Вольтметр — это прибор, используемый для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками в электрической цепи . Он подключается параллельно . Обычно он имеет высокое сопротивление , поэтому он потребляет незначительный ток из цепи.
Аналоговые вольтметры перемещают стрелку по шкале пропорционально измеряемому напряжению и могут быть построены из гальванометра и последовательного резистора . Счетчики, использующие усилители, могут измерять крошечные напряжения в микровольты или меньше. Цифровые вольтметры дают числовое отображение напряжения с помощью аналого -цифрового преобразователя .
Вольтметры изготавливаются в широком диапазоне стилей, некоторые из них питаются отдельно (например, от батареи), а другие питаются от самого источника измеряемого напряжения. Приборы, постоянно установленные на панели, используются для контроля генераторов или других стационарных устройств. Портативные приборы, обычно оборудованные также для измерения тока и сопротивления в виде мультиметра, являются стандартными контрольно-измерительными приборами, используемыми в электротехнических и электронных работах. Любое измерение, которое может быть преобразовано в напряжение, может отображаться на счетчике, который соответствующим образом откалиброван; например, давление, температура, расход или уровень на химическом заводе.
Аналоговые вольтметры общего назначения могут иметь точность в несколько процентов от полной шкалы и используются с напряжениями от долей вольта до нескольких тысяч вольт. Цифровые счетчики могут быть изготовлены с высокой точностью, обычно лучше 1%. Специально откалиброванные контрольно-измерительные приборы имеют более высокую точность, а лабораторные приборы способны измерять с точностью в несколько частей на миллион. Часть проблемы создания точного вольтметра заключается в калибровке для проверки его точности. В лабораториях ячейка Вестона используется в качестве стандартного напряжения для точной работы. Доступны прецизионные эталоны напряжения на основе электронных схем.
На принципиальных схемах вольтметр обозначается буквой V в круге, две выходящие линии которого представляют две точки измерения.
Гальванометр с подвижной катушкой можно использовать в качестве вольтметра, вставив резистор последовательно с прибором . Гальванометр имеет катушку из тонкой проволоки, подвешенную в сильном магнитном поле. При подаче электрического тока взаимодействие магнитного поля катушки и неподвижного магнита создает крутящий момент, стремящийся заставить катушку вращаться. Крутящий момент пропорционален току через катушку. Катушка вращается, сжимая пружину, которая противодействует вращению. Отклонение катушки, таким образом, пропорционально току, который, в свою очередь, пропорционален приложенному напряжению, которое указывается стрелкой на шкале.
Одной из целей проектирования прибора является как можно меньшее нарушение цепи, поэтому прибор должен потреблять минимальный ток для работы. Это достигается путем использования чувствительного гальванометра последовательно с высоким сопротивлением, а затем весь прибор подключается параллельно к исследуемой цепи.
Чувствительность такого измерителя может быть выражена как "Ом на вольт", число Ом сопротивления в цепи измерителя, деленное на полную шкалу измеренного значения. Например, измеритель с чувствительностью 1000 Ом на вольт будет потреблять 1 миллиампер при напряжении полной шкалы; если полная шкала будет 200 вольт, сопротивление на клеммах прибора будет200 000 Ом и при полной шкале счетчик будет потреблять 1 миллиампер от тестируемой цепи. Для многодиапазонных приборов входное сопротивление меняется при переключении прибора на различные диапазоны.
Приборы с подвижной катушкой и постоянным магнитным полем реагируют только на постоянный ток. Измерение переменного напряжения требует выпрямителя в цепи, чтобы катушка отклонялась только в одном направлении. Некоторые приборы с подвижной катушкой также изготавливаются с нулевой позицией в середине шкалы, а не на одном конце; они полезны, если напряжение меняет свою полярность.
Вольтметры, работающие по электростатическому принципу, используют взаимное отталкивание между двумя заряженными пластинами для отклонения стрелки, прикрепленной к пружине. Счетчики этого типа потребляют незначительный ток, но чувствительны к напряжению свыше 100 вольт и работают как с переменным, так и с постоянным током.
Чувствительность и входное сопротивление вольтметра можно увеличить, если ток, необходимый для отклонения стрелки измерителя, подается усилителем и источником питания, а не тестируемой схемой. Электронный усилитель между входом и измерителем дает два преимущества: можно использовать прочный прибор с подвижной катушкой, поскольку его чувствительность не обязательно должна быть высокой, а входное сопротивление можно сделать высоким, что уменьшит ток, потребляемый тестируемой схемой. Усиленные вольтметры часто имеют входное сопротивление 1, 10 или 20 МОм, которое не зависит от выбранного диапазона. Когда-то популярная форма этого прибора использовала вакуумную лампу в цепи усилителя и поэтому называлась вакуумным ламповым вольтметром (VTVM). Они почти всегда питались от локальной сети переменного тока и поэтому не были особенно портативными. Сегодня эти схемы используют твердотельный усилитель с использованием полевых транзисторов , отсюда FET-VM, и появляются в портативных цифровых мультиметрах , а также в настольных и лабораторных приборах. Они в значительной степени заменили неусиленные мультиметры, за исключением самых дешевых ценовых диапазонов.
Большинство VTVM и FET-VM обрабатывают постоянное напряжение, переменное напряжение и измерения сопротивления; современные FET-VM добавляют измерения тока и часто другие функции. Специализированной формой VTVM или FET-VM является вольтметр переменного тока. Эти приборы оптимизированы для измерения переменного напряжения. Они имеют гораздо более широкую полосу пропускания и лучшую чувствительность, чем типичное многофункциональное устройство.
Цифровой вольтметр ( DVM) измеряет неизвестное входное напряжение, преобразуя напряжение в цифровое значение, а затем отображает напряжение в числовой форме. DVM обычно проектируются вокруг специального типа аналого-цифрового преобразователя, называемого интегрирующим преобразователем .
На точность измерения DVM влияет множество факторов, включая температуру, входное сопротивление и изменения напряжения питания DVM. Менее дорогие DVM часто имеют входное сопротивление порядка 10 МОм. Прецизионные DVM могут иметь входное сопротивление 1 ГОм или выше для нижних диапазонов напряжения (например, менее 20 В). Чтобы гарантировать, что точность DVM находится в пределах допусков, указанных производителем, его необходимо периодически калибровать по стандарту напряжения , например, ячейке Вестона .
Первый цифровой вольтметр был изобретен и произведен Эндрю Кейем из Non-Linear Systems (позднее основателем Kaypro ) в 1954 году. [1]
Простые вольтметры переменного тока используют выпрямитель, подключенный к измерительной схеме постоянного тока, которая реагирует на среднее значение формы волны. Счетчик можно откалибровать для отображения среднеквадратичного значения формы волны, предполагая фиксированное соотношение между средним значением выпрямленной формы волны и среднеквадратичным значением. Если форма волны значительно отличается от синусоиды, предполагаемой при калибровке, счетчик будет неточным, хотя для простых форм волны показания можно скорректировать, умножив на постоянный коэффициент. Ранние схемы «истинного среднеквадратичного значения» использовали термопреобразователь, который реагировал только на среднеквадратичное значение формы волны. Современные приборы вычисляют среднеквадратичное значение путем электронного вычисления квадрата входного значения, взятия среднего значения и последующего вычисления квадратного корня из значения. Это позволяет проводить точные измерения среднеквадратичного значения для различных форм волн. [2]
