Типы и виды вольтметров
Все вольтметры можно разделить по: принципу действия, назначению, способу применения и конструкции.
По принципу действия устройства делятся на группы:
- Вольтметры электромеханические.
- Электронные вольтметры.
Рассмотрим конкретно каждую группу.
Электромеханические и электронные вольтметры
Эти измерительные приборы являются устройствами прямого преобразования. Измеряемая величина в них преобразуется напрямую в показания на шкале устройства отсчёта. Она предназначена для визуальной оценки измеряемого напряжения.
Шкала выглядит как последовательность отметок с числами и составляет неподвижную часть прибора. Расстояние между двумя соседними отметками — цена деления шкалы. Шкалы могут быть линейными и нелинейными, односторонними (о расположена у начала) и двусторонними (о расположена в середине). На шкале обычно наносится число, обозначающее класс точности прибора.
Подвижная часть устройства состоит из рамки, находящейся между полюсов постоянного магнита. По обмотке рамки протекает ток. С подвижной рамкой связана стрелка, по величине угла отклонения которой можно по шкале оценить значение измеряемого параметра. Этот угол напрямую зависит от тока, протекающего через обмотку рамки, а значит и от величины напряжения, которое измеряется.
Такие приборы используют для измерения магнитоэлектрический метод. Он наиболее часто используется в электромеханических приборах для измерения различных физических величин.
Следует отметить, что такие приборы отдельно используются довольно редко. Как правило, они являются составной частью более сложных по схемному исполнению устройств.
Кроме, магнитоэлектрического способа измерения в электромеханических приборах используют и другие: электромагнитный, электродинамический, ферродинамический, термоэлектрический, способ выпрямления.
Применение этих приборов исходя из требований, предъявляемых к измерителям напряжения, более предпочтительно, чем электромеханических. А требования эти таковы — уменьшение методической погрешности измерения.
Для измерения напряжений в различных точках схемы вольтметр подключают параллельно измеряемой цепи. Поэтому его использование не должно искажать реальную картину. Он не должен шунтировать участок схемы, следовательно, его входное сопротивление должно быть большим (в идеале стремиться к бесконечности).
Вольтметры электронные можно разделить на две группы. Одну составляют аналоговые приборы, другую цифровые. Различия между ними заключается в форме предоставления информации о результатах измерения.
Возможные аналоги
Входное напряжение, величину которого необходимо измерить, поступает на масштабирующее устройство. Оно выполнено в виде многопредельного резисторного делителя высокого класса точности. Количество резисторов соответствует количеству диапазонов измерения напряжения.
Как работает вольтметр?
Существует два типа вольтметров: аналоговые, показывающие значение путем наклона стрелки механического прибора, и все чаще используемые в настоящее время цифровые, оснащенные сложными электронными схемами.
Аналоговые вольтметры обычно представляют собой амперметры с последовательно соединенным резистором RV с очень большим значением электрического сопротивления. То есть, по сути, они измеряют ток IV, протекающий через него, а шкала показывает значение, которое является результатом расчета: UV = IV * RV .
Цифровые приборы, как правило, имеют обратную конструкцию (то есть они являются именно вольтметрами, а не амперметрами). Это связано с тем, что изготовить цифровой измеритель напряжения относительно просто. Если мы подключим его параллельно резистору с малым сопротивлением, то получим амперметр. Значение индикатора может быть рассчитано по уравнению: UV = IV * RV .
Существует, однако, тип аналогового вольтметра, принцип действия которого не основан на принципе работы амперметра. Это электростатический вольтметр. На практике это конденсатор с одной неподвижной обкладкой и другой подвижной. Электрическое взаимодействие обкладок вызывает перемещение указателя, прикрепленного к движущейся части. С помощью такого вольтметра можно можно измерять даже очень высокие электрические напряжения, а значение его внутреннего сопротивление почти бесконечно.
Основные характеристики приборов
Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше его влияние на измеряемую цепь. Поэтому приборы с более высоким входным сопротивлением обладают большей точностью при проведении измерений.
Для того чтобы оценить возможности прибора, его преимущества по сравнению с другими, сделать окончательный вывод о возможности его приобретения необходимо внимательно ознакомиться с его техническими параметрами, к которым относятся:
- внутреннее сопротивление вольтметра;
- диапазон измеряемых вольтметром напряжений;
- диапазон частот переменного напряжения;
- погрешность измерения прибора.
