Единица измерения эл напряжения. Ток и напряжение. Виды и правила. Работа и характеристики. Напряжение в цепях трёхфазного тока

Единица измерения напряжения

В начале, мы коротко вспомним понятие напряжения и единицы измерения напряжения. Электрический ток можно рассматривать как направленное движение электронов, вызванное воздействием электрического поля.

Единица измерения напряжения

Чем больше количество перемещающихся электронов, тем больше совершается работа электрическим полем. Кроме тока на работу электрического поля влияет и напряжение.

Эта работа заключается в перемещении электронов из точки с небольшим потенциалом в точку, где заряд электронов больше. Иными словами напряжение можно рассматривать как разность потенциалов, и определяется оно отношением:

U = A/q где: A — выражается в джоулях как работа электрического поля, а q — заряд электронов в кулонах.

Откуда единица измерения напряжения определяется как:

1В = 1 Дж/1Кл. То есть за единицу измерения напряжения принят 1 Вольт.

В электрической сети жилых домов принят стандарт фазного напряжения 220 В или линейного трехфазного напряжения 380 В.

Измерение напряжения мультиметром

Для измерения напряжения необходим мультиметр, тестер или вольтметр. Мультиметром удобно пользоваться при монтаже электропроводки, прозвонки кабелей, ремонте розеток, люстр и выключателей. Таким образом, мультиметр стал необходимым прибором в каждом доме.

Существует три вида напряжения — это переменное напряжение (ACV), постоянное напряжение (DCV) и импульсное. Импульсное напряжение имеет несколько параметров и его лучше проверять осциллографом. Мультиметром можно проверить импульсное напряжение в положении переключателя DCV, но лишь чисто условно. При ремонте импульсных блоков питания пользуются осциллографом.

В квартирах и домах в большинстве электрическая сеть имеет 220 В. Измеряя переменное напряжение, переключатель вида измерений ставят положение V ~. Если измеряемое переменное напряжение известно, то предел измерения ставят соответствующее положение, а если величина его не известна, то переключатель ставят на максимальный предел 750 V.

Положение переключателя при измерении напряжения

Перед измерением напряжения мультиметром, чёрный щуп вставляют в гнездо COM, а красное гнездо в VΩmA. При измерении нельзя касаться руками металлических частей щупов и закорачивать их, во избежание короткого замыкания. Гнездо мультиметра 10А предназначено для измерения постоянного тока до 10А.

При этом красный щуп вставляется в гнездо 10 A, чёрный остается в гнезде COM, а переключатель устанавливается в положении 10 A. При измерении постоянного напряжения щупы ставят в те же гнезда что и при измерении переменного напряжения, а выбор режима измерения ставят в положение V — соответствующего предела.

Используемые гнезда для измерения напряжения

Щупы при этом должны устанавливаться на соответствующую полярность, красный щуп на плюс (+) измеряемого источника, а чёрный на минус (-). Если щупы перепутать, то ничего страшного не произойдет, только мультиметр покажет знак минус (-) перед цифрой. Для переменного напряжения полярность щупов не имеет значения. В быту измерение постоянного напряжения проводят при проверке батареек, аккумуляторов, ремонте бытовой техники.

Как в розетке проверить напряжение мультиметром

Чтобы измерить напряжение в розетке нужно провести те же операции с мультиметром, что и при измерении переменного напряжения. Так как к розетке подведено переменное напряжение 220 В, с некоторым разбросом, то предел измерения ставят в положение 750 V. Черный щуп должен находиться в гнезде COM, а красной в VΩmA. Осторожно, не касаясь руками металлических концов щупов, вставляют их в гнезда розетки. На дисплее высветится сетевое напряжение.

Измерение напряжения в розетке

Мультиметром также, можно определить фазу в розетке. Для этого один щуп прикладывается к заземлению, на третий заземляющий контакт розетки, а другой щуп по очереди вставляется в гнезда розетки, пока на дисплее не появится напряжение сети. В этом гнезде и будет находиться фаза, а в другом нейтраль. Возможен вариант, когда напряжение будет отсутствовать в этой розетке. Это указывает на неисправность самой розетки или в подведенных к ней электрических проводах.

Общие сведения. Необходимость измерения напряжения на практике возникает очень часто. В электротехнических и радиотехнических цепях и устройствах чаще всего измеряют напряжение постоянного и переменного (синусоидального и импульсного) тока.

Напряжение постоянного тока (рис. 3.5, а ) выражается, как . Источниками такого напряжения являются генераторы постоянного тока и химические источники питания.

Рис. 3.5. Временные диаграммы напряжений: постоянного (а), переменного синусоидального (б) и переменного импульсного (в) тока

Напряжение переменного синусоидального тока (рис. 3.5, б ) выражается как и характеризуется среднеквадратичным и амплитудным значениями:

Источниками такого напряжения являются низко- и высокочастотные генераторы , электросеть.

Напряжение переменного импульсного тока (рис. 3.5 в ) характеризуется амплитудным и средним (постоянная составляющая) значениями напряжения. Источником такого напряжения являются импульсные генераторы с сигналом разной формы.

Основной единицей измерения напряжения является вольт (В).

