Где применяется вольтметр: принцип действия и назначение прибора

принцип действия и назначение прибора

Условия доставкиУсловия оплаты

ПН-ПТ 9:00 — 17:00 | СБ-ВС — выходной

0

Корзина пуста

MOD_VIRTUEMART_CART_AJAX_CART_PLZ_JAVASCRIPT

Каталог

Новости компании

Новые ЦЕНЫ на счетчики ЭЭ

01.06.2021

подробнее >>

Работаем с юридическими и физическими лицами

16.05.2018

подробнее >>

• Главная
• Полезные материалы
• org/ListItem»> Вольтметр — принцип действия и назначение прибора

Вольтметр — принцип действия и назначение прибора

Вольтметром называют прибор, который может измерять разницу потенциалов на участке электрической цепи. Проще говоря, с помощью этого устройства можно измерять напряжение с целью его контроля в процессе настройки или эксплуатации электрооборудования, а также при проведении лабораторных измерений, испытаний и разработок. Задача купить вольтметр может возникать сегодня у:

• Эксплуатирующих энергетических компаний;
• Ллабораторий;
• Ремонтных мастерских;
• Бытовых пользователей.

Для решения разных задач используют несколько типов приборов, которые различаются по принципу действия, назначению и исполнению.

Принцип действия вольтметра

Все современные приборы для измерения напряжения делятся на две большие группы по принципу действия:

• Электромеханические;
• Электронные.

Первый тип появился раньше, и к нему относятся стрелочные вольтметры, принцип действия которых основан на взаимодействии магнитных полей, сила которого преобразуется механическими компонентами устройства и отклоняет стрелочный указатель на определенный угол. Угол такого отклонения зависит от силы взаимодействия полей, а шкала прибора градуируется таким образом, чтобы показания было удобно считывать в заданных единицах. Как правило, стрелочные приборы, в зависимости от области применения, градуируются в Вольтах, милливольтах или киловольтах.

Электронные или цифровые измерительные приборы строятся по принципу аналого-цифрового преобразования с последующей индикацией полученного значения на цифровом или графическом табло. Такой вольтметр универсальный часто используется в мультиметрах, а также позволяет выполнять автоматическую обработку и передачу измеренных значений по интерфейсам связи. В то же время цифровые приборы имеют и ряд недостатков, в том числе:

• Чувствительны к высоковольтным импульсам;
• Имеют большую цену приобретения и ремонта;
• Часто требуют отдельного источника стабильного питания.

Поэтому для большинства промышленных задач измерения напряжения обычно применяются электромеханические вольтметры, цена которых ниже.

Классификация приборов по типу

Кроме принципа действия, который во многом определяет область применения, вольтметры разделяют по таким категориям в соответствии с возможностями измерения:

• Постоянного тока. Применяются, в основном, в системах с питанием от выпрямителя или аккумулятора;
• Переменного тока. Наиболее распространенная модификация, которая находит широкое применение в энергетическом хозяйстве. Например, к этому типу относится вольтметр э8030;
• Универсальные. Могут быть как стрелочными, так и электронными. Обычно в их составе есть выпрямитель и банк резисторов, с помощью которого переключается чувствительность устройства, то есть, меняется диапазон измерений;
• Импульсные. Позволяют фиксировать скачки напряжения импульсного характера, которые невозможно отследить при помощи обычных вольтметров;
• Фазочувствительные. Позволяют измерять полное напряжение переменного тока, состоящее из мнимой и комплексной составляющих. В основном используются в лабораторных условиях;
• Селективные. Предназначены для выделения и измерения параметров отдельных гармоник переменного тока. Также используются для решения специфических лабораторных или исследовательских задач.

Кроме классификации по характеру измеряемого напряжения, вы можете подобрать и купить вольтметр в Беларуси по такому критерию, как тип установки, который бывает:

• Щитовым. Наиболее востребованный тип измерительных приборов, которые устанавливаются стационарно в щиты или коммутационные шкафы в энергетических компаниях или у промышленных потребителей электроэнергии;
• Стационарным. К этому типу относятся электроприборы, используемые в условиях лаборатории. Устанавливаются на столах или измерительных стендах;
• Переносным. К этому типу относят универсальные компактные вольтметры или мультиметры, которые используют ремонтники и радиолюбители.

