Вольтметр: Принцип работы, типы, точность и погрешности измерений

Назначение вольтметра

Вольтметр - электроизмерительный прибор, который используется для измерения электрического напряжения между двумя точками цепи. Он необходим в самых различных отраслях, от учебных лабораторий до высоковольтных подстанций.

Электроэнергетика

Электростанции: контроль напряжения генераторов, измерение выходного напряжения трансформаторов.
Подстанции: мониторинг уровней напряжения на вводах и выводах, в цепях РЗА (релейной защиты и автоматики).
Линии электропередач: оперативное измерение напряжения для контроля режима работы.

Промышленность

Автоматизированные системы управления (АСУ ТП): вольтметры встроены в измерительно-вычислительные блоки.
Силовые щиты и распределительные устройства: используются щитовые вольтметры для визуального контроля напряжения.
Обслуживание оборудования: диагностика неисправностей электродвигателей, трансформаторов, станков.

Образовательные учреждения

Лабораторные работы: используется как часть учебных стендов по электротехнике и электронике.
Практические занятия: формирование навыков безопасного измерения и интерпретации показаний.

Бытовая и техническая эксплуатация

Проверка напряжения в розетках, на выходах стабилизаторов и ИБП.
Диагностика домашней электропроводки и маломощных устройств.

Вольтметры могут быть как самостоятельными измерительными приборами, так и частью более сложных измерительных комплексов. Например, они интегрируются в состав автоматизированных измерительных установок, многофункциональных тестеров, приборов контроля качества электроэнергии, систем релейной защиты и автоматики (РЗА), а также мобильных лабораторий.

Как измерить напряжение на участке цепи с помощью вольтметра

Для того чтобы точно и безопасно измерить напряжение с помощью вольтметра, необходимо соблюдать следующие шаги:

Определите тип напряжения: постоянное (DC) или переменное (AC).
Выберите соответствующий режим прибора: установите переключатель на нужный тип и диапазон напряжения (например, 0–20 В, 0–600 В и т. д.).
Подключите щупы вольтметра:

Красный щуп — к положительной (или фазной) точке.
Чёрный щуп — к нулевой (или нейтральной/заземлённой) точке.

Подключение осуществляется параллельно к участку цепи, между двумя точками, напряжение между которыми измеряется.

Здесь тоже можно использовать два варианта. Если электрическую цепь можно обесточить без вреда рабочему процессу (то есть не надо останавливать механизмы и различное оборудование). То лучше отключить сеть, подсадить крокодилами щупы в нужные места или провода под болты, выставить пределы и далее включить - замерить напряжение, отключить. Но это такой безопасный и идеальный вариант. В реальности же оказывается, что надо подсаживать прямо под напряжение. В этом случае необходимо иметь напарника, который в случае попадания под напряжение предпримет меры по обесточиванию сети и оказанию первой помощи ну или вызовет скорую при необходимости. Так вот, под напряжением, в пылу работы не используйте щупы без изоляции. Знаю, звучит странно) ведь за щупы мы берем руками. Но в процессе той же наладки, порой из-за нехватки времени или переработки можно и такие ошибки допустить. Видел по опыту как люди в последний момент понимали, что делают дичь, ну или как подключали не на тот предел стрелочный вольтметр и он выходил из строя. Приходилось под непонятными предлогами одалживать у местных.

Важные меры безопасности

Перед измерением убедитесь, что прибор исправен, нет трещин на корпусе или оголённых проводов.
Не превышайте пределы измерения — это может привести к повреждению прибора.
Используйте средства индивидуальной защиты и технику безопасности согласно нормативным актам.
Не прикасайтесь к оголённым частям под напряжением при измерении.
Измерения производите одной рукой, держа вторую в стороне (во избежание прохождения тока через сердце).

Чем можно замерить напряжение участка цепи

Вообще не вольтметром единым. Все чаще люди используют электронные приборы (мультиметры, клещи с разъемами для измерения напряжения). Точные стрелочные приборы важны там, где необходима суперточность - например, ответственные испытания, по результатам которых будет приниматься решение о пригодности оборудования. Там разброс в пару-десяток вольт может так нагнуть график кривой...

На мультиметре есть две шкалы - для постоянного и переменного напряжений. Ниже на изображении это наглядно видно.

