Прибор для измерения напряжения. Как измерить напряжение мультиметром

Под переменным напряжением понимается периодически изменяющееся напряжение, основными параметрами его являются период (или частота как величина, обратная периоду), амплитуда U m и мгновенное значение сигнала U(t) .

Кроме амплитудного и мгновенного значений периодического сигнала часто используют:

1. Среднее значение (7.1)

2. Средневыпрямленное значение (7.2)

3. Действующее значение (7.3)

Зная форму сигнала, можно вычислить соотношения между амплитудным, действующим и средневыпрямленным значениями:

– коэффициент формы;

– коэффициент амплитуды.

Таблица 7.1

Комбинированные вольтметры отображают действующее значение измеряемой величины. Переход от мгновенного значения к действующему может быть реализован тремя способами: определение средневыпрямленного значения и умножение его на коэффициент формы; определение амплитудного значения и деление его на коэффициент амплитуды; расчет действующего значения по формуле (7.2). Соответственно, существуют три типа входных детекторов измерительных приборов переменного тока: детекторы средневыпрямленного значения, амплитудного значения, действующего (среднеквадратичного) значения.

Наиболее часто на практике используют синусоидальные сигналы, поэтому в приборах с детекторами средневыпрямленного значения и амплитудного значения производится соответственно умножение и деление на коэффициенты формы и амплитуды для синусоидального сигнала. Таким образом, при измерении сигналов формы, отличной от синусоидальной, будет возникать методическая погрешность.

2. Принцип действия вольтметров с детектором
средневыпрямленного значения

Напряжение переменного тока может быть измерено вольтметрами электромагнитной, электро- и ферродинамической или электростатической систем. Но наиболее широко в измерительной практике используются вольтметры, имеющие измерительный механизм магнитоэлектрической системы и преобразователь измеряемого параметра переменного напряжения в постоянный ток. Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы реагируют на среднее значение тока, протекающего по рамке. Поэтому, если пропускать через рамку ток с нулевым средним значением (например, синусоиду, меандр и т.п.), то подвижная система отклоняться не будет. Для измерения переменных токов и напряжений необходимо сигнал предварительно преобразовать в постоянный ток или напряжение. Основные типы таких преобразователей приведены в .

Рис. 7.1. Выпрямительные вольтметры

В выпрямительных вольтметрах обычно применяют схемы одно- или двухполупериодного выпрямления (см. рис. 7.1).

Недостатком простейшей схемы (рис. 7.1а) является малая чувствительность, большое обратное напряжение, приложенное к диоду, и, кроме того, несимметричность нагрузки для источника сигнала в разные полуволны сигнала. В схеме на рис. 7.1б использованы два диода, что позволяет выровнять (R=R р) токи полуволн и защитить диод Д1 от пробоя. Часто используют схемы двухполупериодного выпрямления (рис. 7.1в).

Во всех этих схемах измерительный механизм реагирует на средневыпрямленный ток, т.е. отклонение стрелки пропорционально средневыпрямленному напряжению U св измеряемого сигнала

.

В большинстве же технических приложений необходимо знать действующее (среднеквадратическое) значение U . Конечно, если измерено U св, то U можно найти, используя коэффициент формы. Например, для синусоидального сигнала U= 1,11×U св. Для удобства применения прибора это домножение на коэффициент 1,11 производится при градуировке:

;

;

.

В результате таким вольтметром удобно пользоваться при измерении синусоидальных сигналов. Если же коэффициент формы измеряемого сигнала отличается от 1,11, то возникает так называемая погрешность формы кривой.

(7.4)

Например, для меандра (К ф = 1,00):

,

т.е. методическая погрешность за счет отклонения формы кривой от синусоиды может существенно (в несколько раз) превышать инструментальную, определяемую классом точности прибора. Если известен коэффициент формы измеряемого сигнала, то можно вычислить измеряемое действующее значение U х по формуле

(7.5)

где U п - показание вольтметра выпрямительной системы.