Когда вам требуется вольтметр купить в Минске для решения производственных задач, лучше обратиться в специализированную компанию, продающую сертифицированное электрооборудование и метрологические приборы. Чтобы купить вольтметр в интернет магазине такой компании вам потребуется либо точно знать его марку, либо характеристики, к которым относится:

• Тип прибора;
• Диапазон измеряемого напряжения;
• Класс точности;
• Способ монтажа.

Сотрудники магазина помогут подобрать метрологическое оборудование, которое полностью соответствует требуемым критериям. Также можно просто выбрать требуемое оборудование, например, вольтметр э8030 500в и быть полностью уверенным в том, что его характеристики полностью отвечают паспортным данным.

Вольтметр. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Вольтметр – измерительный прибор для считывания уровня электрического напряжения. Он подключается параллельно нагрузке или непосредственно к источнику напряжения (U). Единица измерения напряжения — Вольт (V). Прибор имеет большое сопротивление. Чем оно больше, тем он лучше и точнее. Это снижает воздействие на измеряемую цепь, и дает возможность считать данные о напряжении с минимальной погрешностью.

По предназначению приборы могут быть:

• Постоянного напряжения.
• Переменного напряжения.
• Импульсной чувствительности.
• Фазовые.
• Селективного поиска частот.
• Универсальные.

Постоянного напряжения

Вольтметр постоянного напряжения имеет маркировку В2. Он применяется в сетях с постоянным током. Обычно такие приборы используют как тестер для различного оборудования, а также автомобильной проводки.

Переменного напряжения

Приборы переменного напряжения имеют маркировку В3. Он используется в сетях соответствующего тока. Прибор преобразовывает переменные параметры в постоянные, на выходе проводится усиление сигнала, который поступает на измерительный механизм. Фактически внутри, устройство для переменных сетей, соответствует прибору постоянного тока, но перед этим имеет специальную систему для преобразования параметров электричества.

Импульсной чувствительности

Импульсочувствительные модели маркируются обозначением В4. Они предназначены для снятия показаний коротких импульсных напряжений. Часто такие вольтметры применяют для поиска импульсных помех. Иными словами, с помощью данного прибора можно выявить, на каком участке электрической цепи присутствует слабый контакт. Благодаря этому свойству импульсные блоки применяют при тестировании электропроводки автомобилей, микросхем и т.д.

Фазовые

Фазовые аппараты маркируются как В5. Приборы предназначены для снятия измерений квадратурных составляющих первой гармоники. Принцип действия таких измерителей заключается в том, что они оснащаются двумя чувствительными зонами. Прибор снимает два показания. Первоначальная фаза устройством воспринимается как ноль. Такие приборы практически не востребованы, поскольку в быту являются ненужными.

Селективного поиска частот

Измерительные приборы селективного поиска частот имеют на корпусе обозначение В6. Они одни из самых габаритных. Вольтметры этого типа могут выделять гармонические составляющие сложных сигналов. Фактически их конструкция имеет много общего с радиоприемниками, которые ловят частоты сигналов.

Универсальные

Универсальные измерители являются многофункциональным устройством, которое позволяет снимать показатель напряжение в любых электрических сетях. На корпусе таких приборов стоит маркировка В7. Зачастую в комплекте с такими устройствами идут наборы шунтов для проведения безопасного подключения.

Разновидности по внешним параметрам

По внешним параметрам измерители разделяют на три категории:

• Переносные.
• Стационарные.
• Щитовые.

Переносные вольтметры являются полностью автономными. Они отличаются небольшими размерами, весом и удобным корпусом для транспортировки. Мультиметр или тестер считаются одной из разновидностей переносных вольтметров. Зачастую такие приборы оснащаются двумя электродами для снятия показаний электрической цепи без необходимости закрепления прищепками или крокодилами.