Напряжение до 1000 В (низковольтное)

Вольтметры (аналоговые и цифровые)
Мультиметры (универсальные приборы)
Осциллографы (при анализе переменного напряжения)

Напряжение выше 1000 В (высоковольтное)

Высоковольтные делители напряжения с последующим подключением к вольтметру или осциллографу
Измерительные трансформаторы напряжения (ИТН): понижают высокое напряжение до измерительного уровня
Интегрированные измерительные установки на подстанциях и в лабораториях высоких напряжений

Аналоговые вольтметры

Аналоговые вольтметры отображают результат в виде стрелки на шкале. Они обладают высокой устойчивостью к электромагнитным помехам, но требуют навыка интерпретации показаний, оно же глаз-алмаз. Поэтому пишут в методичках, или писали, делайте три замера или пять. Ниже на изображениях стрелочные милливольтметр, киловольтметр и даже вольтметр, встроенный в мегаомметр.

Магнитоэлектрические — используются только для постоянного тока. Основаны на взаимодействии тока и магнитного поля в катушке. Пример: М42300 — лабораторный стрелочный вольтметр постоянного тока (М — магнитоэлектрический, 4 — класс точности).
Электромагнитные — подходят для переменного и постоянного напряжения, основаны на притяжении подвижного якоря магнитным полем катушки. Пример: Э365 — электромагнитный вольтметр для панельного монтажа.
Электродинамические — универсальные, высокоточные приборы. Содержат две катушки: токовую и напряжения. Применяются в лабораториях. Пример: ЭД70 — электродинамический лабораторный вольтметр.

Цифровые вольтметры

Цифровые приборы преобразуют аналоговый сигнал в цифровой и отображают значение на экране.

Электронные вольтметры — применяются в цепях переменного и постоянного тока. Обладают высокой точностью, широким диапазоном измерений. Пример: В7-78 — многофункциональный цифровой лабораторный вольтметр (В — вольтметр, 7 — серия, 78 — модель).
Мультиметры — комбинированные приборы, включающие вольтметр, амперметр, омметр. Пример: UNI-T UT33C — портативный цифровой мультиметр.

Специализированные вольтметры

Лабораторные — высокоточные, используются в учебных заведениях и на предприятиях.
Щитовые — монтируются на распределительных щитах, служат для постоянного контроля.
Портативные — лёгкие и компактные, используются в полевых условиях и для бытовых задач.

Идеальный вольтметр

Идеальный вольтметр — это гипотетический прибор, используемый в теоретических расчетах и схемах. Его ключевая особенность — бесконечно большое внутреннее сопротивление. Благодаря этому он не потребляет ток из цепи, в которую включен, и не влияет на распределение токов и напряжений. В реальности любое измерительное устройство, в том числе вольтметр, обладает конечным сопротивлением и вызывает искажение электрических параметров цепи, особенно если измеряется напряжение в высокоомных цепях. Идеальный вольтметр не влияет на работу схемы, в то время как реальный прибор может изменить режим её работы, особенно при неправильном выборе класса точности или сопротивления прибора.

Идеальный вольтметр широко применяется в учебных и инженерных расчетах как модель, не вносящая погрешностей. Его используют при анализе цепей методом узловых потенциалов, методами Кирхгофа и при моделировании работы электрических цепей. Он служит упрощённым представлением вольтметра в расчетных задачах и помогает сфокусироваться на изучении поведения самой цепи, а не на влиянии прибора.

Понятие «идеальный прибор» в электротехнике появилось в рамках развития теоретических основ анализа цепей. Оно было введено для упрощения математических моделей в XIX веке, когда формировались основные методы расчётов в электротехнике. Идея принадлежит коллективной инженерной мысли и не ассоциируется с конкретным изобретателем, но активно применялась в трудах Джеймса Максвелла и Генриха Герца, а также получила развитие в классических учебниках по теории электрических цепей.

Идеальный вольтметр используется при:

теоретических расчетах в электротехнике и электронике;
моделировании электрических цепей в программных симуляторах;
обучении студентов основам анализа цепей без учета влияния измерительных приборов;
анализе идеальных моделей для оценки максимальной точности и оптимизации схем.

Таким образом, идеальный вольтметр — это полезное абстрактное понятие, позволяющее упростить анализ сложных цепей, исключив влияние измерительного оборудования. Он помогает инженерам и студентам сосредоточиться на изучении фундаментальных закономерностей и характеристик электрических систем.

Как подключается вольтметр в цепь

Вольтметр всегда должен быть подключён параллельно участку цепи, где измеряется напряжение. Это важно, так как вольтметр предназначен для измерения разницы потенциалов между двумя точками, и подключение его последовательно нарушит принцип работы устройства.