В практике электротехнических измерений широко используются дольные и кратные единицы:

Киловольт (1 кВ - В);

Милливольт (1мВ - В);

Микровольт (1 мкВ - В).

Международные обозначения единиц измерения напряжения приведены в Приложении 1.

В каталоговой классификации электронные вольтметры обознача-ются следующим образом: В1 — образцовые, В2 — постоянного тока, ВЗ — переменного синусоидального тока, В4 — переменной) импульс-ного тока, B5 — фазочувствительные, В6 — селективные, В7 — уни-версальные.

На шкалах аналоговых индикаторов и на лицевых панелях (на пе-реключателях пределов) отечественных и зарубежных электронных и электромеханических вольтметров применяются следующие обо-значения: V — вольтметры, kV — киловольтметры, mV — милливольт-метры, V — микровольтметры.

Измерение напряжения постоянного тока. Для измерения напря-жения постоянного тока используются электромеханические вольт-метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-метры, электронные осциллографы.

Электромеханические вольтметры непосредственной опенки измеряемой величины составляют большой класс приборов аналого-вого типа и имеют следующие достоинства:

Возможность работы без подключения к источнику питания;

Малые габаритные размеры;

Меньшая цена (по сравнению с электронными);

Простота конструкции и удобство эксплуатации.

Чаще всего при электротехнических измерениях в сильноточных цепях используются вольтметры на основе электромагнитной и элек-тродинамической систем, в слаботочных цепях — магнитоэлектриче-ской системы . Поскольку все названные системы сами являются из-мерителями силы тока (амперметрами), то для создания на их основе вольтметров необходимо увеличить внутреннее сопротивление при-бора, т.е. подключить последовательно с измерительным механизмом добавочный резистор (рис. 3.6, а).

Вольтметр подключается к исследуемой цепи параллельно (рис. 3.6, б), и его входное сопротивление должно быть достаточно большим.

Для расширения диапазона измерения вольтметра также использу-ют добавочный резистор, который подключают к прибору последова-тельно (рис. 3.6, в).

Значение сопротивления добавочного резистора определяется по формуле:

Рис. 3.6. Схема создания вольтметра на основе амперметра (а ), подключение вольтметра к нагрузке (6 ), подключение добавочного резистора к вольтметру (в )

(3.8)

Где — число, показывающее, во сколько раз расширяется предел измерения вольтметра:

где — исходный предел измерения;

— новый предел измерения.

Добавочные резисторы, размещенные внутри корпуса прибора, называются внутренними, подключенные к прибору снаружи — внешними. Вольтметры могут быть многопредельными. Между пределом измерения и внутренним сопротивлением многопредельного вольтметра существует прямая зависимость: чем больше предел измерения, тембольше сопротивление вольтметра.

Электромеханические вольтметры имеют следующие недостатки:

Ограниченный диапазон измерения напряжений (даже в многопредельных вольтметрах);

Малое входное сопротивление, следовательно, большое собственное потребление мощности из исследуемой цепи.

Этими недостатками электромеханических вольтметров обусловлено предпочтительное использование для измерения напряжения в электронике электронных вольтметров.

Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока построены по схеме, представленной на рис. 3.7. Входное устройство состоит из эмиттерного повторителя (для увеличения входного сопро-тивления) и аттенюатора — делителя напряжения.

Преимущества электронных аналоговых вольтметров по сравнению с аналоговыми очевидны:

Рис. 3.7. Структурная схема электронного аналогового вольтметра постоянного тока

Широкий диапазон измерения напряжений;

Большое входное сопротивление, следовательно, малое собствен-ное потребление мощности из исследуемой цепи;

Высокая чувствительность благодаря наличию усилителя на входе прибора;

Невозможность перегрузок.

Вместе с тем электронные аналоговые вольтметры имеют ряд не-достатков:

Наличие источников питания, большей частью стабилизирован-ных;

Большая, чем у электромеханических вольтметров, приведенная относительная погрешность (2,5-6%);

Большие массогабаритные размеры, более высокая цена.

В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоян-ного тока применяются недостаточно широко, так как по своим пара-метрам заметно уступают цифровым вольтметрам.

Измерение напряжения переменного тока.

Для измерения напря-жения переменного тока используются электромеханические вольт-метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-метры, электронные осциллографы.

Рассмотрим недорогие и достаточно точные электромеханиче-ские вольтметры. Делать это целесообразно по частотным диапазо-нам.

На промышленных частотах 50, 100, 400 и 1000 Гц широко приме-няются вольтметры электромагнитной, электродинамической, ферро-динамической, выпрямительной, электростатической и термоэлектри-ческой систем.

На низких частотах (до 15-20 кГц) применяются вольтметры вы-прямительной, электростатической и термоэлектрической систем.

На высоких частотах (до единиц — десятков мегагерц) используют-ся приборы электростатической и термоэлектрической систем.

Для электротехнических измерений широко используются универ-сальные приборы — мультиметры.

Мультиметры (тестеры, ампервольтомметры, комбинированные приборы) позволяют измерять множество параметров: силу постоянного и переменного тока, напряжение постоянного и переменного тока, сопро-тивление резисторов, емкость конденсаторов (не все приборы), некото-рые статические параметры маломощных транзисторов ( , , и ).

