Как подключается вольтметр в электрическую цепь

Практически любому человеку известно, что существует прибор, который называют вольтметром, и что он служит для измерения напряжения. Хотя пользоваться этим измерительным устройством несложно, надо соблюдать определенные правила, да и знания о его устройстве помогут повысить достоверность результатов замеров.

Вольтметр измеряет величину напряжения между двумя точками электрической цепи, а напряжение представляет собой разность потенциалов. Упрощенно говоря, это разница между количеством (и знаком) электрических зарядов в измеряемых точках. Единицей напряжения в СИ является 1 В (1 вольт) .

Типы вольтметров, их основные компоненты и принцип работы

Измерять напряжение можно разными способами – как прямыми, так и косвенными.

Электроскоп

На заре электротехники для измерения напряжения служил электроскоп. Точнее, основное его предназначение – измерение зарядов, но несколько измененная конструкция пригодна для измерения напряжения. Модифицированный электроскоп представляет собой конденсатор с одной подвижной и одной неподвижной обкладкой. В зависимости от разности потенциалов, подвижная деталь отклоняется на определенный угол.

Первой практической конструкцией вольтметра можно считать «указатель электрической силы», созданный академиком Георгом Вильгельмом Рихманом еще в 18 веке.

Правила подключения вольтметра для измерения электрического напряжения

Подобная конструкция имеет определенные преимущества, но в настоящее время она практически не применяется. Основные причины – сложное устройство, неудобство использования и низкая чувствительность.

Стрелочный вольтметр

По мере развития электротехники и открытия Георгом Омом своего знаменитого закона, появилась возможность создать вольтметр, дошедший до наших дней с минимальными конструктивными изменениями. Стрелочный вольтметр представляет собой амперметр (чаще всего миллиамперметр) с добавочным резистором . Он подключается между двумя точками цепи, через прибор начинает течь ток, пропорциональный напряжению. затем он переводится в напряжение по формуле U=I/R (точнее, шкала сразу градуируется в вольтах).

Для измерения разных видов напряжения амперметр может быть постоянного или переменного тока различных систем (магнитоэлектрической, электромагнитной и т.д.). Чтобы создать универсальный прибор, используется амперметр постоянного тока, а входные цепи дополняют выпрямляющей схемой. Для переключения пределов измерения можно подключать резисторы с разными номиналами. Для выпрямления переменного напряжения и для измерений могут применяться и мостовые схемы.

Правила подключения вольтметра для измерения электрического напряжения

Включение вольтметра в цепь


Мнение эксперта
Становой Алексей
Инженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой.

Лабораторные опыты, в которых закон Ома доказывается с помощью стрелочных вольтметров, являются некорректными. Действие стрелочных приборов основано на этом законе, поэтому все соотношения будут выполняться в любом случае.

Цифровые вольтметры

На настоящем этапе развития техники широкое распространение получили цифровые вольтметры, в том числе, в составе мультиметров бытового назначения. Измерение напряжения в этих приборах базируется на устройстве сравнения уровней на двух входах (компараторах). На один вход компаратора подается измеряемый уровень, а на другой – линейно возрастающее с заданной скоростью напряжение. Как только уровни на обоих входах сравняются, компаратор выдает сигнал, на этом цикл измерения заканчивается. Очевидно, что чем выше измеряемое напряжение, тем больше потребуется времени, чтобы напряжение на втором входе достигло его уровня. Измерив этот период и зная скорость нарастания, можно вычислить измеренное напряжение.

Правила подключения вольтметра для измерения электрического напряжения

Для изменения верхнего предела замеров входные цепи цифровых вольтметров также выполняют в виде резистивных делителей.

Вольтметр

Вольтметр — это прибор для измерения напряжения на полюсах источника тока или на каком-либо другом участке цепи.

Вольтметры по внешнему виду очень похожи на амперметры. Как их различать тогда? Если на шкале амперметра стоит буква $A$, то на шкале вольтметра будет обязательно стоять буква $V$.

Вольтметры бывают разных видов. Это зависит от их назначения. Вы чаще всего будете встречать или демонстрационный вольтметр (рисунок 1, а) или лабораторный (рисунок 1, б).

