Что измеряет и показывает вольтметр. Какое напряжение показывает вольтметр?

Важно учитывать, что при таком подключении часть тока I_V проходит через вольтметр, а не через анализируемый элемент R. Это приводит к ситуации, когда процесс измерения физической величины может оказывать воздействие на ее значение. Такой эффект наблюдается не только в данном случае, но и в других аспектах физики.

Что измеряет и показывает вольтметр

Вольтметр — это прибор, с которым знаком каждый, начиная с первых уроков физики и изучения электродинамики. Понимание того, что именно измеряет вольтметр и как именно он работает, открывает возможность применять его в собственных целях с максимальной эффективностью. Важно, чтобы вольтметр был подключен параллельно к цепи, иначе результаты измерений могут быть искаженными. При работе с электрическими токами любого напряжения необходимо соблюдать меры предосторожности, потому что они могут быть опасны для жизни.

Детальное введение в прибор
Определение напряжения
Типы вольтметров
Технические характеристики
Принцип работы устройства
Правила безопасности

Подробнее о приборе

Вольтметр предназначен для измерения электрического напряжения в цепи. Название этого устройства происходит от старинного греческого термина, означающего «измерительный прибор» — метр, и от единицы измерения напряжения — вольт. Чтобы использовать его, необходимо просто подключить его к розетке, и он покажет величину напряжения. Однако стоит отметить, что напряжение может колебаться, и это может негативно повлиять на точность измерений.

Для обеспечения точности вольтметр должен обладать очень высоким внутренним сопротивлением. В противном случае его присутствие в цепи может повлиять на ее параметры, искажающее истинные значения. Естественно, идеальные вольтметры с бесконечным внутренним сопротивлением существуют только теоретически, но современные технологии при производстве прибора направлены на максимальное увеличение этого параметра.

Что такое напряжение

Понимание работы вольтметра невозможно без знания, что именно он измеряет. Важно четко осознать, что представляет собой напряжение и какие факторы влияют на его величину.

Согласно школьному курсу физики, напряжение рассчитывается по формуле U=IR, где:

U — это напряжение;
I — сила тока;
R — сопротивление цепи.

Чтобы вычислить напряжение в электрической сети, необходимо умножить силу тока на сопротивление. Однако для этого необходимо понимать, что эти два параметра представляют собой. Например, если сила тока составляет 5 ампер, а сопротивление равно 2 Ом, то напряжение будет равно 10 вольтам.

Несмотря на то что данная формула проста, она не раскрывает сути напряжения и его полезности для измерения. Напряжение — это всего лишь цифры, которые ничего не говорят о самом процессе. Проблема в том, что физически сам ток не виден, как и мелкие заряженные частицы, создающие его движение.

Для лучшего понимания можно провести аналогию: ток в проводнике можно сравнить с потоками воды в реках и водопадах, где поток воды движется с высокого уровня на низкий. В этом случае высота, с которой сходит вода, аналогична напряжению в электрической сети. То есть напряжение в сети можно рассматривать как давление воды в реке. Отсутствие напряжения означает легкое отсутствие протекания тока. Даже в том случае, если уровень воды остается неизменным, например, в озере, течение не будет иметь места.

На шкале вольтметра обычно обозначение «V», что позволяет отличать его от других измерительных приборов. Например, амперметр, предназначенный для измерения силы тока, также имеет визуальное оформление, схожее с вольтметром.

Разные вольтметры могут иметь широкий диапазон измерений. Некоторые из них предназначены для работы с низковольтными сетями и могут отображать максимум 5 вольт, в то время как более продвинутые модели могут показывать напряжение в 10, 25 вольт и даже до 1000 вольт для мощных устройств. Выбор зависит от конкретных целей использования вольтметра.

Вступительное слово

Когда речь идёт о напряжении в розетке, выражение «розетка 220 вольт» довольно часто используется для упрощения ситуации.

По нормативу ГОСТ 29322-2014, напряжение в сети должно оставаться в пределах 230 В±10% при частоте 50±0,2 Гц. Важно отметить, что это относительно «фазного» напряжения 400 В и «фазно-нейтрального» 230 В. Однако в реальности всё еще часто употребляются системы 220/380 В и 240/415 В.