Мультиметры выпускаются с аналоговым и цифровым отсчетом.

Широкое использование мультиметров объясняется следующими ихпреимуществами:

Многофункциональность, т.е. возможность использования в каче-стве амперметров, вольтметров, омметров, фарадомеров, измерителей параметров маломощных транзисторов:

Широкий диапазон измеряемых параметров благодаря наличию нескольких пределов измерения по каждому параметру;

Возможность использования в качестве переносных приборов, поскольку отсутствует сетевой источник питания;

Небольшие массогабаритные размеры;

Универсальность (возможность измерения переменных и постоянных токов и напряжений),

Мультиметры имеют также ряд недостатков:

Узкий частотный диапазон применимости;

Большое собственное потребление мощности из исследуемой 1 цепи;

Большая приведенная погрешность у аналоговых (1,5; 2,5 и 4) и у цифровых мультиметров;

Непостоянство внутреннего сопротивления на различных пределах 4 измерения силы тока и напряжения.

По отечественной каталоговой классификации мультиметры имеют обозначение Ц43 и далее номер модели, например, Ц4352.

Для определения внутреннего сопротивления аналогового мультиметра на включенном пределе измерения в паспорте прибора может 1 быть приведено удельное сопротивление. Например, в паспорте тестера Ц4341 удельное сопротивление = 16,7 кОм/В, пределы измерения по напряжению постоянного тока составляют 1,5 — 3 — 6 — 15 В.

В этом случае сопротивление мультиметра на пределе 6 В постоянного тока определяют по формуле:

В паспорте прибора могут быть приведены сведения, необходимые для расчета сопротивления по закону Ома .

Если тестер используется как вольтметр, то его входное сопротивление определяется по формуле:

где - выбранный предел измерения;

Значение силы тока в выбранном пределе (указанное на задней пане ли прибора или в его паспорте).

Если тестер используется как амперметр, то его входное сопротив-ление определяется по формуле:

Где — выбранный предел измерения;

— значение напряжения, приведенное на задней панели прибора или в его паспорте.

Например, в паспорте тестера Ц4341 приведено падение напря-жения на приборе, равное 0,3 В в пределах 0,06 — 0,6 — 6 — 60 — 600 мА постоянного тока, и падение напряжения 1,3 В в пределах: 0,3 — 3 — 30 — 300 мА переменного тока. Входное сопротивление мультиметра в пределе 3 мА переменного тока составит

Электронные аналоговые вольтметры переменного тока по-строены по одной из структурных схем (рис. 3.8), которые различа-ются последовательностью расположения основных блоков - усили-теля и преобразователя (детектора) напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Свойства этих вольтметров во многом зависят от выбранной схемы.

Рис. 3.8. Структурные схемы электронных аналоговых вольтметров переменного тока тина У—Д (а ) и типа Д—У (б)

Вольтметры первой группы - типа усилитель-детектор (У—Д) — имеют высокую чувствительность, что связано с наличием дополни-тельного усилителя. Поэтому все микро- и милливольтметры построе-ны по схеме У—Д. Однако частотный диапазон таких вольтметров неширок (до единиц мегагерц), так как создание широкополосного усилителя переменного тока связано с определенными трудностями. Вольтметры типа У—Д относятся к не универсальным (подгруппа ВЗ), т.е. могут измерять только напряжение переменного тока.

Вольтметры второй группы — типа детектор—усилитель (Д—У) -имеют широкий частотный диапазон (до единиц гигагерц) и низкую чувствительность. Вольтметры этого типа относятся к универсаль-ным (подгруппа В7), т.е. измеряют напряжение не только перемен-ного, но и постоянного тока; могут измерять напряжение значитель-ного уровня, так как обеспечить большое усиление с помощью УНТ несложно.

В вольтметрах обоих типов важную функцию выполняют преоб-разователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока — детекторы, которые по функции преобразования входного на-пряжения в выходное можно классифицировать на три типа: ампли-тудного, среднеквадратичного и средневыпрямленного значения.

От типа детектора во многом зависят свойства прибора. Вольт-метры с детектором амплитудного значения являются самыми высо-кочастотными; вольтметры с детектором среднеквадратичного значе-ния позволяют измерять напряжение переменного тока любой формы; вольтметры с детектором средневыпрямленного значения пригодны для измерения напряжения только гармонического сигнала и являют-ся самыми простыми, надежными и недорогими.

Детектор амплитудного значения представляет собой устройство, напряжение на выходе которого соответствует амплитудному значе-нию измеряемого сигнала, что обеспечивается путем запоминания на-пряжения на конденсаторе.

Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно от-фильтровывала полезный сигнал и подавляла нежелательные высоко-частотные гармоники, следует выполнить условие:

Или , (3.12)

где — емкость выходного фильтра;

— сопротивление нагрузки детектора.

Второе условие хорошей работы детектора:

На рисунке 3.9 приведены структурная схема и временные диа-граммы выходного напряжения детектора амплитудного значения с параллельным включением диода и закрытым входом. Детектор с за-крытым входом имеет последовательно включенный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую. Рассмотрим работу та-кого детектора при подаче на его вход синусоидального напряжения .