Таким образом, при измерении напряжения переменного тока выпрямительным вольтметром следует учитывать две методические погрешности (за счет входного сопротивления и за счет формы кривой) и инструментальную погрешность самого вольтметра.

3. Принцип действия вольтметров с детектором
амплитудного значения

Вольтамперные характеристики реальных диодов имеют нулевую зону (отсутствие тока в прямом направлении) до 0,3-0,7 В. Поэтому выпрямительные вольтметры нельзя использовать при измерении малых напряжений. Необходимо предварительное усиление входного сигнала, что осуществляется в электронных вольтметрах. На рис. 7.2 приведены схемы электронных вольтметров с линейными детекторами на операционных усилителях.

а б

Рис. 7.2. Схемы электронных вольтметров.

При измерении высокочастотных напряжений часто используются электронные вольтметры с амплитудными детекторами. На рис. 7.3 приведена схема вольтметра, состоящего из:

Измерительного механизма магнитоэлектрической системы (ИМ);

Усилителя постоянного тока (УПТ);

Делителей во входных цепях;

Пробника, представляющего собой амплитудный детектор с закрытым входом.

Его выходной сигнал определяется амплитудой переменной составляющей входного сигнала.

В комбинированных вольтметрах шкала градуируется так, чтобы сразу определить среднеквадратическое (действующее) значение.

; ; ,

где К УПТ – коэффициент, зависящий от характеристик усилителя постоянного тока.

Рис. 7.3. Функциональная схема вольтметра В7-15

Градуировку комбинированных электронных вольтметров осуществляют для синусоидального входного сигнала

Если коэффициент амплитуды отличается от К А =1,41, то возникает методическая погрешность:

Например, если входной сигнал имеет форму меандра (К А =1,00), то относительная методическая погрешность:

Знак минус свидетельствует о том, что показания вольтметра меньше, чем действующее значение входного сигнала. Если известен коэффициент амплитуды входного сигнала, то действующее значение равно:

где U п - показание электронного вольтметра.

Только в случае, если градуировка шкалы совпадает с типом детектора, приборы показывают тот параметр сигнала, для которого проведена градуировка шкалы.

Учитывая большое входное активное сопротивление электронных вольтметров на промышленных частотах (до 1 кГц), часто можно пренебречь методической погрешностью за счет потребления энергии от входного сигнала и общая погрешность измерения напряжения имеет две составляющие: методическую погрешность формы кривой и инструментальную погрешность самого электронного вольтметра.

Отличительной характеристикой вакуумных диодов, часто используемых в амплитудных детекторах электронных вольтметров (см. рис. 7.3), является отсутствие нулевой зоны, и даже наличие небольшого тока через диод при нулевом входном сигнале. Нестабильность этого нулевого тока диода требует проведения перед измерением электронным вольтметром дополнительной операции "установки нуля переменного напряжения", во время которой подстраивается величина специального компенсирующего сигнала. Таким образом, при измерении электронным вольтметром напряжения переменного тока необходимо произвести две регулировки: балансировку УПТ и компенсацию нулевого тока вакуумного диода.

Современные электронные и цифровые вольтметры обычно построены по схеме широкополосный усилитель - преобразователь средневыпрямленного значения - измерительный механизм. Кроме того, как отдельный конструктивный элемент имеется амплитудный детектор с закрытым входом (пробник). Пробник подключается в случае измерения высокочастотных сигналов к входу вольтметра, работающего в этом случае в режиме измерения постоянного напряжения, поступающего с выхода пробника. Для сохранения градуировки шкалы в пробнике предусмотрен делитель (К =1), так что выходной сигнал пробника равен действующему значению при синусоидальном измеряемом напряжении.

В цифровых вольтметрах также предусматривается два варианта измерения напряжения переменного тока: при подключения сигнала к клеммам используется линейный детектор (см. рис. 7.2), а для измерения высокочастотных сигналов к приборам прилагается пробник (амплитудный детектор). В некоторых вольтметрах применяются квадратичные детекторы, выходной сигнал которых пропорционален действующему значению измеряемого напряжения и погрешность формы кривой отсутствует.