Также возникают сложности при упоминании «фазного», «линейного», «активного» и «пикового» напряжений. Сколько вольт реально в розетке?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно углубиться в особенности измерения переменного напряжения.

Как измерить переменное напряжение?

Прежде чем рассматривать сложные цепи переменного тока и их особенности, стоит вспомнить об основах цепей постоянного тока.

Цепи постоянного тока значительно проще. Если к цепи постоянного тока подключить активную нагрузку, например, обычную лампочку, вся информация о происходящем в цепи сводится к двум моментам: напряжение на нагрузке U и ток, проходящий через неё I. Мощность, потребляемая нагрузкой, определяется формулой:

С учетом закона Ома, мощность P, поглощаемая нагрузкой лампы, также можно рассчитать через:

С переменным напряжением дело обстоит сложнее: оно может изменяться и иметь разные значения в течение времени. Таким образом, подключенная к источнику переменного тока нагрузка (например, лампа) будет выдавать разную мощность в разное время. Этот эффект является достаточно усложняющим фактором.

Компьютер не видит принтер? Решение проблемы. Почему принтер не видит компьютер?

Однако стоит отметить, что форма напряжения, которая встречается в домашних розетках, синусоидальная. Синусоидальная форма полностью описывается тремя параметрами: амплитудой, периодом и фазой. В однофазной сети, которая, как правило, используется в стандартных бытовых условиях, можно не задумываться о фазе. На примере можно увидеть, как выглядит два периода сети с однофазным напряжением.

Теперь давайте разберем, что означают обозначения на картинке.

T — период — это время, необходимое для того, чтобы пройти одним полным циклом между двумя последовательными максимумами или минимумами синусоидальной волны. Например, для сети 50 Гц время период составляет 20 миллисекунд, что соответствует частоте колебания 50 Гц.

Важно помнить, что напряжения в двух точках синусоиды, находящихся на расстоянии целого числа периодов, всегда будут равны.

Амплитуда Um — это максимальное напряжение синусоидальной волны, а фактическое напряжение Ud определяется позже.

Напряжение в однофазной сети можно описать следующей формулой:

где t — текущее время, Um — амплитуда, а T — период сетевого напряжения.

В случае с однофазным переменным напряжением, можно легко рассчитать мощность, которую лампа накаливания выдаёт, когда подключена к розетке.

Лампа накаливания является активной нагрузкой, значит, её сопротивление не будет меняться в зависимости от частоты напряжения и тока. Поэтому мгновенная мощность, вырабатываемая лампой, можно расчислить по следующему уравнению:

где t — это время, а R — сопротивление нагревательной спирали, когда она находится в горячем состоянии. Если мы знаем амплитуду напряжения переменного тока Um, результат можно записать как:

Отметим, что мгновенная мощность — это сложный параметр, который не всегда применим на практике. Поэтому, как правило, при измерении вольтметром требуется использование средней мощности за конкретный временной интервал. Это именно та мощность, которая указывается на лампах, обогревателях и других электроустройствах.

Средняя мощность рассчитывается следующим образом:

Что показывает вольтметр?

В случае с постоянным током всё просто — вольтметр показывает одно и то же напряжение между двумя его контактами.

Однако с цепями переменного тока дело обстоит более сложно. Многие люди, как я показывал, ошибочно принимают, что вольтметр указывает пиковое напряжение Um, но это не так.

Наоборот, вольтметры показывают среднеквадратичное значение напряжения сети Ud.

Это верно для вольтметров, предназначенных для работы с переменным током! Поэтому, когда измеряете сеть, обязательно убедитесь, что вольтметр переключен в режим переменного тока.

Следует отметить, что существуют вольтметры, показывающие «пиковые» значения напряжения, однако они практически не используются в домашних условиях при измерении сетевого напряжения.

Рассмотрим, почему это так. Почему бы не измерить амплитуду прямо? Зачем нам среднее значение напряжения?

Это связано с понятиями потребления энергии и практической необходимостью. Реальное значение переменного напряжения соответствует значению постоянного напряжения, которое производит такую же работу, как и переменное напряжение за период, равный одному циклу переменного напряжения.