Рис. 3.9. Структурная схема детектора амплитудного значении параллельным включением диода и закрытым входом (а) и временные диаграммы напряжении (б) При поступлении положительной полуволны синусоиды конденса-тор С заряжается через диод VD, который в открытом состоянии имеет малое сопротивление .

Постоянная времени заряда конден-сатора мала, и конденсатор быстро заряжается до макси-мального значения . При смене полярности входного сигнала диод закрыт и конденсатор медленно разряжается через сопротивление на-грузки , которое выбирается большим — 50-100 МОм.

Таким обра-зом, постоянная разряда оказывается значительно больше периода синусоидального сигнала . В результате конденсатор остается заряженным до напряжения, близкого к .

Изменение напряжения на нагрузочном резисторе определяется разностью амплитуд входного напряжения и напряжения на кон-денсаторе .В результате выходное напряжение бу-дет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения (см. рис. 3.9, б).

Это подтверждается следующими математическими выкладками:

при , , при , при .

Для выделения постоянной составляющей сигнала вы-ход детектора подключен к емкостному фильтру, подавляющему всё остальные гармоники тока.

На основании изложенного следует вывод: чем меньше период ис-следуемого сигнала (чем больше его частота), тем точнее выполняется равенство , что объясняет высокочастотные свойства детектора. При использовании в работе вольтметров с детектором амплитудного значения следует иметь в виду, что эти приборы чаще всего градуиру-ются в среднеквадратичных значениях синусоидального сигнала, т.e показания индикатора прибора равны частному от деления амплитудного значения на коэффициент амплитуды синусоиды:

где — коэффициент амплитуды.

Детектор среднеквадратичного значения (рис. 3.10) преобразу-ет напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, про-порциональное квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения. Следовательно, измерение среднеквадратичного напряжения связано с выполнением трех операций: возведения в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднения его значения и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обеспечивается градуировкой шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного значения сигнала обычно осуществляется диодной ячейкой путем использования квадратичного участка его характеристики.

Рис. 3.10. Детектор среднеквадратичного значения: а — диодная ячейка; б — ВАХ диода

В диодной ячейке VD, R1 (см. рис. 3.10, а) постоянное напряжение приложено к диоду VD таким образом, что он оказывается закры-тым до тех пор, пока измеряемое напряжение () на резисторе R2 не превысит значение .

Начальный участок вольтамперной характеристики диода имеет малую протяженность (см. рис. 3.10, б), поэтому квадратичную часть искусственно удлиняют методом кусочно-линейной аппроксимации путем использования нескольких диодных ячеек.

При конструировании вольтметров среднеквадратичного значения возникают трудности с обеспечением широкого частотного диапазона. Несмотря на это такие вольтметры являются самыми востребованны-ми, так как ими можно измерять напряжение любой сложной формы.

Детектор средневыпрямленного значения преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, пропорциональное средневыпрямленному значению напряжения. Выходной ток измери-тельного прибора с таким детектором аналогичен выходному току вы-прямительной системы.

Напряжения переменного тока, действующие в электронных устройствах, могут изменяться во времени по различным законам. На-пример, напряжение на выходе задающего генератора связного радио-передатчика изменяется по синусоидальному закону, на выходе генера-тора развертки осциллографа импульсы имеют пилообразную форму, синхроимпульсы полного телевизионного сигнала прямоугольные.

На практике приходится проводить измерения в различных участ-ках схем, напряжения в которых могут отличаться по значению и по форме. Измерение напряжения несинусоидальной формы имеет свои особенности, которые необходимо учитывать, чтобы не допустить оши-бок.

Очень важно правильно выбрать тип прибора и способ пересчета показаний вольтметра в значение необходимого параметра измеряемо-го напряжения. Для этого необходимо четко представлять себе, каким образом производится оценка и сравнение напряжений переменного тока и как влияет форма напряжения на значения коэффициентов, свя-зывающих между собой отдельные параметры напряжения.

Критерием оценки напряжения переменного тока любой формы служит связь с соответствующим напряжением постоянного тока по одинаковому эффекту теплового действия (среднеквадратичное зна-чение U ), определяемое выражением

(3.14)

где — период повторения сигнала;

— функция, описывающая закон изменения мгновенного значения на-пряжения. Далеко не всегда в распоряжении оператора может оказаться вольт-метр, с помощью которого можно измерить нужный параметр напряжения. В таком случае необходимый параметр напряжения измеряется косвенно с помощью имеющегося вольтметра, с использованием коэффициентов амплитуды и формы . Рассмотрим пример расчета необходимых параметров напряжения синусоидальной формы.

Необходимо определить амплитудное () и средневыпрямленное () значения напряжения синусоидальной формы вольтметром, градуированным в среднеквадратичных значениях напряжения синусоидальной формы, если прибор показал .

Расчет выполняем следующим образом. Так как вольтметр градуирован в среднеквадратичных значениях , то в приложении 3 для дан-ного прибора показание 10 В соответствует прямому отсчету по шкале среднеквадратичного значения, т.е.

Переменное напряжение характеризуется средним, амплитудным) (максимальным) и среднеквадратичным значениями.