Стационарные вольтметры являются более тяжелыми. Они обычно устанавливаются в сложное электрическое оборудование. Такие приборы более чувствительные, поэтому отличаются повышенными габаритами. Их устанавливают на производственных объектах, где постоянно требуется контролировать состояние электросети, которая поддерживает работу холодильных установок, нагревательных элементов, систем кондиционирования и пр. Особенно они важны, если идет питание от генератора.

Щитовые вольтметры имеют много общего со стационарными, поскольку их нельзя переносить. Они зачастую имеют более компактный корпус, чем стационарные, но все-таки крупнее переносных вольтметров. Обычно их устанавливают в щитовые шкафы.

Принцип действия

По принципу действия вольтметры, как и любые другие приборы, предназначенные для изменения параметров электрической цепи, бывают электронными и механическими. Способы, по которым они проводят измерения, отличаются. Сложно сказать какой принцип лучше.

Электромеханические

Электромеханические вольтметры имеют стрелку, которая закреплена на рамке с обмоткой. Рамка насаживается на ось с постоянным магнитом. При подаче напряжения создается электромагнитное поле. В результате его взаимодействия с полем постоянного магнита, рамка начинает отклоняться вместе со стрелкой, которая указывает на шкалу.

Такие приборы могут иметь различную чувствительность, которая выражается коэффициентом пропорциональности между цифровым отображением угла на шкале и реальным напряжением. Для того чтобы предотвратить колебания стрелки на шкале, и снять точные показания применяется индукционный демпфер. Обычно его делают из алюминиевой пластины, которая также крепится на оси и передвигается вместе со стрелкой. Создаваемые электромагнитные завихрения контактируют с пластиной, подобно парусу и ветру. Это притормаживает колебания стрелки. Также бывает воздушный демпфер, который состоит из механизма из поршня и цилиндра. При колебаниях стрелки они придерживают ее, не допуская сильных скачков. Проводится обычное затормаживание поршнем, зафиксированным в цилиндре.

Также внутри электромеханических вольтметров имеется система противовесов в виде грузиков устанавливаемых на стрелку. Они не допускают ее отклонение под влиянием силы тяжести. Благодаря этому устройство дает точные показатели вне зависимости от угла наклона при проведении измерения. Подвижные части механизма вольтметра делают из твердой стали, которая не поддается истиранию. Все стержни полируются для снижения трения.

При подключении таких приборов необходимо соблюдать полярность, поскольку при неправильном соединении стрелка будет пытаться повернуться в противоположную сторону, что не позволяет специальный стопор в корпусе.

Электронные

Электронные вольтметры могут быть аналоговыми или полностью электронными. Аналоговые приборы внешне напоминают обычные механические. Они также оснащаются стрелкой, которая указывает на шкалу. Внутри них имеется компактная система преобразования входного напряжение в постоянное. Благодаря этому колебания стрелки исключаются. Специальный детектор в зависимости от уровня напряжения отклоняет стрелку под определенным углом, который и соответствует измеренному напряжению цепи.

Цифровые вольтметры имеют микросхему (контроллер). На внешней панели имеется дисплей, на котором отображается напряжение в цифровом виде. Такие приборы отличаются большой точностью, компактностью, легкостью и надежностью. Точность вольтметра в первую очередь зависит от преобразователя, переводящего параметры напряжения в кодированный цифровой сигнал, который отображается на дисплее.

Как подключать вольтметр и правила пользования

В электрических схемах вольтметр отображается латинской буквой «V».

Для получения точных данных прибор должен быть подключен параллельно участку цепи, на которой необходимо провести измерение напряжения. При подсоединении важно соблюсти полярность. Для непосредственной фиксации проводов прибора к проводнику он оснащается специальными зажимами или точечными электродами.

В тех случаях, если необходимо замерить напряжение источника питания, прибор подключается непосредственно к его клеммам. При этом необходимо учитывать, что для высоковольтного напряжения нельзя применять слабые вольтметры, не рассчитанные для таких параметров.

