Вольтметр — это прибор, используемый для измерения разности электрических потенциалов между двумя точками электрической цепи . Он подключен параллельно . Обычно он имеет высокое сопротивление , поэтому потребляет незначительный ток из цепи.
Аналоговые вольтметры перемещают указатель по шкале пропорционально измеряемому напряжению и могут быть построены из гальванометра и последовательного резистора . Измерители, использующие усилители, могут измерять крошечные напряжения в микровольтах или меньше. Цифровые вольтметры дают числовое отображение напряжения с помощью аналого-цифрового преобразователя .
Вольтметры изготавливаются в самых разных вариантах: 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 другого стационарного оборудования. Портативные приборы, обычно оборудованные для измерения тока и сопротивления в виде мультиметра, являются стандартными испытательными приборами, используемыми в электротехнических и электронных работах. Любое измерение, которое можно преобразовать в напряжение, можно отобразить на измерителе, откалиброванном соответствующим образом; например, давление, температура, расход или уровень на химическом заводе.
Аналоговые вольтметры общего назначения могут иметь точность в несколько процентов полной шкалы и используются при напряжениях от долей вольта до нескольких тысяч вольт. Цифровые счетчики могут быть изготовлены с высокой точностью, обычно лучше 1%. Специально откалиброванные испытательные приборы имеют более высокую точность, а лабораторные приборы способны проводить измерения с точностью до нескольких частей на миллион. Частью проблемы изготовления точного вольтметра является калибровка для проверки его точности. В лабораториях ячейка Вестона используется в качестве стандартного напряжения для точных работ. Доступны прецизионные источники опорного напряжения на основе электронных схем.
На принципиальных схемах вольтметр обозначается буквой V в круге с двумя появляющимися линиями, обозначающими две точки измерения.
Гальванометр с подвижной катушкой можно использовать в качестве вольтметра, включив 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, противодействующую вращению. Таким образом, отклонение катушки пропорционально току, который, в свою очередь, пропорционален приложенному напряжению, которое указывается стрелкой на шкале.
Одна из целей разработки прибора — как можно меньше воздействовать на цепь, поэтому для работы прибор должен потреблять минимум тока. Это достигается путем включения последовательно чувствительного гальванометра с большим сопротивлением, а затем весь прибор включается параллельно исследуемой цепи.
Чувствительность такого измерителя может быть выражена как «Ом на вольт» — количество сопротивлений в Омах в цепи измерителя, деленное на измеренное значение полной шкалы. Например, измеритель с чувствительностью 1000 Ом на вольт будет потреблять 1 миллиампер при полном напряжении; если бы полная шкала составляла 200 В, сопротивление на клеммах прибора было бы200 000 Ом и при полной шкале измеритель будет потреблять 1 миллиампер от тестируемой цепи. Для многодиапазонных приборов входное сопротивление меняется при переключении прибора на разные диапазоны.
Приборы с подвижной катушкой и полем постоянного магнита реагируют только на постоянный ток. Для измерения переменного напряжения требуется наличие в цепи выпрямителя , чтобы катушка отклонялась только в одном направлении. Некоторые инструменты с подвижной катушкой также имеют нулевое положение в середине шкалы, а не на одном конце; они полезны, если напряжение меняет полярность.
Вольтметры, работающие по электростатическому принципу , используют взаимное отталкивание двух заряженных пластин для отклонения указателя, прикрепленного к пружине. Счетчики этого типа потребляют незначительный ток, но чувствительны к напряжению выше 100 В и работают как с переменным, так и с постоянным током.
Чувствительность и входное сопротивление вольтметра можно повысить, если ток, необходимый для отклонения стрелки измерителя, подается не от проверяемой цепи, а от усилителя и источника питания. 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, уменьшая ток, потребляемый из тестируемой цепи. Вольтметры с усилителем 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 схеме усилителя и поэтому называлась ламповым вольтметром (VTVM). Они почти всегда питались от местной сети переменного тока и поэтому не были особенно портативными. Сегодня в этих схемах используется полупроводниковый усилитель на полевых транзисторах , отсюда FET-VM, и они появляются в портативных цифровых мультиметрах , а также в настольных и лабораторных приборах. Они в значительной степени заменили мультиметры без усилителя, за исключением самых дешевых ценовых диапазонов.
Большинство VTVM и FET-VM предназначены для измерения постоянного и переменного напряжения, а также измерения сопротивления; современные FET-VM добавляют измерения тока, а часто и другие функции. Специализированной формой VTVM или FET-VM является вольтметр переменного тока. Эти приборы оптимизированы для измерения напряжения переменного тока. Они имеют гораздо более широкую полосу пропускания и лучшую чувствительность, чем типичное многофункциональное устройство.
Цифровой вольтметр (DVM) измеряет неизвестное входное напряжение путем преобразования напряжения в цифровое значение, а затем отображает напряжение в числовой форме. Цифровые виртуальные машины обычно разрабатываются на основе аналого-цифрового преобразователя особого типа , называемого интегрирующим преобразователем .
На точность измерений DVM влияет множество факторов, включая температуру, входное сопротивление и изменения напряжения питания DVM. Менее дорогие DVM часто имеют входное сопротивление порядка 10 МОм. Прецизионные цифровые вольтметры могут иметь входное сопротивление 1 ГОм или выше для более низких диапазонов напряжения (например, менее 20 В). Чтобы гарантировать, что точность цифрового цифрового вольтметра находится в пределах допусков, указанных производителем, его необходимо периодически калибровать по стандарту напряжения , такому как элемент Вестона .
Первый цифровой вольтметр был изобретен и произведен Эндрю Кеем из компании Non-Linear Systems (а позже основателем Kaypro ) в 1954 году. [1]
В простых вольтметрах переменного тока используется выпрямитель, подключенный к цепи измерения постоянного тока, который реагирует на среднее значение формы сигнала. Измеритель можно откалибровать для отображения среднеквадратического значения формы сигнала, предполагая фиксированное соотношение между средним значением выпрямленного сигнала и среднеквадратичным значением. Если форма сигнала значительно отличается от синусоиды, принятой при калибровке, измеритель будет неточным, хотя для простых форм сигнала показания можно скорректировать путем умножения на постоянный коэффициент. В ранних схемах «истинного среднеквадратического значения» использовался термопреобразователь, который реагировал только на среднеквадратичное значение формы сигнала. Современные инструменты рассчитывают среднеквадратичное значение, вычисляя в электронном виде квадрат входного значения, взяв среднее значение и затем вычислив квадратный корень из значения. Это позволяет проводить точные среднеквадратичные измерения для различных форм сигналов. [2]