Среднее значение (постоянная составляющая) за период переменного напряжения:

(3.15)

Максимальное значение — это наибольшее мгновенное значение переменного напряжения за период сигнала:

Средневыпрямленное значение — это среднее напряжение на вы-ходе двухполупериодного выпрямителя, имеющего на входе перемен-ное напряжение :

(3.17)

Соотношение среднеквадратичного, среднего и максимального зна-чений напряжения переменного тока зависит от его формы и в общем виде определяются двумя коэффициентами:

(коэффициент амплитуды), (3.18)

(коэффициент формы). (3.19)

Значения этих коэффициентов для напряжений разной формы иих соотношения приведены в табл. 3.1

Таблица 3.1

Значения и для напряжений разной формы

Примечание , - скважность: .

В ряде приборов напряжение оценивают не в абсолютных единицах измерения (В, мВ, мкВ), а в относительной логарифмической единице — децибеле (dB, или дБ). Для упрощения перехода абсолютных единиц в относительную и, наоборот, большинство аналоговых вольте метров (автономных и встроенных в другие приборы: генераторы, мультиметры, измерители нелинейных искажений) наряду с обычной шкалой имеют децибельную. Эта шкала отличается четко выраженной нелинейностью, что при необходимости позволяет получать результат сразу в децибелах, без соответствующих расчетов и применения таблиц перевода. Чаще всего у таких приборов нуль шкалы децибел соответствует входному напряжению 0,775 В.

Напряжение больше условного нулевого уровня характеризуется положительными децибелами, меньше этого уровня — отрицательными. На переключателе пределов каждый поддиапазон измерения отличается по уровню от соседнего на 10 дБ, что соответствует кратности по напряжению 3,16. Показания, снятые по шкале децибел, алгебраически складываются с показаниями на переключателе пределов измерения, а не перемножаются, как в случае абсолютного отсчета напряжений.

Например, переключатель пределов установлен на «- 10 dB», при этом стрелка индикатора установилась на отметку «- 0,5 dB». Суммар-ный уровень составит: ---- 10 + (- 0,5) = - 10,5 dB, И основу перевода напряжения из абсолютных значений в относительные положена формула

(3.20)

Где = 0,775В.

Поскольку бел — большая единица, то на практике применяют дольную (десятую) часть бела — децибел.

Импульсные и цифровые вольтметры. При измерении импульсных напряжений с малой амплитудой применяют предварительное усиление импульсов. Структурная схема аналогового импульсного вольтметра (рис. 3.11) состоит из выносного пробника с эмиттерным повторителем, аттенюатора, широкополосного предварительного усилителя, детектора амплитудного значения, усилителя постоянного тока (УПТ) и электромеханического индикатора. Вольтметры, реа-лизованные по этой схеме, непосредственно измеряют напряжения 1 мВ - 3 В с погрешностью ± (4 — 10)%, длительностью импульсов 1 - 200 мкс и скважностью 100 ... 2500.

Рис. 3.11.т Структурная схема импульсного вольтметра

Для измерения малых напряжений в широком диапазоне длитель-ностей (от наносекунд до миллисекунд) применяют вольтметры, рабо-тающие на основе автокомпенсационного метода.

Электронные цифровые вольтметры имеют существенные преиму-щества перед аналоговыми:

Высокая скорость измерений;

Исключение возможности возникновения субъективной ошибки оператора;

Малая приведенная погрешность.

Благодаря этим преимуществам цифровые электронные вольтмет-ры широко используются для измерения. На рисунке 3.12 приведена упрощенная структурная схема цифрового вольтметра.

Рис. 3.12. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство предназначено для создания большого вход-ного сопротивления, выбора пределов измерения, ослабления помех, автоматического определения полярности измеряемого напряжения постоянного тока. В вольтметрах переменного тока входное устрой-ство включает в себя также преобразователь напряжения перемен-ного тока в постоянный.

С выхода входного устройства измеряемое напряжение подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором напряжение преобразуется в цифровой (дискретный) сигнал в виде электрического кода или импульсов, количество которых про-порционально измеряемому напряжению. Результат появляется на табло цифрового индикатора. Работой всех блоков управляет устрой-ство управления.

Цифровые вольтметры в зависимости от типа АЦП подразделяют-ся на четыре группы: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотно-импульсные, пространственного кодирования.

В настоящее время широко применяются цифровые времяимпульсные вольтметры , преобразователи которых выполняют промежуточное преобразование измеряемого напряжения в пропорцио-нальный интервал времени, заполняемый импульсами с известной частотой повторения. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на входе АЦП имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально измеряе-мому напряжению.

Погрешность времяимпульсных вольтметров определяется погрешностью дискретизации измеряемого сигнала, нестабильностью частоты счетных импульсов, наличием порога чувствительности схемы сравнения, нелинейностью преобразованного напряжения на входе схемы сравнения.

Различают несколько вариантов схемотехнических решений при построении времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим принцип работы время импульсного вольтметра с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

На рисунке 3.13 представлены структурная схема цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Дискретный сигнал измерительной информации па выходе преоб-разователя имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально значению входного напряжения . С выхода ГЛИН на входы 1 устройств сравнения поступает линейно нарастающее во времени напряжение . Вход 2 устройства сравнения II соединен с корпусом.