Что будет, если подключить вольтметр последовательно:

Неудачное измерение: При последовательном подключении вольтметр будет воспринимать всю разницу потенциалов на цепи, что может нарушить работу прибора.
Опасность повреждения: Поскольку вольтметр имеет очень высокое внутреннее сопротивление, его подключение в последовательную цепь может привести к перегрузке, если прибор не рассчитан на такие условия.
Риск повреждения цепи: В зависимости от напряжения, подключение вольтметра последовательно может вызвать короткое замыкание или перегрев цепи, особенно если напряжение высокое.

Сгорит ли прибор?

Да, если вольтметр подключён последовательно к цепи, его внутренние компоненты могут не выдержать избыточного тока, что приведёт к перегреву или выходу прибора из строя.

Влияние внутреннего сопротивления на точность измерения

Внутреннее сопротивление вольтметра — это сопротивление, которое вольтметр оказывает на цепь при подключении. Оно должно быть как можно более высоким, чтобы не оказывать значительного влияния на ток и напряжение в измеряемом участке цепи.
Высокое внутреннее сопротивление вольтметра необходимо для того, чтобы прибор не потреблял слишком много тока, так как основной функцией вольтметра является измерение напряжения, а не изменение тока в цепи.
Если внутреннее сопротивление вольтметра слишком низкое, то прибор начнёт потреблять заметный ток, что может изменить работу цепи, особенно если она чувствительна к небольшим изменениям тока (например, в высокочувствительных электронных цепях). В таких случаях показания вольтметра будут неточными.

Роль сопротивления в цепи

Сопротивление цепи также влияет на точность измерений, так как любое изменение сопротивления в цепи, вызванное подключением вольтметра, может изменить напряжение, которое вы хотите измерить.
Вольтметр подключается параллельно участку цепи, чтобы измерять разницу потенциалов между двумя точками. Если сопротивление вольтметра высоко, то он не влияет на распределение тока в цепи, и показания будут точными. В противном случае, если сопротивление вольтметра низкое, это может вызвать изменение тока в цепи, что приведет к ошибкам в измерениях.
Важно помнить, что в реальной жизни вольтметры, особенно с низким классом точности, могут иметь небольшое влияние на цепь, что приводит к незначительным погрешностям.

Пределы измерения вольтметра

Предел измерения вольтметра — это диапазон напряжений, которые прибор может измерить без повреждения и с определенной точностью. Каждый вольтметр имеет несколько пределов измерений, которые выбираются в зависимости от предполагаемого диапазона напряжений, которые будут измеряться.

Выбор правильного предела измерения важен для получения точных показаний. Если предел измерения выбран слишком низкий, это может привести к тому, что вольтметр не сможет правильно измерить напряжение, что приведет к искажению данных или повреждению прибора. Если предел слишком высокий, точность измерения может снизиться, так как вольтметр будет измерять напряжение с меньшей точностью.

Ошибки, связанные с неправильным выбором предела

Перегрузка прибора: Если вольтметр используется на слишком низком пределе измерений для высокого напряжения, прибор может быть поврежден, так как его схема не рассчитана на высокие значения. Например, если предел измерения установлен на 2 В, а напряжение в цепи 10 В, прибор может выйти из строя.
Погрешности в измерениях: При слишком высоком пределе измерения точность измерений снижается. Например, если вольтметр с пределом 20 В используется для измерения 2 В, показания могут быть менее точными из-за низкой чувствительности прибора в этом диапазоне.
Неоптимальное использование прибора: Когда предел измерения слишком высок или слишком низок относительно фактического напряжения, это может привести к увеличению погрешностей, которые проявляются в процессе измерений, особенно в точных научных и инженерных приложениях.

Правильный выбор предела измерений позволяет оптимизировать точность и долговечность вольтметра, предотвращая ошибки и повреждения прибора.

Погрешности вольтметров

Погрешность вольтметра — это отклонение измеренного значения от истинного значения. Погрешности бывают различных типов, и их значение важно учитывать при проведении точных измерений. В зависимости от типа вольтметра, его класса точности и диапазона измерений погрешности могут различаться.

Типы погрешностей вольтметров

Абсолютная погрешность — это отклонение измеренного значения от истинного значения в абсолютных величинах. То есть разница между показаниями прибора и реальным значением напряжения.

ΔU_абс = |U_{измеренное} − U_{истинное}|

Относительная погрешность — это отношение абсолютной погрешности к истинному значению напряжения, выраженное в процентах. Эта погрешность показывает, на сколько процентов измеренное значение отклоняется от истинного.

