Вольтметр

Вольтметр

ВОЛЬТМЕТР, прибор для измерения электрического напряжения между двумя точками электрической цепи, представляющий собой по большей части миллиамперметр (см. Амперметр), последовательно соединенный с добавочным сопротивлением. Пока сопротивление такой цепи не меняется, напряжение на концах ее, по закону Ома, будет пропорционально току, проходящему через миллиамперметр, который поэтому может быть градуирован прямо в вольтах. Для того чтобы общее сопротивление цепи вольтметра не изменялось от нагревания его обмотки или от изменения температуры среды, добавочное сопротивление рассчитывают так, что в нем поглощается большая часть всего измеряемого напряжения, и выполняют это сопротивление из материала с ничтожным температурным коэффициентом.

Вольтметр с подвижной катушкой и постоянным магнитом

Различают: 1) Вольтметры с подвижной катушкой и постоянным магнитом (фиг. 1); эти вольтметры пригодны только для постоянного тока и имеют равномерную шкалу, так как вращающий момент

Voltmetr 2

где α - угловое отклонение стрелки вольтметра, Н - напряженность поля постоянного магнита, i - ток в цепи вольтметра, Е - измеряемое электрическое напряжение. Благодаря большой точности (до 0,2%) такие вольтметры выполняют как в виде щитовых, так и в виде прецизионных лабораторных приборов. Недостатки этих вольтметров: высокая цена и возможность ослабления постоянного магнита.

Вольтметры с мягким железом

2) Вольтметры с мягким железом (электромагнитный) с плоской катушкой (фиг. 2) и с круглой катушкой (фиг. 3) - пригодны для постоянного и переменного тока. Вследствие индуктивности обмотки сопротивление цепи вольтметра будет неодинаково для постоянного и переменного токов, а поэтому и показания вольтметра при одном и том же напряжении в обоих случаях будут относиться, как

Voltmetr 4

где α - показания вольтметра, R - сопротивление обмотки, L - самоиндукция обмотки, r - добавочное сопротивление, w - частота тока. Для того, чтобы вольтметр давал правильные показания при постоянном и переменном токе, необходимо рассчитать добавочное сопротивление так, чтобы разница показаний не превышала точности отсчета по волтметру. Из теории электромагнитного вольтметра с плоской катушкой следует, что вращающий момент:

Voltmetr 5

где Е - напряжение на вольтметре, θ - угол между направлением силовых линий и малой осью лепестка в начальном положении, α - угловое отклонение лепестка.

Вольтметр

На фиг. 4 А - лепесток (эллиптическая пластинка из мягкого железа), В - обмотка, О - ось лепестка и указателя, С - поток магнитных силовых линий. Это уравнение показывает, что: 1) шкала электромагнитного вольтметра неравномерна, 2) чувствительность его меняется вместе с отклонением и зависит от начального расположения лепестка по отношению к обмотке. Последнее свойство электромагнитного вольтметра является весьма ценным, так как позволяет строить вольтметры с наибольшей чувствительностью - другими словами, с наиболее крупными делениями: в начале, середине или конце шкалы, смотря по назначению прибора. Электромагнитный вольтметр обладает очень прочной и простой конструкцией, не боится ударов и перегрузок, является наиболее дешевым типом прибора и имеет самое широкое распространение; выполняется он главным образом в виде щитового прибора. Недостатки его: вольтметр весьма чувствителен к внешнему полю и имеет ошибку гистерезиса в цепи постоянного тока.

3) Вольтметры электродинамические - пригодны для постоянного и переменного тока; шкала неравномерная, М = k1∙Е2, большая чувствительность к внешнему полю; выполняются б. ч. в виде прецизионных приборов переменного тока.

4) Вольтметры тепловые (фиг. 5) - пригодны для постоянного и переменного тока, применяются главным образом для токов большой частоты, так как показания их не зависят от частоты; очень деликатны по своему устройству, боятся ударов и перегрузок, требуют сложных приспособлений для компенсации влияния температуры.

Вольтметры тепловые

5) Вольтметры индукционные с электромагнитным экраном (фиг. 6) и с вращающимся полем - годны только для переменного тока определенной частоты, так как показания сильно зависят от частоты; эти вольтметры выполняются в виде щитовых приборов, имеют сильную и прочную конструкцию.

Вольтметры индукционные с электромагнитным экраном

Кроме перечисленных приборов, являющихся в сущности переградуированными амперметрами, применяются также:

6) Вольтметры электростатические, основанные на притяжении между подвижной и неподвижной обкладками конденсатора, между которыми устанавливают измеряемое напряжение или часть его.

Вольтметры электростатические

На фиг. 7 схематически изображено внутреннее устройство вольтметра электростатического: а и с - неподвижные обкладки, b - подвижная алюминиевая пластинка. Передача движения от пластинки b к стрелке-указателю Z осуществляется при помощи специального устройства. Эти вольтметры не потребляют активной мощности. Они выполняются в виде приборов щитовых или переносного типа, пригодны для постоянного и переменного тока и являются единственным типом прибора, применяющимся при непосредственном измерении высоких напряжений (до 300 kV). При очень больших напряжениях включают последовательно с электростатическим вольтметром емкость, так что измеряемое напряжение распределяется между вольтметром и предвключенной емкостью.

7) Вольтметры термоэлектрические применяют для измерения очень малых напряжений переменного тока.

Вольтметры термоэлектрические

На фиг. 8 изображена схема такого вольтметра: А - прибор с подвижной обмоткой, Т - термопара, К - сопротивление, нагреваемое проходящим током. По конструктивным соображениям, все вольтметры других типов для измерения малых напряжений приходится делать с очень малым сопротивлением, а так как обычно в цепях с малым напряжением действуют и малые токи, то включение такого прибора может нарушить весь исследуемый процесс.

8) Вольтметры ламповые применяют для определения амплитудного напряжения переменного тока. В качестве основной детали прибора использована электронная лампа по следующей схеме (фиг. 9).

Вольтметры ламповые

В цепь анода А включается анодная батарея Ба и миллиамперметр mА. Между нитью накала и сеткой включены вторичная обмотка трансформатора Т и потенциометр Р (делитель напряжения). Включив в цепь нити К батарею накала, получим электронный ток от нити накала к аноду А, который и будет отмечен миллиамперметром. Если теперь будем увеличивать посредством потенциометра отрицательный потенциал на сетке G, то, при некотором соответствующем напряжении Е'С0 электронный ток прекратится. Включив после этого первичную обмотку трансформатора, наложим на постоянный потенциал сетки новый переменный потенциал ±Ех, вследствие чего в цепи миллиамперметра опять появится ток. Для прекращения его нужно изменить постоянный потенциал на сетке. Если новое значение напряжения между нитью и сеткой будет ЕС1, то амплитудное напряжение переменного тока выразится так: Ех = ЕС1 – ЕС0.

Вольтметры строят обычно на небольшие пределы напряжений (от 30 до 120 V), за исключением электростатических; для повышения же предела измерений применяют следующие вспомогательные принадлежности: а) добавочные сопротивления, которые соединяются последовательно с вольтметром и принимают на себя все падение напряжения, излишнее для вольтметра; б) измерительные трансформаторы напряжения, включаемые первичной обмоткой в цепь вместо вольтметра, причем вторичная обмотка замыкается на вольтметре. Коэффициент трансформации трансформатора подбирают примерно так, чтобы он соответствовал отношению номинального напряжения цепи к наибольшему значению шкалы вольтметра.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.