Все устройства разделяются по диапазону измерения. Существуют вольтметры, которые могут фиксировать как милливольты, так и киловольты. Бывают также модели для работы с микросхемами, так называемые микровольтметры. Они чувствительны к миллионной части вольта. Следует всегда смотреть на диапазон частоты измерения, перед тем как использовать вольтметр для снятия параметров напряжения в отдельно взятом участке электрической цепи. Применив микровольтметр вместо киловольтметра можно вызвать короткое замыкание.

Особенно важно обратить внимание, что если прибор рассчитан для постоянного тока, то его нельзя подключать к переменному, и наоборот. Если применяется универсальный вольтметр, то перед его подключением необходимо выбрать режим измерения. В случае, когда он применяется для измерения постоянного напряжение, то на панели вольтметра необходимо установить значение, например + 60В. После этого нужно уменьшать вольтаж до тех пор, пока прибор не начнет считывание. Это проводится потому, что сети постоянного тока могут иметь различные напряжения. К примеру, в военной технике – 24В, автомобилях – 12В, а в некоторых мотоциклов – 6В. В том случае, когда нужно работать с сетью переменного тока, то устанавливается показатель 220В.

Технические характеристики

Вне зависимости от того, по какому принципу работает вольтметр, его назначению и способу исполнения, все приборы имеют общие критерии оценки эффективности. На них следует обратить внимание, перед тем как начинать использовать, или покупать устройство. В первую очередь это касается точности измерения. Этот показатель характеризует соответствие тех данных, которые фиксирует прибор, с реальными параметрами напряжения.

При наличии максимального внутреннего сопротивления вольтметр любого типа будет оказывать минимальное влияние на электрическую цепь, с которой снимаются показатели. Чем выше этот показатель, тем устройство точнее.

Похожие темы:

• Амперметр. Виды. Работа. Применение. Особенности
• Токоизмерительные клещи. Виды. Работа. Применение. Как выбрать
• Индикатор напряжения. Виды и использование. Особенности

Вольтметр: определение, функция и схема

Электрикам нужны различные инструменты и оборудование для выполнения своей работы, ремонта электропроводки в домах и установки электроприборов. Одним из наиболее важных инструментов является вольтметр или мультиметр, который позволяет снимать показания важных величин, таких как напряжение или ток. Например, высокое напряжение может повредить приборы, поэтому проверка показаний напряжения помогает найти опасные неисправности. В этой статье мы поближе познакомимся с вольтметром, основным инструментом анализа цепей, посмотрим, как они работают и как распознать их на принципиальных схемах.

Определение вольтметра

При анализе принципиальных схем или электрических компонентов мы склонны сосредотачиваться на трех основных величинах: токе, сопротивлении и разности потенциалов. В этой статье мы рассмотрим вольтметры, измеряющие разность потенциалов, поэтому давайте повторим, что мы подразумеваем под разностью потенциалов.

Разность потенциалов, или напряжение , является мерой изменения потенциальной энергии заряда при его перемещении между двумя точками цепи. Потенциальная энергия заряда в точке определяет работу, совершаемую электрическим полем при перемещении заряда в эту точку.

Именно эта разность потенциалов между различными точками цепи перемещает заряд по цепи, создавая ток. Эта начальная разность потенциалов вызвана электродвижущей силой (ЭДС), обычно создаваемой элементом или батареей. Каждый компонент в цепи изменяет потенциал тока и, следовательно, имеет соответствующую разность потенциалов.

При рассмотрении обычного тока разность потенциалов элемента или батареи положительна, в то время как разность потенциалов компонентов отрицательна, поскольку потенциал тока «исчерпается» из-за сопротивления компонентов при его протекании .

При анализе цепей нам часто требуется измерить разность потенциалов различных компонентов в цепи, например, чтобы узнать, насколько мощна батарея. Это можно сделать с помощью вольтметра .

Вольтметр — это прибор, используемый для измерения разности потенциалов между компонентами в цепи.