Как можно догадаться из названий приборов, демонстрационный вольтметр используется для демонстрации опытов, а лабораторный вы будете использовать при выполнении лабораторных работ.

На шкале каждого вольтметра есть высшее (максимальное) значение напряжения, которое он способен измерить. Превышение этого предела может привести к выходу прибора из строя.

Вольтметр в электрической цепи

Вольтметр подключают в электрическую цепь на определенный ее участок, на котором необходимо измерить напряжение.

Обратите внимание на то, что если амперметр, последовательно подключенный в электрическую цепь, будет показывать одинаковое значение силы тока на всех участках цепи, то с вольтметром у нас совершенно другая история. Он предназначен для измерения напряжения на определенном участке цепи.

Для обозначения на схемах электрических цепей у вольтметра имеется свой условный знак (рисунок 2). Выглядит он, как кружок с буквой $V$ посередине.

Принцип работы

Принцип работы вольтметра основан на измерении разности потенциалов между двумя точками электрической цепи.

Хотя существуют различные типы вольтметров, включая аналоговые и цифровые приборы, основная функция каждого из них одинакова — четко и точно определить и отобразить величину напряжения.

Аналоговые вольтметры работают на основе электромеханического действия. В таких приборах часто используется подвижная катушка в магнитном поле, которая поворачивается в результате протекания тока измеряемой разности потенциалов через катушку. Угол поворота катушки или соответствующей ей стрелки пропорционален величине напряжения, а шкала прибора калибрована таким образом, чтобы показывать напряжение в вольтах. Цифровые вольтметры используют более сложную электронику для измерения напряжения. Они снабжены аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который преобразует аналоговый сигнал напряжения в цифровой код.

Этот процесс обычно включает усиление сигнала, его очистку и последующее преобразование, которое позволяет точно определить величину напряжения и отобразить её на цифровом дисплее.

Принцип работы вольтметра

Важность правильного подключения для точности измерений

Правильное подключение вольтметра к электрической цепи является критически важным для обеспечения точности измерений.

Это связано с тем, что некорректное подключение может вносить существенные искажения в показания прибора, влияя на результаты измерений и их интерпретацию.

  1. Параллельное подключение: Вольтметр всегда следует подключать параллельно к участку цепи, где измеряется напряжение. Такое подключение обеспечивает измерение реальной разности потенциалов между двумя точками без заметного воздействия на ток в цепи, чего нельзя достигнуть, если подключить прибор последовательно.
  2. Высокое входное сопротивление: Приборы для измерения напряжения разрабатываются таким образом, чтобы их внутреннее сопротивление было достаточно высоким, что минимизирует протекание тока через сам вольтметр. Такое решение позволяет избежать существенного отбора тока из измеряемой цепи, что могло бы искажать реальное значение напряжения.
  3. Правильный диапазон измерений: Необходимо убедиться, что выбранный диапазон измерения соответствует ожидаемому напряжению в цепи. Измерение напряжения значительно выше пределов шкалы вольтметра может не только дать неверные результаты, но и повредить прибор.
  4. Минимизация влияния помех: При подключении вольтметра стоит избегать областей с высокой электромагнитной помехой, которая может создавать наводки и исказить измерения. В этих случаях желательно использовать экранированные провода и фильтрацию сигналов.
  5. Соединения и контакты: На эффективность измерений может влиять качество соединения вольтметра с измеряемой цепью. Плохой контакт, грязь или коррозия на зажимах могут приводить к повышению сопротивления контакта и, следовательно, к неправильному измерению напряжения.
  6. Избегание перегрузки: Важно не подвергать вольтметры перегрузкам, вызванным подключением к слишком большим напряжениям или ошибочному подключению в режиме измерения чего-то другого (например, сопротивления или тока).

Важность правильного подключения вольтметра

Измерение напряжения с помощью вольтметра

Чтобы измеренные показания были достоверными, надо соблюдать правила подключения вольтметра к измеряемой цепи.

Подключение к источнику напряжения

Вольтметр подключается к измеряемому участку цепи (нагрузке, источнику питания и т.п.) параллельно. Такое включение называется прямым.

Правила подключения вольтметра для измерения электрического напряжения

Если имеющийся прибор имеет недостаточный предел измерения, или надо измерить напряжение в сети выше 1000 В, где требования к изоляции будут явно высокими, вольтметр можно подсоединить через промежуточный трансформатор. Такое подключение называется косвенным.