Для измерения переменного напряжения используются аналоговые электромеханические приборы (электромагнитные, электродинамические, редко - индукционные), аналоговые электронные приборы (в том числе выпрямительной системы) и цифровые измерительные приборы. Для измерений могут также использоваться компенсаторы, осциллографы, регистрирующие устройства и виртуальные приборы.

При измерении переменного напряжения следует различать мгновенное, амплитудное, среднее и действующее значения искомого напряжения.

Синусоидальное переменное напряжение может быть представлено в виде следующих соотношений:

где u(t) - мгновенное значение напряжения, В; U m - амплитудное значение напряжения, В; (У - среднее значение напряжения, В Т - период

(Т = 1//) искомого синусоидального напряжения, с; U - действующее значение напряжения, В.

Мгновенное значение переменного тока может быть отображено на электронном осциллографе или с помощью аналогового регистратора (самописца).

Средние, амплитудные и действующие значения переменных напряжений измеряются стрелочными или цифровыми приборами непосредственной оценки или компенсаторами переменных напряжений. Приборы для измерения средних и амплитудных значений используются сравнительно редко. Большая часть приборов градуируется в действующих значениях напряжения. Из этих соображений количественные значения напряжений, приведенные в учебном пособии, даны, как правило, в действующих значениях (см. выражение (23.25)).

При измерениях переменных величин большое значение имеет форма искомых напряжений, которые могут быть синусоидальными, прямоугольными, треугольными и др. В паспортах на приборы всегда указывается, для измерения каких напряжений рассчитан прибор (например, для измерения синусоидальных напряжений или прямоугольных). При этом всегда указывается, какой параметр переменного напряжения измеряется (амплитудное значение, среднее значение или действующее значение измеряемого напряжения). Как уже отмечалось, большей частью используется градуировка приборов в действующих значениях искомых переменных напряжений. В силу этого все далее рассматриваемые переменные напряжения даны в действующих значениях.

Для расширения пределов измерения вольтметров переменных напряжений используются добавочные сопротивления, измерительные трансформаторы и добавочные емкости (с приборами электростатической системы).

Использование добавочных сопротивлений для расширения пределов измерения уже рассмотрено в подразделе 23.2 применительно к вольтметрам постоянного напряжения и поэтому в данном подразделе не рассматривается. Не рассматриваются также измерительные трансформаторы напряжения и тока. Сведения по трансформаторам даны в литературе .

При более детальном рассмотрении использования добавочных емкостей для расширения пределов измерения электростатистики вольтметров может применяться одна дополнительная емкость (рис. 23.3, а) или же могут быть применены две дополнительные емкости (рис. 23.3, б).

Для схемы с одной дополнительной емкостью (рис. 23.3, а ) измеряемое напряжение U распределяется между емкостью вольтметра С у и дополнительной емкостью С обратно пропорционально значениям С у и С

Учитывая, что U c = U- Uy, можно записать

Рис. 23.3. Схема расширения пределов измерения электростатических

вольтметров:

а - схема с одной добавочной емкостью; б - схема с двумя добавочными емкостями; U - измеряемое переменное напряжение (действующее значение); С, С, С 2 - добавочные емкости; C v - емкость используемого электростатического вольтметра V; U c - падение напряжения на дополнительной емкости С; U v - показание электростатического вольтметра

Решая уравнение (23.27) относительно U, получим:

Из выражения (23.28) следует, что чем больше измеряемое напряжение U по сравнению с предельно допускаемым напряжением для данного электростатического механизма, тем меньше должна быть емкость С по сравнению с емкостью С у.

