Как измерять напряжение?
Тусклый свет от приборов освещения или отказ стиральной машины выполнять свои функциональные обязанности свидетельствует о возможном падении питающего напряжения ниже нормы. В таких случаях необходимо произвести измерение напряжения, что позволит определить его соответствие заданному номиналу электрической сети.
Такая же процедура производится при ремонте электронных приборов, где измеряется падение напряжения на радиодеталях и отдельных участках цепи. Данная процедура выполняется довольно легко, но без понимания физики процесса и особенностей проведения замеров, человек рискует не только повредить дорогостоящее оборудование, но и получить электротравму, поэтому далее мы рассмотрим основные принципы измерения.
Используемые приборы
В каждом доме прибор учета электроэнергии находится в состоянии постоянного измерения переменного напряжения, но крайне редко эти данные где-либо отображаются. Некоторые из них подключаются напрямую, другие через измерительные трансформаторы.
В практических целях для измерения уровня напряжения могут применяться:
- Вольтметры;
- Мультиметры
- Осциллографы.
Вольтметр представляют собой устройство для проверки разности потенциалов. На практике могут встречаться как цифровые, так и аналоговые вольтметры, на которых измеряемое напряжение отображается на дисплее или посредством отклонения стрелки на циферблате соответственно.
Важными параметрами при выборе как электронного, так и стрелочного вольтметра являются единицы измерений (мВ, В, кВ), рабочий диапазон и класс точности. Однако сфера их применения ограничена и применяется, чаще всего, для лабораторных исследований, поскольку в бытовых и производственных нуждах содержать один прибор для измерения одной электрической величины нецелесообразно.
Мультиметр или цифровой тестер является более универсальным прибором, который может работать с несколькими параметрами: электрическим током, сопротивлением, частотой, температурой, напряжением и т.д. Для измерения напряжения мультиметр переключается в режим вольтметра, щупы подключаются к соответствующим разъемам. Конструктивно встречаются и цифровые и аналоговые модели, в некоторых из них можно переключать диапазон измерений, выбирать род тока, в других мультиметрах все эти величины могут подбираться автоматически.
Осциллограф – это довольно сложный прибор для измерения разности потенциалов, так как в нем на цифровом или аналоговом дисплее выводится кривая измеряемой величины. При этом можно растянуть или сократить диапазон частот, чтобы рассмотреть форму импульсных напряжений, длительность импульсов, нарастание и провалы в кривой функции. Поэтому осциллограф для измерения напряжения применяется в электрических цепях и приборах высокой точности, при изготовлении и проверке радиодеталей и т.д. Мало кто держит дома осциллограф из-за высокой стоимости и сложности выполнения операций.
Измерение напряжения в сети
Чтобы правильно выполнить измерение напряжения необходимо четко представлять принцип и объект исследования. Поэтому следует отметить, что напряжение представляет собой такую электрическую величину, которая показывает разность заряда между двумя электрическими точками. К примеру, если в одной точке заряд составит +35 В, а в другой +310 В, то разница между этими точками составит 310 – 35 = 275 В, это и будет напряжение. Соответственно измерение напряжения может производиться только относительно чего-то, поэтому используются сразу две точки.
Рис. 1. Схема измерения напряжения
Если говорить о падении напряжения на каком-либо объекте или участке цепи, то измерение напряжения проводиться относительно концов прибора или цепи, точек подключения и т.д. При этом важно учитывать, что цифровой вольтметр или мультиметр в режиме измерения считается бесконечным сопротивлением или разрывом в цепи.
Падение напряжения возможно только при условии протекания тока, поэтому подключение вольтметров последовательно с измеряемым объектом недопустимо, так как через него перестанет протекать ток. Аналоговый или электронный вольтметр должен подключаться только параллельно по отношению к измеряемому сигналу.
С практической точки зрения следует заметить, что аналоговые модели измерительных приборов имеют входное сопротивление равное 10 – 20 кОм, а современные мультиметры могут похвастаться 1МОм. Так как через сопротивление на входе в измерительное устройство может протекать ток утечки, этот делитель напряжения будет обуславливать снижение точности измерений. Поэтому чем ближе сопротивление на входе к бесконечности, тем более точный прибор вы используете.
Важно отметить, что замеры производятся под напряжением, из-за чего присутствует угроза поражения электротоком. Поэтому важно соблюдать элементарные меры предосторожности. Далее рассмотрим порядок выполнения измерения для постоянного и переменного напряжения.