В момент равенства на входе устройства сравнения II и на его выходе возникает импульс, который подается на единичный вход триггера (Т), вызывая появление сигнала на его выходе. Триггер возвращается в исходное положение импульсом, поступающим с выхода устройства сравнения II. Этот сигнал появляется в момент равенства линейно нарастающего напряжения и измеряемого . Сформированный таким образом сигнал длительностью (где — коэффициент преобразования) подается на вход 1 схемы логиче-ского умножения И, а на вход 2 поступает сигнал с генератора счетных импульсов (ГСИ). Импульсы следуют с частотой . Импульсный сигнал появляется тогда, когда на обоих входах есть импульсы, т.е. счетные импульсы проходят при наличии сигнала на выходе триггера.

Рис. 3.13. Структурная схема (а) ивременное диаграммы (б) цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН

Счетчик импульсов подсчитывает количество прошедших импуль-сов (с учетом коэффициента преобразования). Результат измерения отображается на табло цифрового индикатора (ЦИ). Приве-денная формула не учитывает погрешность дискретности из-за несовпа-дения появления счетных импульсов с началом и концом интервала

Кроме того, большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования . В результате цифровые время импульсные вольтметры с ГЛИН являются наименее точными среди цифровых вольтметров.

Цифровые вольтметры с двойным интегрированием отличаются от времяимпульсных вольтметров принципом работ Ы. В них в тече-ние времени цикла измерения формируются два временных интервала — и . В первом интервале обеспечивается интегрирование измеряемого напряжения , во втором — опорного напряжения. Вре-мя цикла измерения предварительно устанавливают кратным периоду действующей на входе помехи, что приводит к улучшению помехоустойчивости вольтметра.

На рисунке 3.14 приведены структурная схема цифрового вольтме-тра с двойным интегрированием и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Рис. 3.14. Структурная схема (а) и временные диаграммы (6) цифрового вольтметра с двойным интегрированием

При (в момент начала измерения) управляющее устройство вырабатывает калиброванный импульс с длительностью

, (3.21) переводит ключ в положение 2 и от источника образцового напряжения (ИОН) в интегратор подает-ся образцовое отрицательное напряжение становится равным нулю, устройство сравнения выдает сигнал, по-ступающий на триггер, и возвращает последний в исходное состояние. На выходе триггера сформированный импульс напряжения

; ; (3.25)

Из полученных соотношений следует, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения, а не от нескольких параметров (как в кодоимпульсном вольт метре), но здесь также имеет место погрешность дискретности.

Преимуществами вольтметра с двойным интегрированием являются высокая помехозащищенность и более высокий класс точ-ности (0,005-0,02%) по сравнению с вольтметрами с ГЛИН.

Цифровые вольтметры со встроенным микропроцессором являются комбинированными и относятся к вольтметрам наивысшего класса точности. Принцип их работы основан на методах поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

Микропроцессор и дополнительные преобразователи, включенные в схему такого вольтметра, расширяют возможности при-бора, делая его универсальным в части измерения большого числа параметров. Такие вольтметры измеряют напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление резисторов, часто-ту колебаний и другие параметры. При использовании совместное с осциллографом могут измерять временные параметры: период, длительность импульсов и т.д. Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекциям погрешности измерений, диагностику отказов, автоматическую калибровку.

На рисунке 3.15 приведена структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором.

Рис. 3.15. Структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором

С помощью соответствующих преобразователей блок нормали-зации сигналов приводит входные измеряемые параметры (97 стр) к унифицированному сигналу , поступающему на вход АЦП, ко-торый выполняет преобразование методом двойного интегрирования. Выбор режима работы вольтметра для заданного вида измерений осу-ществляет блок управления АЦП с дисплеем. Этот же блок обеспечи-вает нужную конфигурацию системы измерения.

Микропроцессор является основой блока управления и связан с другими блоками через сдвигающие регистры. С помощью клавиа-туры, находящейся на панели управления, обеспечивается управление микропроцессором. Управление может осуществляться также и через стандартный интерфейс подключаемого канала связи. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится программа работы микро-процессора, которая реализуется с помощью оперативного запомина-ющего устройства (ОЗУ).

Встроенные высокостабильные и точные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель (ДУ) и ряд внеш-них элементов (аттенюатор, устройство выбора режима, блок опорного напряжения ) выполняют непосредственно измерения. Все блоки синхронизируются сигналами от генератора тактовых импульсов.

Включение в схему вольтметра микропроцессора и ряда дополнительных преобразователей позволяет выполнять автоматическую коррекцию погрешностей, автоматическую калибровку и диагностику отказов.

Основными параметрами цифровых вольтметров являются точность преобразования, время преобразования, пределы изменения входной величины, чувствительность.

Точность преобразования определяется погрешностью квантова-ния по уровню, характеризуемой числом разрядов в выходном коде.

Погрешность цифрового вольтметра имеет две составляющие. Пер-вая составляющая (мультипликативная) зависит от измеряемой вели-чины, вторая составляющая (аддитивная) не зависит от измеряемой величины.