Проще говоря, лампа накаливания будет светить с одинаковой яркостью, независимо от того, подключена ли она к цепи постоянного тока 220 В или к сети с переменным током со среднеквадратичным значением 220 В.

Для тех, кто знаком с интегралами, вот общая формула для вычисления эффективного напряжения любой формы:

Кажется, из этой формулы понятно, почему фактическое значение переменного напряжения часто называют «среднеквадратичным».

Важно упомянуть, что для синусоидальных форм волны напряжения существует также упрощенная формула, основанная на среднем значении мощности за один период:

Где Ud — это истинное или среднеквадратичное значение напряжения (такое же, как обычно показывает вольтметр), а Um — значение амплитуды.

Среднеквадратичное значение удобно тем, что расчёт средней мощности для активной нагрузки будет идентичен расчёту непрерывной мощности:

Это не вызывает удивления, если вспомнить определение фактического значения напряжения.

Теперь давайте подсчитаем амплитуду напряжения в розетке «220 В»:

Наиболее неблагоприятный вариант для сети с 240 В, даже с учётом допуска в +10%, амплитуда будет целых !

Это означает, что для обеспечения надёжной работы оборудования, подключенного к сети, компоненты должны выдерживать пиковое напряжение не менее 400 В, особенно если речь идет о устройствах, которые непосредственно используют сетевое напряжение.

Важно отметить, что для несинусоидальных форм волны расчет фактического напряжения следует производить по другим формулам. Заинтересованные лица могут выполнить интегралы или найти их в справочных материалах. Но так как мы рассматриваем сеть, она всегда тригонометрической формы.

Как работает вольтметр?

Существует два основных типа вольтметров: аналоговые и цифровые, где первые показывают напряжение через наклон стрелки механического индикатора, а вторые более распространены благодаря своему использованию сложных электронных схем.

Аналоговые вольтметры чаще всего действуют как амперметры, к которым последовательно подключается резистор R_V с очень высоким электрическим сопротивлением. Таким образом, они в первую очередь измеряют ток I_V, а уже затем рассчитывают значение напряжения U_V= I_V* R_V.

Цифровые вольтметры работают иначе: их довольно просто построить. Если включить их параллельно низкоомному резистору, они начинают функционировать как амперметры. Значение индекса можно рассчитать через уравнение: U_V= I_V* R_V.

Какое крепление мауэрлата к стене выбрать – варианты и способы монтажа. Как крепить мауэрлат к армопоясу?

Существует также аналоговый вольтметр, который не основывается на принципе амперметра. Это электростатический вольтметр, который в своей основе представляет конденсатор, часть обкладки которого неподвижна, а другая часть подвижна. Указатель в этом устройстве двигается под влиянием электрического взаимодействия между клеммами. Такие вольтметры могут измерять очень высокие напряжения, и их внутреннее сопротивление практически бесконечно.

Устройство

Рассмотрим конструкцию электростатического и электромагнитного вольтметров, а также способы их подключения в цепи.

На приведенной ниже картинке показаны конструкция электростатического вольтметра (слева) и электромагнитного вольтметра (справа), включая детали их подключения в цепь. Движущиеся части вольтметра отмечены красным цветом.

Различные элементы вольтметра отмечены цифрами на изображении.

На изображении приведены следующие компоненты:

Неподвижная часть воздушного конденсатора.
Подвижная часть обкладки воздушного конденсатора (близость ее к неподвижной части отражает величину напряжения между обкладками).
Индикатор, который позволяет считывать результат на шкале.
Катушка, через которую проходит ток, создающий магнитное поле.
Ферромагнитный элемент, который втягивается в катушку. Его степень втягивания увеличивается с усиливающим током, создаваемым магнитным полем.
Пружина, уравновешивающая силу притяжения.
Направление магнитного поля, создаваемого катушкой.
Дополнительный резистор для изменения диапазона измерений вольтметра.
Подсчет электрического напряжения на элементах электрической цепи.
Электрическое напряжение на элементе R₁.
Электрическое напряжение на элементе R₂.