Постоянного тока
Рис. 2. Измерение напряжения постоянного тока
Для цепи постоянного тока расмотрим порядок измерения напряжения при помощи цифрового мультиметра. Для этого:
- Переведите переключатель мультиметра в положение для постоянного напряжения. На панели обозначается латинской буквой V со значком « = », знаками «+ и – », также может обозначаться аббревиатурой DC.
- Выберете нужный предел измерения, который будет максимально приближен к предполагаемому номиналу, но выше измеряемого.
- Установите щупы в соответствующие разъемы – черный к выводу COM, красный к выводу V.
- Приложите щупы мультиметра сразу к двум точкам – красный к плюсу, черный к минусу. Если вы заранее не знаете положение потенциалов, и показание прибора имеет отрицательное значение, нужно просто поменять полярность подключения.
На дисплее вы увидите показания вольтметра, если значение слишком малое, переключите ручку на меньший предел измерений. Прикладывая щупы, создавайте хорошее усилие, чтобы избежать большого переходного сопротивления, иначе они внесут ощутимую погрешность измерений.
Переменного тока
Рис. 3. Измерение переменного напряжения
В цепи переменного тока бытовой цепи важно учитывать ее опасность из-за номинала в 220/380 В. Поэтому при невозможности подключения мультиметра непосредственно в процессе эксплуатации, его присоединение должно выполняться при отключенном напряжении при помощи «крокодилов».
В остальном процесс измерения идентичен:
- Переключите ручку мультиметра в положение для измерения переменного напряжения. На панели оно обозначается как V со значком «
» или аббревиатурой AC.
На дисплее у вас отобразится действующее значение разности потенциалов, именно оно и является основным для всех расчетов. Но, помимо этого существует и амплитудное значение, которое больше действующего на √2 раз или 1,41 раза.
Реальные примеры измерения напряжения
Наиболее простым примером измерения напряжения в бытовых условиях является пальчиковая батарейка. В ней вам необходимо приложить черный щуп к выводу «– », а красный к выводу « + », позицию переключателя установить на 2 В постоянного напряжения.
Рис. 4. Пример измерения напряжения на батарейке
Если показания для батарейки 1,5 В будут в пределах от 1,6 до 1,2 В, то такой источник питания считается пригодным для всего оборудования, в случае снижения значений до 1 – 0,7 В, от батарейки будут запускаться импульсные устройства, к примеру, часы. Если вольтметр покажет 0,6 В и менее, разряд достиг критического значения.
При измерении разности потенциалов в бытовой сети, вам следует коснуться щупами контактов розетки. Так как изолированная часть щупа имеет ограничительное кольцо, за которым расположен длинный стержень, вы можете безопасно проникнуть в розетку, не рискуя прикоснуться к токоведущим элементам. Допустимыми считаются отклонения от номинала на 10%, то есть от 198 до 142 В.
Также можно замерить разность потенциалов на выходе автомобильного аккумулятора или на другом элементе цепи электрической проводки. Для этого черный щуп мультиметра устанавливается на «– » клемму аккумулятора, а красный на « + » клемму.
Если аккумулятор заряжен, то показания вольтметра должны находиться в пределах от 12 до 14 В, но встречаются модели и с большим разбросом. Такое измерение позволяет диагностировать различные причины неполадок.
Видео по теме
Источник
Измерение малого изменения напряжения
Лабораторная работа №2
Измерения малых напряжений и токов.
Цель работы – ознакомление с методами и средствами измерений малых постоянных и медленно изменяющихся напряжений и токов, получение навыков измерений малых напряжений и обработки результатов измерений.
Особенности измерений малых напряжений и токов. Измерение малых напряжений и токов имеет большое значение во многих областях науки и техники: термометрии, фотометрии, кулонометрии, измерении сопротивлений изоляции, измерении ионизирующих излучений и др. Особенностью измерений малых напряжений и токов является чрезвычайно малая мощность источника сигнала. Используемые в настоящее время приборы для измерения малых напряжений имеют порог чувствительности до 10 -12 В, Мощность, которую измерительные приборы потребляют от объекта измерения, составляет 10 -18 ..10 -20 Вт.
Источники малых напряжений имеют сравнительно (от долей ома до десятков ом) внутреннее сопротивление и развивают напряжение от долей микровольта до нескольких десятков микровольт. Так, например, термоэдс различных материалов с медью изменяется в пределах от 0,1 до 30 мкВ/К, а термоэдс медных проводов различных катушек составляет около 0,01 мкВ/К. Внутреннее сопротивление термопар имеет значение от. 0,01 до 1 Ом, а развиваемая ими мощность лежит в пределах: от 10 -9 до 10 -16 Вт.