Функция и символ вольтметра

Итак, как именно работают вольтметры и для чего мы можем их использовать? Все вольтметры должны быть размещены параллельно компоненту, напряжение которого они пытаются измерить. Это связано с тем, что компоненты, соединенные параллельно, имеют одинаковую разность потенциалов в соответствии с правилом контура Кирхгофа, и поэтому, размещая вольтметр параллельно, он измеряет напряжение на компоненте, измеряя собственное напряжение.

Различные вольтметры делают это по-разному. Ранние вольтметры измеряли протекающий через них ток, используя электромагнитную индуктивность для отклонения стрелки, которая в сочетании с резистором известного сопротивления позволяла рассчитывать напряжение по закону Ома. Современные цифровые вольтметры, как правило, измеряют время разряда конденсатора для расчета напряжения на них.

Рис. 1. Аналоговый вольтметр использует электромагнитную индукцию для измерения разности потенциалов.

Как видно на рисунке 2, символом вольтметра на принципиальной схеме является круг с буквой V в центре.

Рис. 2 — Символ вольтметра на принципиальных схемах.

Вольтметры могут измерять разность потенциалов в любых двух точках цепи и, следовательно, параллельно с несколькими компонентами, если измеряется общая разность потенциалов компонентов. Например, вольтметр \(V_1\) измеряет напряжение лампочки, а вольтметр \(V_2\) измеряет напряжение и лампочки, и резистора.

Рис. 3. Важно проверить, какие компоненты подключены параллельно вольтметру, так как несколько компонентов могут быть измерены одним и тем же вольтметром, как показано выше.

Вольтметры предназначены для измерения напряжения с минимальным влиянием на ток через компонент. Чтобы гарантировать это, вольтметры имеют очень высокое сопротивление, чтобы остановить ток, протекающий через них. При рассмотрении идеальных вольтметров на принципиальных схемах предполагается, что они имеют бесконечное сопротивление и поэтому могут измерять напряжение без протекания через них тока. Это невозможно для настоящих вольтметров, поэтому вольтметры всегда будут каким-то образом влиять на цепь.

Рассмотрим резистор с сопротивлением \(20\,\mathrm{\Omega}\), через который протекает ток \(100\,\mathrm{A}\).

Сам по себе резистор имеет напряжение \[V=20\,\mathrm{\Omega}\cdot 100\,\mathrm{A}=2000\,\mathrm{В}. \]

Однако, если бы это было измерено вольтметром с сопротивлением \(100\,\mathrm{\Omega}\), помещенным параллельно, комбинированное сопротивление двух компонентов было бы \[\begin{align}\frac{1}{R_ {\ text {всего}}} = & \ frac {1} {R _ {\ text {Резистор}}} + \ frac {1} {R _ {\ text {Вольтметр}}} \\\\\ подразумевает R _ {\ text{total}}=&16.7\,\mathrm{\Omega}.\end{align}\]

Итак, напряжение на резисторе теперь будет \[V=100\,\mathrm{A}\cdot16.7\,\mathrm{\Omega}=1670\,\mathrm{V}.\] Вольтметр конечного сопротивления уменьшает напряжение измеряемого им компонента.

Вольтметр

Напряжение определяется как энергия на единицу заряда и может быть рассчитано с помощью уравнения \[\text{Voltage}=\frac{\text{Work Done}}{\text{Charge}}.\]

Поскольку энергия измеряется в джоулях \(\mathrm{J}\), а заряд в кулонах \(\mathrm{C},\), отсюда следует, что единицей напряжения является джоуль на кулон \(\frac{\mathrm{J }}{\mathrm{C}}\). Это определяет стандартную единицу напряжения, вольт, названный в честь итальянского физика Алессандро Вольта.

вольт определяется таким образом, что один \(1\,\mathrm{C}\) заряда увеличивает свою потенциальную энергию на \(1\,\mathrm{J}\) при прохождении через разность потенциалов \ (1\,\mathrm{V}\).