Диапазон необходимо учитывать исходя из того, с какими величинами напряжений придётся иметь дело. Большинство вольтметров позволяют проводить измерение напряжений от нескольких десятков милливольт до сотен вольт. Этот диапазон вполне приемлем для многих пользователей. Исключение составляют милливольтметры с расширенным диапазоном и киловольтметры.
Погрешность показывает возможное отклонение измеряемой величины от эталонной. Определяется на этапе заводских испытаний прибора. Выражается в процентах или долях процента.
Все эти параметры представлены в описании на конкретный прибор.
Встраиваемые миниатюрные цифровые вольтметры из Китая: обзор и тонкости применения
Для контроля работы аппаратуры бывают полезны постоянно работающие приборы — вольтметры, амперметры и т.п. Постоянный контроль параметров поможет понять пользователю: всё ли в порядке с аппаратурой, или «что-то пошло не так». В этом обзоре будут представлены два миниатюрных цифровых вольтметра: на 30 Вольт и на 100 Вольт. Они — похожи, но не одинаковы.
Вольтметры предназначены для измерения постоянного напряжения положительной полярности.
Конструкция цифровых вольтметров
Оба вольтметра — бескорпусные; и из-за очень малых размеров платы с электроникой сначала может показаться, что они состоят только из индикаторов:
На этом фото сразу видно различие между вольтметром на 100 В ( слева) и на 30 В (справа): вольтметр на 100 В имеет 3-проводное подключение, а вольтметр на 30 В — двухпроводное.
Почему так сделано?
Всё очень просто: в вольтметрах применяется линейный стабилизатор с максимальным входным напряжением 30 В. Поэтому «младший» вольтметр может питаться прямо от измеряемого напряжения, а «старший» при использовании для измерения напряжений свыше 30 В требует для своего питания отдельный источник.
Если же 100-вольтовый вольтметр применять для измерения напряжений до 30 В, то можно замкнуть красный и желтый провода между собой и тоже запитать от измеряемого напряжения.
Но, как обычно, есть нюанс. Если запитывать прибор от измеряемого напряжения, то оно должно быть не ниже, чем необходимо для питания стабилизатора напряжения в приборе, а это — 5 В (рекомендовано продавцом). То есть, в этом случае и измеряемое напряжение должно быть не менее 5 В (испытания показали работоспособность и при 4 В, но это не гарантируется для всего температурного диапазона; да и разброс параметров элементов на плате вольтметра никто не отменял).
Куплены вольтметры были на Алиэкспресс ЗДЕСЬ, цена (на дату обзора) — смешная: от $0.76 за 30-вольтовый прибор и до $1.35 — за 100-вольтовый.
Несколько слов о габаритах вольтметров.
Если говорить о размерах кратко, то габариты приборов 30.2 x 11 x 8.6 мм.
С разбивкой по деталям размеры будут такие: длина платы — 30.2 мм, ширина платы — 11 мм, длина блока индикации — 22.6 мм, ширина блока индикации — 10.4 мм, высота блока индикации (от уровня платы) — 6.2 мм, высота всего прибора (от низа платы до верха индикатора) — 8.6 мм.
Высота цифр на индикаторе — 7.1 мм (0.28 дюйма).
Посмотрим на обратную сторону вольтметров, т.е. на платы с электроникой:
Платы вольтметров — абсолютно одинаковые, и различаются только расположением двух элементов (эти места указаны стрелочками на фото).
То есть, при желании и наличии «прямых рук» можно один из них преобразовать в другой и обратно. Но экономического смысла в этом нет, лучше сразу купить, какой надо (или, при сомнениях — оба сразу).
Назначение проводов — очевидное: чёрный — земля, красный — питание (оно же — измеряемое напряжение для 30-вольтового прибора), желтый — измеряемое напряжение.
На платах вольтметров расположено очень мало деталей.
Основа вольтметров — аналого-цифровой микроконтроллер, увы, без маркировки. Впрочем, никаких претензий к его работе не возникло.
Микроконтроллер осуществляет аналого-цифровое преобразование сигнала; затем, вероятно, какую-то нехитрую вычислительную обработку (возможно, усреднение нескольких замеров); а затем отправляет результат на 3-значный светодиодный индикатор.
Питанием микроконтроллер обеспечивают стабилизаторы с маркировкой «7533-1 E1125D» и «6513 TA502H».