Вольтметр для обычного автомобиля

Измерить ток в автомобильной сети поможет вольтметр. Как подключить его, обязан знать каждый водитель. Для машины с компьютером на борту это не проблема, так как компьютер покажет напряжение бортовой сети, но есть много авто без компьютера, в которых приходится пользоваться вольтметром.

Весь кузов машины является «минусом», поэтому клемма минусового полюса соединяется с ним, то есть в любой его точке это «масса». Плюсовая клемма от вольтметра подсоединяется к плюсу генератора: так сразу узнают напряжение, им производимое, как правило, оно равняется 14 вольт. Подключаемые провода рекомендуют выбирать потолще, это уменьшит погрешности в измерениях. Если в приборе нет предохранителя, его стоит вмонтировать в цепь. Относительно напряжения в бортовой сети напомним, что оно должно быть больше, чем на аккумуляторных клеммах.

При работах с электричеством необходимо придерживаться правил безопасности: не прикасаться к оголенным проводам, использовать резиновые перчатки и другие средства защиты.

Общая информация

Напряжение (U) – это важный параметр электросети, что показывает отношение работы, которую совершило электрическое поле по передвижению заряда (А), к величине самого заряда (q):

Вольты являются единицей измерения электронапряжения.

Схематическое определение электрического напряжения

Схематическое определение электрического напряжения

Вольтметр – измерительный прибор, который считывает электронапряжение в различных цепях и обладает большим сопротивлением. Вольтметры бывают различных видов:

  1. По назначению:
  • для переменного или постоянного электротока;
  • фазные;
  • импульсной чувствительности;
  • универсальные (многофункциональные);
  • селективного поиска частот.
  1. По методу установки:
  • стационарные;
  • автономные;
  • щитовые.
  1. По принципу измерения:
  • стрелочные;
  • цифровые;
  • статические.

Каждый из них имеет свои особенности по строению, принципу измерения и назначению, а также свой уникальный внешний вид.

Важно! На электрических схемах это измерительное устройство обозначается буквами «V» или «PV».

Процесс подключения

Для снятия показаний напряжения сети на определенном участке цепи вольтметр подсоединяют к ней только параллельно, вне зависимости от типа прибора, так как в этом случае он оказывает минимальное влияние на движение электротока. Контроль напряжения этим измерителем можно проводить как у нагрузки, так и у источника питания.

Схема параллельного подключения вольтметра в сеть

Схема параллельного подключения вольтметра в сеть

Когда вольтметр вклинивается в электроцепь последовательно, то получается фактический ее разрыв из-за большого внутреннего сопротивления, соответственно, полученные измерения будут некорректными, а во многих случаях может случиться вообще короткое замыкание или выход элементов цепи из строя, в том числе и измерителя.

На заметку. Не стоит путать вольтметр с амперметром, который подключается к электросети последовательно, так как сопротивление при измерении силы тока должно быть минимальным.

Подключение прибора к двум участкам цепи производится посредством зажатия проводков специальными электродами или зажимами.

Если нужно измерить участки электроцепи постоянного тока с заведомо высоким напряжением или требуется получить сверхточные данные этого параметра, то следует воспользоваться добавочным сопротивлением, за создание которого отвечают резисторы – простейшие делители напряжения.

Подключение добавочного сопротивления (резисторов) на схеме для увеличения точности вольтметра

Подключение добавочного сопротивления (резисторов) на схеме для увеличения точности вольтметра

Проводя измерения в электросетях переменного тока с высоким напряжением, можно использовать в качестве добавочного сопротивления не только резисторы, но и измерительные трансформаторы. Именно с переменным током обычно электрики применяют трансформаторы напряжения, так как они не только уменьшают напряжение для конечного потребителя, но еще и разделяют измерительную цепь от силовой.

