Лекция №3 — Электронные вольтметры

ЛЕКЦИЯ №5

ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электронные аналоговые приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы и преобразователи применяют при измерениях практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т.д.

Достоинства электронных измерительных приборов:

1. высокая чувствительность обусловлена применением усилителей;

2. малое потребление энергии из цепи, в которой производят измерение, что определяется высоким входным сопротивлением данных приборов;

3. широкий диапазон частот, в котором чувствительность неизменна.

Недостатки:

1. сложность, обусловленная большим числом деталей и элементов;

2. необходимость в источниках питания электронных устройств, входящих в прибор;

3. сравнительно невысокая надежность, обусловленная большим числом элементов.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированный в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 Мом), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен МГц).

Существуют множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные.

Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 5.1, где ВД – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм; U_x– измеряемое напряжение.

Рис. 5.1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиления

УПТ k_УПТ наталкивается на технические трудности из-за нестабильности работы УПТ, характеризующейся изменением k_УПТ и самопроизвольным изменением выходного сигнала усилителя (дрейф «нуля»). Поэтому в таких вольтметрах k_УПТ≈1, а основное назначение УПТ – обеспечить большое входное сопротивление вольтметра.

Данная структурная схема вольтметра постоянного тока используется в составе универсальных вольтметров, поскольку при незначительном усложнении – добавлении преобразователя переменного напряжения в постоянное, появляется возможность измерения и переменного напряжения.

Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 5.2), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис. 5.2,а измеряемое напряжение u_х, сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне. В то же время указанные недостатки

УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными.

Рис. 5.2. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме рис. 5.2,б, благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, – трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 – 10 МГц).

Различают вольтметры амплитудного, среднего или действующего значения.

Рис. 5.3. Схема (а) и временная диаграмма сигналов преобразователя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 5.3,а) входом, где u_вх и u_вых – входное и выходное напряжение преобразователя. Если вольтметр имеет структуру рис. 5.3,

а, то для преобразователя u_вх=u_х. В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального u_хmax положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (рис. 5.3,б). Пульсации напряжения u_вых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда u_вх>u_вых, и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда u_вх<u_вых.

Универсальные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема показана на рис. 5.4, где В – переключатель. В зависимости от положения переключателя В вольтметр работает по схеме вольтметра переменного тока с преобразователем П (положение 1) или вольтметра постоянного тока (положение 2).

Рис. 5.4. Структурная схема универсального вольтметра

В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто предусматривается возможность измерения сопротивлений

R_х. В таких вольтметрах имеется преобразователь П_R, выходное напряжение которого зависит от неизвестного сопротивления: U_вых=f(R_x). На основании этой зависимости шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. При измерении резистор с неизвестным сопротивлением подключается к входным зажимам преобразователя, а переключатель ставится в положение 3.

Импульсные вольтметры. Для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы применяют импульсные вольтметры. Особенности работы импульсных вольтметров определяются малой длительностью τ измеряемых импульсов (от 10-100 нс) и значительной скважностью

(до 10⁹), где Т – период следования импульсов.

Импульсные вольтметры могут быть выполнены по структурной схеме рис. 5.2,а, при этом используют преобразователи амплитудных значений с открытым входом (рис. 5.3,а). Большая скважность импульсов и малая их длительность предъявляют жесткие требования к преобразователям амплитудных значений. Поэтому в импульсных вольтметрах применяют компенсационные схемы амплитудных преобразователей (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Компенсационная схема амплитудного преобразователя

Входные импульсы u_вх заряжают конденсатор С₁. Переменная составляющая напряжения на этом конденсаторе, вызванная подзарядом его измеряемыми импульсами и разрядом между импульсами (аналогично рис. 5.3,б), усиливается усилителем У переменного тока и выпрямляется с помощью диода D₂. Постоянная времени цепи RC₂ выбирается достаточно большой, поэтому напряжение на конденсаторе С₂ в промежутке между импульсами изменяется незначительно. С выхода преобразователя при помощи резистора

R_о.с. обратной связи на конденсатор С₁ подается компенсирующее напряжение. При большом коэффициенте усиления усилителя это приводит к значительному уменьшению переменной составляющей напряжения на конденсаторе С₁, вследствие чего в установившемся режиме напряжение на конденсаторе практически равно амплитуде измеряемых импульсов, а выходное напряжение пропорционально этой амплитуде: .

Селективные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.

Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы частот с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерении действующего значения выделенных сигналов.

Физически реализуемый полосовой фильтр не обладает строго прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Это может привести к тому, что через такой фильтр пройдут соседние гармонические составляющие с некоторым коэффициентом передачи. В этом случае селективный вольтметр измеряет действующее значение суммы гармонических составляющих, прошедших через фильтр, с учетом реальных коэффициентов передачи для каждой составляющей.

Рис. 5.6. Структурная схема селективного вольтметра

Измеряемый сигнал u_х через избирательный входной усилитель ВУ подается на смеситель См, предназначенный для преобразования частотного спектра измеряемого сигнала. На выходе смесителя появляется сигнал, пропорциональный измеряемому сигналу, но с частотами спектра , где — частота гармонических составляющих входного сигнала; — частота сигнала синусоидального генератора Г (гетеродина). Усилитель промежуточной частоты УПЧ настроен на некоторую фиксированную частоту . Поэтому на выход УПЧ пройдет только та составляющая выходного сигнала смесителя, частота которой . Этот сигнал соответствует гармонической составляющей измеряемого сигнала с частотой . Действующее значение этой гармонической составляющей измеряется вольтметром действующего значения ВДЗ. Изменяя частоту генераторов , можно измерять действующее значение различных гармонических составляющих сигнала u_х.

Функцию полосового фильтра в этой схеме выполняет УПЧ. Благодаря фиксированному (неперестраиваемому) значению частоты настройки УПЧ этот усилитель имеет большой коэффициент усиления и узкую полосу пропускания, что обеспечивает высокую чувствительность и избирательность селективного вольтметра.

Вольтметр — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Два цифровых вольтметра. Верхний — коммерческая модель. Нижний сконструировали студенты Берлинского технического университета

Вольтметр (вольт + греч. μετρεω «измеряю») — измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

Идеальный вольтметр должен обладать бесконечно большим внутренним сопротивлением. Поэтому чем выше внутреннее сопротивление в реальном вольтметре, тем меньше влияния оказывает прибор на измеряемый объект и, следовательно, тем выше точность и разнообразнее области применения.

Классификация и принцип действия

Классификация

• По принципу действия вольтметры разделяются на:
  • электромеханические — магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические;
  • электронные — аналоговые и цифровые
• По назначению:
  • постоянного тока;
  • переменного тока;
  • импульсные;
  • фазочувствительные;
  • селективные;
  • универсальные
• По конструкции и способу применения:
  • щитовые;
  • переносные;
  • стационарные

Аналоговые электромеханические вольтметры

• Магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические и электростатические вольтметры представляют собой измерительные механизмы соответствующих типов с показывающими устройствами. Для увеличения предела измерений используются последовательно включённые добавочные сопротивления. Технические характеристики аналогового вольтметра во многом определяются чувствительностью магнитоэлектрического измерительного прибора. Чем меньше его ток полного отклонения, тем более высокоомные добавочные резисторы можно применить. А значит, входное сопротивление вольтметра будет более высоким. Тем не менее, даже при использовании микроамперметра с током полного отклонения 50 мкА (типичные значения 50..200 мкА), входное сопротивление вольтметра составляет всего 20 кОм/В (20 кОм на пределе измерения 1 В, 200 кОм на пределе 10 В). Это приводит к большим погрешностям измерения в высокоомных цепях (результаты получаются заниженными), например при измерении напряжений на выводах транзисторов и микросхем, и маломощных источников высокого напряжения.
  • ПРИМЕРЫ: М4265, М42305, Э4204, Э4205, Д151, Д5055, С502, С700М
• Выпрямительный вольтметр представляет собой сочетание измерительного прибора, чувствительного к постоянному току (обычно магнитоэлектрического), и выпрямительного устройства.
  • ПРИМЕРЫ: Ц215, Ц1611, Ц4204, Ц4281
• Термоэлектрический вольтметр — прибор, использующий ЭДС одной или более термопар, нагреваемых током входного сигнала.
  • ПРИМЕРЫ: Т16, Т218

Аналоговые электронные вольтметры общего назначения

Аналоговые электронные вольтметры содержат, помимо магнитоэлектрического измерительного прибора и добавочных сопротивлений, измерительный усилитель (постоянного или переменного тока), который позволяет иметь более низкие пределы измерения (до десятков — единиц милливольт и ниже), существенно повысить входное сопротивление прибора, получить линейную шкалу на малых пределах измерения переменного напряжения.

Цифровые электронные вольтметры общего назначения

Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код с помощью аналого-цифрового преобразователя, который отображается на табло в цифровой форме.

Диодно-компенсационные вольтметры переменного тока

Принцип действия диодно-компенсационных вольтметров состоит в сравнении с помощью вакуумного диода пикового значения измеряемого напряжения с эталонным напряжением постоянного тока с внутреннего регулируемого источника вольтметра. Преимущество такого метода состоит в очень широком рабочем диапазоне частот (от единиц герц до сотен мегагерц), с весьма хорошей точностью измерения, недостатком является высокая критичность к отклонению формы сигнала от синусоиды.

• ПРИМЕРЫ: В3-49, В3-63 (используется пробник 20 мм)

В настоящее время разработаны новые типы вольтметров, такие как В7-83 (пробник 20 мм) и ВК3-78 (пробник 12 мм), с характеристиками аналогичными диодно-компенсационным. Последние в скором времени могут быть допущены к применению в качестве рабочих эталонов. Из иностранных аналогов можно выделить вольтметры серии URV фирмы Rohde&Schwarz с пробниками диаметром 9 мм.

Импульсные вольтметры

Импульсные вольтметры предназначены для измерения амплитуд периодических импульсных сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов.

Фазочувствительные вольтметры

Фазочувствительные вольтметры (векторметры) служат для измерения квадратурных составляющих комплексных напряжений первой гармоники. Их снабжают двумя индикаторами для отсчета действительной и мнимой составляющих комплексного напряжения. Таким образом, фазочувствительный вольтметр дает возможность определить комплексное напряжение, а также его составляющие, принимая за нуль начальную фазу некоторого опорного напряжения. Фазочувствительные вольтметры очень удобны для исследования амплитудно-фазовых характеристик четырехполюсников, например усилителей.

Селективные вольтметры

Селективный вольтметр способен выделять отдельные гармонические составляющие сигнала сложной формы и определять среднеквадратичное значение их напряжения. По устройству и принципу действия этот вольтметр аналогичен супергетеродинному радиоприёмнику без системы АРУ, в качестве низкочастотных цепей которого используется электронный вольтметр постоянного тока. В комплекте с измерительными антеннами селективный вольтметр можно применять как измерительный приёмник.

• ПРИМЕРЫ: В6-4, В6-6, В6-9, В6-10, SMV 8.5, SMV 11, UNIPAN 233 (237), Селективный нановольтметр «СМАРТ»

Наименования и обозначения

Видовые наименования

• Нановольтметр — вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений (менее 1мкВ)
• Микровольтметр — вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений (менее 1мВ)
• Милливольтметр — вольтметр для измерения малых напряжений (единицы — сотни милливольт)
• Киловольтметр — вольтметр для измерения больших напряжений (более 1 кВ)
• Векторметр — фазочувствительный вольтметр

Обозначения

• Электроизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их принципа действия
  • Дxx — электродинамические вольтметры
  • Мxx — магнитоэлектрические вольтметры
  • Сxx — электростатические вольтметры
  • Тxx — термоэлектрические вольтметры
  • Фxx, Щxx — электронные вольтметры
  • Цxx — вольтметры выпрямительного типа
  • Эxx — электромагнитные вольтметры
• Радиоизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их функционального назначения по ГОСТ 15094
  • В2-xx — вольтметры постоянного тока
  • В3-xx — вольтметры переменного тока
  • В4-xx — вольтметры импульсного тока
  • В5-xx — вольтметры фазочувствительные
  • В6-xx — вольтметры селективные
  • В7-xx — вольтметры универсальные

Основные нормируемые характеристики

История

Первым в мире вольтметром был «указатель электрической силы» русского физика Г. В. Рихмана (1745). Принцип действия «указателя» используется в современном электростатическом вольтметре.

См. также

Другие средства измерения напряжений и ЭДС

• Для измерения абсолютного значения:
  • Потенциометр — точные измерения компенсационным методом
  • Мультиметр (тестер) — комбинированный прибор для измерения напряжения, силы тока и сопротивления
  • Осциллограф — измерение мгновенных значений напряжения сигнала, изменяющегося во времени; в режиме измерения «с открытым входом» можно измерять и постоянное напряжение.
  • Электрометр — прибор, служащий для измерения электрического потенциала
• Для измерения относительного значения:
  • Измерители отношений напряжений
  • Измерители нестабильности напряжений
• Преобразователи:
• Меры:

Прочие ссылки

Литература и документация

Литература

• Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К. К. Илюнина — Л.:Энергоатомиздат, 1983
• Справочник по радиоизмерительным приборам: В 3-х т.; Под ред. В. С. Насонова — М.:Сов. радио, 1979

Нормативно-техническая документация

• ГОСТ 8711-93 (МЭК 51-2-84) Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 2. Особые требования к амперметрам и вольтметрам
• ГОСТ 8.006-72, ГОСТ 8.012-72, ГОСТ 8.117-82, ГОСТ 8.118-85, ГОСТ 8.119-85, ГОСТ 8.402-80, ГОСТ 8.429-81, ГОСТ 8.497-83 — методики поверки вольтметров разных видов
• ТУ Тч2.710.010 Вольтметры универсальные цифровые

Ссылки

Вольтметр Википедия

Два цифровых вольтметра. Верхний — коммерческая модель. Нижний сконструировали студенты Берлинского технического университета

Вольтметр (вольт + греч. μετρεω «измеряю») — электроизмерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

Идеальный вольтметр должен обладать бесконечно большим внутренним сопротивлением. Поэтому чем выше внутреннее сопротивление в реальном вольтметре, тем меньше влияния оказывает прибор на измеряемый объект и, следовательно, тем выше точность и разнообразнее области применения.

История

Первым в мире вольтметром был «указатель электрической силы» русского физика Г. В. Рихмана (1745). Принцип действия «указателя» используется в современном электростатическом вольтметре.

Классификация и принцип действия

Классификация

• По принципу действия вольтметры разделяются на:
  • электромеханические — магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические;
  • электронные — аналоговые и цифровые
• По назначению:
  • постоянного тока;
  • переменного тока;
  • импульсные;
  • фазочувствительные;
  • селективные;
  • универсальные
• По конструкции и способу применения:
  • щитовые;
  • переносные;
  • стационарные

Аналоговые электромеханические вольтметры

Щитовой вольтметр

• Магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические и электростатические вольтметры представляют собой измерительные механизмы соответствующих типов с показывающими устройствами. Для увеличения предела измерений используются последовательно включённые добавочные сопротивления. Технические характеристики аналогового вольтметра во многом определяются чувствительностью магнитоэлектрического измерительного прибора. Чем меньше его ток полного отклонения, тем более высокоомные добавочные резисторы можно применить. А значит, входное сопротивление вольтметра будет более высоким. Тем не менее, даже при использовании микроамперметра с током полного отклонения 50 мкА (типичные значения 50..200 мкА), входное сопротивление вольтметра составляет всего 20 кОм/В (20 кОм на пределе измерения 1 В, 200 кОм на пределе 10 В). Это приводит к большим погрешностям измерения в высокоомных цепях (результаты получаются заниженными), например при измерении напряжений на выводах транзисторов и микросхем, и маломощных источников высокого напряжения.
  • ПРИМЕРЫ: М4265, М42305, Э4204, Э4205, Д151, Д5055, С502, С700М
• Выпрямительный вольтметр представляет собой сочетание измерительного прибора, чувствительного к постоянному току (обычно магнитоэлектрического), и выпрямительного устройства.
  • ПРИМЕРЫ: Ц215, Ц1611, Ц4204, Ц4281
• Термоэлектрический вольтметр — прибор, использующий ЭДС одной или более термопар, нагреваемых током входного сигнала.
  • ПРИМЕРЫ: Т16, Т218

Аналоговые электронные вольтметры общего назначения

Аналоговые электронные вольтметры содержат, помимо магнитоэлектрического измерительного прибора и добавочных сопротивлений, измерительный усилитель (постоянного или переменного тока), который позволяет иметь более низкие пределы измерения (до десятков — единиц милливольт и ниже), существенно повысить входное сопротивление прибора, получить линейную шкалу на малых пределах измерения переменного напряжения.

Цифровые электронные вольтметры общего назначения

Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код с помощью аналого-цифрового преобразователя, который отображается на табло в цифровой форме.

Диодно-компенсационные вольтметры переменного тока

Принцип действия диодно-компенсационных вольтметров состоит в сравнении с помощью вакуумного диода пикового значения измеряемого напряжения с эталонным напряжением постоянного тока с внутреннего регулируемого источника вольтметра. Преимущество такого метода состоит в очень широком рабочем диапазоне частот (от единиц герц до сотен мегагерц), с весьма хорошей точностью измерения, недостатком является высокая критичность к отклонению формы сигнала от синусоиды.

• ПРИМЕРЫ: В3-49, В3-63 (используется пробник 20 мм)

В настоящее время разработаны новые типы вольтметров, такие как В7-83 (пробник 20 мм) и ВК3-78 (пробник 12 мм), с характеристиками аналогичными диодно-компенсационным. Последние в скором времени могут быть допущены к применению в качестве рабочих эталонов. Из иностранных аналогов можно выделить вольтметры серии URV фирмы Rohde&Schwarz с пробниками диаметром 9 мм.

Импульсные вольтметры

Импульсные вольтметры предназначены для измерения амплитуд периодических импульсных сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов.

Фазочувствительные вольтметры

Фазочувствительные вольтметры (векторметры) служат для измерения квадратурных составляющих комплексных напряжений первой гармоники. Их снабжают двумя индикаторами для отсчета действительной и мнимой составляющих комплексного напряжения. Таким образом, фазочувствительный вольтметр дает возможность определить комплексное напряжение, а также его составляющие, принимая за нуль начальную фазу некоторого опорного напряжения. Фазочувствительные вольтметры очень удобны для исследования амплитудно-фазовых характеристик четырехполюсников, например усилителей.

Селективные вольтметры

Селективный вольтметр способен выделять отдельные гармонические составляющие сигнала сложной формы и определять среднеквадратичное значение их напряжения. По устройству и принципу действия этот вольтметр аналогичен супергетеродинному радиоприёмнику без системы АРУ, в качестве низкочастотных цепей которого используется электронный вольтметр постоянного тока. В комплекте с измерительными антеннами селективный вольтметр можно применять как измерительный приёмник.

• ПРИМЕРЫ: В6-4, В6-6, В6-9, В6-10, SMV 8.5, SMV 11, UNIPAN 233 (237), Селективный нановольтметр «СМАРТ»

Наименования и обозначения

Видовые наименования

• Нановольтметр — вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений (менее 1мкВ)
• Микровольтметр — вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений (менее 1мВ)
• Милливольтметр — вольтметр для измерения малых напряжений (единицы — сотни милливольт)
• Киловольтметр — вольтметр для измерения больших напряжений (более 1 кВ)
• Векторметр — фазочувствительный вольтметр

Обозначения

• Электроизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их принципа действия
  • Дxx — электродинамические вольтметры
  • Мxx — магнитоэлектрические вольтметры
  • Сxx — электростатические вольтметры
  • Тxx — термоэлектрические вольтметры
  • Фxx, Щxx — электронные вольтметры
  • Цxx — вольтметры выпрямительного типа
  • Эxx — электромагнитные вольтметры
• Радиоизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их функционального назначения по ГОСТ 15094
  • В2-xx — вольтметры постоянного тока
  • В3-xx — вольтметры переменного тока
  • В4-xx — вольтметры импульсного тока
  • В5-xx — вольтметры фазочувствительные
  • В6-xx — вольтметры селективные
  • В7-xx — вольтметры универсальные

Основные нормируемые характеристики

Другие средства измерения напряжений и ЭДС

• Для измерения абсолютного значения:
  • Потенциометр — точные измерения компенсационным методом
  • Мультиметр (тестер) — комбинированный прибор для измерения напряжения, силы тока и сопротивления
  • Осциллограф — измерение мгновенных значений напряжения сигнала, изменяющегося во времени; в режиме измерения «с открытым входом» можно измерять и постоянное напряжение.
  • Электрометр — прибор, служащий для измерения электрического потенциала
• Для измерения относительного значения:
  • Измерители отношений напряжений
  • Измерители нестабильности напряжений
• Преобразователи:
• Меры:

См. также

Литература

• Справочник по электроизмерительным приборам // Под ред. К. К. Илюнина — Л.: Энергоатомиздат. — 1983.
• Справочник по радиоизмерительным приборам // В 3-х т.; Под ред. В. С. Насонова — М.:Сов. радио. — 1979.

Нормативно-техническая документация

• ГОСТ 8711-93 (МЭК 51-2-84) Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 2. Особые требования к амперметрам и вольтметрам.
• ГОСТ 8.006-72, ГОСТ 8.012-72, ГОСТ 8.117-82, ГОСТ 8.118-85, ГОСТ 8.119-85, ГОСТ 8.402-80, ГОСТ 8.429-81, ГОСТ 8.497-83 — методики поверки вольтметров разных видов.
• ТУ Тч2.710.010 Вольтметры универсальные цифровые.

Ссылки

Вольтметр — Википедия. Что такое Вольтметр

Два цифровых вольтметра. Верхний — коммерческая модель. Нижний сконструировали студенты Берлинского технического университета

Вольтметр (вольт + греч. μετρεω «измеряю») — измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

Идеальный вольтметр должен обладать бесконечно большим внутренним сопротивлением. Поэтому чем выше внутреннее сопротивление в реальном вольтметре, тем меньше влияния оказывает прибор на измеряемый объект и, следовательно, тем выше точность и разнообразнее области применения.

Классификация и принцип действия

Классификация

• По принципу действия вольтметры разделяются на:
  • электромеханические — магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические;
  • электронные — аналоговые и цифровые
• По назначению:
  • постоянного тока;
  • переменного тока;
  • импульсные;
  • фазочувствительные;
  • селективные;
  • универсальные
• По конструкции и способу применения:
  • щитовые;
  • переносные;
  • стационарные

Аналоговые электромеханические вольтметры

• Магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические и электростатические вольтметры представляют собой измерительные механизмы соответствующих типов с показывающими устройствами. Для увеличения предела измерений используются последовательно включённые добавочные сопротивления. Технические характеристики аналогового вольтметра во многом определяются чувствительностью магнитоэлектрического измерительного прибора. Чем меньше его ток полного отклонения, тем более высокоомные добавочные резисторы можно применить. А значит, входное сопротивление вольтметра будет более высоким. Тем не менее, даже при использовании микроамперметра с током полного отклонения 50 мкА (типичные значения 50..200 мкА), входное сопротивление вольтметра составляет всего 20 кОм/В (20 кОм на пределе измерения 1 В, 200 кОм на пределе 10 В). Это приводит к большим погрешностям измерения в высокоомных цепях (результаты получаются заниженными), например при измерении напряжений на выводах транзисторов и микросхем, и маломощных источников высокого напряжения.
  • ПРИМЕРЫ: М4265, М42305, Э4204, Э4205, Д151, Д5055, С502, С700М
• Выпрямительный вольтметр представляет собой сочетание измерительного прибора, чувствительного к постоянному току (обычно магнитоэлектрического), и выпрямительного устройства.
  • ПРИМЕРЫ: Ц215, Ц1611, Ц4204, Ц4281
• Термоэлектрический вольтметр — прибор, использующий ЭДС одной или более термопар, нагреваемых током входного сигнала.
  • ПРИМЕРЫ: Т16, Т218

Аналоговые электронные вольтметры общего назначения

Аналоговые электронные вольтметры содержат, помимо магнитоэлектрического измерительного прибора и добавочных сопротивлений, измерительный усилитель (постоянного или переменного тока), который позволяет иметь более низкие пределы измерения (до десятков — единиц милливольт и ниже), существенно повысить входное сопротивление прибора, получить линейную шкалу на малых пределах измерения переменного напряжения.

Цифровые электронные вольтметры общего назначения

Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код с помощью аналого-цифрового преобразователя, который отображается на табло в цифровой форме.

Диодно-компенсационные вольтметры переменного тока

Принцип действия диодно-компенсационных вольтметров состоит в сравнении с помощью вакуумного диода пикового значения измеряемого напряжения с эталонным напряжением постоянного тока с внутреннего регулируемого источника вольтметра. Преимущество такого метода состоит в очень широком рабочем диапазоне частот (от единиц герц до сотен мегагерц), с весьма хорошей точностью измерения, недостатком является высокая критичность к отклонению формы сигнала от синусоиды.

• ПРИМЕРЫ: В3-49, В3-63 (используется пробник 20 мм)

В настоящее время разработаны новые типы вольтметров, такие как В7-83 (пробник 20 мм) и ВК3-78 (пробник 12 мм), с характеристиками аналогичными диодно-компенсационным. Последние в скором времени могут быть допущены к применению в качестве рабочих эталонов. Из иностранных аналогов можно выделить вольтметры серии URV фирмы Rohde&Schwarz с пробниками диаметром 9 мм.

Импульсные вольтметры

Импульсные вольтметры предназначены для измерения амплитуд периодических импульсных сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов.

Фазочувствительные вольтметры

Фазочувствительные вольтметры (векторметры) служат для измерения квадратурных составляющих комплексных напряжений первой гармоники. Их снабжают двумя индикаторами для отсчета действительной и мнимой составляющих комплексного напряжения. Таким образом, фазочувствительный вольтметр дает возможность определить комплексное напряжение, а также его составляющие, принимая за нуль начальную фазу некоторого опорного напряжения. Фазочувствительные вольтметры очень удобны для исследования амплитудно-фазовых характеристик четырехполюсников, например усилителей.

Селективные вольтметры

Селективный вольтметр способен выделять отдельные гармонические составляющие сигнала сложной формы и определять среднеквадратичное значение их напряжения. По устройству и принципу действия этот вольтметр аналогичен супергетеродинному радиоприёмнику без системы АРУ, в качестве низкочастотных цепей которого используется электронный вольтметр постоянного тока. В комплекте с измерительными антеннами селективный вольтметр можно применять как измерительный приёмник.