Напряжение батареи или источника питания определяет, сколько энергии они отдают току, и поэтому является индикатором их мощности. В США электрическая сеть, используемая для бытовых приборов, таких как микроволновые печи, работает при \(120\,\mathrm{В}\), в то время как в большей части остального мира сеть имеет \(240\,\ матрм{V}\). Тип напряжения батареи, который вы увидите при анализе схемы, например, во время лабораторных экспериментов, вероятно, будет около \(5 \, \mathrm{to} \, 10\,\mathrm{V}\). 9{-1}.\end{align}\]

Следовательно, напряжение определяется выражением \[\begin{align}\text{Voltage}&=\frac{\text{Power}}{\text{Current} }\\\\&=\frac{\text{Energy}}{\text{Charge}}.\end{align}\]

Подстановка чисел дает \[\begin{align}\text{Voltage} &=\frac{100\,\mathrm{W}}{4\,\mathrm{A}}\\\\&=25\,\mathrm{V}. \end{align}\]

Диаграмма вольтметра

Вольтметры фигурируют во многих вопросах анализа цепей, поэтому важно, чтобы мы могли распознавать вольтметры на диаграмме, а также знать, как строить диаграммы с вольтметрами. Ключевым фактом, который следует помнить, является то, что вольтметры должны располагаться параллельно любому компоненту или компонентам, которые они измеряют.

Давайте рассмотрим пример схемы с вольтметрами.

Рассмотрим схему на рисунке 4 ниже. Определите показания вольтметров \(V_1\) и \(V_2\).

Рис. 4 — Определить значения \(V_1\) и \(V_2\), измеренные вольтметрами в цепи.

Напомним, что для параллельных цепей напряжение на каждой ветви должно быть одинаковым. Поскольку напряжение батареи равно \(15\,\mathrm{В}\), мы знаем, что обе ветви будут иметь напряжение \(15\,\mathrm{В}\). Тогда сумма напряжений каждого компонента в ответвлении должна быть равна \(15\,\mathrm{V}\).

Глядя на первую ветвь, мы можем использовать закон Ома для расчета напряжения на лампочке.

\[\begin{align}V&=IR\\&=0,5\,\mathrm{A}\cdot10\,\mathrm{\Omega}\\&=5\,\mathrm{V}.\end{ align}\]

Это говорит нам, что

\[V_1=15\, \mathrm{V}-5\,\mathrm{V}=10\,\mathrm{V}.\]

Аналогично, применяя Закон Ома для резистора во второй ветви дает нам его напряжение. \[\begin{align}V&=5\,\mathrm{A}\cdot2\,\mathrm{\Omega}\\&=10\,\mathrm {V}.\end{выравнивание}\]

Что говорит нам о том, что \[V_2=15\,\mathrm{V}-10\,\mathrm{V}=5\,\mathrm{V}.\]

Вольтметр и мультиметр

Возможно, вы знакомы с прибором, показанным на рис. 5, из-за использования его в лабораторных работах. Это мультиметры, которые часто используются для измерения напряжения компонента, как и вольтметры. Фактически, мультиметры — это просто инструменты, которые можно использовать для измерения множества различных электрических величин, таких как ток, напряжение и сопротивление.

Рис. 5. Мультиметры жизненно важны для инженеров-электриков, позволяя измерять различные величины с помощью одного и того же прибора.

Мультиметры, по сути, просто расширение одноразовых вольтметров и амперметров, которые измеряют ток. Они содержат несколько настроек, чтобы можно было измерять разные величины. Однако размещение мультиметров параллельно компонентам по-прежнему необходимо, если мы хотим измерить их напряжение. Мультиметр, включенный последовательно, не будет давать показания при настройке напряжения, хотя он будет давать показания при установке тока, поскольку в этом случае он будет действовать как амперметр.

Для мультиметра нет специального символа на электрической схеме; вместо этого символ вольтметра будет просто означать, что мультиметр следует использовать в качестве вольтметра в этом положении.