Следует отметить, что формула (23.28) правомерна лишь при идеальной изоляции конденсаторов, образующих емкости С и C v . Если же диэлектрик, изолирующий пластины конденсаторов друг от друга, имеет потери, то возникают дополнительные погрешности. Кроме того, емкость вольтметра С у зависит от измеряемого напряжения U, так как от U зависят показания вольтметра и соответственно взаимное расположение подвижных и неподвижных пластин, образующих электростатический измерительный механизм. Последнее обстоятельство приводит к появлению еще одной дополнительной погрешности.

Лучшие результаты получаются, если вместо одной добавочной емкости использовать две добавочные емкости С (и С 2 , образующие делитель напряжения (см. рис. 23.3, б).

Для схемы с двумя добавочными емкостями правомерно соотношение

где U a - падение напряжения на емкости С у

Учитывая, что можно записать

Решая уравнение (23.30) относительно U, получим:

Из выражения (23.31) можно сделать вывод, что если емкость конденсатора С 2 , к которому подключен вольтметр, значительно превышает емкость самого вольтметра, то распределение напряжения практически не зависит от показания вольтметра. Кроме того, при С 2 » С у изменение сопротивления изоляции конденсаторов С, и С 2 и частоты

Таблица 23.3

Пределы и погрешности измерения переменных напряжений

измеряемого напряжения также мало влияют на показания прибора. То есть при использовании двух добавочных емкостей дополнительные погрешности результатов измерений значительно снижаются.

Пределы измерения переменных напряжений приборами разных типов и наименьшие погрешности этих приборов приведены в табл. 23.3.

В качестве примеров в приложении 5 (табл. П.5.1) приведены технические характеристики универсальных вольтметров, позволяющих измерять, в том числе, и переменные напряжения.

В заключение следует отметить следующее.

Погрешности измерения токов (постоянных и переменных) приборами одного типа и в равных условиях всегда больше погрешностей измерения напряжений (и постоянных, и переменных). Погрешности измерения переменных токов и напряжений приборами одного типа и в равных условиях всегда больше погрешностей измерения постоянных токов и напряжений.

Более подробную информацию по затронутым вопросам можно получить в .

Бесперебойная работа электроприборов во многом зависит от уровня напряжения в сети, правильности подачи тока, целостности проводки. Провести измерение переменного напряжения можно с помощью мультиметра. Это незаменимый помощник в своевременном выявлении проблем в электросети и обеспечении безопасного использования бытовых и профессиональных приборов.

Особенности, функции, виды приборов

Данное устройство – универсальный регистратор множества электрических величин. В зависимости от модельного ряда и набора функций, которые они выполняют, мультиметры нашли свое применение, как в быту, так и в арсенале профессиональных электриков.

Средний по стоимости мультиметр может измерить:

• показатель переменного напряжения в сети и постоянное напряжение аккумулятора или батарейки;
• постоянный и переменный ток (силу тока);
• уровень сопротивления;
• работоспособность диодов (режим прозвонки);
• частоту тока;
• температуру;
• величину емкости конденсатора.

Устройства нового образца могут иметь низкочастотный генератор и звуковой пробник. Среди всего ассортимента изделий стоит выделить 2 основных типа приборов.

Электронный (цифровой) тип. Полученные показатели отображаются на экране, который окружен индикаторами из семи сегментов. Большинство из них работает в автоматическом режиме, предельное значение величин мультиметр определяет самостоятельно, исходя из полученных данных. Нужно просто выбрать вид измерения. Другие модели могут передавать данные напрямую в компьютер для их дальнейшей обработки.

Стрелочный тип. Этот вид устройства станет настоящим спасением, когда сильные помехи нарушают нормальное функционирование электронного мультиметра и полностью искажают информацию.

В домашних условиях достаточно будет проводить измерения тока мультиметром электронного типа с разрядностью 3,5. Это приборы наподобие dt 831, 832 или более новой модификации dt 834.

Элементы корпуса

Так как все большим спросом стали пользоваться цифровые модели, обозначения и основные характеристики мультиметров будут рассмотрены именно на их примере.

Они оснащены жидкокристаллическим экраном, который выдает измеренные значения величин. Чуть ниже расположен, вращающийся вокруг своей оси переключатель. Он указывает выбранный вид и пределы измерений.