Внешний вид трансформатора напряжения

Внешний вид трансформатора напряжения

Правила подключения вольтметров в цепь:

  1. Следует выбирать верный диапазон измерений прибора. Нельзя измерять большое напряжение вольтметром, который предназначен для измерений параметров микросхем;
  2. Если показание прибора близко к предельному значению, следует работать с ним осторожно, так как скачек ЭДС может повредить его обмотки;
  3. Стрелочный прибор нужно располагать согласно инструкции: или вертикально, или горизонтально. При контроле показаний рекомендуется исключить воздействие электромагнитных полей на прибор и вибрационных волн;
  4. Подключение вольтметров можно совершать в цепь, которая уже находится под напряжением, однако при опасных величинах этого показателя нелишним будет применение специальных перчаток и диэлектрического полотна (коврика);
  5. Если стрелка в аналоговом приборе перед началом снятия показаний выдает ненулевой результат, то необходимо произвести его сброс регулирующим элементом – винтом;
  6. Периодически нужно проводить над прибором калибровочные мероприятия, что будет гарантом точности измерений, которые он выдает;
  7. При первом использовании прибора стоит проводить его включение в обесточенную сеть – только лишь при подсоединении всех клемм и проводов устройства включается ток;
  8. При измерительных процедурах во избежание травм рекомендуется ознакомиться с мерами предосторожности, которые указываются в инструкции.

При контроле напряжения в разных цепях могут применяться различные вольтметры и дополнительные устройства (резисторы, трансформаторы к ним), для получения сверхточных результатов измерений важно учитывать особенности каждого из них.

Как правильно записывать показания измерительных приборов с учетом погрешности

При записи величин (с учетом погрешности) следует пользоваться формулой:

где A — измеряемая величина, a — результат измерений, Δa — погрешность измерений.

Погрешность измерений равна половине цены деления шкалы измерительного прибора, если в задаче не указана другая величина погрешности.

Цена деления шкалы — разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Чтобы найти цену деления шкалы, нужно:

  1. Найти два ближайших штриха шкалы, возле которых написаны значения величин.
  2. Вычесть из большего значения меньшее.
  3. Полученное число разделить на число делений (промежутков), находящихся между ними.

Пример №1. Определите показания вольтметра (см. рисунок), если погрешность прямого измерения напряжения составляет половину цены деления вольтметра.

Видно, что стрелка вольтметра встала на значении «2,0» Вольт. Она немного не дотягивает до штриха «2», но к нему она находится ближе, чем к предыдущему штриху.

Два ближайших штриха шкалы с указанными значениями имеют значения 1 и 2 В. Всего между ними 5 промежутков. Следовательно, цена деления шкалы равна: (2 – 1)/5 = 0,2 (Вольт).

Так как по условию задачи погрешность равна половине цене деления шкалы, то она равна 0,1 Вольтам. Следовательно, вольтметр показывает: 2,0 ± 0,1 В.

Текст: Алиса Никитина, 9.3k

Задание ЕГЭ-Ф-ДВ2023-22

Определите напряжение на лампочке (см. рисунок), если абсолютная погрешность прямого измерения напряжения равна цене деления вольтметра. В бланк ответов нужно записать только числа, не разделяя их знаком пробела или другим знаком. Алгоритм решения:

  1. Определить цену деления шкалы вольтметра.
  2. Рассчитать погрешность измерения.
  3. Снять показания вольтметра с учетом цены деления шкалы и погрешности измерений.

Решение: Для определения цены деления шкалы нужно от большего числа, соответствующего какому-либо делению шкалы, вычесть меньшее и полученную разность поделить на число делений между цифрами. Возьмем значения 4 и 2 Вольта. В соответствии с рисунком между ними 10 делений. Следовательно, цена деления шкалы равна (4 – 2)/10 = 0,2 (В). Погрешность измерительного прибора равна цене деления прибора. Следовательно, погрешность равна 0,2 В. Теперь смотрим, сколько показывает стрелка вольтметра. Между стрелкой и значением «2» находится 7 делений, следовательно, стрелка показывает 2 + 7∙0,2 Вольта. Или 3,4 Вольта. Теперь запишем показания измерительного прибора с учетом погрешности: 3,4 ± 0,2 Вольта. При записи ответа необходимо использовать только числа, которые ничем нельзя разделять. А именно: 3,40,2 (запятую в десятичных дробях сохраняем). Ответ: 3,40,2

Определите показания вольтметра (см. рисунок), если погрешность прямого измерения напряжения равна цене деления вольтметра.

Ответ: (____± ____) В.

Алгоритм решения

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий