Измерение напряжения. Виды и принцип измерений

Измерение напряжения на практике приходится выполнять довольно часто. Напряжение измеряют в радиотехнических, электротехнических устройствах и цепях и т.д. Вид переменного тока может быть импульсным или синусоидальным. Источниками напряжения являются или генераторы тока.

Напряжение импульсного тока имеет параметры амплитудного и среднего напряжения. Источниками такого напряжения могут быть импульсные генераторы. Напряжение измеряется в вольтах, имеет обозначение «В» или «V». Если напряжение переменное, то впереди ставится символ «~ », для постоянного напряжения указывается символ «-». Переменное напряжение в домашней бытовой сети маркируют ~220 В.

Это приборы, предназначенные для измерения и контроля характеристик электрических сигналов. Осциллографы работают на принципе отклонения электронного луча, который выдает изображение значений переменных величин на дисплее.

Измерение напряжения в сети переменного тока

Согласно нормативным документам величина напряжения в бытовой сети должна быть равной 220 вольт с точностью отклонений 10%, то есть напряжение может меняться в интервале 198-242 вольта. Если в вашем доме освещение стало более тусклым, лампы стали часто выходить из строя, либо бытовые устройства стали работать нестабильно, то для выяснения и устранения этих проблем для начала необходимо измерение напряжения в сети.

Перед измерением следует подготовить имеющийся у вас измерительный прибор к работе:

• Проверить целостность изоляции контрольных проводов со щупами и наконечниками.
• Установить переключатель на переменное напряжение, с верхним пределом 250 вольт или выше.
• Вставить наконечники контрольных проводов в гнезда измерительного прибора, например, . Чтобы не ошибиться, лучше смотреть на обозначения гнезд на корпусе.
• Включить прибор.

Из рисунка видно, что на тестере выбрана граница измерений 300 вольт, а на мультиметре 700 вольт. Некоторые приборы требуют для измерения напряжения устанавливать в нужное положение несколько разных переключателей: вид тока, вид измерений, а также вставить наконечники проводов в определенные гнезда. Конец черного наконечника в мультиметре воткнут в гнездо СОМ (общее гнездо), красный наконечник вставлен в гнездо с обозначением «V». Это гнездо является общим для измерения любого вида напряжения. Гнездо с маркировкой «ma» применяется для замеров небольших токов. Гнездо с обозначением «10 А» служит для измерения значительной величины тока, который может достичь 10 ампер.

Если измерять напряжение со вставленным проводом в гнездо «10 А», то прибор выйдет из строя, или сгорит предохранитель. Поэтому при выполнении измерительных работ следует быть внимательным. Наиболее часто ошибки возникают в случаях, когда сначала измеряли сопротивление, а затем, забыв переключить на другой режим, начинают измерение напряжения. При этом внутри прибора сгорает резистор, отвечающий за измерение сопротивления.

После подготовки прибора, можно начинать измерения. Если при включении мультиметра на индикаторе ничего не появляется, это означает, что элемент питания, расположенный внутри прибора, отслужил свой срок и требует замены. Чаще всего в мультиметрах стоит «Крона», выдающая напряжение 9 вольт. Срок ее службы составляет около года, в зависимости от производителя. Если мультиметром долго не пользовались, то крона все равно может быть неисправной. Если батарейка исправна, то мультиметр должен показать единицу.

Щупы проводов необходимо вставить в розетку или прикоснуться ими к оголенным проводам.

На дисплее мультиметра сразу появится величина напряжения сети в цифровом виде. На стрелочном приборе стрелка отклонится на некоторый угол. Стрелочный тестер имеет несколько градуированных шкал. Если их внимательно рассмотреть, то все становится понятным. Каждая шкала предназначена для определенных измерений: тока, напряжения или сопротивления.

Граница измерений на приборе была выставлена на 300 вольт, поэтому нужно отсчитывать по второй шкале, имеющий предел 3, при этом показания прибора необходимо умножить на 100. Шкала имеет цену деления, равной 0,1 вольта, поэтому получаем результат, изображенный на рисунке, около 235 вольт. Этот результат находится в допустимых пределах. Если при измерении показания прибора постоянно меняются, возможно, плохой контакт в соединениях электрической проводки, что может привести к искрению и неисправностям в сети.

Измерение постоянного напряжения

Источниками постоянного напряжения являются аккумуляторы, низковольтные или батарейки, напряжение которых не более 24 вольт. Поэтому прикосновение к полюсам батарейки не опасно, и нет необходимости в специальных мерах безопасности.