Такое представление связано с дискретным принципом измерения аналоговой величины, так как в процессе квантования возникает абсо-лютная погрешность, обусловленная конечным числом уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения выражается как

знаков) или ( знаков), (3.27)

где — действительная относительная погрешность измерения;

— значение измеряемого напряжения;

— конечное значение на выбранном пределе измерения;

т знаков — значение, определяемое единицей младшего разряда ЦИ (аддитивная погрешность дискретности). Основную действительную относительную погрешность измере-ния можно представить и в другом виде:

(3.2)

Где a, b — постоянные числа, характеризующие класс точности прибора.

Первое слагаемое погрешности (а) не зависит от показаний при-бора, а второе (b) увеличивается при уменьшении .

Время преобразования — это время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Пределы изменения входной величины — это диапазоны преобразования входной величины, которые полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.

Чувствительность (разрешающая способность) — это наименьшее различимое преобразователем изменение значения входной величины.

К основным метрологическим характеристикам вольтметров, которые необходимо знать для правильного выбора прибора, относятся следующие характеристики:

Параметр измеряемого напряжения (среднеквадратичное, ампли-тудное);

Диапазон измерения напряжения;

Частотный диапазон;

Допустимая погрешность измерений;

Входной импеданс ().

Эти характеристики приводятся в техническом описании и паспор-те прибора.

В современном быту, строительстве и других сферах жизни человека огромную роль играет энергия, которая необходима для приведения в движение различных механизмов, производственных станков и инструментов. Электрическое напряжение, или как его принято называть в народе ток, занимает первое место среди ресурсов снабжения, поэтому человек во многом зависит от бесперебойной подачи электричества правильного номинала. В данной статье рассмотрено определение электрического напряжения, его формула, а также, от чего зависит и на что влияет данный показатель.

Что такое напряжение

Электрическое напряжение – это работа, которая необходима для подачи заряда электрическим полем от поставщика до потребляемого прибора по проводам или без них. Проще говоря, это величина силы, потраченной для доставки определенного заряда тока по проводнику от одного конца на другой. Без напряжения не будет перемещения заряженных частиц, а, следовательно, ток не будет поступать к потребителю, номинальная величина в цепи будет равна нулю.

Электрическим током заряжены все элементы и предметы, которые окружают человека, разница лишь в величине напряжения – у некоторых вещей данный показатель минимален и фактически не заметен, у других – наличие тока более выражено. За долгие годы исследований ученые изобрели множество приборов, которые способны вырабатывать электрический ток различного напряжения и силы, начиная от малогабаритных и заканчивая крупными электростанциями, питающими целые города. Электрическое напряжение напрямую связано с силой тока: чем выше напряжение, тем выше будет величина силы тока.

Для более точного понимания определения напряжения тока необходимо разобраться в физике образования электричества в целом. Откуда берется электрический ток?

Все предметы и вещества состоят из атомов с положительным зарядом, число которых равно числу вращающихся вокруг них отрицательно заряженных частиц. Проще говоря, количество электронов равно количеству нейтронов. Чтобы возникло напряжение в сети, из ядра извлекаются некоторые электроны, возникает разряжение, и оставшиеся частицы пытаются восполнить пробел путем притяжения электронов снаружи, возникает положительный заряд. Если же добавить электроны в атом, возникнет переизбыток, и образуется отрицательное энергетическое поле.

В результате такого взаимодействия возникают положительный и отрицательный потенциалы, и чем больше контакта у этих элементов, тем выше сила и напряжение электрического тока. При соединении указанных потенциалов образуется энергетическое поле, которое увеличивается при повышении количества заряженных атомов внутри себя.

Формула для вычисления напряжения тока выглядит следующим образом:

• U – это само напряжение,
• A – работа, необходимая для перемещения заряда,
• Q – отрезок расстояния, на которое перемещается заряженный атом.

Таким образом, можно сделать вывод, что сила тока на протяжении всей цепи будет одинаковой, а напряжение на каждом из участков будет разным, в зависимости от нагрузки на данный отрезок. Как известно, энергия не возникает из ниоткуда и не пропадает в неизвестном направлении, поэтому при повышении напряжения на определенном участке провода избыточный ток выражается в тепловой нагрузке, проще говоря, материал, из которого изготовлен проводник, начинает греться.

От чего зависит напряжение

Существует три основных фактора, влияющих на норматив напряжения электрических токов, среди которых:

1. Материал, из которого выполнен проводник. Для решения определенных задач существуют различные типы проводов, чаще всего можно встретить медные или алюминиевые изделия различного сечения и наружной оболочки. Наружная обмотка таких проводов бывает также из множества материалов, защитных и декоративных, например, ПВХ пленка или резиновая защита. Такая обработка позволяет использовать проводку в любых условиях, в том числе для организации наружного освещения;
2. Температуры использования проводника;
3. Уровня сопротивления электрического тока на данном участке. Данная величина зависит от свойств проводимости кабеля или иного предмета, подключенного к сети, и способности к беспрепятственному пропуску атомов через себя. Существуют материалы с нулевым сопротивлением или полностью диэлектрические, то есть не способные проводить электрический ток любого напряжения.