Вольтметр и его назначение, принцип работы и виды

Вольтметр — это измерительный прибор, предназначенный для определения электродвижущей силы (ЭДС) в какой-либо точке цепи, проще говоря, измеряет разность потенциалов. Этот прибор всегда подключается параллельно силовому элементу или нагрузке. Он отображает измеренное значение в вольтах.

Идеальный вольтметр должен обладать бесконечным внутренним сопротивлением, чтобы обеспечивать точное измерение напряжения без влияния на весь электрический контур. Поэтому высококлассные устройства стремятся создать как можно более высокое внутреннее сопротивление, что напрямую влияет на точность измерений и минимизацию помех, создаваемых вольтметром для электрической схемы.

На изображении показаны различные типы измерения напряжения.

По типу установки вольтметры подразделяются на три основные группы:

Стационарные вольтметры предназначены для постоянного контроля, щитовые вольтметры используются в распределительных щитах и на приборных панелях, а переносные модели являются компактными устройствами, которые можно использовать в любом месте.

Вот пример подключения вольтметра в схему:

Предлагаем вашему вниманию видеоуроки по подключению вольтметра:

Проверка вольтметров по назначениям

Вольтметры постоянного и переменного тока предназначены для соответствующих типов сетевых измерений, но существуют также селективные вольтметры, которые могут отделять гармонические составляющие составного сигнала и определять среднеквадратичное значение напряжения.

Импульсный вольтметр используется для измерения амплитуды равномерных импульсных сигналов и также способен точно определять амплитуду одного импульса.

Измерители, чувствительные к фазе, могут использоваться для оценки изменений в компонентах импедансных напряжений, что позволяет детально анализировать амплитудное и фазовое поведение различных схем, включая усилители.

Вольтметры также разделяются на электронные (цифровые или аналоговые) и электромеханические (включая электромагнитные, термоэлектрические, магнитоэлектрические, электродинамические и электростатические). Все электромеханические устройства, кроме термоэлектрических, представлены стандартным измерительным механизмом с индикацией.

Эта категория имеет относительно высокое внутреннее сопротивление, но и высокую погрешность, поэтому она не подходит для научных исследований и экспериментов, требующих высокой степени точности.

Термоэлектрические вольтметры используют электродвижущую силу одной или нескольких термопар, нагреваемых входным сигналом. Они, как правило, более точные и компактные по сравнению с электромеханическими моделями.

Среди электронных вольтметров выделяют как аналоговые, так и цифровые модели.

Цифровые вольтметры преобразуют фиксированное значение напряжения в цифровой сигнал, который отображается на дисплее прибора благодаря использованию аналого-цифровых преобразователей.

Аналоговые вольтметры, как правило, содержат магнитоэлектрические измерители и дополнительные резисторы, а также измерительный усилитель, который повышает внутреннее сопротивление устройства, тем самым увеличивая точность измерений.

Рассмотрим несколько вольтметров разных производителей

1. В3-57 — микровольтметр

Модель B3-57 RMS является вольтметром/преобразователем, который предназначен для измерения среднеквадратичных напряжений любой формы и линейного преобразования их в постоянное напряжение. Шкала устройства указывает среднеквадратичные значения напряжения и децибелов (от 0 дБ до 0,775 В). Прибор применяют для калибровки и настройки различных радиоустройств, расчета частотной характеристики широкополосных устройств, а также для контроля фиксированных сигналов помех.

— Пределы измеряемого напряжения: от 10 мкВ до 300 В с предельными диапазонами: 0,03-0,1-0,3-1-3-10-30-100-300 мВ и 1-3-10-30-100-300 В;

— Частотный диапазон: 5 Гц — 5 МГц;

— Допустимая погрешность: ±1% (30-300 мВ), ±1,5% (1-10 мВ), ±2,5% (0,1-0,3 мВ и 1-300 В), ±4% (0,03 мВ);

— Входное сопротивление: 5 мегаом ±20%;

— Входная емкость: 27 пФ (0,03-300 мВ) и 12 пФ (1-300 В);

— Выходное напряжение линейного преобразователя: 1 В;

— Выходное сопротивление линейного преобразователя: 1 кОм ±10%;

— Пределы коэффициента амплитуды сигнала: 6*(Uk/Ux);

2. Вольтметр переменного тока АКИП-2401

— Измеряет среднеквадратичные значения напряжения переменного тока;

— Частотный диапазон: 5 Гц — 5 МГц;

— Диапазон измерения напряжения: 50 мкВ…300 В (6 диапазонов);

— Два входа для измерения высокочастотных сигналов: Can1 и Can2;

— Максимальное разрешение: 0,0001 мВ;

— Отображает уровень входного сигнала в дБн, дБм, Upeak;

Как покрасить пластик из баллончика. Выбираем материалы. Как покрасить пластик из баллончика.