Вольтметр – Основные выводы

• Вольтметры используются для измерения разности потенциалов между двумя точками в электрической цепи.
• Разность потенциалов — это мера изменения потенциальной энергии испытательного заряда при его перемещении по цепи.
• Вольтметры должны быть установлены параллельно измеряемому компоненту. Они предназначены для отвода как можно меньшего тока, поэтому имеют очень высокое сопротивление. Идеальный вольтметр имеет бесконечное сопротивление.
• Вольтметры измеряют разность потенциалов или напряжение в вольтах \(\mathrm{V}\), что эквивалентно \(\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{C}}.\)
• Мультиметры являются приборами которые могут измерять напряжение, ток и сопротивление в зависимости от того, какие настройки они включены.

Ссылки

1. Рис. 1 — Вольтметр hg (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Voltmeter_hg.jpg) Hannes Grobe (https://commons.wikimedia.org/wiki/User: Hgrobe) находится под лицензией CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/deed.en)
2. Рис. 2 — Символ вольтметра (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Voltmeter_symbol.png) от Guigui v.69 под лицензией CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses /by-sa/3.0/)
3. Рис. 3 Последовательная схема с вольтметром, StudySmarter Originals.
4. Рис. 4 — Пример схемы вольтметра, StudySmarter Originals.
5. Рис. 5 — Цифровой мультиметр Aka (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Digital_Multimeter_Aka.jpg) компании Aka (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Aka) лицензирован CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/deed.en)

электромагнетизм — Как вольтметр определяет напряжение?

Я не знаю, насколько общий ответ вам нужен, поэтому я начну с высокого уровня, а позже углублюсь в то, что такое напряжение и что на самом деле означает его измерение.

Я думаю, что ваш вопрос о цифровых вольтметрах (DVM), как они работают. Я предполагаю, что вы знаете, что когда у нас есть цифровой сигнал, мы можем обрабатывать его в электронном виде, чтобы выполнять любые арифметические и визуальные действия, необходимые для отображения некоторого значения на экране, поэтому я не буду это описывать.

Похоже, ваш вопрос касается получения этого цифрового представления в первую очередь из разности потенциалов. Цифровой вольтметр должен сначала получить цифровое представление аналоговой разности потенциалов, функция, выполняемая «аналогово-цифровым преобразователем» (АЦП). В электронном виде функция АЦП состоит в том, чтобы заставить заряды каким-то образом работать и измерять работу, которую они выполняют (см. Ниже). А пока я объясню в общих чертах процесс преобразования аналогового потенциала (любого напряжения) в набор цифровых потенциалов (высокого или низкого напряжения). Есть несколько способов сделать это, и я опишу два.

Первый — это «последовательное приближение», в котором мы используем умную цифровую электронику, чтобы угадать значение, а затем играем в игру «больше или меньше». Скажем, например, мы хотим измерить некоторый потенциал, который будет находиться в диапазоне от 0 В до 4 В. Наше первое предположение 2.000V. Мы создаем цифровое представление значения «2,000» и используем цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для преобразования этого цифрового сигнала в аналоговый потенциал 2,000 В.

Затем мы сравниваем это с нашим измеренным потенциалом, тест, который мы можем выполнить, используя операционный усилитель в качестве компаратора. Если наше предположение слишком мало, старший бит нашего результата должен быть «1», который мы сохраняем в защелке (например, D-типа).

Затем увеличиваем наше предположение до середины оставшегося верхнего диапазона возможных значений (где-то от 2В до 4В), до 3.000В, и снова сравниваем. На этот раз мы обнаруживаем, что наша догадка слишком высока, и сохраняем следующий по значимости бит, «0». Смещаем наше предположение вниз к середине оставшегося возможного диапазона, к 2.500В, и снова тестируем. Повторяйте, пока не получите все нужные цифры.

Второй метод — это «интеграция», который намного проще понять. При этом используется цифровой счетчик, считающий в двоичном формате от нуля до любого количества битов точности, которое вы хотите. Мы используем ЦАП для преобразования этого двоичного значения в аналоговый потенциал и компаратор для определения того, выше или ниже этот потенциал, чем измеряемое напряжение. По мере того, как счетчик ведет отсчет от нуля вверх, потенциал на выходе ЦАП медленно растет. Продолжайте считать, пока выход компаратора не изменится, и в этот момент значение вашего счетчика будет двоичным представлением измеряемого напряжения! Магия!