Ток и его напряжение напрямую зависят друг от друга, поэтому и их обозначения одинаковы. Напряжение тока измеряется в Вольтах и обозначается буквой В. Вольт выражается в разности положительного и отрицательного потенциалов на двух удаленных от друг друга точках поля, силы которого совершают усилия, равные одному Дж, при доставке заряда от одного отрезка к конечному. Номинал единицы заряда равен одному Кл, таким образом, обозначение 220 Вольт включает в себя понятие, что данная сеть способна потратить энергию в 220 Дж для транспортировки зарядов от входной точки до потребителя, это и называется электрическим напряжением в сети.

Виды напряжения электрического тока

Что такое электрическое напряжение, описывается в учебниках по физике, там же приводится его классификация на основании временного промежутка подачи энергии. По данному признаку напряжение бывает:

1. Постоянное – это когда на одном конце проводника ток и электрическое напряжение положительные, а на другом – отрицательные, и их значение направлено в одну сторону. Чаще всего такая система встречается в автономных батареях слабой и средней мощности;

Важно! Случайная или умышленная замена полярностей может привести к выходу из строя прибора, а также короткому замыканию при соединении нескольких элементов, осуществлять это нужно последовательно, стыкуя минусовый контакт к плюсовому. Синусоида при постоянном токе будет ровной без рывков и волн.

1. Переменный ток и электрическое напряжение отличаются от постоянных тем, что у них может быть несколько направлений, например, при частой замене потенциалов полярностей или их перемещении возникает обратное движение заряда, частота данного действия и будет показателем переменного тока. Чаще всего данную систему используют для транспортировки электричества по проводнику на большие расстояния, так как потери тока минимальны, следовательно, и напряжение не уменьшается. Также переменный ток используется в трехфазных двигателях и при доставке постоянного тока на трансформатор для его последующего разделения. Синусоида переменного тока выглядит неровной, волнообразной, с множественными скачками. Существуют формула и механизмы, которые используются для преобразования переменного тока в постоянный, это возможно при наличии конденсаторов и диодного моста.

Между фазами переменного тока также существуют свои показатели, в данном случае напряжение равно 380В, по количеству разности потенциалов в трехфазной сети. В сети напряженностью 220В всего два провода: один – с несущей фазой, второй – с нулем, также для безопасности добавляется кабель заземления. В трехфазной сети имеется четыре жилы, и один дополнительный заземляющий провод, в сумме напряжение всех трех фаз составляет 380В.

Меры предосторожности

Ток и электрическое напряжение являются источником повышенной опасности, поэтому при работе и эксплуатации данного типа энергии необходимо соблюдать нормы и правила безопасности, не допускать аварийных ситуаций и обеспечить все приборы автоматической системой отключения питания.

Запрещается работать с проводкой, находящейся под напряжением, или без устройства для заземления. В случае возникновения короткого замыкания необходимо отключить все приборы от сети и предотвратить возгорание обмотки двигателя или кабеля.

Видео

Чем напряжение отличается от силы тока, сопротивления и мощности, можно воспользоваться такой аналогией. Представьте себе трубу, к которой приложено определенное давление газа или жидкости. Это давление - напряжения. От давления и будет зависеть количество вещества, проходящего через трубу за единицу времени. Здесь - аналог сопротивления, а количество вещества, проходящего через трубу за единицу времени - аналог силы тока. При этом, на трубе будет выделяться в виде тепла определенная мощность по причине трения. Это аналог тепловой мощности, выделяющейся на проводнике с током.

Напряжение измеряется в вольтах. Эта названа в честь итальянского ученого Алессандро Вольта, изобретателя одного из видов электрохимических источников тока. Тысяча вольт называется киловольтом, миллион вольт - киловольтом. Тысячная доля вольта носит название милливольта, миллионная - микровольтом.

Напряжение бывает постоянным и переменным. Во втором случае оно периодически меняет полярность с определенной частотой. У переменного напряжения имеется два значения: амплитудное и действующее. Первое характеризует размах колебаний, а второе - эквивалентное постоянное напряжение, которое выделило бы на такой же нагрузке ту же мощность. Соотношение между амплитудным и действующим значениями напряжения зависит от его формы. У синусоидального однофазного напряжения амплитудное значение превышает действующее в количество раз, равное корню из двух.

Понятие «опасное напряжение» не совсем верное. Опасность воздействия электричества на человека зависит не от напряжения, а от силы тока. Другое дело, что кожа имеет определенное сопротивление, и поэтому опасный ток в ней может возникнуть при определенном значении напряжения. Кожа разных людей имеет различное сопротивление, также оно зависит от психического и физического состояния. Поэтому порог опасного напряжения может меняться даже у одного и того же человека. При определенном напряжении кожа пробивается, и к источнику оказывается приложено значительно меньшее сопротивление подкожных слоев, что еще опаснее.

Помимо электрического существует также механическое напряжение. Оно возникает в конструкциях, к которым приложены внешние механические воздействия. К тому же, в некоторых конструкциях могут возникать еще на этапе изготовления внутренние напряжения. Если изготовить объект из прозрачного материала и поместить между двумя поляризаторами, можно определить наличие в них таких напряжений. А в переносном смысле напряжением называют напряженное состояние психики человека.