Волтметър

Волтметърът е инструмент служещ за измерване на разлика в потенциалите на две различни точки от електрическата верига. Напрежението е причина за насоченото движение на електроните. Единицата за измерване на напрежение е волт на името на италианския учен Александро Волта. Като определение един волт е напрежение в участък от електрическата верига, в която протича ток един ампер и разсейва мощност един ват. Според своето устройство волтметрите могат да са електромеханични и електронни – аналогови и цифрови. Електромеханичните от своя страна се делят на магнитоелектрични, електромагнитни, електродинамични, електростатични, термоелектрични, диодно-компенсаторни и др.

Електронните могат да бъдат аналогови и цифрови. Според мястото, където се извършва измерването волтметрите са стационарни, монтирани в пултове за управления или преносими, за измерване на потенциалната разлика между два проводника при работата на електротехници или в лабораторни условия. Волтметърът, като правило, се включва паралелно на източника на електрическа енергия,

за разлика от амперметъра, който се включва последователно във веригата. Ако трябва да направим най-елементарната схема с едновременно включени волтметър и амперметър, тя ще изглежда примерно така:

Идеалният волтметър има безкрайно голямо вътрешно съпротивление. При реалния волтметър съществува правопропорционална зависимост между големината на вътрешното му съпротивление и неговата точност, защото колкото по-голямо е собственото му съпротивление, толкова по-малко влияние оказват външни фактори върху измерваната величина.

Според характера на измерваната величина волтметрите се делят на: постояннотокови, променливотокови, импулсни, фазочувствителни, селективни и универсални.

Електромеханичните волтметри са обикновенно с показател на величината във вид на стрелка върху скала, макар, че има и такива, при които непрекъснатото (аналоговото) показание се „имитира“ чрез цифров дисплей. За да се увеличи диапазона на измерване на волтметъра се поставят допълнителни съпротивления. Точността на волтметрите е от няколко процента, до хилядни части от процента при лабораторните уреди.

Електромагнитните волтметри са най-евтини при изработка, най-надеждни и имат най-прост принцип на действие. Най-разпространеното им приложение е като стационални уреди монтирани във електрически табла или пултове за управление в електростанции, промишлени предприятия и електроцентрали. Недостатък на този вид волтметри е сравнително високата им лична консумация (3-6W) и високата индуктивност на намотката, създаваща зависимост на точността на измерената величина от честотата.

Най-точни (най-чувствителни) са магнитоелектрическите, които обаче могат да се използват само в постояннотокови вериги. За да се използват във променливотокови вериги се прибягва да съвместната им употреба с термоелектрически, полупроводникови или електронно-лампови преобразуватели на постоянния ток в променлив. Такива волтметри, поради използването на тези преобразуватели, се наричат термоелектрически, изправителни, или електронни и намират основно приложение в лабораторнната практика. Изправителните волтметри се използват за измервания в диапазона на звуковите честоти, а термоелектрическите и електронните – при високите честоти. Основния недостатък на правилността на показанието на тези волтметри е правилността на синусоидата на измерваното напрежение.

Електронните волтметри имат по-сложно устройство, като се използват различни малогабаритни съпротивления, и кондензатори, а в миналото и електронни лампи. Това прави този тип волтметри недостатъчно стабилни и надеждни, но поради своето много високо входно съпротивление те са незаменими при измерване на маломощни радиотехнически вериги при широк честотен диапазон – от 50Hz до 100MHz с точност под 3%.

Електронните аналогови волтметри се състоят, освен от магнитоелектрически измервателен уред и допълнителни съпротивления, също и от диференциален усилвател с малки постояннотокови смущения, малък дрейф, малък шум, много висок коефициент на усилване на сигнала при отворена верига на обратната връзка, много висок коефициент на отслабване на синфазния сигнал и високо входно съпротивление. Диференциалния измервателен усилвател се използва, за да се постигне висока точност на измерване и стабилност на схемното решение. Измервателният усилвател представлява тип двукаскаден усилвател.

Цифровите електронни волтметри преобразуват измерваното постоянно или бавно променящо се напрежение в дискретен електрически код чрез аналогово-цифров преобразувател. По този начен измерваната стойност се визуализира на дисплея в дигитален вид.

Принципа на действие на диодно-компенсаторните волтметри се състои в сравняване на измерваното напрежение чрез вакуумен диод с еталонно напрежение тип DC, което е регулируемо и чиито източник е самия волтметър. Предимството на този метод е широкият работен диапазон на честотата на измерваното напрежение – от 1 Hz до стотици MHz с висока точност.

Импулсните волтметри се използват за измерване на амплитудата на периодични импулсни сигнали с голям коефициент на запълване и висока амплитуда на единичните импулси.

Селективните волтметри могат да диференцират отделните хармоници в сигнал със сложна форма и да изчисляват средноаритметичната им стойност.