Для оценки работоспособности батарейки или другого источника, необходимо измерение напряжения на его полюсах. У пальчиковых батареек полюсы питания расположены на торцах корпуса. Положительный полюс маркируется «+».

Постоянный ток измеряется аналогичным образом, как и переменный. Отличие заключается только в настройке прибора на соответствующий режим и соблюдении полярности выводов.

Напряжение батарейки обычно обозначено на корпусе. Но результат измерения еще не говорит об исправности батарейки, так как при этом измеряется электродвижущая сила батарейки. Продолжительность эксплуатации прибора, в котором будет установлен элемент питания, зависит от его емкости.

Для точной оценки работоспособности батарейки, необходимо проводить измерение напряжения при подключенной нагрузке. Для пальчиковой батарейки в качестве нагрузки подойдет обычная лампочка для фонарика на 1,5 вольта. Если напряжение при включенной лампочке снижается незначительно, то есть, не более, чем на 15%, следовательно, батарейка пригодна для работы. Если напряжение падает значительно сильнее, то такая батарейка может еще послужить только в настенных часах, которые расходуют очень мало энергии.

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.

Вряд ли будет преувеличением сказать, что тестер семейства М-83х есть у каждого радиолюбителя. Простой, доступный, дешёвый. Вполне достаточный для электрика.

Но для радиолюбителя он имеет изъян при измерениях переменного напряжения. Во-первых, малую чувствительность, во-вторых, предназначен для измерений напряжений частотой 50 Гц. Часто у начинающего любителя нет других приборов, а хочется измерить, например, напряжение на выходе усилителя мощности и оценить его АЧХ. Можно ли это сделать?

В интернете все повторяют одно и то же – «не выше 400 Гц». Так ли это? Давайте посмотрим.

Для проверки собрана установка из тестера М-832, звукового генератора ГЗ-102 и
лампового вольтметра В3-38.

Судя по имеющимся данным, многочисленные приборы семейства М-83х или D-83x собраны практически по одной схеме, поэтому высока вероятность того, что результаты измерений будут близки. Кроме того, в данном случае меня мало интересовала абсолютная погрешность данного тестера, интересовали только его показания в зависимости от частоты сигнала.

Уровень был выбран около 8 Вольт. Это близко к максимальному выходному напряжению генератора ГЗ-102 и близко к напряжению на выходе УМЗЧ средней мощности.

Лучше было бы сделать ещё серию измерений с мощным УНЧ нагруженным на повышающий трансформатор, но не думаю, что результаты изменятся разительно.
Для удобства оценки АЧХ в дБ выбран уровень 0 дБ на пределе 10 В вольтметра В3-38. При изменении частоты сигнала уровень чуть подстраивался, но изменения не превышали долей дБ, ими можно пренебречь.

Результаты

В приведённой таблице К - коэффициент, на который надо умножить результат измерений тестера на данной частоте с учётом спада АЧХ.

Для получения табличных результатов в дБ на выходе генератора устанавливался уровень напряжения, полученного для каждой частоты, а разность в дБ считывалась и заносилась в таблицу. Некоторые неточности из-за округления в 0,5 дБ показаний лампового вольтметра и округления последней цифры показаний тестера. Считаю, в данном случае систематическую ошибку в 1 дБ вполне допустимой т. к. на слух она неощутима.

Вывод

Итак, что же получилось?

Частотная характеристика тестера верна не до 400 Гц, а до 4…6 кГц, выше начинается спад, который можно учесть при помощи таблицы и, значит, получить относительно достоверные результаты в диапазоне 20…20000 Гц и даже выше.

Для того чтобы утверждать, что поправки годятся для всех тестеров, нужно собрать статистику. К сожалению, мешком тестеров не располагаю.

Не надо забывать, что тестер измеряет переменное напряжение по схеме однополупериодного выпрямителя с его недостатками, такими как возможность измерений только синусоидального напряжения без постоянной составляющей, при малом измеряемом напряжении погрешность будет расти.

Как можно улучшить тестер М-832 для измерений переменных напряжений?

Можно поставить дополнительный переключатель пределов «200-20 В» и ещё один резистор шунта. Но это требует разборки и доработки тестера, надо разбираться в схеме и иметь прибор для калибровки. Считаю, что это нецелесообразно.

Лучше сделать отдельную приставку, усиливающую и выпрямляющую напряжение. Выпрямленное напряжение подавать на тестер, включённый на измерение постоянного напряжения.
Но это тема для другой статьи.

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 .