Источники малых токов в отличие от источников малых напряжений имеют весьма высокое внутреннее сопротивление — от 10 6 до 10 18 Ом. Они развивают токи от 10 -6 до 10 -16 А. Так, например, фотоэлектрические преобразователи, фото умножители и фотоэлемента генерируют ток от 10 -6 до 10 -12 А и имеют внутреннее сопротивление более 10 13 Ом. На практике обычно считают малыми напряжения менее 1 мкВ и ток менее 1 мкА.
Характеристики приборов для измерения малых напряжений и токов. Кроме характеристик, общих для всех приборов, измеряющих напряжение или ток, приборы для измерения малых значений напряжений и токов характеризуют некоторыми особыми величинами. К ним относят: помехозащищенность приборов, их порог чувствительности, дрейф нулевого уровня, шумы входной цепи и др. Рассмотрим некоторые из этих характеристик.
Помехозащищенность приборов для измерения малых напряжений, и токов. Помехами при измерении постоянных напряжений и токов называют переменные напряжения и токи любой частоты и формы, которые действуют на входных зажимах прибора и искажают результат измерения. Помехи возникают в результате электромагнитных и электростатических наводок, гальванической связи входных целей прибора с паразитными источниками напряжения и тока, термоэдс и контактной разности потенциалов, действующих во входных цепях.
По способу воздействия на входную цепь прибора помехи можно разделить на аддитивные (наложенные) и мультипликативные (модуляционные). Аддитивные помехи могут преобразовываться в мультипликативные при наличии нелинейностей во входных целях.
При исследовании аддитивных помех применим принцип наложения, так как входной сигнал рассматривают как сумму полезного напряжения Ux и напряжения помехи Uп.
При исследовании модуляционных помех принцип наложения неприменим, так как входной сигнал Uх является результатом перемножения напряжения помехи и полезного сигнала.
Мультипликативные помехи проявляются значительно и их влияние на погрешность измерения незначительно.
Аддитивные помехи делят на помехи нормального вида (продольные) и помехи общего вида (поперечные). Помехи нормального вида UН действуют между сигнальными проводами, а помехи общего вида U .возникают в цепях заземления приборов, как показано на рис. 1.
Наиболее эффективно аддитивные помехи ослабляют фильтрацией и интегрированием. С этой целью на входе измерительного прибора включают полосовой фильтр, настроенный на частоту помехи. Если частота помехи неизвестна или изменяется в процессе проведения измерений, то применяют интегрирование.
Интегрирующие цифровые вольтметры эффективно ослабляют помехи нормального вида, наложенные на полезный сигнал, при условии, что полное значение входного напряжения не превышает динамического диапазона входного устройства. Напряжение помехи, подводимое к входу вольтметра, представим в виде
где UH — амплитуда напряжения помехи, jп — начальная фаза помехи, wп- угловая частота помехи.
Интегрирующий вольтметр измеряет среднее значение помехи за время интегрирования Ти , поэтому
Максимальное значение напряжения ошибки от гармонической помехи.
Помехозащищенность определяют напряжения помехи к максимальной погрешности измерения, вызванной этой помехой. Коэффициент ослабления нормальной помехи NMR (normal mode rejection) имеет значение
График зависимости коэффициент ослабления помехи нормального вида от частоты помехи при времени интегрирования 0,1 с и 20 мс приведен на рис.2.
Помехи общего вида, как показано на рис. 1, приложены между заземлённым корпусом измерительного прибора и заземлённым источником сигнала. Напряжение помехи общего вида может быть обусловлено блуждающими по земле токами и составлять десятки и сотни вольт. Для ослабления помех общего вида входную цепь прибора заключают в защитный экран, который подключают в месте заземления источника сигнала.
На рис. 3.а. изображено включение прибора при отсутствие защитного экрана, а на рис. 3.б. – с защитным экраном. Подключение прибора с защитным экраном к источнику сигнала выполняют при помощи двухпроводного экранированного кабеля.
Коэффициент ослабления помехи общего вида CMR (common mode rejection) определяют отношением максимального значения напряжения помехи Uо к максимальной погрешности измерения Uоm , вызванной этой помехой.
