать счетные импульсы.

Ссылка на основную публикацию