Оба стабилизатора выдают на выходе напряжение 3.3 В, и, скорее всего, являются клонами популярных стабилизаторов AMS1117.
Для калибровки вольтметров имеется подстроечный резистор.
Вот, собственно, и всё.
Испытания цифровых вольтметров
Сразу надо сказать о главном: в испытаниях проверялась точность настройки вольтметров в том виде, в каком они пришли из Китая. Проверять точность просто «как таковую» смысла нет, поскольку в приборах есть калибровочные подстроечники, позволяющие скорректировать настройку вольтметров, если погрешность показаний окажется высокой.
Программа испытаний такая: сначала проверяем точность 100-вольтового вольтметра, а затем — синхронность показаний вольтметров при измерениях одного и того же напряжения.
Также проверим ток потребления приборов и входное сопротивление для 100-вольтового прибора.
Итак, поехали.
Проверка точности заводской настройки, напряжение — 5 Вольт:
Всё хорошо, ошибка — менее 1%.
Напряжение — 12 В:
Здесь формально ошибки совсем нет, но это означает, скорее всего, что ошибаются оба прибора.
Обратите внимание: после 10 Вольт на тестируемом вольтметре запятая перескочила на 1 знак, и теперь прибор сотые доли Вольта не показывает.
Идём далее.
Напряжение — 30.1 В:
Аналогично, ошибки как будто нет.
Дальше надо бы проверить на напряжении 100 В, но такого блока питания у меня не нашлось. Максимум, что нашлось — напряжение — 49.4 В:
Здесь обнаружилась небольшая погрешность на 0.1 В.
Вольтметр на 100 В позволяет измерять напряжения и меньшие, чем его напряжение питания. Но точность при этом будет падать по банальной причине: из-за слишком большого «веса» ошибки на единицу младшего разряда.
Можно измерить, например, напряжение на батарейке:
Теперь проверим совпадение (или несовпадение) показаний вольтметров между собой для двух напряжений (4 В и 30 В):
Совпадение показаний вольтметров между собой оказалось на очень хорошем уровне.
Теперь — пример практического применения одного из этих вольтметров.
Младший вольтметр (на 30 В) я пристроил к QC-триггеру, предназначенному для получения напряжения 9 и 12 Вольт от павербанков и QC-зарядок (обзор QC-триггера вместе с павербанком).
Этот триггер посылает в подключенное устройство команду на выдачу 9 или 12 В, но не проверяет её исполнение.
Теперь проверка есть:
На этой фотографии оказалась хорошо заметна ещё одна особенность воль на индикаторе светится ярче других цифр.
Вероятно, вольтметр питает каждый из 3-х разрядов индикатора одним и тем же током, и для подсветки обходит их поочерёдно; в результате чего чем меньше число активных сегментов в цифре, тем ярче они светятся.
Нельзя назвать это существенной проблемой, но обратить внимание на неё следует.
Теперь — о потреблении тока вольтметрами.
Вольтметр на 30 В (с красным индикатором) потребляет 11 мА, вольтметр на 100 В (с жёлтым индикатором) — заметно больше, почти 16 мА.
При питании вольтметра на 100 В от источника с напряжением 30 В нагрев стабилизатора на плате прибора был весьма ощутимым (получилось 0.4 Вт рассеиваемой мощности на стабилизаторе).
Отсюда следует рекомендация: запитывать 100-вольтовый прибор напряжением не свыше 20 В. Самый лучший вариант — напряжением 5 В, которое есть почти везде.
Причина более высокого потребления у этого вольтметра, возможно, кроется в более высоком потреблении его индикатора (всё остальное у них — одинаковое).
Входное сопротивление 100-вольтового прибора — 100 КОм.
Говорить же о входном сопротивлении 30-вольтового прибора нет смысла, поскольку вход там объединён с питанием.
Диапазон подстройки точности вольтметров с помощью подстроечного резистора на плате составляет около 8%.
Итоги, выводы, тонкости применения
Сначала — о тонкостях применения при измерении отрицательных напряжений.
Если напряжение не превосходит 30 В, то всё делается элементарно: земля вольтметра подключается к минусу питания, а плюс вольтметра — на землю питания. И всё сразу работает!
Если же измеряемое напряжение превосходит 30 В, то всё становится намного сложнее.