— Автоматический или ручной выбор пределов измерения, возможность сохранения результатов.

3. Вольтметр В7-40/1

Вольтметр V7-40/1 — это высококачественный цифровой универсальный прибор для измерения как постоянного, так и переменного напряжения, тока и сопротивления. Его применяют в производстве радиоаппаратуры, радиоэлектронных компонентов, научных и экспериментальных исследованиях, а также в лабораториях. Встроенный интерфейс IEEE-488 позволяет успешно интегрировать V7-40/1 в автоматизированные информационно-измерительные системы.

Прибор подходит для жестких эксплуатационных условий.

— Точность измерения постоянного тока составляет 0,05%;

— Максимальное разрешение V7-40/1: 1 мкВ; 10 мкА; 1 мОм;

— Диапазоны: 0,2; 20; 200; 1000 (2000) В;

— Разрешение: 1, 10, 100 мкВ; 1, 10 мВ;

— Основная погрешность измерения: ±(0,04% + 5 p);

— В диапазоне 0,2 В: не менее 1 ГОм;

— В диапазоне 2 В: не менее 2 ГОм;

— В диапазоне 200….1000В: не менее 10 Мегаом;

Также вы можете посмотреть дополнительное видео о подключении вольтметра:

Чем отличается вольтметр от амперметра?

Важно разобраться в различиях между вольтметром и амперметром, так как эти приборы часто путают. Амперметр измеряет силу тока, тогда как вольтметр предназначен для определения напряжения.

Следующее важное отличие между обоими приборами связано с их внутренним сопротивлением. При использовании амперметра минимизация данного параметра имеет первостепенное значение и достигается за счёт использования шунтирующего резистора, который полностью поглощает нагрузку и способствует более точным измерениям. В случае с вольтметром требуется максимальное внутреннее сопротивление для обеспечения правильных измерений напряжения.

Третье важное различие заключается в способе подключения устройств к электрической цепи. Амперметр подключается последовательно, и контакт с сетевыми терминалами или источником питания может привести к повреждению, что недопустимо. Напротив, вольтметр подключается параллельно.

Инструкция по эксплуатации вольтметра

Давайте теперь обсудим, как правильно использовать данное устройство. Первое и важное правило: подключать вольтметр нужно только параллельно. Второе правило — обязательно проверить, что диапазон измерений точно соответствует предполагаемому напряжению в цепи. Если он окажется слишком высоким, например в киловольтах, это может привести к снижению точности. Но если диапазон окажется слишком мал, существует риск повреждения прибора или отображение ложных значений.

Если вы имеете дело с электромеханическим вольтметром, перед использованием его нужно предварительно настроить. Для настройки обязательно ознакомьтесь с руководством пользователя, так как каждая модель может существенно отличаться по характеристикам.

Если ваш прибор предназначен для измерения постоянного напряжения, никогда не подключайте его к переменному току, так как это приведет к его выходу из строя. Однако если у вас универсальный измеритель, его работа сводится к выбору нужного режима.

Также стоит помнить, что если у вашего прибора есть механическая шкала, нужно периодически устанавливать стрелку на ноль. Для этого предусмотрены специальные кнопки на корпусе устройства, а при их отсутствии может использоваться обычная отвертка.

Обязательно избегайте касания оголенной зоны зонда голыми руками, особенно если напряжение превышает 60 вольт, поскольку это может быть как неприятным, так и опасным для здоровья. При высокой вероятности удара током, необходимо работать только в защитных перчатках.

Подключая провода датчика к протекающему току, всегда используйте попытку с применением электродов или зажимов, которые входят в стандартный комплект поставки устройства.