К гнездам на корпусе мультиметра присоединяются 2 щупа с проводами: красный или положительный, черный или отрицательный.

К разъему подписанному, как «земля» либо «СОМ», всегда подключается отрицательный щуп. Положительный подсоединяется в любое другое гнездо.

Следует отметить, что разъемов может быть 2, 3 или 4. Их количество зависит от модели и производителя. Однако и в таких мультиметрах может меняться гнездо для подсоединения только положительного щупа, отрицательный остается на прежнем месте.

Режимы работы тестера

Работа мультиметра и его режимов регулируется с помощью переключателя. Его верхнее вертикальное положение говорит о том, что устройство выключено.
Поворот в любую другую сторону говорит о смене режима и обозначается следующим образом:

Все результаты отображаются на экране тестера за считанные секунды, с точностью до сотых сообщая о величине выбранного показателя.

Обозначение переменного тока на любом мультиметре может быть изображено в виде символов АС (alternating current). Соответственно, АСА – сила переменного тока, ACV – напряжение переменного тока. Это ток, который изменяет направление движения огромное, но постоянное количество раз за 1 секунду. В домашних сетях частота изменений составляет 50 Гц.

Последовательность подключения

Важно заметить, что приступая к замерам уровня переменного тока, соблюдать полярность подсоединения щупов вовсе необязательно. В случае если ее значение отрицательно, то на экране перед цифрами просто отобразиться знак «минус».

Переключатель мультиметра, измеряющий данный показатель, ставим в соответствующее положение и устанавливаем диапазон измерений.

К выбору пределов замеров стоит отнестись максимально ответственно. Если измеряемый ток значительно превысит выбранный диапазон, это может спровоцировать перегорание предохранителя или, что еще хуже, – всего мультиметра.

Обратите внимание на выбор разъема (гнезда). Под ним должно стоять максимальное значение силы тока, которую вы хотите измерить. 10 А означает, что измеряется ток до 10 А (довольно большой).

Чтобы урегулировать процесс измерений вначале переключатель устанавливается на предельно допустимый диапазон значений, вставляют штекеры щупов в гнезда. Далее по мере необходимости снижают уровень.

Чтобы измерить силу переменного или постоянного тока, мультиметр надо включить в цепь последовательно с нагрузкой (фонарик, светильник, кулер, радиосхема и т.д.). Это основное правила для всех измерительных электроприборов. То есть для измерения тока мультиметр включают «в разрыв» цепи.

Как определить значение переменного напряжения в сети

Важным моментом при определении переменного напряжения является тот факт, что щупы мультиметра подключаются к измеряемому устройству параллельно. Это связано с тем, что напряжение само по себе – разность потенциалов между двумя точками.

Можно воспользоваться тем же принципом, что и в случае с переменным током. Диапазон величины регулировать от максимального к минимальному, не забывая про положение щупов.

В качестве примера для измерения переменного напряжения можно воспользоваться стандартной батарейкой. Переключатель ставится на соответствующий режим, устанавливается диапазон. При этом щупы касаются батарейки параллельно друг другу с обеих сторон. И моментально видно, как экран отображает величину напряжения исследуемого элемента.

С постоянным напряжением ситуация та же, только нужно не забывать переставлять переключатель на правильный режим.

Независимо от модели и специфики работы мультиметра важно соблюдать инструкцию по технике пожарной безопасности, правильно обращаться с электрическими приборами, не подвергая риску свое здоровье.

Мы уже рассматривали, что переменное напряжение характеризуется мгновенным, средним, средневыпрямленным и среднеквадратическим значениями.

Градуировку большинства шкал вольтметров, кроме импульсных, производят в среднеквадратических (действующих) значениях, которые равны 0,707 от амплитудного значения. Если известны коэффициенты формы, то по одному из параметров можно определить другие. При измерении синусоидальных напряжений мгновенное значение (амплитуда) определяется как U=Uизм*1,41, гдеUизм – действующее значение илиU=1,1*Uсв (если измеряется средневыпрямленное значение). При измерении несинусоидальных сигналов в показания также должны быть введены поправки.