ΔU_отн = (ΔU_абс / U_{истинное}) × 100%

Если истинное напряжение 100 В, а измеренное — 98 В, то:

ΔU_абс = |98 − 100| = 2 В

ΔU_отн = (2 / 100) × 100% = 2%

Классы точности вольтметров

Класс точности — это параметр, который показывает максимальную возможную погрешность измерений в процентах от максимального измеряемого значения прибора. Классы точности обычно указаны на корпусе прибора и важны при его выборе.

Примеры классов точности:

Класс точности 0,1 — погрешность прибора не более 0,1% от максимального значения измеряемого напряжения.
Класс точности 0,5 — погрешность не более 0,5% от максимального значения.
Класс точности 1,0 — погрешность не более 1% от максимального значения.

Таблица классов точности вольтметров:

Класс точности Погрешность (%) Пример диапазона измерений 0,1 0,1% для точных лабораторных приборов 0,5 0,5% для профессиональных приборов 1,0 1,0% для бытовых мультиметров 3. Как учитывать погрешность в расчетах

При проведении расчетов с использованием вольтметра важно учитывать его погрешность, чтобы результаты измерений были максимально точными. Для этого необходимо:

Учитывать класс точности вольтметра — выбирать прибор с соответствующим классом точности для конкретных условий измерений.
Применять формулы для расчета погрешности — если необходимо учитывать погрешность в вычислениях, использовать формулы для вычисления абсолютной и относительной погрешности.
Учитывать погрешности в измерениях при последующих вычислениях — например, если вольтметр измеряет напряжение, а затем это напряжение используется для расчета мощности, то погрешность напряжения будет влиять на точность мощности.

Показания вольтметра и их интерпретация

Вольтметр — это прибор для измерения электрического напряжения между двумя точками. Однако его показания не всегда абсолютно точны и могут зависеть от ряда факторов, которые важно учитывать для правильной интерпретации данных. Рассмотрим, как работает вольтметр, что он показывает и как правильно трактовать его результаты.

Что показывает вольтметр?

Вольтметр показывает не всегда абсолютное значение напряжения, а в зависимости от его типа может давать разные результаты:

Истинное значение напряжения: Современные вольтметры, особенно цифровые, стремятся показывать значение напряжения, максимально приближенное к истинному. Однако это значение может изменяться в зависимости от качества прибора, условий эксплуатации и его калибровки.
Мгновенное значение напряжения: Большинство вольтметров показывает мгновенное значение напряжения, которое может быть полезным для измерений переменного тока. Это значение будет зависеть от частоты переменного тока и его формы.

Погрешности в измерениях и влияние внешних факторов

Измерение напряжения в реальных условиях может быть затруднено рядом факторов:

Наводки и помехи: Внешние электромагнитные помехи могут значительно влиять на точность измерений, особенно в условиях высокой помехоустойчивости.
Нестабильное напряжение: Сети с нестабильным напряжением (например, в старых электросетях) могут привести к погрешностям в показаниях. Это особенно актуально для переменного тока, где могут быть искажения формы сигнала.

Измерение переменного и постоянного тока

Вольтметры бывают двух типов: для измерения постоянного тока (DC) и переменного тока (AC). Важно понимать, что измерение переменного тока требует дополнительных особенностей:

Постоянный ток (DC): При измерении постоянного напряжения вольтметр показывает стабильное значение, которое не изменяется со временем. Это значение соответствует реальному уровню напряжения.
Переменный ток (AC): При измерении переменного тока вольтметр обычно показывает среднеквадратичное (RMS) значение напряжения, которое соответствует эффективному значению тока для нагрузки. Важно, что вольтметры могут не точно показывать амплитуду напряжения, если сигнал имеет искажения или нестандартную форму.

Классы точности и погрешности

При измерении напряжения важно учитывать не только диапазон вольтметра, но и его класс точности. Это определяет максимальную погрешность прибора относительно измеряемого значения.

Класс точности: Например, вольтметр с классом точности 1% может отклоняться на 1% от истинного значения на максимальном диапазоне измерений.
Погрешности: Погрешности могут быть как абсолютными, так и относительными. Абсолютная погрешность показывает разницу в значении напряжения (например, ±2 В), а относительная погрешность — отклонение в процентах от истинного значения.

Учет погрешности в расчетах

Когда измеряются такие важные параметры, как напряжение, важно учитывать погрешности приборов в расчетах, например, при вычислении мощности или других величин, где измеренные параметры играют ключевую роль. Для этого используют следующие шаги:

Рассчитывают относительную погрешность измерения.
Учитывают класс точности вольтметра при анализе результатов.

Пример: Если вольтметр имеет погрешность 1% и показывает напряжение 220 В, то реальное значение может колебаться в пределах от 217,8 В до 222,2 В.