Использовать в этом случае возможно только 100-вольтовый прибор; причём для его питания потребуется отдельный изолированный источник (в буржуйской терминологии — плавающий или даже летающий).
Это — серьёзное усложнение схемы, из-за чего есть смысл задуматься о других приборах для подобных измерений.
Теоретически можно вместо изолированного источника питания загасить лишнее напряжение резистором или стабилитроном; но такое решение — не красивое и ограничивает диапазон рабочих напряжений.
Теперь — о достоинствах протестированных вольтметров.
Достоинства — такие:
- низкая цена;
- хорошая точность измерения;
- возможность питания измеряемым напряжением;
- малые габариты и вес.
Достоинства — очень существенные, но и недостатки тоже есть:
- отсутствие регулировки яркости (в темноте свечение индикатора ощущается слишком ярким, а при ярком свете — тускловатым);
- наличие строб-эффекта (при движении глаз или самих вольтметров);
- не измеряют переменное напряжение;
- сложности с измерением отрицательных напряжений свыше 30 В.
Проверить актуальную цену или купить протестированные вольтметры можно здесь, причём имеется широкий выбор цветов свечения индикаторов (помимо протестированных с желтым и красным цветом).
Всем спасибо за внимание!
Самодельные устройства
Как сделать вольтметр своими руками, для чего он нужен, как устроен, как подключается вольтметр, как пользоваться вольтметром — вот неполный перечень вопросов, которые возникают у начинающих радиолюбителей и простых пользователей. Принцип действия вольтметра или принцип работы вольтметра был рассмотрен ранее при рассмотрении разных его типов и видов.
При совсем небольших затратах можно самостоятельно его изготовить. Основной его частью является стрелочный измерительный прибор. На шкале присутствует обозначение напряжения — латинская буква «V». Конечно, желательно иметь вольтметр с необходимым диапазоном измерения. В левой части шкалы должна быть о, а в правой — число, которое показывает предельное значение напряжения, измеряемого этим прибором.
Рассмотрим несколько вольтметров разных производителей
1. В3-57 — микровольтметр
Измерительное устройство модели В3-57 — вольтметр-преобразователь среднеквадратич. показаний. Разработан для замеров среднеквадратич. значения напряжений произвольной формы и их линейного преобразован. в напряжение постоян. тока. Шкала прибора промаркирована в среднеквадратич. значениях напряжения и децибелах (от 0 дБ и до 0,775 В). Используется при контроле и наладке разнообразных радиотелетехнических устройств и средств связи, вычислении частотных характеристик широкополосных аппаратов, обследованиях шумовых устойчивых сигналов и т. д.
Основные техданные:
— Пределы замеров напряжений 10 мкВ — 300 В с граничными зонами: 0,03-0,1-0,3-1-3-10-30-100-300мВ 1-3-10-30-100-300В
— Границы частот 5 Гц — 5 МГц
— Допустимая погрешность, %: ±1 (30-300 мВ), ±1,5 (1-10 мВ), ±2,5 (0,1-0,3 мВ и 1-300 В), ±4 (0,03 мВ)
— Входное сопротивл.5 МОм ±20%
— Входная емкость: 27пФ (0,03-300 мВ) и 12 пФ (1-300 В)
— Напряжение на выходе линейного преобразоват. 1 В
— Сопротивление на выходе линейного преобразоват. 1 кОм ±10%
— Предельный коэфф. амплитуды сигнала 6*(Uk/Ux)
Несколько советов начинающим
Эти советы помогут новичкам, которым впервые приходится использовать вольтметр в своей работе. Их немного:
- Подключение вольтметра.
- Соблюдение полярности.
Полярность подключаемых измерительных щупов вольтметра должна соответствовать полярности напряжения, указанного на схеме.
Вольтметр всегда надо подсоединять параллельно измеряемой цепи. Этим он отличается от амперметра, который включается в разрыв. Для двухполупериодной схемы выпрямления переменного тока полярность измерительных щупов можно не учитывать. Щупы надо держать так, чтобы руки касались только изолированной их части.
Originally posted 2018-03-28 15:34:30.
Особенности схемы
Схема цифрового вольметра базируется на дискретных величинах. Упрощённая схема включает в себя такие элементы:
- входное устройство (ВУ);
- преобразователь аналого-цифрового типа (АЦП);
- цифровой отсчётный блок (ЦОБ);
- управляющий прибор (УП).