Други видове волтметри са: киловолтметър

миливолтметър, за измерване на ниски напрежения mV, микроволтметър, за измерване на много ниски напрежения – под 1 mV, нановолтметри за измерване на напрежения под 1 µV.

Фазочувствителните волтметри (векторметри) измерват съставляващите напрежения на първия хармоник на напрежението. Те имат две скали – едната за активната съставяща и друга за реактивната. По този начин фазочувствителните волтметри дават възможност за определяне на комплексното напрежение, както и неговите съставящи, приемайки за нула определена начална стойност на опорно напрежение. Тези волтметри се използват за определяне на амплитудно-фазовата характеристика на усилвателите, а така също и за определяне на това, доколко една мрежа има активен характер. По стандарт cosϕ трябва да е по-голям от 0.8 в електропреносните мрежи за битови абонати. Влошаването на фактора на мощността се предизвиква от товари с реактивен характер, като различни двигатели, индуктивности и др. Чрез фазочувствителен волтметър можем да измерим и сравним двете съставки на напрежението – активна и реактивна.

Волтметрите за измерване на постоянно напрежение имат указана на корпуса полярността им на включване: „+“ и „-“ с цел недопускането на грешки при включването им.

Съвременните преносими волтметри имат превключвател на диапазона на измерване. Често волтметъра е включен в устройството на мултимера, но за лабораторни цели, където се изисква висока точност, може да бъде и като самостоятелен уред. Разпространение намират и волтметри предназначени за монтаж на DIN шина.

В практиката волтметър или мултицет, настроен да измерва напрежение, се използва при измерване на напрежението на вторичната намотка на включен към мрежата трансформатор. На първо място трябва да се съблюдават елементарни мерки на безопасност. Например, добре е при напрежение над 24V да не се докосват оголените краища на проводника, защото през тялото ви може да протече ток. За тази цел може да използвате сонди тип крокодил, с които да хванете свободните краища на вторичната намотка, преди захранване на първичната намотка, като така ръцете ви ще останат свободни. Напрежението преобразувано от трансформатора е променливо по характер, защото трансформатора трансформира големината, но не и характера му, затова е добре да имате предвид това, когато поставяте превключвателя на определената позиция преди измерване. Ако измереното напрежение е повече от посоченото на трансформатора, не мислете, че има проблем с него. Това е така, защото вторичната верига не е затворена от товар. При включване на товар, измерваното напрежение ще е спадне малко. Разликата между напрежението на празен ход и при свързан консуматор е толкова по-голяма, колкото по-маломощен е измервания трансформатор. Друго често приложение в бита на волтметър, като отделен уред или като съставна част от мултицет е, когато искаме да измерим степента на разреждане на батерии или акумулатори. В този случай измерваме постоянно напрежение. Целта е да сравним доколко напрежението се различава от посоченото на указателната табелка или корпуса. Колкото по-ниско е от посоченото, толкова е по разредена батерията.

Нека разгледаме и случая, в който се налага да измерим пада на напрежение на един резистор, който се явява част от електронна схема. Независимо, че включваме волтметъра паралелно на товара (резистора) ако той е малък, през волтметъра ще протече някакъв обратен ток. Волтметърът създава паралелен път за тока протичащ през електрическата верига, т.е. явява се шунт. Така част от тока се отклонява от електрическата верига и преминава през шунта – волтметъра, след това отново се връща във веригата.

Според закона на Ом, напрежението на измерваната част от веригата ще се определи от протичащия през тази част на веригата ток и нейното съпротивление. Да, но ние шунтирахме веригата и част от тока протича през шунта. Доколкото съпротивлението е неизменно, а тока е по-малък, то и напрежението ще се измени. С други думи ние измерваме напрежение, което е променено от включването на волтметъра към веригата. Следователно колкото и да е точен волтметъра, измерването е не е точно. Как се преодолява този принципен проблем? Как да намалим въздействието на измервателния уред върху електрическата верига, към която е включен? Както стана дума по-горе е необходимо да се увеличи входното съпротивление на волтметъра, защото колкото е по-високо входното съпротивление на уреда, толкова по-малък ток ще протече през него и по-точни резултати ще имаме от измерването. Съвременните цифрови волтметри имат достататъчно високо съпротивление и не влияят на измерваната величина.

При измерването на напрежение със сонди тип пипала е важно проводника, към който се допират да бъде старателно зачистен. Не е достатъчно да се отстрани само изолацията му, но и трябва да се почисти лаковия слой, който е върху него, защото лошия контакт може също да компрометира измерването. Препоръчва се проводника да се усуче върху края на сондите за по качествен контакт и по-голяма контактна площ.

Волтметрите са основен измервателен уред, намиращ широко приложение в бита и индустрията, често в състава на мултицет, волтметрите се използват ежедневно от милиони хора по целия свят. Както показахме в материала те могат да бъдат най-разнообразни видове в зависимост от характера на измерваната величина, принципното им устройство и приложението.