Как работает ЦАП? Это сравнительно простой процесс суммирования напряжений пропорционально взвешенным двоичным битам. Например, для двоичного значения «1011» вы можете просто выполнить следующую сумму:

$$ (1 х 8 В) + (0 х 4 В) + (1 х 2 В) + (1 х 1 В) = 11V $$

Давайте углубимся в физику. Когда мы измеряем разность потенциалов, мы измеряем количество потенциальной энергии, которую электрические заряды, обнаруженные в некоторой точке А цепи, имеют по отношению к зарядам в другой точке В. Учитывая средства передвижения, такой заряд будет перемещаться из А в B (или от B до A, в зависимости от полярности заряда), «совершая работу» при этом.

Под «совершением работы» я подразумеваю, что заряд будет взаимодействовать с окружающей средой во время своего движения либо электрически, либо магнитно, в результате чего его потенциальная энергия преобразуется в какую-либо другую форму, такую ​​как тепло, свет или движение.

На практике инженеры никогда не думают в таких терминах, но я полагаю, полезно знать, что там происходит на самом деле, так что читайте дальше, если это вас интересует.

Чтобы измерить разность потенциалов между A и B, вы должны предоставить зарядам среду, через которую они проходят, и измерить работу, которую они совершают на пути от A до B через среду (или от B до A, опять же, в зависимости от полярности заряда) .

Задача вольтметра состоит в том, чтобы обеспечить такой путь, дающий зарядам возможность выполнять работу, которую люди могут видеть физически, с целью использования этого физически видимого явления для измерения количества проделанной работы.

Например, в гальванометре с подвижной катушкой предлагаемый путь представляет собой катушку проволоки. Когда заряды проходят через катушку (движение, которое мы называем «электрическим током»), работа, которую они выполняют, заключается в создании магнитного поля, которое используется для отклонения подпружиненного постоянного магнита. Другими словами, потенциальная энергия зарядов расходуется на выполнение работы по физическому перемещению магнита. Величина отклонения отражает количество проделанной работы, которая, как мы теперь знаем, напрямую связана с потенциальной энергией, которую заряды потеряли («потратили») в своем путешествии, то, что мы называем разностью потенциалов или напряжением.

В DVM работа, выполняемая зарядами, более тонкая. Современные DVM используют МОП-транзисторы, которые имеют «затвор» и «канал». «Ворота» — это место, где электроны могут накапливаться, но чтобы оставаться там, электроны должны сначала преодолеть электростатическое отталкивание электронов, уже находящихся там, и близлежащих электронов в «канале» полевого МОП-транзистора. (Так работает конденсатор, а затвор полевого МОП-транзистора, по сути, представляет собой крошечный конденсатор). Это «работа», которую мы измеряем, потенциальная энергия, которую они тратят на преодоление этого отталкивания, чтобы занять область ворот.

Однако, оказавшись там, присутствие этих накопленных электронов затвора отталкивает и вытесняет электроны из канала. С меньшим количеством электронов, присутствующих в канале, для участия в электрическом токе сопротивление канала значительно увеличивается, что является значительным изменением по сравнению с крошечным количеством энергии, которое его спровоцировало.

Мы можем использовать это сопротивление канала как часть более крупной цепи, чтобы в конечном итоге получить любое напряжение или ток, которые мы хотим, в зависимости от измеряемой разности потенциалов, энергии, которая в первую очередь заполнила затвор зарядами.

Просто так:

Этот простейший вольтметр, который я знаю, это моя кожа. Если я приложу клеммы батареи PP3 к своему языку, я создаю путь для зарядов на одной клемме, чтобы двигаться к другой, через мой язык, и выполнять там работу по мере их перемещения. Большая часть работы, которую они выполняют, — это нагрев, но некоторая работа выполняется для ионизации соединений в нервной системе, что я ощущаю как покалывание.