Взаимодействие УП с ЦОБ происходит посредством десятичных чисел. В случае с определением напряжения переменного тока ВУ функционирует в роли простого преобразовательного устройства, выдавая постоянный ток. В этот момент ЦОБ работает над аналоговым сигналом, который представлен цифровым кодом.
Преобразование тока из одного вида в другой характерно и таким приборам, как мультиметры. В отдельных современных моделях вольтметров используется двоичная система кодов, что значительно упрощает процесс получения сигнала.
Простая схема вольтметра-амперметра с преобразователем
Цифровой вольтметр-амперметр с частотным преобразователем включает в обязательном порядке генератор, который следит за изменениями напряжения в электрической цепи. При этом измерение осуществляется поэтапно с интервалами. Генератор в электрической цепи используется линейного типа. Для сравнения полученных данных в устройстве имеется триггер. В свою очередь, для расчета частоты важно использовать счетчик, который принимает дискретный сигнал. Происходит это на выходе преобразователя вольтметра-амперметра. При этом учитывается величина предельного напряжения.
Непосредственно информация поступает на вход вольтметра-амперметра. На этом этапе осуществляется процесс сравнения, а когда возникает импульс, то система фиксирует нулевой уровень. Непосредственно сигнал в вольтметре-амперметре попадает на триггер, и в результате на выходе получается положительное напряжение. Возвращается импульс в исходное положение только после проведения устройством сравнения. При этом учитываются любые изменения предельной частоты, которые сформировались в данном промежутке времени. Также принимается во внимание коэффициент преобразования. Рассчитывается он исходя из показателя силы сигнала.
Дополнительно в формуле имеется счетный импульс, который появляется на выходе генератора. В результате напряжение может отображаться только при наличии определенных колебаний, которые возникают в электрической цепи. В конечном счете, сигнал должен дойти до выхода триггера и там считаться. При этом количество импульсов фиксируется в вольтметре-амперметре. Как результат, срабатывает индикатор, который оповещает о наличии напряжения.
Вольтметры двойного интегрирования
Цифровой вольтметр постоянного тока двойного интегрирования работает по принципу периодического повторения. При этом возврат исходного кода в цепи осуществляется автоматически. Работает данная система исключительно с постоянным током. При этом частота предварительно выпрямляется и подается на выходное устройство.
Погрешности дискретизации в вольтметрах не учитываются. Таким образом, могут возникнуть моменты несовпадений счетных импульсов. В результате на начало и конец интервала один параметр может сильно отличаться. Однако, как правило, погрешность не является критичной из-за работы преобразователя.
Особая проблема состоит именно в шумовой помехе. В результате она способна значительно искривить показатель напряжения. В конечном счете, это находит свое отображение в величине импульса, а именно его длительности. Таким образом, среди цифровых вольтметров данные типы не пользуются большой популярностью.
Погрешности измерений
Погрешность измерений вольтметра напрямую связана с источником питания. При этом следует учитывать напряжение наводки на выходе. Чаще всего помехи общего вида изменяют параметры сопротивления. В результате данный показатель может значительно уменьшиться. На сегодняшний день имеется три проверенных способа борьбы с разного рода помехами в вольтметрах. Первый прием заключается в применении проводов экранированного типа. При этом вход электрической цепи очень важно изолировать от оборудования.
Второй способ заключается в наличие интегрирующего элемента. В результате период помехи можно значительно уменьшить. Наконец, последним приемом принято считать установку специальных фильтров на вольтметры. Основной их задачей является повышение сопротивления в электрической цепи. В результате амплитуда помехи на выходе после блока значительно уменьшается. Также следует отметить, что многие системы преобразователей способны значительно увеличить скорость измерений. Однако при повышении производительности снижается точность регистрации данных. В итоге такие преобразователи могут быть причиной больших помех в электрической цепи.
Цифровые преобразователи вольтметров
На сегодняшний день существует множество различных типов преобразователей, которые устанавливаются в вольтметры. Наиболее распространенными считаются времяимпульсные модели. Дополнительно существуют кодоимпульсные преобразователи.
Отличительной их особенностью от прочих устройств является возможность заниматься поразрядным уравновешиванием. В это время частотно-импульсные модели такой привилегии лишены. Однако с их помощью можно проводить пространственное кодирование, а это в некоторых исследованиях может быть крайне важным. Особенно это касается замеров напряжения в закрытых цепях электричества.