• ПРИМЕРЫ: В6-4, В6-6, В6-9, В6-10, SMV 8.5, SMV 11, UNIPAN 233 (237), Селективный нановольтметр «СМАРТ»

Наименования и обозначения

Видовые наименования

• Нановольтметр — вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений (менее 1мкВ)
• Микровольтметр — вольтметр с возможностью измерения очень малых напряжений (менее 1мВ)
• Милливольтметр — вольтметр для измерения малых напряжений (единицы — сотни милливольт)
• Киловольтметр — вольтметр для измерения больших напряжений (более 1 кВ)
• Векторметр — фазочувствительный вольтметр

Обозначения

• Электроизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их принципа действия
  • Дxx — электродинамические вольтметры
  • Мxx — магнитоэлектрические вольтметры
  • Сxx — электростатические вольтметры
  • Тxx — термоэлектрические вольтметры
  • Фxx, Щxx — электронные вольтметры
  • Цxx — вольтметры выпрямительного типа
  • Эxx — электромагнитные вольтметры
• Радиоизмерительные вольтметры обозначаются в зависимости от их функционального назначения по ГОСТ 15094
  • В2-xx — вольтметры постоянного тока
  • В3-xx — вольтметры переменного тока
  • В4-xx — вольтметры импульсного тока
  • В5-xx — вольтметры фазочувствительные
  • В6-xx — вольтметры селективные
  • В7-xx — вольтметры универсальные

Основные нормируемые характеристики

История

Первым в мире вольтметром был «указатель электрической силы» русского физика Г. В. Рихмана (1745). Принцип действия «указателя» используется в современном электростатическом вольтметре.

См. также

Другие средства измерения напряжений и ЭДС

• Для измерения абсолютного значения:
  • Потенциометр — точные измерения компенсационным методом
  • Мультиметр (тестер) — комбинированный прибор для измерения напряжения, силы тока и сопротивления
  • Осциллограф — измерение мгновенных значений напряжения сигнала, изменяющегося во времени; в режиме измерения «с открытым входом» можно измерять и постоянное напряжение.
  • Электрометр — прибор, служащий для измерения электрического потенциала
• Для измерения относительного значения:
  • Измерители отношений напряжений
  • Измерители нестабильности напряжений
• Преобразователи:
• Меры:

Прочие ссылки

Литература и документация

Литература

• Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К. К. Илюнина — Л.:Энергоатомиздат, 1983
• Справочник по радиоизмерительным приборам: В 3-х т.; Под ред. В. С. Насонова — М.:Сов. радио, 1979

Нормативно-техническая документация

• ГОСТ 8711-93 (МЭК 51-2-84) Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 2. Особые требования к амперметрам и вольтметрам
• ГОСТ 8.006-72, ГОСТ 8.012-72, ГОСТ 8.117-82, ГОСТ 8.118-85, ГОСТ 8.119-85, ГОСТ 8.402-80, ГОСТ 8.429-81, ГОСТ 8.497-83 — методики поверки вольтметров разных видов
• ТУ Тч2.710.010 Вольтметры универсальные цифровые

Ссылки

Вольтметр принцип действия. Электронные вольтметры

Аналоговый электронный вольтметр — измерительный прибор, представляющий собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на лампах, полупроводниковых элементах, интеграль­ных микросхемах, и магнитоэлектрического измерителя.

По назначению аналоговые электронные вольтметры различают: постоянного тока, переменного тока, импульсные тока, фазочувствительные, селективные, универсальные.

Основное назначение аналоговых вольтметров — измерение нап­ряжения в радиоэлектронных цепях.

Электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с маг­нитоэлектрическими вольтметрами имеют очень большое входное сопротивление (порядка 5-10 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.

Вольтметр состоит из входного устройства — высокоомного резистивного делителя напряжения; электронного преобразователя — усилителя постоянного тока; электромеханического преобразова­теля — магнитоэлектрического измерителя.

Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствитель­ности вольтметра, является усилителем мощности, необходимым для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. Он должен обладать высокой линейностью амплитудной характери­стики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нуля.

Линейность амплитудной характеристики обеспечивается пра­вильным выбором режимов работы ламп, транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителях повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность ампли­тудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента усиления.

Для уменьшения дрейфа нуля, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняется по мостовой балансной схеме.

Расширение пределов измерения осуществляется с помощью дели­теля и сопротивления обратной связи.

II АЭВ переменного тока строятся по 2м схемам:

а) , характеризу­ются широким частотным диапазоном 20 Гц — 700 МГц, но недоста­точно высокой чувствительностью.

Вольтметры, построенные по схеме б) , характеризу­ются сравнительно узким частотным диапазоном 10 Гц — 10 МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью.

Универсальные аналоговые электронные вольтметры , предназна­ченные для измерений в цепях постоянного и переменного токов, реализуются так, как показано на рисунке:

Характеристики аналоговых электронных вольтметров перемен­ного тока и характер их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора). Различают преобразо­ватели пикового, средневыпрямленного, среднеквадратичного зна­чений, осуществляющие преобразование переменного напряжения в постоянное, пропорциональное соответственно пиковому (макси­мальному), средневыпрямленному и среднеквадратичному значе­ниям измеряемого напряжения.

Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть либо открытым, либо закрытым (с разделительным конденсатором).

По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхчастотные.

Основные узлы аналоговых электронных вольтметров

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напря­жения, необходимые для дальнейшего преобразования. В зависимо­сти от амплитудного и частотного диа­пазонов измеряемого напряжения вход­ное устройство представляет собой ли­бо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный делитель, либо резистивно-конденсаторный делитель, либо конденсаторный делитель.

Вольтметр Википедия

Два цифровых вольтметра. Верхний — коммерческая модель. Нижний сконструировали студенты Берлинского технического университета

Вольтметр (вольт + греч. μετρεω «измеряю») — электроизмерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

Идеальный вольтметр должен обладать бесконечно большим внутренним сопротивлением. Поэтому чем выше внутреннее сопротивление в реальном вольтметре, тем меньше влияния оказывает прибор на измеряемый объект и, следовательно, тем выше точность и разнообразнее области применения.

История[ | ]

Первым в мире вольтметром был «указатель электрической силы» русского физика Г. В. Рихмана (1745). Принцип действия «указателя» используется в современном электростатическом вольтметре.

Классификация и принцип действия[ | ]

Классификация[ | ]

• По принципу действия вольтметры разделяются на:
  • электромеханические — магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические;
  • электронные — аналоговые и цифровые
• По назначению:
  • постоянного тока;
  • переменного тока;
  • импульсные;
  • фазочувствительные;
  • селективные;
  • универсальные
• По конструкции и способу применения:
  • щитовые;
  • переносные;
  • стационарные

Аналоговые электромеханические вольтметры[ | ]

Частотный диапазон вольтметра. Электронные вольтметры

ЛЕКЦИЯ №5

ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электронные аналоговые приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы и преобразователи применяют при измерениях практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т.д.

Достоинства электронных измерительных приборов:

высокая чувствительность обусловлена применением усилителей;

малое потребление энергии из цепи, в которой производят измерение, что определяется высоким входным сопротивлением данных приборов;

широкий диапазон частот, в котором чувствительность неизменна.

Недостатки :

сложность, обусловленная большим числом деталей и элементов;

необходимость в источниках питания электронных устройств, входящих в прибор;

сравнительно невысокая надежность, обусловленная большим числом элементов.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированный в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 Мом), могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен МГц).

Существуют множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные.

Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 5.1, где ВД – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм; U x – измеряемое напряжение.

Рис. 5.1. Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиления УПТ k УПТ наталкивается на технические трудности из-за нестабильности работы УПТ , характеризующейся изменением k УПТ и самопроизвольным изменением выходного сигнала усилителя (дрейф «нуля»). Поэтому в таких вольтметрах k УПТ ≈1, а основное назначение УПТ – обеспечить большое входное сопротивление вольтметра.

Данная структурная схема вольтметра постоянного тока используется в составе универсальных вольтметров, поскольку при незначительном усложнении – добавлении преобразователя переменного напряжения в постоянное, появляется возможность измерения и переменного напряжения.

Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 5.2), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис. 5.2,а измеряемое напряжение u х , сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ , являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне. В то же время указанные недостатки УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными.

Рис. 5.2. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме рис. 5.2,б , благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, – трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 – 10 МГц).

Различают вольтметры амплитудного, среднего или действующего значения.

Рис. 5.3. Схема (а) и временная диаграмма сигналов преобразователя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 5.3,а ) входом, где u вх и u вых – входное и выходное напряжение преобразователя. Если вольтметр имеет структуру рис. 5.3,а , то для преобразователя u вх =u х . В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального u хmax положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (рис. 5.3,б). Пульсации напряжения u вых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда u вх >u вых , и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда u вх u вых .

Универсальные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема показана на рис. 5.4, где В – переключатель. В зависимости от положения переключателя В вольтметр работает по схеме вольтметра переменного тока с преобразователем П (положение 1 ) или вольтметра постоянного тока (положение 2 ).

Рис. 5.4. Структурная схема универсального вольтметра

В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто предусматривается возможность измерения сопротивлений R х . В таких вольтметрах имеется преобразователь П R , выходное напряжение которого зависит от неизвестного сопротивления: U вых =f(R x ). На основании этой зависимости шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. При измерении резистор с неизвестным сопротивлением подключается к входным зажимам преобразователя, а переключатель ставится в положение 3 .

Импульсные вольтметры. Для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы применяют импульсные вольтметры. Особенности работы импульсных вольтметров определяются малой длительностью τ измеряемых импульсов (от 10-100 нс) и значительной скважностью