Для измерения переменного напряжения применяют электромеханические, термоэлектрические и электронные приборы. Выбор прибора определяется предельными значениями напряжения, условиями измерений, требуемой точностью.

Из электромеханических приборов применяются в основном приборы электромагнитной, электродинамической и электростатической систем.

Вольтметры переменного напряжения классифицируются по различным признакам:

по назначению: импульсные, переменного тока, фазочувствительные, селективные, универсальные;

по методу измерения: непосредственной оценки и сравнения с мерой;

по измеряемому параметру напряжения: амплитудные, среднеквадратические и средневыпрямленные;

по типу индикатора: стрелочные и цифровые.

Большинство вольтметров электромагнитной системы применяются на частотах 50 Гц. Класс точности – 2,5 – 0,5.Электродинамические вольтметры имеют тот же частотный диапазон, но более высокий класс точности (0,1). Уравнение шкалы носит квадратичный характер. Достоинства – простота конструкции, возможность непосредственного применения в цепях переменного напряжения, надежность. Недостатки – низкая чувствительность, большое потребление от измерительной цепи, неравномерность шкалы.

Электростатические вольтметры применяют для измерения высоких (до 100 кВ) напряжений. Класс точности 1.

Измерение напряжения высокой частоты имеет свои особенности. Чтобы прибор не влиял на измерительную цепь, необходимо, чтобы его входное сопротивление было большим, а входная емкость как можно меньше.

В практике радиоэлектронных измерений наибольшее распространение получили электронные и выпрямительные вольтметры. Это объясняется тем, что электронные вольтметры имеют высокое входное сопротивление как на высоких, так и на низких частотах, высокую чувствительность при использовании усилителя, малое потребление из измерительной цепи.

Измерение переменного напряжения методом непосредственной оценки.

Электронные вольтметры.

Структурные схемы электронных вольтметров строятся в основном по двум схемам, милливольтметры и вольтметры для измерений больших напряжений. Они представлены на рисунке М2-8.

Рисунок М2-8. Электронные вольтметры для измерений переменных напряжений.

Вольтметры для измерения больших напряжений состоят из входного устройства, преобразователя переменного напряжения в постоянное (детектора), усилителя постоянного тока и измерителя магнитоэлектрической системы. Милливольтметры отличаются наличием усилителя переменного напряжения до детектора, служащего для повышения чувствительности.

Вольтметры средних значений строятся по структурной схеме первого типа с преобразователей переменного напряжения в в постоянное по среднему значению. Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямительные вольтметры с преобразователями, выполненными на диодах.

Селективные вольтметры.

Селективные, т.е. избирательные микровольтметры широко применяются для исследования спектра непериодических сигналов. Это высокочувствительные приемники гетеродинного типа с настройкой на определенную частоту или узкий интервал частот. Упрощенная схема селективного вольтметра приведена на рисунке М2-9.

Рисунок М2-9. Схема селективного вольтметра

Измеряемый сигнал частоты Fc подается через входное устройство на смеситель, куда поступает и сигнал от гетеродина. В смесителе измеряемый сигнал преобразуется на промежуточную частоту и усиливается УПЧ. На выходе усилителя имеется вольтметр с цифровым или стрелочным индикатором.

Импульсные вольтметры. Импульсные напряжений измеряют с помощью импульсных вольтметров, которые строятся по схеме аналогового электронного вольтметра с амплитудным детектором. В этих схемах импульсное напряжение преобразуется в напряжение постоянного тока и измеряется его значение. В этой схеме возможно измерение амплитуды только положительных импульсов, для отрицательных необходимо обратное включение диода. Специальные импульсные вольтметры градуируются в амплитудных значениях. Очень часто используют осциллографические методы измерений, которые позволяют не только измерять амплитуду импульсов, но и наблюдать их форму.