В характеристиках приборов обычно указывают коэффициенты ослабления помехи общего вида на постоянном токе или переменном токе промышленной частоты 50 Гц. Для интегрирующих приборов это значение коэффициента ослабления помехи является результатом совместного влияния защитного экрана и интегрирования. Кроме того, коэффициент ослабления помехи измерит при включении между входными зажимами измерительного прибора сопротивления, эквивалентного внутреннему сопротивлению источника сигнала (обычно до 1000 Ом).
Поскольку входные зажимы прибора имеют различные сопротивления утечки на защитный экран, то зажим, имеющий большое сопротивление утечки, называют высокопотенциальным и обозначают буквами ВП, а зажим с меньшим сопротивлением утечки — низко потенциальным и обозначают буквами НП. Номограмма для определения допустимого напряжения помехи общего вида при заданных значениях CMR и погрешности Uom приведена на рис.4
Дрейф нулевого уровня. Существенным недостатком микровольтметров и нановольтметров постоянного тока является дрейф их нулевого уровня»
Дрейф нулевого уровня — это самопроизвольное изменение выходных показаний при отсутствии входного сигнала. Обычно его оценивают эквивалентным входным напряжением, необходимым для возвращения выходного напряжения к первоначальному нулевому уровню.
Дрейф нулевого уровня может быть вызван температурными изменениями или временной нестабильностью, поэтому его разделяют на температурный и временной. Температурный дрейф нулевого уровня оценивают изменением приведенного к входу напряжения при изменении температуры на 1 К. В современных микровольтметрах температурный дрейф составляет 0,1. 0,001 мкВ/К
Временной дрейф нулевого уровня оценивают изменением приведенного к входу напряжения за определенный интервал времени, например за час, или за сутки. У наиболее точных приборов благодаря периодической коррекции нулевого уровня временной и температурный дрейфы значительно снижены и не превышают 0,01 мкВ.
Основными причинами, вызывающими дрейф нулевого уровня, являются термоэдс, возникающие при контакте разнородных материалов во входных цепях, временное старение элементов. Влияние изменений питающих напряжений и др. Для снижения дрейфа нулевого уровня используют температурную стабилизацию входных цепей прибора и напряжений питающих источников, а также периодическую коррекцию нулевого уровня. Так, например, в цифровом вольтметре B7-21 коррекция нулевого уровня прибора выполняется автоматически один раз после ста циклов измерений
Порог чувствительности. Наименьшее значение входного си
гнала, которое может быть обнаружено с помощью данного прибора, называют его порогом чувствительности. Порог чувствительности зависит от шумов входной цепи прибора и дрейфа нулевого уровня.
Порог чувствительности магнитоэлектрического прибора определяется мощностью Pи , потребляемой прибором от объекта измерения. В установившемся режиме эта мощность лежит в пределах от 10 -7 до 10 -9 Вт и определяет минимальное измеряемое напряжение:
которое сопровождается заметным отклонением указателя.
Так, например, порог чувствительности магнитоэлектрического гальванометра М95 на пределе 0,5 мВ составляет 5 мкВ. Для защиты от внешних магнитных к электрических помех измерительный механизм помещен в экран, который соединен с зажимом Э. Для исключения влияния токов утечки на результате намерений экран подключают к одному из зажимов прибора.
Порог чувствительности электронных приборов зависят от шумов электронного усилителя. Применение малошумящих усилителей позволяет получить порог чувствительности около 10 -9 . 10 -10 В. Современные электронные микровольтметры и нановольтметры имеют порог чувствительное» 10 -9 . 10 -10 В.
1. Определение основной погрешности.
2. Определение чувствительности и цены деления приборов.
3. Определение дрейфа нулевого уровня.
4. Определение коэффициента ослабления помехи нормального вида.
5. Определение ослабления помехи общего вида.
6. Определение частотной погрешности.
Порядок выполнения работы.
1. Определение основной погрешности. Основная погрешность определяется ля микровольтметра В2-11. Определение погрешности производится по схеме, изображенной на рис. 5. Для определение погрешности включить приборы и дать им прогреться в течение 10…15 мин. После этого ручкой «Установка нуля» установить нулевое показание прибора В2-11 при включённом источнике напряжения ИРН-64.
Затем включить источник ИРН-64 и произвести поверку микровольтметра В2-11 на двух диапазонов – 100мВ и 100 мкВ. Цифровой вольтметр В7-21 используется в качестве образцового прибора. Результаты измерений заносятся в ф.1.
Источник